The identification of a seismo-ionospheric phenomenon based on Swarm satellite data
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摘要: 为进一步探索基于多颗卫星观测数据的地震电离层现象识别，利用Swarm星座三颗卫星观测的电子密度数据和磁场数据，对已报道的2017年11月12日伊朗MW7.3地震震前第9天震中附近的一次地震电离层扰动现象进行辨识。通过分析三颗卫星相邻轨道的电离层扰动特征，获得了异常扰动存在的空间范围；利用Swarm星座三颗卫星轨道的时间和空间差异，计算出异常扰动在空间中可能的传播特征；使用同步观测的磁场数据判断其电磁辐射特性。最终根据现有对地震电离层耦合的认知，并结合分析的结果，认为该扰动为非震源发出的声重波扰动，非沿纬向传播的电离层行波扰动，非同步电磁辐射引发扰动，而是与伊朗MW7.3地震孕育活动无关的一次高纬度强烈电离层活动所引起的扰动变化。Abstract: In order to explore the identification of the seismo-ionospheric phenomena based on the data from several satellites, the electron density data and magnetic field data observed by three satellites in the Swarm constellation were used to analyse the ionospheric disturbances 9 days before the Iran MW7.3 earthquake occurred on November 12, 2017. The spatial range of the abnormal disturbance was judged by analysis of the adjacent orbits data. The possible spatial propagation characteristics of the disturbances were calculated through the time and space difference of three satellites orbits of Swarm constellation. The electromagnetic radiation characteristics are determined by using synchronous magnetic field observation data. Finally, according to the current knowledge of seismo-ionospheric coupling and combining with the analysis results, we can come to this conclusion that the ionospheric disturbance was neither acoustic gravity wave （AGW） caused by seismic activity, nor the traveling ionospheric disturbance （TID） of the ionosphere, nor the disturbance caused by electromagnetic radiation, but a disturbance caused by strong high latitude ionospheric activity which is unrelated to the seismic activity.
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Keywords:
- seismo-ionospheric phenomena /
- ionospheric disturbance /
- earthquake /
- Swarm satellite
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引言
