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中國“張衡一號”飛向太空“看”地震
2018-02-05 07:40:44 來源: 中國青年報
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  中國“張衡一號”飛向太空“看”地震——

  人類能否交出“地震預測”的答卷?

  在21世紀的今天,人類文明已經走過6000多年歷史並迎來第六次科技革命,如果要問還有哪些世界性難題久攻未破,甚至仍在限制人類的想象力?地震預測肯定算一個。

  2月2日,我國第一顆觀測地震電磁信息的衛星“張衡一號”成功發射。公元132年,張衡發明了人類歷史上最早的地動儀,開創世界地震勘測研究的先河。1800多年過去了,如今以他的名字命名的衛星飛上了天,研究的還是同樣的問題:地震預測。

  這顆衛星仍然不能直接預測預報地震。用國防科工局係統工程司副司長趙堅的話説,“‘張衡一號’主要是用于地震前兆信息研究,為未來建立地震監測體係進行前期技術儲備。”

  盡管如此,在中國的地震預測研究之路上,這顆衛星還是邁出了一大步——有望讓我國第一次具備全疆域和全球三維地球物理場動態監測能力。換句話説,中國境內6級以上、全球主要地區7級以上的地震電磁信息,這顆衛星都有可能“看到”。

  人類究竟能否預測地震?

  仰望星空,人類拿起“天文”的尺子來看待自己,不免會産生敬畏之感,同樣地,面對大地,人類同樣會感到“浩渺滄海之一粟”,這不單是因為體積上的巨大差異,更有來自這個龐然大物“發脾氣”時的巨大威脅——大地一顫抖,帶來的就可能是生與死。

  以去年為例,來自中國地震局的數據顯示,2017年我國發生5級以上地震19次,其中大陸地區13次,臺灣地區6次,最大地震為8月8日四川九寨溝7.0級地震。這些地震共造成大陸地區37人死亡,1人失蹤,617人受傷,直接經濟損失145.58億元。放眼全球,2017年發生7級以上地震8次,最大地震為9月8日墨西哥近海沿岸8.2級地震。

  相應地,地震認知上的一個個空白,加劇了這種威脅:大地究竟為何顫抖,地震究竟能否預測,以及該如何預報,仍是全球科學家面臨的巨大挑戰。

  “張衡一號”衛星工程首席科學家兼副總師、中國地震局地殼應力研究所總工程師申旭輝説,擺在科學家面前的地震預報難題有“三座大山”。首先是地震事例太少。他説,中國平均每3年有兩個7級地震,全球每年則有18個——盡管誰也不願看到地震發生,但這無法避免,僅從科研角度來説,這樣幾次的數據連有效的統計分析都不夠,不足以幫助科學家形成完整的地震預測科學體係和方法體係。

  換言之,地震監測的研究結果難以檢驗。申旭輝説,強烈地震對于同一地區可能是幾十年、幾百年或者更長的時間才能遇到一次,對于不同地區,甚至不同時期的孕震過程,機理差異很大,所以,“重復實踐”進行檢驗的機會很難碰到。

  其次,地震科學研究的方法和手段受到很多制約。申旭輝説,地震發生在地下二三十公裏處,而當今世界上最深的鑽孔只有12公裏,科學家們很難去地下“看”究竟發生了什麼,“既看不見,也摸不著”。

  相應地,現有的地震“觀測”均是間接的,人們只能依靠地面的觀測資料,對地球內部的狀況進行反演和推測,但申旭輝告訴記者,地面的探測站點畢竟分散,又很難把全球的地球物理場搞清楚。

  第三是理論的更新相對較慢。地震是地球上規模宏大的地下岩體破裂現象,其孕育過程跨越了幾年、幾十年,甚至更長的時間,因而,不但很難用經典物理學從本質上加以描述,也難以在實驗室或者野外進行模擬。

  申旭輝説,地震研究的基本理論本身起源于早期的牛頓物理學,而如今物理學發展很快,基礎理論學科相互交叉滲透,地震研究迫切需要吸收其他相關學科的理論。

  其實,地震究竟能不能預測,科學界長期以來就有爭議。

  20多年前,這個問題還曾在我國掀起過一次大討論。我國地球物理學家、中科院院士陳運泰當時的態度相對樂觀——“地震不可預報這樣的論斷要慎言”,在他看來,自然科學問題必有解決的辦法,需要尋找探索新的思路。

  申旭輝認為,如今“張衡一號”的發射就是一次新的探索和嘗試。正如陳運泰院士所説,“地震預測預報,是世界性難題,但並不是説在這個難題解決之前,地震工作者就什麼都不能做。”

  為何要上天“看”地震?

