震前低空大气层热红外增温异常机理研究

《震前低空大气层热红外增温异常机理研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《震前低空大气层热红外增温异常机理研究（47页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、中国地震局地质研究所 硕士学位论文 震前低空大气层热红外增温异常机理研究 姓名：王正哲 申请学位级别：硕士 专业：地球化学 指导教师：孔令昌 20020401 摘要 临震阶段有各种各样的前兆，现在已经得到应用或证明的地震短临前兆有地形变、地应 力、地下水位、地球化学、电磁波、地温及水温、重力、次生波、地光地电、生物异常及地 震活动性的变化以及新近观测到的大气电场异常、电磁波干扰、地气、低空大气热红外增温 异常等。 低空大气热红外增温异常是由于新近遥感技术迅速应用于地学之后发现的一种震兆现 象。经验证明，运用它预报地震有较好的前景。 低空大气热红外异常与其它异常关系密切，而且还受到天气、太阳、人

2、类活动等因素的 干扰。因此实践中必须将它与其它多种前兆观测手段结合起来才有可能预报时间、地点和震 级三要素。 本文根据现有的资料，分析了卫星热红外温度、大气电场、地球放气、地电、地温、地 形变、地应力、地下水位等异常的时间地点征兆等特征，给出了低空大气热红外异常的一种 成因机理。 本人认为，地震之前低空大气层热红外增温异常是由于地应力和热辐射异常、大气成分 异常和大气电场异常以及太阳辐射诸因素菸同作用所致。地应力和地形变的积累使得岩体破 裂和热辐射，地下水下渗、地球内部气体释放，因各种效应从而产生异常地电场，并由此感 应出低空大气层异常的大气电场。在大气电场的作用下，大气中的非极性气体N 2

3、、o z 、c o z 、 C H 4 等吸收电磁场能量，产生电偶极矩，从而为其分子的振动一转动状态的改变和能级跃迁创 造前提。在地面辐射和太阳辐射的激发之下，上述非极性气体分子就会吸收相应波长的光子， 不断地发射红外光谱，而将振动一转动能级跃迁的可能性转化为现实。相反，对于极性气体 分子如比0 、N I 。，原有的偶极矩在电场作用下被束缚被定向，从而削弱了其振动一转动的活 动性，因而它们在辐射激发条件下的增温效应会比没有电场时要低。这种气体占大气成分的 比例极小，所以临震之前低空大气层热红外异常主要表现为增温。 为了检验上述推论的正确性，本人特选取空气、C O 。、c I 。、I - G 0

4、 汽、H e 气体成分，进行 了两个多月的实验。包括：没有辐射源时具有不同异常成分的大气分别在不同电场下的增温； 没有辐射源时岔有几种不同异常气体成分的空气分别在7 5 0 V m 电场下的增温；有阳光照射 时舍有不同异常成分的空气分别在不同电场下随时间变化的增温情况，以及气体在流动状态 下的增温情况。 在定性方面，实验结果与理论相符较好，即空气和含有c o z 、C H 4 异常的空气在太阳辐射 和电场同时作用下有较大增温。而只有电场作用时，无论什么气体、组成如何都没有增温； 在只有太阳辐射时，C 吼、C H 。和 1 2 0 汽具有“温室效应”。H 2 0 汽在太阳辐射和电场同时作 用时，

5、气体增温相对于温室效应而言有所下降。在定量方面，增温幅度与经验观测值也较为 一致，实验值有些偏大。这可能与其排除了许多干扰后较为理想的条件有关。 最后本文得出以下结论：( 1 ) 在临震低空大气层热红外增温异常机理中，辐射源起着 决定性的作用。如果没有它，在有限的电场( E e v A g r 。A E e 的变化范围为几个至十几个电子伏特，E v 为百 分之几至十分之几个电子伏特，E r 为百万分之几至十万分之几个电子伏特。当A E e = 0 ，A E v = 0 时，得到分子的纯转动光谱，处于大于2 5ur n 的远红外区和微波区；当E e = 0 时，得 到分子的转动振动光谱，处于2