地震是十分复杂的非线性动力学过程，在从孕育到发生的过程中产生了一系列复杂的地球物理、地球化学效应，形成多种可观测到的外在变化表象（丁鉴海等，2006）。地震电离层现象就是其中的一种，它是岩石圈-大气层-电离层通过某种途径耦合的结果。自Moore （1964）及Davies和Baker （1965）首次报道与1964年美国阿拉斯加地震相关的电离层异常扰动现象后，关于地震电离层现象的研究便揭开了序幕。随着观测资料的丰富和积累，多种电离层观测参量被应用到地震电离层现象研究中：例如电离层电子密度总含量（total electron content，缩写为TEC）（Calais，Minster，1995；Zaslavski et al，1998；Liu et al，2004；熊晶等，2010；王泽民等，2016；张明敏等，2018），电离层D层的带电粒子密度和层高（Kim，Hegai，1999；Yoshida et al，2008），电离层E层和Es层的带电粒子密度及Es层出现频次（Ondoh，Hayakawa，1999，2002；Liperovsky，2005），电离层F2层的电子密度峰值（NmF2）和层高（hmF2）（Chuo et al，2001；Pulinets，Boyarchuk，2004；蔡军涛等，2007；熊晶等，2008；Ondoh，2009），其它等离子体密度和温度（Hayakawa et al，2000；Molchanov et al，2002；张学民等，2009b；Heki，2011；Cahyadi，Heki，2013），磁场和电场（Chmyrev et al，1989；Larkina et al，1989；余素荣等，2004；Parrot et al，2006a；张学民等，2009a，2011；泽仁志玛等，2012；钱庚等，2016；De Santis et al，2017），高能粒子（Aleksandrin et al，2003；Sgrigna et al，2005；黄建平等，2010；Fidani et al，2010；张学民等，2014）等等。如今地震电离层现象已经越来越受到关注，成为地震学与空间电离层物理学交叉的热门学科，被认为是捕捉地震短临信息比较有前景的手段之一（Parrot，Li，2017）。
随着空间卫星观测技术的发展，许多卫星都搭载了电离层等离子体原位探测设备，能够比较容易地获得电离层参量数据，尤其是电离层电（离）子密度（Ne或Ni）和温度（Te或Ti）。因此，基于卫星观测的电（离）子密度和温度数据的地震电离层现象研究工作也比较丰富。回顾以往基于电离层电（离）子密度和温度对地震电离层现象的研究，地震电离层异常通常出现在震前距离地震较近的区域，但异常的出现位置、出现时间、持续时间、强度以及正或负等特征又各不相同：有震前电子、离子密度增强的异常（Parrot et al，2006b；Sarkar et al，2007；欧阳新艳等，2008，2011；Liu et al，2011）；有震前电子、离子密度减弱的异常（Liu et al，2010）；也有在震前不同天数里既有增强又有减弱的异常（刘静等，2011；吴云等，2011）；有电子、离子温度升高的异常变化（泽仁志玛等，2010），也有电子、离子温度降低的变化（朱荣等，2008）；还有震前不同天里的电子、离子温度有升高又有降低的变化（刘静等，2013）；还有在远离震中的地磁赤道上空和震中共轭区上空也能观测到等离子体密度和温度的异常变化（Pulinets，Legen′Ka，2003；刘静等，2009）。此外，还有其它等离子体参量，例如H+，He+，O+等，在震前出现密度增强或离子成分发生相对变化的现象（Parrot et al，2006b；张学民等，2009b；焦其松等，2011；Tao et al，2017）。总之，地震电离层现象极其复杂。
以往使用卫星观测数据的地震电离层现象研究，大都是基于单颗卫星的观测数据。由于单颗卫星存在过境时间短，相邻轨道跨度大，重访轨道周期长（通常16天）的特点，无法及时的对某一观测现象进行重复观测或确认，从而使异常的确认变得十分困难。近年来欧洲航天局（European Space Agency，缩写为ESA）成功发射了Swarm星座，该星座由三颗载有相同测量仪器的卫星组成。由多颗卫星组成星座的联合观测，相比于单颗卫星观测具有更大的优势，能完成更高效的观测，可以实现在一天内便对全球有很好的覆盖，具备更高的空间分辨，提高异常信息提取的能力，也为地震电离层现象的研究提供了一个新途径。本文拟利用Swarm星座三颗卫星观测到的电子密度数据和磁场数据，结合星座观测的特点，对近年来发生的一次内陆地震进行分析，根据三颗卫星轨道运行特点来计算、提取和判断扰动事件与地震事件的相关性。
1. 数据及分析方法
Swarm星座是欧洲航天局（ESA）第一个用于地球系统观测的星座计划，其主要科学目标是研究地球磁场的精细结构、地球磁场的动力学及其与地球系统的相互作用（Friis-Christensen et al，2006；Olsen，2013）。该星座由三颗搭载相同观测设备的卫星A （Alpha），B （Bravo）和C （Charlie）组成，于2013年11月22日发射进入近极轨道，并于2014年4月17日最终完成星座任务的调试。Swarm A和Swarm C两颗卫星几乎并排飞行，在赤道处经度相差1.4°，轨道初始高度为462 km，轨道倾角为87.35°；Swarm B星轨道初始高度为511 km，倾角为87.75°。三颗卫星轨道可以实现在一天内对全球很好的覆盖，大大提高观测数据的空间分辨率。Swarm星座主要任务是地磁场测量，每颗卫星上都搭载了高精度磁力仪，此外还装备了其它几个传感器用以完备卫星的有效载荷，特别是粒子传感器（Langmuir探测器），这为地震电离层现象的研究提供了一个新途径。研究中使用的Swarm星座观测的电离层电子密度及其辅助数据源自Swarm星座任务网站（European Space Agency，2020），用于辅助判别地震电离层扰动现象的太阳和地磁活动指数。例如：表征太阳活动水平的波长10.7 cm的射电辐射通量F10.7，源自加拿大空间天气网站（Natural Resources Canada，2020）；公认为全球地磁活动的指标Kp、描述地磁亚爆与极光区电急流活动AE和描述受高空环流系统影响的地磁活动Dst，源于世界数据中心（World Data Center for Geomagnetism，2020）。
