地球巖石圈中能量的劇烈釋放可以引起大的地震，會給人類生產(chǎn)生活造成極大的影響。如此劇烈的能量釋放是否會向上影響到大氣層與電離層形成可觀測的擾動，空間物理學(xué)觀測可以給出解釋。地震后，地面的大范圍垂直波動(厘米量級)，在適當(dāng)條件下將向上耦合至大氣層形成大氣波動，但現(xiàn)有的觀測手段很難對如此小的中性大氣擾動進(jìn)行直接的有效觀測。然而耦合的大氣波動中的某些頻率成分，可以在合適的條件下，向上穿過對流層，平流層，到達(dá)高度在50公里以上的電離層。這種地震引起的波動，在電離層經(jīng)由中性成分與電離成分的耦合，可以被各種空間物理儀器探測到，這便是同震電離層擾動（Coseismic Ionospheric Disturbances， CIDs）。
在以往的CID研究中，大部分事例研究是基于海洋地震。中科院地質(zhì)地球所地球與行星物理院重點實驗室博士生劉海濤等使用電離層電子濃度總含量（Total Electron Content，TEC）數(shù)據(jù)，研究了一個陸地地震（2015年4月25日尼泊爾廓爾喀Mw 7.8級地震）所引起CIDs的詳細(xì)傳播過程，發(fā)現(xiàn)了該地震引起的CIDs在傳播方向上具有明顯的各向異性不對稱，并結(jié)合多臺地震儀的數(shù)據(jù)，分析了這一傳播現(xiàn)象的可能原因。
在地震發(fā)生7分鐘之后，通過電離層TEC觀測，他們發(fā)現(xiàn)距離震中1800公里范圍內(nèi)出現(xiàn)不同尺度的電離層CID擾動。擾動幅度~0.3 TECu（TEC unit，1 TECu=1×1016el/m2），周期2-12分鐘，速度從500 m/s到 2.3 km/s（圖1）。速度在~500 m/s以內(nèi)的CIDs主要由地震激發(fā)的重力波引起，集中出現(xiàn)在震中以南600公里和震中以北700公里兩個區(qū)域；而速度在700-1400 m/s左右的CIDs主要由地震激發(fā)的聲波引起，在各個方向均可發(fā)現(xiàn)，與重力波引起的CIDs相比，聲波引起的CIDs傳播距離短，衰減快。第三種擾動是瑞利面波引起的CIDs。這是由沿地表傳播的瑞利波激發(fā)大氣波動、波動垂直上傳到電離層高度引起的擾動，觀測表明其傳播速度在2-3 km/s之間，且集中在在震中以東地區(qū)被觀測到，最遠(yuǎn)傳播到震中以東1800km的距離。
圖1 尼泊爾地震后，不同方向、不同頻段的同震電離層擾動分布圖
針對瑞利面波引起的CIDs的各向異性傳播，他們分析了地震臺記錄的地表垂直位移數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)地表垂直位移與遠(yuǎn)場CIDs幅度均表現(xiàn)出震中以東較其他區(qū)域顯著的特點（圖2）。二者之間良好的相似性說明可以通過電離層中對地震的響應(yīng)，了解地面震動的信息。該研究完整地描繪了電離層對地震的響應(yīng)，為巖石圈—大氣層—電離層的耦合提供進(jìn)一步證據(jù)。
圖2 瑞利面波引起的同震電離層擾動方向性分布（上）與地震臺記錄的地表垂直運動幅度方向性分布（下）的對比
上述研究成果近期發(fā)表于國際著名地球物理期刊Journal of Geophysical Research: Space Physics（Liu et al. Ionospheric Response Following the Mw 7.8 Gorkha Earthquake On 25 April 2015. Journal of Geophysical Research: Space Physics. 2017, 122: 6495-6507）。