近日，預測所李美研究員團隊發表在Advances in Space Research期刊上的論文“Temporal-spatial characteristics of seismo-ionospheric influence observed by the CSES satellite” 被國際工程領域著名機構Advances in Engineering (AIE)遴選為“關鍵科學論文”，進行專題報道并頒發證書。
電離層作為地球高層大氣的關鍵一層，受到包括地震活動在內的各種復雜地球物理過程的影響。識別地震電離層擾動有助于理解震前電離層前兆信息。事實上，由于對地震預測和巖石圈-大氣層-電離層耦合(Lithosphere-atmosphere-ionosphere coupling, LAIC)的理解具有潛在的重要意義，識別地震電離層異常越來越重要。研究地震電離層響應的主要挑戰源于，一方面，電離層的復雜多變性，主要影響因素有太陽活動、磁暴以及電離層本身的日變，在強電離層背景變化下，識別微弱的地震電離層擾動異常困難：另一方面，衛星觀測數據量大、時空變化以及環境噪聲和傳感器限制等。為此，中國地震局的李美研究員、姜祥華和李杰飛高級工程師、張永仙研究員以及中科院空間中心的申旭輝研究員利用張衡一號電磁試驗衛星(China Seismo-Electromagnetic Satellite, CSES or ZH-1)數據，研究了地震電離層異常的時空演化特征。
研究團隊利用張衡一號衛星觀測3年多(2018年8月–2021年11月)等離子體濃度數據，首先，使用Savitzky-Golay方法對數據進行平滑濾波以去掉脈沖式變化，然后，軟件自動探測和識別電離層擾動(控制空間尺度t=20–300s, 若考慮衛星飛行速度7km/s, 約為140–2100km；不控制變化幅度A)，得到96,863個電離層擾動；收集研究時段全球發生的MW5.0以上地震3577個(去余震)和代表磁暴活動的Kp指數，探測距離震中1500km內、震前15天電離層擾動并進行時空統計。結果表明，時間上，電離層擾動主要出現在震前5天，與前人研究結果相同；空間上，擾動主要偏移震中500–700km，而不是在正上空，這一結果與地震電磁場傳播理論模型相符。根據地震電磁信號的傳播機制，地震產生的電流沿磁力線傳播，當地震發生在極區或者高緯地區時，磁力線近似垂直于地面，電離層異常通常出現在震中上空；當地震發生在中低緯地區時，磁力線的水平分量不可忽略，電離層異常通常相對于震中有一個飄移。參與本次統計的3577個震例，97.5%的地震發生在中低緯度。同時，研究還表明，大幅度和大空間尺度的電離層擾動主要反映大尺度的電離層結構，例如赤道電離異常(EIA)、威德爾海異常(WSA)、行星尺度的磁異常等；磁暴對電離層的影響是全球性的。
李美研究員團隊的研究成果加深了我們對地震電離層前兆異常的認識，在地震預報領域具有潛在的應用價值。除此，這一新的研究結果為LAIC提供了有力的證據，增強了我們對電磁能量怎樣在地球圈層間傳播、地震事件怎樣在時間和空間上改變電離層屬性的理解。本次研究有兩個關鍵發現：一個是，地震電離層異常偏離震中500–700km與區域電磁場沿磁力線傳播理論模型相一致。這一結果提高了理論模型的可信度，并為進一步的理論發展奠定基礎。另一個是，地震電離層異常主要出現在震前5天。這一時序特征預示著潛在的地震預警信號，對研發更為可靠的地震預測模型是一大貢獻。事實上，李美研究員團隊的發現可以整合到現有的地震預測框架中，以加強其準確性。通過將電離層數據作為前兆信號，新的預測模型可以提供更早、更可靠的預警，以挽救生命并減少經濟損失。此外，更好地預測地震可以對決策和應急準備產生重大影響，因為救災機構可以及時實施疏散計劃，加強基礎設施，并更有效地分配資源。
預測所李美研究員為該論文第一作者兼通訊作者，張永仙研究員為第四作者。該成果得到了預測所基本科研業務專項(CEAIEF2022030206)和國家重點研發計劃專題(2018YFC1503506)的資助。
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