因Swarm A和Swarm C两颗卫星轨道面进动速度与Swarm B星的不同，轨道面之间存在的夹角随时间逐渐变化，所以Swarm A和Swarm C两颗卫星的地方时与Swarm B星的地方时之间的时差也在逐渐变化。在不同年份里时差也不同，至2019年该时差约为6个小时（图1）。此外，Swarm A和Swarm C两颗卫星并不是完全并排飞行，经过相同纬度时存在2—10 s的时差。因此，当经过地面同一研究区域上空时，三颗卫星的观测数据存在一定的时间延迟。对于该研究区域而言，则可以认为在较短时间内完成对同一地点的重复测量，更有利于地震电离层异常现象的确认。
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图 1 Swarm星座三颗卫星地方时t与世界时（年份）的对应关系Figure 1. The correspondence between local time t and universal time （year） of the three satellites in Swarm constellation利用卫星观测数据对地震电离层扰动进行分析时，通常的方法是分析卫星原位观测数据的扰动变化，或者分析卫星原位观测数据相对于某一参考背景的变化。为有效地避免电离层高动态结构变化的影响，关注卫星原位观测的扰动变化，分析中采用观测数据与拟合数据作差的方法进行扰动提取。该方法可以很好地保留观测数据中快速扰动部分，具体计算过程为：首先，将卫星数据分段为半轨道数据（从南极到北极的半轨道为升轨道，从北极到南极的半轨道为降轨道）；接着，利用三次样条函数对每半轨道数据进行拟合，获得较为光滑的轨道数据，并计算观测数据与拟合数据的残差，以及残差相对拟合数据的百分比变化，以此来进行快速扰动的提取和定量分析；最后，结合扰动所在经纬度位置、高度、以及太阳和地磁活动指数等来分析和判别电离层扰动与地震事件的关系。
2. 震前电离层扰动
2017年11月12日18时18分（地方时2时18分）在伊朗的克尔曼沙阿省附近（34.91°N，45.96°E）发生了MW7.3地震，震源深度为20 km，造成了巨大的伤亡和破坏。该地震震中处于阿拉伯—欧亚板块碰撞带的中心，位于扎格罗斯山前断层附近，为典型的内陆地震。震源机制为具有少量右旋走滑低倾角逆冲型地震，地面发生很大的起伏和形变（韩鸣等，2019），同时在震前第9天也出现过一次显著的地震电离层异常现象（Akhoondzadeh et al，2019）。
为进一步探索电离层异常扰动与地震活动的关系，了解地震电离层扰动现象的变化特征，基于Swarm星座三颗卫星的观测数据，利用本文给出的扰动提取方法，对伊朗地震前后20日内孕震区上空的电离层扰动进行分析。这里以震前第9天（2017年11月3日）为例，给出异常扰动的分析过程（图2）。图2a为震前第9天距离震中±15°范围内的三颗卫星的轨道，其中实线表示上升轨道，虚线为下降轨道，轨道起始处给出卫星进入和离开研究区域的时间（括号中为离开研究区域时间所对应的地方时）。图2b中给出了经过震中区域轨道所在的整条半轨道观测数据沿地理纬度的分布。从图中可以看到，电离层沿纬度分布结构的高动态性，电子密度在赤道附近存在峰值，不同卫星轨道的观测数据相差较大，上升和下降轨道的观测数值差异也比较明显。整条半轨道的观测数据可以对电离层整体结构的变化有很好的了解，为异常分析提供参考。图2c和图2d分别对应着图2b中两条竖实线（距离震中15°）之间的升轨道和降轨道观测数据，从该图能看到震中区域较小范围观测数据的变化。图2e和2f分别为由图2c和图2d中的观测数据计算得到的百分比变化，在绘图区也标识出了卫星进入震中附近区域时所对应的太阳和地磁活动指数。
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图 2 伊朗地震震前第9天三颗卫星的轨道及观测数据随纬度的变化图中不同颜色表示不同卫星轨道或数据，红色为Swarm A星，绿色为Swarm B星，蓝色为Swarm C星，黑色竖虚线为震中所对应的纬度，下同（a） 三颗卫星震区轨道的空间分布；（b） 经过震区的三颗卫星轨道的观测数据；（c，d） 震区升轨道和降轨道观测数据；（e，f） 震区升轨道和降轨道的扰动数据Figure 2. The orbits position and ionospheric observation data with latitude of the three satellites on the 9th day before the Iran earthquakeThe different colors represent the orbits or data of different satellites，the