6、5 2 5um 的红外区，所以，振动光谱又称为红外光谱。 这是本文主要关注的区域如三者都不为0 ，则称为电子光谱或者电子一振动一转动光谱， 它可出现在可见或紫外区。也就是说，电子态和电子跃迁与红外光谱无关。实验表明，强激 发条件时，如激光照射、剧烈电场扰动时，电子的运动、原子核的振动及分子相对其质心的 转动都要发生很大变化，因此所收到的电磁辐射异常多为电子一振动一转动光谱的异常。 图3 2 是分子能级示意图。 这个能级图说明，分子可以有许多个不同的电子状态。每一个电子状态可以有一组不 同量子数v 的振动状态，而每一个振动状态又可以有一组不同量子数J 的转动状态。相应地， 能级跃迁具有三种形式。

7、 若电子状态固定，则可得分子的转动振子能级。根据量子力学理论，分子振动状态发 生变化的同时，必然导致转动状态的变化。分子的转动振子( 即转动振动光谱) 光谱等 于转动光谱与振动光谱之和，每一个振动能级上都有一组分立的转动能级，如图3 - 2 所示。 按照经典理论，分子的振动一转动状态决定于分子的偶极矩，所以热红外电磁辐射异常 的内因就在于分子电偶极矩u = q r 。的适当变化。q 为分子中正或负电荷的电量，r 为分子中 正或负电荷的距离。电场是引起分子偶极矩变化的原因，因此分子的热红外辐射异常的产生 还必须有电场的作用。将具有电偶极矩的分子置于电场中时( 红外辐射场具有电分量) ，此 电场将

8、对分子的电荷产生力的作用，符号相反的电荷将受到方向相反的作用力，这就引起它 们之间间隔的减小或增大。当电场的极性周期性地改变时，这就意味着分子中带电荷的原子 之间的偶极矩也周期性地发生变化。当这些带电荷的原子振动时，它们就从辐射源中吸收或 向外发射热红外辐射。如果分子中带电的原子振动的速率很快，则吸收或发射辐射强烈，因 。一对相距很近、带电量相等的正负电荷叫电偶极子，电量乘以两电荷之间的距离叫电偶极矩 8 而红外光谱也就出现强的吸收带或发射带。另一方面，当分子中带电的原子振动速率慢的话 在其红外光谱中将出现弱的吸收带或发射带1 。 z 三鉴 r 三三1 1 三5 矿 ，三! 主! 1 3 =

9、1 0 “ 一5 0 2 三F 0 0 B 0 。，三1 0 J 一 ，= 三1 ， ，一三 4 = 1 1 兰亍一3 ，4 = = = = 三 至广2 三- 5 F 一1 0 0 圈3 - 2 分子能级示意图 A 、B 一电子能级 V 7 、v “振动能级的振动量子数 J 7 、J ，7 转动能级的转动量子数 红外辐射在单位时间内分子的跃迁几率为 吸收能量，从n 跃迁至m ：w 。= 妻 u ( V 。、) I 1 2 辐射能量，从m 跃迁至n = w 。= 嘉u ( V m n ) l P 。1 2 式中，n 为低能级，m 为高能级，P 。为分子的偶极跃迁矩，只与电偶极矩的变化有关，u (

10、 v 。) 为电磁辐射能谱密度。 分析上式，可知在入射电磁辐射不变的情况下，只有当分子的电偶极矩发生变化时，才 会吸收或发射电磁辐射异核双原子分子，如H C I 、C O 、N O ，具有一定的偶极矩，分子转 动时和分子振动时，会吸收或发射红外辐射。同核双原子分子，如N 2 、H 2 、0 2 等，其f 为零， 偶极矩为零，园此，分子转动时和分子振动时都不会吸收或发射电磁辐射，但是如果在电场 的极化作用下，这些非极性分子具有了偶极矩，此时它们就完全具备了吸收和发射电磁辐射 的条件了。 当然，多原子分子在振动过程中，也只有在偶极矩改变的振动方式下才能吸收或发射 红外光，产生红外吸收带或红步 发射

11、带。一般地，多原子分子的振动光谱取决于多原子分子 的振动形式。N 原子分子有3 N 一6 个振动自由度( 线性分子有3 N 一5 个) ，3 个平动，3 个转动( 线 性分子仅有两个) 。对于每一个振动自由度，都具有一种基本振动方式。当分子处于这种振 动方式之一时，分子所有的原子都以同一的频率做简谐振动。物质结构的研究表明，c O ：分 子有4 种基本振动方式；H 。0 分子为3 种；c H t 有1 0 种。如果分子的某种振动方式引起分子 电偶极矩的变化，那么，分子处于该种振动方式时，将吸收或发射电磁辐射，才能产生红外 光谱，这种振动方式是红外活性的；否则为非红外活性的。据此，c 0 。分子

