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• 臺灣地震頻繁且電離層電子濃度高，研究發現臺灣約七成規模5.0 以上的大地震發生前都有電離層電子濃度異常減少的現象。
• 921 地震前1、3、4 天， 電子濃度顯著異常減少。筆者團隊透過全球電離層圖確認此異常頻繁且集中出現於地震震央地區，而非隨機發生。
• 921 地震前震央和斷層附近的電離層電子濃度異常減少、地磁場異常向上、閃電異常頻繁，證實岩石層－大氣層－電離層的電磁耦合過程。衛星現地電漿量測說明這些異常與震央附近的西向電場有關。

臺灣位處菲律賓海板塊和歐亞板塊的交界處，受到強大的板塊擠壓，造成地殼和地底結構劇烈變化，因而頻繁發生地震，長久以來交通部氣象署紀錄了詳實的地震目錄。另一方面，臺灣位處北半球赤道異常區，電離層電子濃度幾乎是全球之冠，對於通訊、定位、導航有極大影響。因此，從1950 年代開始，交通部電信總局使用電離層探測儀（ionosonde，又稱電離層高頻雷達），每15 分鐘例行觀察電離層90 ～ 350 公里高的電子濃度垂直分布，並記錄電離層F2 層層峰電漿頻率（foF2，也就是F2 層層峰電子濃度的特徵頻率）。高濃度電子濃度和頻繁地震發生，使得臺灣成為研究電離層地震效應的最佳場所。

地震前電離層電子濃度異常時序變化

什麼是電離層地震效應？一般來說，劇烈的地表震動比較有可能影響到電離層。然而，科學家過去長期統計分析1994 年1 月～ 1999年8 月，共184 筆規模≧ 5.0（M ≧ 5.0）的地震與foF2 資料，卻發現地震發生時、數小時到數天後都沒有明顯的foF2 變化。反倒是在地震前1 ～ 5 天的下午時段，頻繁出現foF2 顯著異常減少，以及地震規模愈大，地震前異常發生的機率也愈高等情形。有近七成M ≧ 5.0 地震前出現電離層異常，而所有M ≧ 6.0 地震前1 ～6 天都出現電離層異常。此外，地震震央愈靠近電離層探測儀時，震前異常被電離層探測儀偵測到的機率也愈大。

這些結果說明臺灣地區M ≧ 5.0 地震震前電離層foF2 異常的特徵包含電子濃度異常減少（負異常）、領先地震的天數為1 ～ 5 天、出現時間為下午時段。因此在臺灣，當電子濃度於下午時段異常減少時，就有較高機會在之後的1 ～ 5 天出現M ≧ 5.0 的地震，而25 年前的921 地震（又稱集集地震）就是一個典型的例子。

集集地震引起電離層同震擾亂

全球定位系統（global positioning system, GPS）衛星運行於距地表兩萬公里高的太空中，它發射的超高頻（ultra-high frequency, UHF）電波訊號，提供車輛、船艦、飛機的精準定位和導航參考，而這些電波訊號也可以用來觀測電離層的電子濃度。

當GPS 衛星發射的電波訊號行經電離層時，會與其中的電子相互作用，進而導致電波訊號延遲抵達地面接收機。電波訊號的延遲時間與電離層電子濃度於電波路徑上的累積量，也就是總電子含量（total electron content, TEC）成正比（圖一a）。由於GPS 衛星分散於四面八方，藉此便能夠建構經緯二維電離層的TEC 圖。此外，也可以集中觀測電離層某一特定地點的TEC 於地震發生前後如何隨時間改變（時序變化）。當地震前電磁場急遽改變或地震發生當下地表的震動，均會改變震央上空的TEC，並立刻影響GPS 電波訊號延遲，而被地面接收機記錄（圖一b）。

1999年9 月21 日1 點47 分， 發生了規模7.3的集集地震。劇烈的地表震動不僅驚動了全臺灣，甚至連鄰近國家都感受到地震。臺灣地區地面GPS 接收機紀錄的電離層TEC，也於地震後8 ～10 分鐘開始出現脈衝式的擾亂。說明地震波的地表上下震動，會引發大氣波動擾亂，並以音速向上傳至太空，進而造成350 公尺高的電離層產生波動擾亂。多座接收機共計偵測到14 個分散於四方、振幅約為0.2 ～ 0.5 TECu〔註〕的電離層擾亂。後來，科學家利用地震學的定位方法，找到地震電離層擾亂的源頭就位於集集震央東北方約30 公里地表處。此結果證實岩石層－大氣層－電離層的波動耦合，震後效應造成了電離層同震擾亂。

〔註〕TECu 表示全電子含量，是指單位面積上的電子濃度，也就是一個底面積為1 平方公尺（m²），高度無限高的柱體中所包含的電子總數。1 TECu 等於每平方公尺上有10¹⁶個電子存在，也就是1 TECu ＝ 10¹⁶ #/m²。

(b)
由地面GPS 接收站觀測電離層TEC（a），GPS 衛星電波訊號傳至地面接收站時感受到地震波或電磁訊號的干擾（b）。GPS 衛星星群運行於六個軌道面，每個軌道則有五顆GPS 衛星。因此一個接收機通常可以同時接收來自四面八方、8 ～ 10顆GPS 衛星的電波訊號。換言之，若有一個十站的地面接收機網，便會有80 ～ 100 個資料點。（資料來源：作者提供）

集集地震前foF2 和TEC 的異常

集集地震除了造成電離層同震擾亂外，在震前電離層是否也有異常發生？根據臺灣電離層探測儀的紀錄，集集地震前1、3、4 天下午時段電離層foF2 極端異常減少，與過去研究出的地震前電離層電子濃度異常特徵幾乎完全吻合。一般來說，同一地點的foF2 與TEC 有極高的相關性，集集震央上空的TEC 也在震前1、3、4 天下午時段異常減少。進一步檢視電離層經緯二維影像，發現TEC 極端異常減少，尤其在集集震央的正上空最為顯著，與中位數的差值（ΔTEC）約為20 ～ 25TECu（圖二）〔註〕。此一經緯二維影像的空間異常，不僅再次證實集集地震前電離層異常前兆存在，同時也開啟利用全球TEC 搜尋全球大地震電離層異常前兆的頁章。

〔註〕值得注意的是，同震擾亂和震前異常的物理機制完全不同。震前異常量（20 ～ 25 TECu）約是同震量（0.2 ～ 0.5 TECu）的50 ～ 100 倍，這是由於同震擾亂的機制為機械能，震前異常則是電磁能。