red is Swarm A，the green is Swarm B，the blue is Swarm C. The black vertical dotted line is the latitude corresponding to the epicenter. The same below （a） The orbits spatial distribution of three satellites； （b） The orbital observation data of three satellites passing through the seismic region； （c，d） The observation data respectively refer to the ascending orbit and descending orbit in the seismic region； （e，f） The disturbance data respectively refer to the ascending orbit and descending orbit in the seismic region结合图2a和图2e可以看到，在距离震中较近的位置，Swarm A和Swarm C两颗卫星升轨道观测数据均存在显著的扰动变化，而距离稍远一些、大约5小时后经过该区域的Swarm B星升轨道未观测到该异常扰动。并且当Swarm A和Swarm C两颗卫星经过震中区域时，所对应的太阳和地磁活动指数分别为：F10.7＝72.9，Kp＝3＋，Dst＝−18，AE＝117，太阳和地磁的活动都比较弱，因此，Akhoondzadeh （2019）的研究认为该扰动可能是一次与地震孕育有关的电离层扰动。而在距离震中稍远位置，Swarm A，Swarm C和Swarm B三颗卫星均观测到了更强烈的扰动，考虑到MW7.3地震对应的孕震区半径为1 377 km （Dobrovolsky et al，1979），该扰动位于孕震区边界，因此，将其排除在与伊朗地震相关的电离层扰动之外。结合图2a和2f可以看到，大约11小时后Swarm A和Swarm C两颗卫星的降轨道经过震中区域，而在两条轨道观测数据中均无明显的异常变化，说明震区附近的扰动或存在范围较小，或持续时间比较短（不超过11小时）。
为进一步确认该类扰动与地震的相关性，利用该方法对伊朗地震前后20天震中区域上空的电离层数据进行分析，发现除震前第9天外，在地震前后其它天里也存在相似的异常变化，例如震前第20天的降轨道、震前第7天和震后第5天的升轨道，在震中附近均观测到相似的扰动（图3中红色椭圆圈出），并且扰动时间所对应的太阳及地磁活动指数也都较低。通过对更多震例的分析认为，该类型扰动比较复杂，除在震中附近外在距震中较远处也经常出现，有的在震前也有的在震后，并且在太阳及地磁活动强或弱时均有出现，需要对该类型扰动与地震的相关性作更深入的分析。
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图 3 伊朗地震前后震区内Swarm三颗卫星轨道位置及其观测数据的扰动变化红色椭圆表示震中附近观测到的扰动。图（a）和 （b）、（c）和 （d）、（e）和 （f）分别为震前第20天、震前第7天和震后第5天震区轨道的空间分布和观测数据的扰动变化Figure 3. The orbital positions of the three satellites in Swarm constellation and the disturbance changes of their observed data in the quake zone before and after the Iran earthquakeThe red ellipses represents the disturbances observed around the epicenter. Figs.（a） and （b），（c） and （d），（e） and （f） arethe orbit position and disturbances respect to the 20th and the 7th day before and the 5th day after the Iran earthquake，respectively3. 扰动特征的分析
为进一步确认扰动与地震事件的相关性，又对该类扰动的空间分布进行了分析，以了解扰动的空间分布背景特征。进一步基于Swarm星座三颗卫星轨道运行特点及同步磁场观测数据，对具有显著变化特征的震前第9天的扰动作详尽的分析和计算，来确认其与地震孕育的关系。
3.1 扰动的空间分布分析
