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2018-10-17 06:30 来源:中青网

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中国“张衡一号”飞向太空“看”地震

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发布:2018-2-05 09:28  来源:中国青年报   作者:admin11352次

  中国“张衡一号”飞向太空“看”地震——

  人类能否交出“地震预测”的答卷?

  在21世纪的今天,人类文明已经走过6000多年历史并迎来第六次科技革命,如果要问还有哪些世界性难题久攻未破,甚至仍在限制人类的想象力?地震预测肯定算一个。

  2月2日,我国第一颗观测地震电磁信息的卫星“张衡一号”成功发射。公元132年,张衡发明了人类历史上最早的地动仪,开创世界地震勘测研究的先河。1800多年过去了,如今以他的名字命名的卫星飞上了天,研究的还是同样的问题:地震预测。

  这颗卫星仍然不能直接预测预报地震。用国防科工局系统工程司副司长赵坚的话说,“‘张衡一号’主要是用于地震前兆信息研究,为未来建立地震监测体系进行前期技术储备。”

  尽管如此,在中国的地震预测研究之路上,这颗卫星还是迈出了一大步——有望让我国第一次具备全疆域和全球三维地球物理场动态监测能力。换句话说,中国境内6级以上、全球主要地区7级以上的地震电磁信息,这颗卫星都有可能“看到”。

  人类究竟能否预测地震?

  仰望星空,人类拿起“天文”的尺子来看待自己,不免会产生敬畏之感,同样地,面对大地,人类同样会感到“浩渺沧海之一粟”,这不单是因为体积上的巨大差异,更有来自这个庞然大物“发脾气”时的巨大威胁——大地一颤抖,带来的就可能是生与死。

  以去年为例,来自中国地震局的数据显示,2017年我国发生5级以上地震19次,其中大陆地区13次,台湾地区6次,最大地震为8月8日四川九寨沟7.0级地震。这些地震共造成大陆地区37人死亡,1人失踪,617人受伤,直接经济损失145.58亿元。放眼全球,2017年发生7级以上地震8次,最大地震为9月8日墨西哥近海沿岸8.2级地震。

  相应地,地震认知上的一个个空白,加剧了这种威胁:大地究竟为何颤抖,地震究竟能否预测,以及该如何预报,仍是全球科学家面临的巨大挑战。

  “张衡一号”卫星工程首席科学家兼副总师、中国地震局地壳应力研究所总工程师申旭辉说,摆在科学家面前的地震预报难题有“三座大山”。首先是地震事例太少。他说,中国平均每3年有两个7级地震,全球每年则有18个——尽管谁也不愿看到地震发生,但这无法避免,仅从科研角度来说,这样几次的数据连有效的统计分析都不够,不足以帮助科学家形成完整的地震预测科学体系和方法体系。

  换言之,地震监测的研究结果难以检验。申旭辉说,强烈地震对于同一地区可能是几十年、几百年或者更长的时间才能遇到一次,对于不同地区,甚至不同时期的孕震过程,机理差异很大,所以,“重复实践”进行检验的机会很难碰到。

  其次,地震科学研究的方法和手段受到很多制约。申旭辉说,地震发生在地下二三十公里处,而当今世界上最深的钻孔只有12公里,科学家们很难去地下“看”究竟发生了什么,“既看不见,也摸不着”。

  相应地,现有的地震“观测”均是间接的,人们只能依靠地面的观测资料,对地球内部的状况进行反演和推测,但申旭辉告诉记者,地面的探测站点毕竟分散,又很难把全球的地球物理场搞清楚。

  第三是理论的更新相对较慢。地震是地球上规模宏大的地下岩体破裂现象,其孕育过程跨越了几年、几十年,甚至更长的时间,因而,不但很难用经典物理学从本质上加以描述,也难以在实验室或者野外进行模拟。

  申旭辉说,地震研究的基本理论本身起源于早期的牛顿物理学,而如今物理学发展很快,基础理论学科相互交叉渗透,地震研究迫切需要吸收其他相关学科的理论。

  其实,地震究竟能不能预测,科学界长期以来就有争议。

  20多年前,这个问题还曾在我国掀起过一次大讨论。我国地球物理学家、中科院院士陈运泰当时的态度相对乐观——“地震不可预报这样的论断要慎言”,在他看来,自然科学问题必有解决的办法,需要寻找探索新的思路。

  申旭辉认为,如今“张衡一号”的发射就是一次新的探索和尝试。正如陈运泰院士所说,“地震预测预报,是世界性难题,但并不是说在这个难题解决之前,地震工作者就什么都不能做。”

  为何要上天“看”地震?

