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• 大地震來臨前的震前能量可能透過電磁形式洩漏，而電磁能遠距傳播，甚至影響電離層中對電場敏感的電漿帶電粒子。
• 經921地震、汶川地震、兩伊邊境地震的觀測，科學家將透過地面和衛星的電離層探測儀，展開全球性地震電離層前兆研究。
• 福衛五號和福衛七號衛星技術可以大幅提升地震電離層異常前兆研究的進展，為未來的地震預報提供可靠前兆訊息。

大地震發生時天搖地動，人們在當下不僅驚恐萬分，既無助且無奈。震後的斷壁殘垣、生命財產的損失和心靈的創傷，往往需要數十年的時間來重建與恢復。

地震前的異常現象

根據過往的史書與文獻記載，大地震前有時會出現水井異常（噴湧或乾涸）、山崩地裂、地鳴、地光、地磁場異常、天氣異常悶熱、天象異常、動物行為異常等現象。自古以來，人類無不冀望有朝一日能藉由這些地震前的異象徵兆，提早知道大地震的來臨。由於震前異象大多是文字描述、手繪圖畫、照相攝影等定性記載，難以進行更進一步的定量分析和使用。

儘管如此，透過這些地光和地磁場的異常現象，讓地震學家可以推測在大地震前，地震的能量可能以「前震」，也就是振動機械能的形式在震前釋放，或以電場、磁場、電磁波（光、熱）等電磁能的形式洩漏。其中，電磁能往往可以強烈且遠距傳播，甚至影響地球高層大氣的電漿環境，尤其是對電場非常敏感的電漿帶電粒子。

電離層與地震

電離層是距地表70～ 2000公里高的高層大氣，其中有非常高濃度的電漿粒子（粒子濃度為103～106粒子／立方公分），是近地球太空環境中範圍最大的電漿場域，並且會與周遭環境的電場、磁場、電磁波產生強大的交互作用。臺灣位處北半球赤道異常區，上空的電離層電漿粒子濃度幾乎位居全球之冠。

此外，臺灣還位處菲律賓海板塊和歐亞板塊的交界處，強大的板塊擠壓造成地殼和地底結構劇烈變化。因此在頻繁地震發生之前，能量可能以聲音、化學、電場、磁場、光熱、電磁波、微震動等不同形式洩漏。高濃度電漿粒子加上地震頻繁發生，使得臺灣成為研究地震電離層前兆的最佳實驗室。

921 集集地震前電離層異常

最早用來觀察地震電離層前兆儀器是電離層探測儀（ionosonde，圖一）。它是一座典型的電離層高頻雷達，一般會在每15分鐘例行探測上空90～300公里高電離層底部的電子濃度廓線，不僅能提供給高頻通訊的使用者參考，也讓科學家能研究電離層等電漿環境。1999年，臺灣首次意外記錄到9 月17、18、20 日，也就是9月21日規模M7.3集集地震（簡稱921大地震）的前四、三、一天，下午時段的電離層F2層峰電子濃度顯著異常減少。在此同時，臺灣地區的地面GPS接收機網站也記錄到衛星至接收機之間的電子濃度累積量〔註〕與電離層探測儀記錄的F2層峰電子濃度同步變化。

［註］
即總電子含量（total electron content, TEC），單位面積上的總電子顆粒數。一個接收機通常可以同時接收來自四面八方8～ 10 顆GPS衛星電波的訊號。換言之，100個站的地面接收機網，每一瞬間會有來自四面八方800～ 1000個分布於半徑約方圓1000公里內區域的資料點，藉此建構經緯二維電離層總電子含量影像圖。

1999年9月，臺灣15個地面接收機網站的資料所建構出的經緯二維電離層圖，確切記錄到921大地震震央上空的總電子含量於震前四、三、一天在下午時段顯著異常減少。由於總電子含量異常減少的現象僅出現於震央上空，說明了921大地震電離層前兆存在的可能性。這些發現，也開啟地面GPS電離層總電子含量和利用衛星觀測數據進行地震前兆研究的契機。

從衛星觀察地震電離層異常前兆

法國在2004年發射人類第一個專門用來觀察地震電磁訊號的衛星―― DEMETER（Detection ofElectro-Magnetic Emissions Transmitted fromEarthquake Regions）。該衛星搭載量可測磁場、電場、電漿粒子、電子溫度、高能粒子等數據的四個科學酬載，可用來觀察地震、火山、人為電磁訊號引起的電離層擾動。2004～ 2010年DEMETER衛星資料成就了數百篇學術期刊論文的發表，科學成果十分豐碩，而這些資料也使得利用GPS、微波（microwave）、SWARM衛星、DMSP衛星、福爾摩沙衛星三號（FORMOSAT-3/COSMIC，簡稱福衛三號）、福爾摩沙衛星五號（FORMOSAT-5，簡稱福衛五號）等衛星觀察地震前兆電離層異常的研究快速發展。

2008 年汶川地震電離層前兆

為了消除電離層引起的電波時間延遲效應，以便進行精確定位、導航和量測，2000年起，歐美國家開始計算並逐時公布全球電離層總電子含量圖（Global Ionosphere Map (GIM) of TEC）。人們藉此資料即時消除來自太陽擾動、太陽風暴、磁暴、電離層暴、火山爆發、地震、海嘯等電離層太空天氣變化對定位與導航（例如自動駕駛、無人機飛行等）的干擾。太空科學家卻也反向思考，藉由全球電離層總電子含量圖，研究各種擾動對太空電離層天氣變化的影響，其中就包括全球地震電離層異常前兆的監測研究。例如利用全球電離層圖觀察2008年5月12日汶川M7.9地震前兆，發現震前3～ 6天震央附近總電子含量異常減少，其中震前三天震央附近同時出現總電子含量異常增加和減少的現象。

為了收集數據，科學家將GPS衛星訊號的接收機放置於福衛三號上，便可經由兩者之間的相對運動位置進行掩星觀測，量測不同切線高度GPS電波路徑的總電子含量。量測過程猶如剝洋蔥，將某一層的總電子含量與臨近的上一層相減，則可獲得該層的校正總電子含量，再計算成電子濃度。連續進行此一過程，則可獲得電子濃度隨高度的廓線（圖二a）。

在汶川地震前3～ 6天，震央附近總電子含量異常減少的同時，福衛三號電離層掩星廓線顯示，電離層F2層峰高度明顯降低且F2層峰電子濃度異常減少（圖二b）。反之，當震前三天下午時段，震央附近總電子含量異常增加時，福三掩星F2層峰電子濃度也同步異常增加。這樣的觀測結果說明，結合經緯二維電離層總電子含量影像，以及福衛三號電離層掩星垂直廓線這兩項數據，科學家便可以完整觀察電離層電漿濃度的三維結構與變化。

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