为确定伊朗MW7.3地震震前第9天震中附近扰动的空间分布范围，对与震区左右相邻的轨道（即震区卫星轨道的前一轨道和后一轨道）进行分析。由于相邻轨道相距较远，约2 000 km，远超出地震孕育区的范围，并且时间相差不大，约90分钟，若两相邻轨道相近的纬度都存在相似的扰动，那么可以认为该扰动是与地震无关的大尺度空间电离层扰动变化。图4给出了震前第9天Swarm星座三颗卫星在震区内的轨道及其左右相邻轨道的空间分布。图5给出了升轨道扰动数据随纬度的变化。通过对比可以看到，在距震中较远的位置（约47° N），Swarm A和Swarm C两颗卫星均存在较强烈的扰动变化，且震区轨道与左右相邻轨道的扰动所在纬度位置相近（图中用红色矩形圈出），因此，该扰动存在空间范围较大，且纬度接近高纬度区域，可能受高纬度地区电离层活动影响所致，可以确定其不是地震引起的异常扰动；而与震中纬度（34.91° N）距离较近的位置，Swarm A和Swarm C两颗卫星仅震区的轨道存在异常扰动，左右相邻的轨道未发现相似的扰动变化，因此，该扰动存在空间范围比较小，可能与地震孕育有关。但由于该类型扰动在震前多次出现，这个扰动与地震的相关性还需进一步确认。
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图 4 震区及其左右相邻区域三颗卫星轨道的空间分布Figure 4. The orbits spatial distribution of three satellites in the seismic region and its left and right adjacent regions![]()
图 5 震区（a）及其左（b）、右（c）相邻区域三颗卫星升轨道的扰动数据红色矩形表示三个相近区域纬度位置的扰动Figure 5. The ascending orbital disturbance data of three satellites in the seismic region （a） and its left （b） and right （c） adjacent regionsThe red rectangle represents the disturbances at similar latitudes in the three regions为了更深入地探索这种扰动自身的变化特征，对其有更全面的了解，将研究区域由震中附近较小区域扩展到全球范围，分析这种扰动在全球范围的空间分布特征。为了能更清晰地表现该类扰动的特征，用不同大小的圆点来表示不同的扰动数值，同时为了便于更好地分辨，又将圆点赋予不同的颜色，最后将这些带有颜色的圆点沿着卫星轨道投影绘制在地图上，以此来分析扰动在空间上的分布特征。图6给出了伊朗地震震前20天（2017年10月22日）至震后20天（2017年11月12日）内，SWARM三颗卫星所有扰动数据的空间分布。
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图 6 伊朗地震前后20天内所有扰动的空间分布红色实线是地磁赤道，红色虚线是地磁纬度±45°，红色圆点是震中位置Figure 6. The spatial distribution of all disturbances 20 days before and after the Iran earthquakeThe solid red line is the geomagnetic equator，the two dotted red lines are the geomagneticlatitude ±45° and the red dot is the epicenter从图6中可以清楚地看到，此类型扰动在全球大范围内均有分布，并且数值较大（数值为20%以上）的扰动主要分布在南、北两极的高纬度地区和近地磁赤道附近。通常在地磁南、北两极和磁赤道地区电离层活动非常强烈，而从此类扰动在空间分布的总体特征来看，大部分扰动应与电离层自身活动密切相关。除这类具有大尺度空间结构的扰动外，在中、低纬度地区以及地震震区附近也有一些零星的扰动分布，其变化强度相对较弱，没有明显的空间结构特征，尚不能判断扰动的影响来源，可能来自电离层自身活动影响，也可能是受地震、火山、人类活动等其它因素影响所致。从该背景分析中可以看到，利用电离层扰动信息来提取和判定与地震相关的扰动，是一个从强背景下提取弱信号的过程，提取和判断都十分困难。
3.2 基于轨道特征及磁场数据的辅助分析
为进一步确认扰动与地震的关系，基于Swarm三颗卫星的轨道特征及同步磁场观测数据对该扰动进行分析。Swarm A和Swarm C两颗卫星相距较近，观测到的电离层数据大体相同，但两颗卫星经过相同纬度时又存在一定的时间差，因此可以根据这个特征来分析扰动短时间内的变化。从图5a Swarm A和Swarm C两颗卫星在震中附近观测到的扰动可以看到，两颗卫星观测的扰动变化形态基本相同，因此可以认为两颗卫星观测到的是电离层的同一个扰动。而这两个扰动在纬度上存在差异，被记录到的时间有所不同，似乎具有一定的空间传播特性。为了更清楚地了解该扰动的特性，分别提取出这两次扰动出现的位置和时间，并计算出扰动与震中的距离。图7给出了两次扰动与震中相对位置的空间分布。
