【研究成果】探索地震前兆物理機制 「太空魔方」小兵立大功

by Yang-Kuang Chao
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撰稿  /  黃愷翊 (科學推展中心特約編輯)


圖1. 福衛五號先進電離層探測儀(AIP)所觀察電離層電漿不規則體與地震電離層前兆。

地震來臨前,會有什麼徵兆呢?中央大學太空科學與科技研究中心劉正彥教授團隊透過福爾摩沙衛星五號先進電離層探測儀(Advanced Ionospheric Probe, AIP)「太空魔方」,觀測了中東地區的伊朗和伊拉克地震電離層時間與空間異常前兆,以及電離層暴全球效應,成功解開引發地震電離層前兆物理機制與電場之奧秘。這項突破性的成果,刊載於《地球物理學調查》(Surveys in Geophysics)國際頂尖期刊。

中大團隊長期觀測地震期間電離層變化

劉教授團隊自2001年以來,首先分析了台灣集集大地震期間,總電子含量(Total Electron Content, TEC)在地震前間異常的時間與空間變化。後續觀察台灣、印尼、中國與日本的地震的相關統計資料顯示,地震前大氣中電離層的異常特徵都會因地點而不同,因此要識別單一地點的地震前電離層變化特徵,需長期觀測該地區的電離層異常和地震進行統計分析。在劉教授帶領下,研究團隊包括了中央大學太空系趙吉光教授、統計研究所陳玉英教授、太空系張起維主任、太空研究中心張富淵與林其彥助理研究員,以及太空系文允晟博士生等人。

兩伊地區資料統計與團隊觀測結果相符,解密地震前兆

研究團隊選擇兩伊地區的地震資料進行統計,從1999-2016年間兩伊地區共53筆規模M5.5以上的地震電離層異常特性中,發現這些地震發生的6-14天前,電離層全電子含量會顯著地異常增加。此外據觀測結果顯示,2017年11月12日兩伊邊界所發生規模M7.3的地震前8-10天,電離層全電子含量亦是顯著異常增加,而且這些異常增加會頻繁出現在該地震震央周遭的小區域上空,與此前18年來的統計結果相當吻合。

圖2. 研究團隊觀測2017年11月22日伊朗和伊拉克邊界所發生之規模M7.3地震電離層,發現電離層全電子含量異常前兆。

掌握了這樣的背景資訊後,研究團隊進一步利用電漿物理發電機原理,分析福衛五號的先進電離層探測儀,在同時、同地所量測之離子速度,得知引發該次M7.3地震的電離層前兆,為0.26毫伏每公尺之向東電場。劉教授強調,值得注意的是全電子含量與福衛五號的離子濃度具有相同之變化趨勢,這表明了分析結果符合電漿准電中性之物理特性,且和岩石層、大氣層及電離層具有耦合效應。基於此一發現,我們可以瞭解到電離層是得以透過磁層、太空、大氣或岩石圈的電場,進行調節。

福衛五號之先進電離層探測儀(AIP)為最大功臣

劉正彥教授表示:「地震預測是一項極爲艱巨和挑戰的工作,要知道何時發生、發生地點和規模大小,須仰賴可靠的前兆訊息。」而能有如此重要的發現,也要歸功於福衛五號。福衛五號是臺灣首顆自主研發的光學遙測衛星,為雙酬載運作,其科學酬載為中央大學自主研發的先進電離層探測儀(AIP),執行多功能的電漿量測;另外並搭載了光學遙測影像儀(Optical Remote Sensing Instrument, ORSI)。ORSI有如「千里眼」,而AIP像「順風耳」,兩者相輔相成,能夠共同為臺灣強化防災、減災與救災等作業。

做為這項重要成果關鍵的AIP,被稱作「太空魔方」,是趙吉光教授歷經20多年所努力打造出來的,他利用純金篩網,建構可說是全世界最精準之電離層電漿探測儀器。由於AIP可以高時空解析度量測離子濃度、離子溫度、離子速度等,因此得以窺見電離層太空天氣和觀察地震電離層前兆之奧秘。雖然AIP的重量僅佔福衛五號的百分之一,但卻能達到歷史性的突破,在研究團隊鍥而不捨的努力下找到地震前兆物理機制,無疑為往後的科學探索增添了更多信心!

 


參考文獻

[1]「太空魔方」小兵立大功 中大團隊成功解開地震前兆物理機制:https://www.ncu.edu.tw/tw/news/show.php?num=2384

[2] Liu, J. Y., Chang, F. Y., Chen, Y. I., Chang, L. C., Wen, Y. C., Wu, T. Y., & Chao, C. K. (2023). Pre-earthquake Ionospheric Anomalies and Ionospheric Storms Observed by FORMOSAT-5/AIP and GIM TEC. Surveys in Geophysics, 1-26.

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