12、有两种是红外活性 的，H 2 0 分子三种全为红外活性的。外界辐射场能够引起它们电偶极矩的一定变化。 极性分子如H 2 0 、N H 。等具有永久偶极矩，它们在辐射场作用下增温效应比较明显，但 在电场作用下会产生定向电偶极矩，从而消弱了其振动和转动的活力，对增温不利。非极性 分子如c O ：在电场作用下电偶极矩会增大，从而增加了其振动和转动的活力，促进增温。 所以在有电场时，非极性分子会被极化产生诱导电偶极矩u = QE ，吸收能量由低能级 跃迁至高能级，处于非平衡的激发态：在入射辐射的作用下，发射电磁波。a 为诱导极化率， E 为电场强度。 当然，对于多原子分子、共轭分子、配位化合物、原子簇

13、化台物以及晶体等极其复杂 的结构和辐射性质的研究和理解。本人毕竟水平有限，所以尚请读者去关注量子化学理论及 其进展”3 “1 。 31 2 热红外辐射的激发条件 分子和原子的能级结构同时具有这样的量子状态：辐射和吸收。从其本身来讲，这是 一种随机函数。但是，由于环境的作用，在某时刻它们只能有个状态为主。 分子系统在平衡的情况下，单位时间内辐射出的光子数等于单位时间内吸收的光子数 但在电磁场等激发因素的扰动下，分子吸收能量处于高能态，发射比吸收更易于进行。因此， 热红外辐射的首要条件是必须有红外辐射振。爱因斯坦指出，受激跃迁的概率正比于外场的 能量谱密度。”。因此，红外辐射源能量谱密度越大，热红

14、外辐射就越强。 其次，热红外辐射还需要其它的激发条件以便使得电偶极矩发生变化。引起分子电偶 极矩发生变化的主要激发方式有：热、光、电、应力、化学变化等。若辐射过程中，物质内 部发生了化学变化，这种过程叫化学发光。若物体的辐射是由预先照射或不断光照引起的， 这种过程叫光致发光，若物体的辐射是由电的作用直接引起的，这种过程叫电致发光。对岩 石等固体材料进行加压，从而引起的电磁辐射可称为应力辐射。以上这几种辐射都是非平衡 的，最终为热辐射所代替。只有热辐射是处于以辐射交换为特征的热平衡状态。 当然，如果单是在热红外辐射场源的作用下，具有电偶极矩的分子也能够吸收和发射 热红外。这是因为热红外辐射具有电

15、场分量，它的周期性变化能够使分子的电偶极矩减小或 增大。 3 2震前低空大气层热红外增温机理 根据以上对分子能级结构的分析。结合震前的地应力应变异常、地电及大气电场异常、 地球放气异常、气体发光异常、地热异常，本人认为临震前低空大气层卫星热红外异常机理 可以解释如下：( 1 ) 异常的大气电场使大气的主要成分N 2 、O z 、c o z 等产生诱导偶极矩；( 2 ) 在太阳辐射和异常的地面辐射等辐射源的激发条件下，各气体分子( 电偶极子) 通过发射与 吸收热红外电磁波与这些辐射场源不断交换能量，因此在宏观上就表现为低空大气热红外增 温的增加。下面结合实验分射进行说明。 3 2 1 辐射场源

16、临震前低空大气层热红外异常的辐射场源可分为丽部分：背景辐射场源和异常辐射场 源。背景辐射场源主要是指晴天太阳辐射和地面辐射，异常辐射场源主要是指异常应力辐射 和地面异常热辐射。当然，本文主要指它们的热红外部分，因为根据分子光谱学理论，分子 只有在构成分子的原子和原子团的固有振动频率与入射辐射场源的辐射频率相同时才能发 生吸收辐射。 3 21 l 地壳应力场热红外激发机理 从1 9 9 0 年起，耿乃光、邓明德、崔承禹、吴立新等从基础理论、模拟实验入手，在实 验室对不同岩性、不同结构的岩石，先后进行了近百次的快速加载至岩石破裂实验。8 “， 得出如下结果： ( 1 ) 岩石的红外辐射温度、红外辐射亮度、红外热图像均随压力变化而呈 正相关显著变化。( 2 ) 快速加载，在试件内部产生热量积累，导致试件湿度升高达3 - 6 “ C 。 ( 3 ) 根据S t e f a n B o l t z m a n n 定律：M u = oT 4 ，岩石的红外辐射随压力变化，主要