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图 7 Swarm A和Swarm C卫星观测到的电离层扰动与震中相对位置的空间分布红色和蓝色圆点分别对应Swarm A和Swarm C星的扰动数值，浅蓝色正方形标记出与两次扰动时间对应的卫星位置Figure 7. The spatial distribution of the ionospheric disturbances relative to the epicenter observed by satellites Swarm A and Swarm CThe red and blue dots correspond to the disturbance values of Swarm A and Swarm C respectively，and the light blue squares mark the satellite positions corresponding to the two disturbance time从图7中可以看到，Swarm A和Swarm C两颗卫星观测到该扰动的时间分别为02:06:11和02:06:01，纬度位置分别为37.18°N和36.91°N。距震中较远的Swarm C星在02:06:01首先观测到该扰动，此时扰动的震中距为374.82 km，而10 s后（02:06:11）距震中较近的Swarm A再次观测到该扰动，此时扰动的震中距为305.46 km，震中距减小，可以断定扰动是由外向内传播。而由震源激发的扰动通常以声重波形式由震区向外传播，因此该扰动不是由震源激发向外传播的电离层扰动。
在电离层中经常存在着几乎与纬度垂直方向的行波扰动，若该扰动沿经度线传播，那么可以根据两次扰动的纬度差和时间差计算出它的传播速度。由图7可以看到，在02:06:01时该扰动的纬度为36.91°N，而02:06:11时扰动纬度为37.18°N，据此可以判断该扰动是从低纬度向高纬度传播，计算得到其传播速度为3.51 km/s。通常电离层行波扰动的传播速度约为0.3—1 km/s （Heki，Ping，2005；Liu et al，2010；何建辉等，2017），而该扰动速度远大于电离层行波扰动的速度，因此判断该扰动也不是电离层行波扰动。
在地震电离层同震现象研究中观察到，沿地表传播的地震面波能引起电离层扰动，该扰动的传播速度与地震面波速度相近，约为2.5—3.6 km/s （Astafyeva et al，2009；Maruyama et al，2012；Ma，Masters，2015；Liu et al，2017；Bagiya et al，2018）。而由Swarm A和Swarm C两颗卫星计算的扰动传播速度与面波速度相近，可能是电离层的同震扰动，但经核实当日此区域无其它地震发生，因此该扰动并非地震同震的扰动。另对比图2c中Swarm A和Swarm C两颗卫星的轨道观测数据可以看到，该两条轨道观测到数据变化形态在空间范围存在一定的平移特性，即Swarm C星观测数据曲线向高纬度平移后，两颗卫星观测数据曲线的变化形态大体重合。平移的距离与两扰动的纬度差异相近。因此认为两颗卫星观测到扰动的纬度差异应与电离层整体结构变化有关，而不是沿纬度传播的扰动变化。
在地震电离层现象的研究中，地震孕震区通常还会以电磁辐射的形式对电离层产生影响，其辐射频率几乎涵盖了从近直流到几十kHz的电磁波频段（Freund et al，2004）。若该扰动由电磁辐射引起，则卫星同步观测的磁场数据应存在对应的扰动变化。图8分别给出Swarm星座三颗卫星观测到的地磁场北向分量X、东向分量Y和垂向分量Z在震前第9天的扰动变化。
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图 8 Swarm三颗卫星观测的地磁场X （a）、Y （b）和Z （c）三分量的扰动变化Figure 8. The disturbances of the X （a），Y （b） and Z （c） of the geomagnetic fieldobserved by three satellites in Swarm constellation从图8中可以看到，在震中电子密度扰动位置附近（约37°N），Swarm A，Swarm B和Swarm C三颗卫星观测的地磁场三个分量的数据均不存在对应的扰动变化，仅有Swarm B星东向分量Y在震中偏低纬处存在扰动（图8b）。此外，电磁辐射向上传播时，倾向于沿磁力线传播，地磁倾角越大穿透性越强。伊朗地震所在位置的地磁倾角为53.241°，若为较强的电磁辐射向上传播，根据地磁倾角和卫星的高度可以计算出扰动异常的理论位置应在震中偏南340 km附近。因此认为该电子密度的扰动并非因电磁辐射引起。
综上分析可知，Swarm A和Swarm C两颗卫星观测到的异常扰动既不是由震源引起向外传播的声重波扰动，也不是电离层行波扰动，亦不是由电磁辐射所引起的扰动，其纬度差异可能受电离层整体结构变化影响。根据目前已知的地震电离层耦合途径，及扰动的背景变化，初步认为该扰动为与本次地震活动无关的电离层自身扰动变化。
4. 讨论与结论
