用衛(wèi)星能預(yù)報地震嗎?

2014-01-06 01:48:12譚濤

太空探索 2014年12期

□ 譚濤

地震是危害性極強(qiáng)的災(zāi)害之一，據(jù)聯(lián)合國統(tǒng)計，20世紀(jì)以來，全世界因地震死亡人數(shù)達(dá)260萬，因此，如何進(jìn)行地震預(yù)報受到世界各國的關(guān)注。目前監(jiān)測地震的主要手段是地面臺站觀測，但受觀測環(huán)境、生活環(huán)境等諸多客觀條件的限制，在國境邊界、海洋、高山、原始森林等地區(qū)建臺比較困難，全球的觀測臺網(wǎng)密度很不均勻，存在許多監(jiān)測空白區(qū)，且無法實現(xiàn)全天候、全球性觀測，動態(tài)性較差，這些都不利于地震預(yù)報和地震科學(xué)研究的進(jìn)一步發(fā)展。那該怎么辦呢？人們想到了衛(wèi)星。

居高臨下優(yōu)點多

對地觀測衛(wèi)星具有全天候、全球性、周期短、效率高、動態(tài)性強(qiáng)等優(yōu)點。衛(wèi)星圖像可用于描述地球的新構(gòu)造運(yùn)動結(jié)構(gòu)，確定地震風(fēng)險帶的地震構(gòu)造條件?？臻g探測可以克服地面測地勘探/測量中的許多限制，現(xiàn)已成為評估地球斷層/板塊邊界運(yùn)動/位移情況的有力工具，精度甚至可達(dá)毫米級。利用衛(wèi)星的“甚長基線干涉儀”，可以精確地記錄板塊(沿數(shù)百千米基線)的移動情況，精度達(dá)厘米級。所以利用衛(wèi)星監(jiān)測地震，及時獲取地震前兆信息，實現(xiàn)地震短臨預(yù)報目的，已經(jīng)成為各國地震科學(xué)家的研究熱點。

那么，如何用衛(wèi)星預(yù)報地震呢？其實，用衛(wèi)星進(jìn)行地震預(yù)報已有多種，如大家所熟悉的GPS衛(wèi)星導(dǎo)航就是其中一種，它是通過監(jiān)測地殼變化來預(yù)報地震。用GPS系統(tǒng)可有效地監(jiān)測地質(zhì)結(jié)構(gòu)隨時間的變化，這對于了解地球動力學(xué)的長期變化是極為重要的。它還可測量沿板塊邊界的復(fù)雜形變與積累形變，而沿斷層的板塊運(yùn)動和滑坡等已能用差分GPS測量法得到，精度達(dá)厘米級。因此，GPS技術(shù)對于監(jiān)測板塊之間以及板內(nèi)各塊體之間的相對運(yùn)動和地殼應(yīng)力場變化是極為有力的工具。

用星載合成孔徑雷達(dá)能獲得危險源目標(biāo)的三維信息，用差分合成孔徑雷達(dá)進(jìn)行干涉測量還能提供有效的地球動力學(xué)信息，這種方法在長期監(jiān)視斷層緩慢運(yùn)動方面的能力已得到驗證。

另外，地震會引起地球表面的引力變化，該發(fā)現(xiàn)為地震重力衛(wèi)星的發(fā)展提供了依據(jù)。美國用“重力恢復(fù)與氣候?qū)嶒灐毙l(wèi)星得到了“蘇門答臘-安達(dá)曼大地震”引起的地球引力變化異常的數(shù)據(jù)，這為地震重力耦合效應(yīng)提供了重要證據(jù)。

不過，目前用衛(wèi)星直接預(yù)報地震主要有兩種：一種使用氣象衛(wèi)星通過監(jiān)測某地地表熱紅外輻射的異常變化來預(yù)報地震；另一種是使用地震電磁衛(wèi)星（簡稱地震衛(wèi)星）監(jiān)測某地電磁場的異常變化來預(yù)報地震，而且后者已成為發(fā)展主流。

用氣象衛(wèi)星預(yù)報地震

地震發(fā)生前，由于震區(qū)巖層大面積受力，使震中周圍的巖層產(chǎn)生裂隙，二氧化碳、氫氣、氮氣和甲烷等氣體從巖層的裂隙中釋放出來。同時，地表電磁場的異常變化轟擊這些氣體，從而釋放出熱量，產(chǎn)生熱紅外異常。所以，可以通過衛(wèi)星遙感技術(shù)對地面熱紅外輻射進(jìn)行觀測，再綜合地質(zhì)構(gòu)造、地震帶分布和其他氣象情況的分析、預(yù)報地震發(fā)生的時間、震中的位置和震級的。

用衛(wèi)星預(yù)報地震的理論最早是20世紀(jì)70年代蘇聯(lián)人提出來的。該理論認(rèn)為，地球板塊碰撞會把地下熱擠壓出來，造成地表異常增溫，通過地表出現(xiàn)異常增溫，就可反推出該地區(qū)有可能發(fā)生地震。在地球上空運(yùn)行的衛(wèi)星可以獲得大幅度的資料和進(jìn)行連續(xù)不斷地觀測，可以用來監(jiān)測地球表面的異常增溫，從而用來進(jìn)行地震預(yù)報分析。

