岩石圈—大气层—电离层电场耦合机制(LAI电场渗透)是研究地震电离层效应的重要基础,也是全球电路的重要组成部分。近年来,已有研究者对此建立模型研究计算,但他们的模型结果差异较大,更有学者另辟他经,各类模型令人混乱。因此,为了辨明这些模型之间的差异,对这个领域进行深入的研究,建立正确的LAI电场渗透模型,理清地表—大气层—电离层之间的电场耦合机理,是十分必要的,这也就是本文的主要工作。本文将分别建立两类电场模型来对此研究。第一类是直接求解LAI电场渗透方程的模型(直接模式),现有的LAI电场渗透模型都属于这类形式。LAI电场渗透方程只能在磁力线垂直有理论解,因而只适用于高纬度地区。本文将用此类模型进行LAI电场渗透机制分析,探讨模型间的差异。第二类是建立电离层电场理论模式来耦合求解(间接模式)。在基于第一类电场模型理论分析的基础上,本文将尝试使用电离层电场理论模式来耦合计算LAI电场渗透,并将此推广至中低纬度区域,来分析电离层各参数对LAI电场渗透的影响。具体工作和成果如下：一本文简要概述现有的地震电离层效应电场机制假说—基于震前氡气排放的异常电场机制,附加电流机制,和基于固体岩石物理学的p-hole电离机制。其中将着重介绍下p-hole机制的原理以及相关的实验观测。震前,这些的假说机制都认为孕育区地表附近大气产生额外的带电粒子,改变地表大气电导率。这些带电粒子的传输和反应也将改变了大气层底部的电场和电流环境,最终对电离层造成干扰。二构建LAI电场渗透方程,分别采用方程根解法和数值谱方法求解方程,并尝试以电流的角度来研究分析LAI电场渗透机制,得到以下结论。(a)LAI电场渗透是通过改变(增强)大气层-电离层传导性电流来产生电离层异常电场的。(b)在中性大气层内,上方的电导率比水平方向的电导率要高,电流倾向于往上流动。因此当地表大气电场源尺度较大时,电场驱动的上升电流几乎保持不变流进了电离层中。(c)高纬地区,LAI渗透产生的电离层电场主要是水平电场,在电离层中不随高度变化,并且夜间LAI电场渗透效率比白天大得多。(d)电离层处电导率变化对中性大气层处的渗透电场几乎没影响。(e)在电离层中,上边界(?)Φ(Zup)/(?)z=0的设定并不只是Ez(zup)=0,还有禁止电流通过z=zun平面,人为增大了在此水平面之下的电离层水平电流强度,进而增大了电离层水平电场。经分析,上边界高度是通过沿海拔高度积分的彼得森电导率∑p反作用于电离层电场强度,分析认为,设定上边界高度为400km为较合适的值,它包含E层及F层内主要的导电层。(f)普通情况下电场渗透效率并不高,夜间1000V/m地表大气电场引起的电离层电场值变化只有4.70×10-6V/m。三(a)计算当地表大气电导率显著增加的LAI电场渗透。发现当地表大气电导率增大近500倍或1000倍时,峰值1000V/m的地表大气电场渗透引起的电离层电场峰值分别为1.9mV/m,3.5mV/m,是未受干扰情况下的400,740倍。研究证明了电场渗透效率不仅和电离层层彼得森电导率负相关,还和电场源处的大气电导率正相关,它和电场源一起决定了电场源所能驱动的垂直电流密度的大小j：=σ0E0。(b)探讨了附加电流对电离层电场扰动,附加电流的电荷来源是震前散发的氡气等惰性气体,而驱动力来自大气垂直对流和重力沉降。当注入大气正离子电流为3.20×10-6A/m2时(Sorokin et al.,2005),计算得到电离层电场强度可达到10mV/m的量级,高过磁静日下电离层背景电场强度。同时发现附加电流也是通过大气层—电离层传导性电流来产生电离层异常电场的。四基于对LAI电场渗透的原理分析,构建电离层电场理论模式来探讨LAI电场渗透问题。依不同的假设条件本文建立了2种电离层电场理论模式—薄壳电离层电场理论模式和三维电离层电场理论模式。探讨不同中低纬度,真实电导率分布下的LAI电场渗透情况。主要的工作如下：(1)建立了薄壳电离层电场模式来耦合求解高纬地区的LAIC电场渗透方程,并和直接求解LAIC电场模型进行比较,两类模型的计算结果基本没有差别,证明了采用电离层模式研究LAI问题的有效性。(2)分别建立了薄壳和三维电离层电场理论模式,对发生在中低纬度的LAI电场渗透进行探讨分析。研究发现,在中低纬度,发生地磁纬度越低,其LAI电场渗透效率就越低。原因如下：(a)彼得森层积分电导率将随着磁纬度降低而升高；(b)计入磁倾角的影响；(c)计入共轭电离层影响；(d)磁通道的几何变化。同时计算发现,受到磁力线倾斜影响,LAI电场渗透产生额电离层水平电场在低纬度区域将显偶极子形态,磁东西向电场比磁南北向电场大得多。(3)采用三维电离层电磁理论模式对LAI电场渗透生成的异常电离层电场进行研究,研究发现：(a)在中低纬度,LAI渗透产生的电场不止有水平分量,还有垂直分量。(b)发生地磁纬度越低,局地LAI电场渗透的海拔高度就越低。(c)电离层异常电场沿磁力线映射时强度也在变化,在LAI电场渗透产生地最大,在磁赤道上空最小。本文还给出了电场映射强度的公式,当异常电场从磁纬度600映射至磁赤道区域时,东西向电场只有原来的0.12,而子午向电场变为原来的0.08。(4)采用电离层电场理论模式计算电导率不均匀时LAI电场渗透。研究发现,当采用不均匀的电导率时,由于电流的流动特性,穿透产生的异常水平电场形态也是不均匀的,最大电场值比均匀电导率时高5%-25%,位于电导率低的一侧(午夜侧),但电场等高线剖面倾斜于电导率较高的那侧(日侧)。并以此对电离层电场方程进行了系数分析,考察了电离层各参数对电场穿透效率的影响。分析表明,磁倾角和彼得森电导率都对LAI电场穿透有决定性的影响,它们在影响电场偏微分方程的二阶导项,决定了穿透形成的电离层电场形态和大小；而彼得森电导率方向导数和霍尔电导率方向导数有较小的影响,它们影响了电场偏微分方程的一阶导项,微调电离层电场值和形态。同时,根据彼得森电导率周日变化特性,本文认为LAI电场渗透效率最高时刻为当地时间0时-4时。(5)当假设流入电离层的上升电流峰值为4×10-11A/m,分布如(4.3-2c)式(对应普通情况时地表大气垂直电场1000V/m),它在磁纬度600,450,300,150分别产生的电离层异常电场值为2.0×106V/m,1.3×106V/m,1.1×10-6V/m,4.42×10-7V/m,低于极区产生的4.70×10-6V/m水平电场,也远低于背景的电离层电场。但地震孕育期,P-hole机制可能电离地表大气,使该处电导率急剧增大,此时地表垂直电场能驱使比平常大得多电流,如果有50nA/m2的电流流进电离层中,其能引发起的电离层异常电场强度也有2.5mV/m, 1.6mV/m,1.37mV/m, 0.56mV/m.足以造成中低纬电离层背景电场(1～3mV／m)的干扰。五基于本文所建立的直接模型和间接模型对先前研究者的LAI电场渗透模型进行比较分析,研究认为他们模型中存在着上边界设定,维度损失,抛弃欧姆定律等问题。