通过对卫星半轨道数据与其拟合数据作差的方法，有效地消除卫星观测数据中电离层高动态的结构，提取出了快速的扰动变化，并利用该方法对2017年伊朗MW7.3内陆地震进行分析，得到震前多次疑似与地震活动相关的扰动变化，其中震前第9天震中附近存在的扰动最为显著。根据地震电离层耦合的相关知识可知，地震电离层的耦合主要通过化学途径、声学途径和电磁途径三种途径进行（Hayakawa，2004；丁鉴海等，2006）。通过对该扰动的分析已证实其既不是声学途径，也不是电磁途径影响所致。而化学途径的作用方式通常是孕震区通过粒子之间的化学过程形成一定空间范围的带电粒子，以电场的方式与电离层发生作用，异常应具有一定的空间尺度和持续时间，所以该扰动也不是通过化学途径的影响所产生。最后，结合扰动的空间背景分布，认为伊朗地震前第9天的这次扰动，虽然存在的空间范围较小并在震中附近，但应与伊朗地震孕育活动无关，可能是与高纬度地区强烈的电离层活动相关的扰动。
快速扰动的提取方法虽然避免了部分电离层高动态的结构，但扰动自身的变化特征依然十分复杂，与电离层自身活动密切相关。在震例分析时，太阳或地磁活动指数虽然能对快速扰动进行一定的约束，但很难将其作为判定地震扰动还是非地震扰动的标准，还需提供更多的观测资料来谨慎地佐证。地震引起的扰动相比于电离层自身的变化要微弱很多，加之电离层具有高动态性和不稳定性的特征，易受多种条件的影响，使地震电离层现象的提取和确认变得特别困难。因此虽然已有大量的地震电离层现象报道，但仍然需要更多更详尽的研究。
基于Swarm星座三颗卫星观测数据对异常扰动特征进行分析，尝试获取典型扰动的特征信息，并对其与地震活动的关系进行探索。在分析中可以看到，基于星座的观测比以往单颗卫星的观测具备更高的时间、空间分辨能力，还可以获得更多的扰动特征信息，这更有利于地震电离层异常现象的确认，为地震电离层现象的研究提供了一种新的途径。未来多颗卫星组成星座联合观测，结合地基的天地一体化立体、多途径监测，将是电离层探测的一种趋势，不断加强数据的相互校验，将有助于提升对异常的识别和判别能力，这对认识和了解地震的孕育和发生过程，解释地震电离层的耦合关系及防震减灾工作的开展都具有十分重要的意义。此外，不同卫星、不同载荷、不同参量之间的相关性研究程度明显不足，其背后的理论支撑亟需加快发展（张学民等，2016）。
目前，针对地震电离层现象的耦合机制已经提出了许多模型（Hayakawa et al，2002；Harrison et al，2010；Pulinets et al，2018），地震通过这些耦合过程均可能改变电离层中等离子体的状态，如电（离）子的密度变化。文中虽然根据已知的地震电离层耦合知识，对其中一个典型的扰动进行分析和判断，但震前类似的扰动出现过多次，此类扰动中是否蕴藏着与地震相关的扰动变化，还需更深入的探索和研究。
欧洲航天局（ESA）提供了Swarm星座卫星数据的下载服务，本文工作得到了吴忠良研究员和蒋长胜研究员的悉心指教，作者在此一并表示衷心的感谢。
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图 1 Swarm星座三颗卫星地方时t与世界时（年份）的对应关系
Figure 1. The correspondence between local time t and universal time （year） of the three satellites in Swarm constellation
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图 2 伊朗地震震前第9天三颗卫星的轨道及观测数据随纬度的变化
图中不同颜色表示不同卫星轨道或数据，红色为Swarm A星，绿色为Swarm B星，蓝色为Swarm C星，黑色竖虚线为震中所对应的纬度，下同（a） 三颗卫星震区轨道的空间分布；（b） 经过震区的三颗卫星轨道的观测数据；（c，d） 震区升轨道和降轨道观测数据；（e，f） 震区升轨道和降轨道的扰动数据
Figure 2. The orbits position and ionospheric observation data with latitude of the three satellites on the 9th day before the Iran earthquake
The different colors represent the orbits or data of different satellites，the red is Swarm A，the green is Swarm B，the blue is Swarm C. The black vertical dotted line is the latitude corresponding to the epicenter. The same below （a） The orbits spatial distribution of three satellites； （b） The orbital observation data of three satellites passing through the seismic region； （c，d） The observation data respectively refer to the ascending orbit and descending orbit in the seismic region； （e，f） The disturbance data respectively refer to the ascending orbit and descending orbit in the seismic region