  在地球的周围,有着一层薄薄的“壳”,是一个“电子”和“离子”的世界,当受到地壳运动、地面人类活动等的影响时,其中的“电磁波”就会像水中的“涟漪”一样,在等离子体环境里传播。

  申旭辉告诉记者,过去几十年科学家发现,他们所监测到的“空间电磁扰动”也就是“电磁波涟漪”,与地震的发生具有明显的相关性:统计意义上,地球上6级、7级以上地震在发生前即孕育过程中,相应区域的“空间电磁扰动”都有可能发生异常。

  上世纪60年代,苏联科学家分析一颗卫星电磁信号时,发现卫星记录到地震低频电磁辐射前兆现象,称之为“地震电离层效应”。我国在1976年唐山地震时,也通过地面雷达系统发现了相应的电离层扰动现象。

  申旭辉说,这给人类探索地震发生的机理带来了一丝“难得的光明”。

  “张衡一号”正是依据这一原理来运行的。申旭辉说,地震简单来说就是“地壳运动”,这种运动会切割磁力线,也会造成磁力线的扭曲。另一方面,地球岩石的摩擦破裂,会产生电磁波,这些电磁波往大气层传播,将致使大气层的电磁信息发生变化。

  事实上,国外利用卫星进行地震前“空间电磁异常”现象的研究已经有多年的历史。赵坚说,此前俄罗斯、法国、美国、乌克兰等国家已经发射过同类卫星,不过均已退役,其中法国的DEMETER卫星连续在轨运行6年半,取得了不小的成功。

  法国DEMETER卫星计划首席科学家米歇尔·帕罗特教授说,基于这颗卫星的统计研究,可以反映电离层扰动的常规形态,并有助于科学家确定震前的电离层扰动特征。值得一提的是,中法科学家也联合利用这颗卫星的数据发表了大量科研论文,其中大部分是针对震前研究。

  而跳出地球来“看”地震,还能突破许多地震研究的限制。比如,填补地面观测台网在青藏高原和海域地区观测的不足。

  申旭辉说,在地面上,像青藏高原的极寒地区,现有的地震台网并不能完全覆盖,面积广阔的海洋也观测不到。相应地,卫星上天之后,就可以不受这些自然环境的约束,对全疆域实时观测。

  一两颗卫星就能研究地震?

  按照赵坚的说法,“张衡一号”真正投入运行后,能够重点监测中国全境,检验卫星电磁监测新技术设备的效能和空间适应性。

  具体来说,“张衡一号”可以开展全球7级以上、我国6级以上地震电磁信息分析研究,总体技术指标达到国际先进水平,部分技术指标达到国际领先水平。

  不过,申旭辉告诉记者,对于地震研究而言,指望一两颗卫星远远不够。这一点国外的“先驱者”已经给出了理由。

  米歇尔·帕罗特谈及法国的DEMETER卫星时说,尽管这颗卫星运行了6年,但作为一颗低轨卫星,卫星经过未来震中上空1500公里范围内的时间,每天只有3分钟,所以科研人员不可能期望能观测到“持续的”电离层扰动。

  如此一来,一些电离层扰动很可能“看”不到,这就是单一卫星与地基观测对比中显示出来的主要缺陷。米歇尔·帕罗特说,这也是中国的“张衡”卫星计划要设计多颗卫星的重要之处。

  赵坚说,后续,国防科工局将会同中国地震局,开展电磁监测试验卫星即“张衡”系列卫星的在轨测试及相关应用,提升民用卫星对地震监测与应急服务能力,进一步提升天基信息防震减灾服务能力。

  他还透露,“张衡一号”及其后续卫星计划已经纳入国家民用空间基础设施中长期发展规划,目前“张衡二号”已经通过可研评估,预计2020年发射。

  事实上,能够真正对全球实施观测,统计研究全球地震的前兆变化特征,对地震研究者来说是件“极其兴奋”的事。申旭辉告诉记者,也许在他有生之年,也未必能见证“地震预测”真正实现的那一天,但这并不意味着现在的努力就付诸东流。

  申旭辉说,一代人有一代的使命,如今有了卫星以及相应的星座计划,可以积累更多有效的、原始的数据,不断探索地震预测新方法——这是他这一代科学家要做的。(中国青年报·中青在线记者 邱晨辉)

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