  在地球的周圍,有著一層薄薄的“殼”,是一個“電子”和“離子”的世界,當受到地殼運動、地面人類活動等的影響時,其中的“電磁波”就會像水中的“漣漪”一樣,在等離子體環境裏傳播。

  申旭輝告訴記者,過去幾十年科學家發現,他們所監測到的“空間電磁擾動”也就是“電磁波漣漪”,與地震的發生具有明顯的相關性:統計意義上,地球上6級、7級以上地震在發生前即孕育過程中,相應區域的“空間電磁擾動”都有可能發生異常。

  上世紀60年代,蘇聯科學家分析一顆衛星電磁信號時,發現衛星記錄到地震低頻電磁輻射前兆現象,稱之為“地震電離層效應”。我國在1976年唐山地震時,也通過地面雷達係統發現了相應的電離層擾動現象。

  申旭輝説,這給人類探索地震發生的機理帶來了一絲“難得的光明”。

  “張衡一號”正是依據這一原理來運行的。申旭輝説,地震簡單來説就是“地殼運動”,這種運動會切割磁力線,也會造成磁力線的扭曲。另一方面,地球岩石的摩擦破裂,會産生電磁波,這些電磁波往大氣層傳播,將致使大氣層的電磁信息發生變化。

  事實上,國外利用衛星進行地震前“空間電磁異常”現象的研究已經有多年的歷史。趙堅説,此前俄羅斯、法國、美國、烏克蘭等國家已經發射過同類衛星,不過均已退役,其中法國的DEMETER衛星連續在軌運行6年半,取得了不小的成功。

  法國DEMETER衛星計劃首席科學家米歇爾·帕羅特教授説,基于這顆衛星的統計研究,可以反映電離層擾動的常規形態,並有助于科學家確定震前的電離層擾動特徵。值得一提的是,中法科學家也聯合利用這顆衛星的數據發表了大量科研論文,其中大部分是針對震前研究。

  而跳出地球來“看”地震,還能突破許多地震研究的限制。比如,填補地面觀測臺網在青藏高原和海域地區觀測的不足。

  申旭輝説,在地面上,像青藏高原的極寒地區,現有的地震臺網並不能完全覆蓋,面積廣闊的海洋也觀測不到。相應地,衛星上天之後,就可以不受這些自然環境的約束,對全疆域實時觀測。

  一兩顆衛星就能研究地震?

  按照趙堅的説法,“張衡一號”真正投入運行後,能夠重點監測中國全境,檢驗衛星電磁監測新技術設備的效能和空間適應性。

  具體來説,“張衡一號”可以開展全球7級以上、我國6級以上地震電磁信息分析研究,總體技術指標達到國際先進水平,部分技術指標達到國際領先水平。

  不過,申旭輝告訴記者,對于地震研究而言,指望一兩顆衛星遠遠不夠。這一點國外的“先驅者”已經給出了理由。

  米歇爾·帕羅特談及法國的DEMETER衛星時説,盡管這顆衛星運行了6年,但作為一顆低軌衛星,衛星經過未來震中上空1500公裏范圍內的時間,每天只有3分鐘,所以科研人員不可能期望能觀測到“持續的”電離層擾動。

  如此一來,一些電離層擾動很可能“看”不到,這就是單一衛星與地基觀測對比中顯示出來的主要缺陷。米歇爾·帕羅特説,這也是中國的“張衡”衛星計劃要設計多顆衛星的重要之處。

  趙堅説,後續,國防科工局將會同中國地震局,開展電磁監測試驗衛星即“張衡”係列衛星的在軌測試及相關應用,提升民用衛星對地震監測與應急服務能力,進一步提升天基信息防震減災服務能力。

  他還透露,“張衡一號”及其後續衛星計劃已經納入國家民用空間基礎設施中長期發展規劃,目前“張衡二號”已經通過可研評估,預計2020年發射。

  事實上,能夠真正對全球實施觀測,統計研究全球地震的前兆變化特徵,對地震研究者來説是件“極其興奮”的事。申旭輝告訴記者,也許在他有生之年,也未必能見證“地震預測”真正實現的那一天,但這並不意味著現在的努力就付諸東流。

  申旭輝説,一代人有一代的使命,如今有了衛星以及相應的星座計劃,可以積累更多有效的、原始的數據,不斷探索地震預測新方法——這是他這一代科學家要做的。(中國青年報·中青在線記者 邱晨輝)

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【糾錯】 責任編輯: 馮文雅
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