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图 3 伊朗地震前后震区内Swarm三颗卫星轨道位置及其观测数据的扰动变化
红色椭圆表示震中附近观测到的扰动。图（a）和 （b）、（c）和 （d）、（e）和 （f）分别为震前第20天、震前第7天和震后第5天震区轨道的空间分布和观测数据的扰动变化
Figure 3. The orbital positions of the three satellites in Swarm constellation and the disturbance changes of their observed data in the quake zone before and after the Iran earthquake
The red ellipses represents the disturbances observed around the epicenter. Figs.（a） and （b），（c） and （d），（e） and （f） arethe orbit position and disturbances respect to the 20th and the 7th day before and the 5th day after the Iran earthquake，respectively
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图 4 震区及其左右相邻区域三颗卫星轨道的空间分布
Figure 4. The orbits spatial distribution of three satellites in the seismic region and its left and right adjacent regions
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图 5 震区（a）及其左（b）、右（c）相邻区域三颗卫星升轨道的扰动数据
红色矩形表示三个相近区域纬度位置的扰动
Figure 5. The ascending orbital disturbance data of three satellites in the seismic region （a） and its left （b） and right （c） adjacent regions
The red rectangle represents the disturbances at similar latitudes in the three regions
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图 6 伊朗地震前后20天内所有扰动的空间分布
红色实线是地磁赤道，红色虚线是地磁纬度±45°，红色圆点是震中位置
Figure 6. The spatial distribution of all disturbances 20 days before and after the Iran earthquake
The solid red line is the geomagnetic equator，the two dotted red lines are the geomagneticlatitude ±45° and the red dot is the epicenter
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图 7 Swarm A和Swarm C卫星观测到的电离层扰动与震中相对位置的空间分布
红色和蓝色圆点分别对应Swarm A和Swarm C星的扰动数值，浅蓝色正方形标记出与两次扰动时间对应的卫星位置
Figure 7. The spatial distribution of the ionospheric disturbances relative to the epicenter observed by satellites Swarm A and Swarm C
The red and blue dots correspond to the disturbance values of Swarm A and Swarm C respectively，and the light blue squares mark the satellite positions corresponding to the two disturbance time
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1. 刘立，王真，韩光洁，徐政伟. 基于地空频谱在线学习的地震前电磁异常检测. 太赫兹科学与电子信息学报. 2021(04): 635-641 . 
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