大地震預測的新曙光—來自天外離子濃度的變化：科技的連結與災害的先防

文/格洛克·海因萊茵博士 圖/艾克絲·愛

發表於2025/6/23

摘要

電離層作為地球上層大氣的重要組成部分，其濃度變化不僅受太陽活動與大氣動力學影響，還可能成為大地震前兆的關鍵線索。透過衛星技術與人工智慧(AI)的結合，科學家正探索電離層異常如何為大地震預警提供數天提前量。本文介紹電離層的基本概念、濃度變化的控制因素、與地震前兆的關聯，並梳理全球最新研究進展與參與國家，展望這一領域如何為災害防範開啟新篇章。

一、什麼是電離層？

電離層是地球大氣中位於約60至1000公里高度的區域，因太陽紫外線和X射線電離中性分子而形成，富含自由電子與離子。其主要組成包括電漿(帶電粒子)，其濃度(總電子含量，TEC)影響無線電通訊、衛星導航及太空天氣預報。電離層分為D、E、F層，F層(150-500公里)因電子密度最高，對地震前兆研究尤為重要。福爾摩沙衛星(FORMOSAT)系列的無線電掩星與先進電離層探測儀(AIP)數據顯示，電離層濃度隨時間、空間及外部擾動呈現動態變化。

二、電離層濃度變化的控制因素

電離層濃度(TEC與電子密度)受多重因素驅動：

1.太陽活動與太空天氣：

太陽輻射與地磁風暴(如太陽耀斑、日冕物質拋射)增強電離作用，提升TEC。福衛七號觀測顯示，太陽活動高峰期TEC可增加20-50 TECU。

2.大氣動力學：

低層大氣的重力波、行星波與潮汐向上傳播，擾動電離層電漿分佈，特別在赤道或低緯度地區(如台灣)形成電離層異常(EIA)。

3.地震與地質活動：

地殼應力釋放的電磁輻射或氡氣改變大氣電場，進而影響電離層電子密度。中央大學研究顯示，芮氏規模6.5以上地震前，震央上空TEC可能異常增減10%-30%。

4.人為干擾：

無線電發射、火箭推進劑等可局部改變電離層濃度，但影響短暫且範圍有限。

這些因素使電離層濃度呈現日夜、季節及地理差異，需精細分析以區分地震相關異常。

三、電離層濃度為何能揭示大地震前兆？

地震前，地殼應力積累引發微弱電磁波或化學排放(如氡氣)，透過地殼-大氣-電離層耦合(LAIC)機制影響電離層電子密度。

研究表明，芮氏規模6.5以上地震前1-10天(多為1-5天)，震央上空500-1000公里範圍內可能出現TEC異常(偏離背景值1.5-2倍標準差)。例如，福衛五號AIP數據顯示，2018年花蓮M6.4地震前，震前3天TEC異常升高約15%。這些異常與日夜變化不同，具有局部性、持續數小時至數天，且常在地磁平靜期(Kp<3)出現。

衛星(如福衛三號/七號)的高解析度掩星數據與地面GNSS站提供精確監測，AI技術則進一步提升異常識別精度，實現數天提前預警的潛力。

四、最新研究進展

全球電離層地震前兆研究正快速推進，結合衛星技術、AI與多參數融合，顯著提升預報能力：

1.德國-智利合作：

2025年，低軌道衛星AI系統首次基於電離層異常(TEC、電漿密度、熱紅外輻射)成功預測智利M5.4地震，提前72小時發出警告。該系統訓練於太平洋火環帶300多次地震數據，顯示數天預警的革命性潛力。

2.台灣(中央大學與福爾摩沙衛星)：

福衛七號每日提供約4000次掩星觀測，解析度高，中央大學利用其數據分析M6.5以上地震前TEC異常，結合TIE-GCM模型驗證LAIC機制。2024年花蓮M7.2地震研究顯示，震前5天TEC與電漿不規則體異常顯著。

3.中國(CSES衛星)：

張衡一號觀測2018年印尼M7.0與2020年新疆M6.4地震前TEC異常，AI模型(如SeqNetSquake)將預測精度提升至34%，假警報率降低。計劃中的衛星星座將實現全球覆蓋。

4.日本：

2024年能登半島M7.5地震前，GNSS-TEC數據顯示震前22-23天異常，結合SAR技術重建電離層三維結構，驗證淺層地震的前兆特徵。

5.土耳其：

2023年卡赫拉曼馬拉什M7.8地震前，GNSS數據捕捉到震前23分鐘TEC正異常，統計分析顯示M6.0以上地震70%伴隨電離層前兆。

6.國際合作：

ESA的Swarm衛星與Ionosphere Precursor Study Group整合多國數據，分析M5.5以上地震的電磁與TEC異常，顯示異常頻率隨地震接近增加。

五、參與研究的國家

全球多國積極投入電離層地震前兆研究，特別針對M6.5以上地震：

1.中國：透過CSES衛星與AI，領先電離層異常分析，與意大利、APSCO合作。

2.日本：利用GNSS與SAR技術，聚焦火環帶地震，與ESA合作。

3.法國：DEMETER衛星奠定基礎，分析M6.0以上地震的電場與電漿異常。

4.俄羅斯：提出LAIC模型，研究電磁波與氡氣排放的耦合效應。

5.土耳其：GNSS網絡監測M7.0以上地震前兆，與國際數據整合。

6.其他國家：巴基斯坦、烏茲別克斯坦(GNSS與VLF觀測)、希臘(愛琴海地震)、印度(地表溫度與TEC)、義大利(Swarm與CSES合作)、智利與阿根廷(宇宙射線與TEC異常)。

台灣的中央大學與福爾摩沙衛星計畫在赤道地區地震研究中具獨特優勢，與上述國家形成互補。

六、結論與展望

電離層濃度變化作為大地震前兆的探測手段，正從理論走向應用。

衛星技術(如福衛七號、CSES、Swarm)與AI的結合，使數天提前預警成為可能，遠超傳統地震儀的數秒預警。然而，挑戰依然存在：日夜變化與太空天氣的背景噪聲、假警報率及耦合機制的未知性需進一步破解。

未來，全球衛星星座、多參數融合與本地化模型的發展，將提升預報精度，為橋樑、學校與基礎設施的疏散爭取寶貴時間。電離層彷彿地球的「天外之聲」，正透過科技的連結，為人類預防地震災害點亮新曙光。

附註：本文整合了德國-智利計畫、台灣中央大學與福爾摩沙衛星研究，以及中國、日本、土耳其等國的最新進展。若需更詳細數據或特定案例分析，可聯繫作者或參考COSMIC、CSES及Swarm公開數據庫。