地表氡异常与电离层扰动的关联研究及进展.pdf
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1、第卷第期核电子学与探测技术年月 地表氡异常与电离层扰动的关联研究及进展刘哲函曾志,马豪程建平,李君利(清华大学,北京;北京师范大学,北京)摘要:随着空间观测数据的丰富和地球科学等研究的融合,对地表氡异常和电离层扰动两种现象开始进行联系和解释。异常垂直电场假说认为氡释放导致地表空气电离引起电场变化,地表垂直电场的异常通过大气层电场传导到电离层,最终引起电离层的扰动。通过调研地表氧的释放与测量、电离层扰动与测量、电离层异常的观测实例,进一步确认了地表氡异常与电离层扰动的联系。对氡异常与电离层扰动之间联系 的基本模型进行了总结,综述了异常垂直电场假说的研究进展,提出了下一步研究工作开展的建议。关键词
2、:氡浓度异常;电离层观测;电离层扰动;中图分类号:文献标志码:地表氡异常 指氡浓度在短时间突变或者长时间内处于阶变的状态,电离层扰动是指电离层时空变化偏离其常规演变的状态。随着空间观测数据的丰富和地球科学等研究的融合,地表放射性氡浓度异常和电离层异常两种现象开始产生联系,有学者开始尝试用大气层电离层系统的 电力学特 性来 解释彼此关联。但囿于当时卫星技术的限制,两者之间的联系缺少实验数据的支持。近年来随着卫星技术的发展,对地球全覆盖、时空可连续的观测成为可能,可以实现电离层参数信息的可靠 获取。本文总结了当前地表氡异常及电离层扰动相关的研究及其关联理论的进展,并为 我国开展此方面研究提出建议。
3、收稿日期作者简介:刘哲函(),男,博士研究生在读。通讯作者:曾志,研究员,:。文章编号:()地表氡释放与测量氡的地表释放过程氡是自然 界唯一的气态放射性元素,具有、和加如三个同位素,在地壳中能以游离态存在或溶于地下液体,在岩石的孔隙和裂隙中 以自由氡、吸 附氡和封闭氡的形式存在。氡及其子体自发产生衰变、卩衰变和飞衰变,以衰变为主。衰变过程中,粒子的核反冲作用可以将氡原子送人岩石相互连通的微裂隙形成可迁移的自由氡,可迁移的自由氡原子在地质体的孔隙、微裂隙和裂隙中通过扩散、对流、渗透与抽吸等作用向介质表面迁移并进入大气中,氡气在大气中主要以扩散和对流的方式运动。地表氡浓度测量方法及仪器地表氡浓度监
4、测仪器和一般的环境辐射监测中用的氡浓度监测仪器基本一致。根据测量时间的长短,氡测量可以采用瞬时采样测量、连续采样测量和累积采样测量。根据测量原理的不同,常见探测器有电离室型、闪烁室型、半导体型、径迹蚀刻型、活性炭型等,在地表氡监测中使用较为普遍的是电离室型探测器(如系列等)和闪烁室型探测器(如型等)。近年来,氡测量仪器的发展主要是解决取样、观测、计算和远程传输等方面自动化和数字化的技术问题,以实现对氡的长期连续观测。电离层扰动与测量电离层的组成地球电离层是地球高层大气被电离的部分,髙层大气受到太阳的紫外辐射以及髙能微粒辐射等电离作用,形成了由电子、分子离子、原子离子等组成的等离子体,整体处于电
5、平衡,宏观上呈电 中性。电离层分布在于地球表面以上一直延伸到大约的高度,存在明显的分层结构,从下到上可分为层、层和层。层是多原子离子团的稀薄层,层是中等浓度的分子离子层,层白天分为和两层,夜间合并为一层。电离层总电子含量指单位体积内所包含的自由电子数,是影响电磁波传播的主要因素。电离层扰动电离层探测及扰动检测方法电离层探测主要针对、电场强度、磁场强度等特征参量及其变化进行观测,分为直接探测和间接探测两种。直接探测是基于空间观测技术,将探测装置携带至电离层中,直接获得电离层特性参量;间接探测方法主要是基于的地基测量方法,原理是根据电磁波通过电离层传播时产生的变化,推算电离层特性参量。电离层扰动通
6、常指的是电离物的扩散与漂移,主要表现为电离层电磁场、总电子含量、临界频率等出现异常。通过卫星或火箭上携带的电磁场或等离子体探测仪器,能对此进行监测。法国于年发射了卫星,该卫星是用于探测地震电离层效应的专用卫星,选取太阳 同步圆形轨道,轨道高度(年月调整为),有效载荷包括电场探测仪、感应式磁力仪、朗缪尔探针和高能粒子探测仪等,其中朗缪尔探针主要用来观测电离层等离子的电子浓度和电子温度。电离层扰动的表征主要有两个参量,一个是电离层电子浓度沿垂直高度的积分总含量(),表征沿垂直方向上电离层电子的总数目;一个是电离层层临界频率(),其正比于电离层最大电子浓度平方根。两个参量之间有一定的相关性。电离层扰
7、动观测目前,大地震前后引起的电离层扰动观测研究比较普遍。肪等采用统计方法研究了数据,对地震活 动性和电离层扰动之间的相关性进行了检验;吴云等利用全球卫星导航系统的连续站观测数据计算得到,取其中一点的作为基准值,与其他点进行差分计算,通过对比分析发现了大地震前电离层异常的现象。?此等对个為地震进行统计分析,发现在震前具有明显的降低现象;杜品仁等统计分析了年全球发生的次地震与的关系,发现的统计特征为正扰动异常;张学民等,通过分析研究法国卫星观测数据,利用时空演化图像对比、参量的相关性分析等方法,进一步印证了强震与电离层扰 动的对应关系。我国于年发射了“张衡一号”电磁监测试验卫星,主要科学目标是建立
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