20世紀(jì)80年代末，我國地震工作者開始利用氣象衛(wèi)星獲取的熱紅外數(shù)據(jù)進(jìn)行地震預(yù)報實驗研究。1990年俄羅斯也發(fā)現(xiàn)了地震前有衛(wèi)星熱紅外增溫現(xiàn)象。這些都為利用衛(wèi)星遙感紅外技術(shù)研究地震預(yù)報提供了新的線索，此后這方面的研究受到地震學(xué)者的廣泛關(guān)注。

氣象衛(wèi)星對地震的監(jiān)測預(yù)測是利用其紅外遙感器得到晝夜云和地表的紅外輻射信息，把這些信息以圖像形式表示就是紅外云圖。在紅外云圖上，物體的色調(diào)取決于其自身的溫度，物體溫度越高色調(diào)越暗。當(dāng)某地溫度偏高時，紅外遙感器接收了輻射信息，在紅外云圖上的體現(xiàn)就是深紅的一片。專家看到這種“危險信號”，就要對該地區(qū)嚴(yán)密監(jiān)測，判斷是地震前兆還是其他自然或人為事件。

1990年～2000年，國家地震局和國家氣象局借助氣象衛(wèi)星、資源衛(wèi)星獲取的紅外實測數(shù)據(jù)，首創(chuàng)了地震短臨預(yù)報技術(shù)，進(jìn)行了100次地震預(yù)報，預(yù)報準(zhǔn)確率達(dá)到50%以上。實踐證明，利用衛(wèi)星熱紅外信息進(jìn)行地震短臨預(yù)報在預(yù)報強(qiáng)震方面很有效，因為強(qiáng)震前異常反應(yīng)強(qiáng)烈，在圖像上顯示的異常增溫較明顯；而小地震前異常反應(yīng)不明顯，預(yù)報判讀準(zhǔn)確性較強(qiáng)震差。

我國地震、氣象專家通過利用衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)視和預(yù)報地震方法的實驗發(fā)現(xiàn)，在我國四大地震活動區(qū)的6級左右強(qiáng)震，發(fā)生前都顯示出衛(wèi)星遙感監(jiān)測到的“熱輻射”場變異的特征。專家據(jù)此研制出適宜區(qū)域監(jiān)視預(yù)報強(qiáng)震有無的中短期預(yù)報方法，在地震短期監(jiān)視預(yù)報中，對未來強(qiáng)震事件的發(fā)生地域顯示有重要應(yīng)用價值。

目前，在用氣象衛(wèi)星預(yù)報地震發(fā)生的時間、地點、震級三要素的準(zhǔn)確性方面正不斷提高，特別是在短臨預(yù)報方面的成績已引起國內(nèi)外同行的密切關(guān)注。比如，2003年1月20日，1幅風(fēng)云-1D遙感圖像顯示，在墨西哥科利馬州附近，圖像顏色呈深紅色，表明增溫3℃左右，其附近10多萬平方千米海域也顯示明顯增溫。此前兩三天的風(fēng)云-1D星全球拼圖都有類似現(xiàn)象。在大面積水域增溫1℃都算是非常顯著的變化，而在這一地區(qū)附近明顯增溫達(dá)3℃左右，說明地下釋放了巨大的熱能，也就是這種能量轉(zhuǎn)換導(dǎo)致了2003年1月21日晚8時許，在墨西哥科利馬州太平洋沿岸發(fā)生里氏7.6級地震。

監(jiān)測電磁變化的地震衛(wèi)星

大量的觀測事實顯示，在多數(shù)大地震發(fā)生前，均在震中及其鄰區(qū)發(fā)現(xiàn)過大量與電磁波有關(guān)的異?，F(xiàn)象。而這些電磁場的變化會最終反映在大氣的電離層中，因此使用衛(wèi)星監(jiān)測電離層變化，可以為人們準(zhǔn)確預(yù)報地震提供參考。

其實，早在冷戰(zhàn)時期，由于地下核試驗產(chǎn)生的強(qiáng)震會引起電磁異常，所以為了監(jiān)測有關(guān)國家地下核試驗的情況，蘇聯(lián)發(fā)射過多顆這種可監(jiān)測電磁異常的衛(wèi)星。后來，這種電磁監(jiān)測衛(wèi)星又逐漸用于地震預(yù)報，轉(zhuǎn)化成為專門的地震衛(wèi)星。

1983年，1位專家對1顆遙感衛(wèi)星經(jīng)過地震區(qū)域時的記錄數(shù)據(jù)分析后，發(fā)現(xiàn)震前和震后幾十分鐘至數(shù)小時內(nèi)超低頻電磁信號增強(qiáng)，這一成果極大地推動了地震-電磁現(xiàn)象的研究。1989年，日本和蘇聯(lián)衛(wèi)星又觀測到了28次5.2級～6.1級地震前均有低頻電磁輻射，出現(xiàn)概率最大是在主震前12小時～14小時內(nèi)，這一發(fā)現(xiàn)為地震衛(wèi)星的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。此后，還有多顆衛(wèi)星所獲數(shù)據(jù)都表明，地震前后低頻電磁信號都有明顯的變化。因此，地震學(xué)家現(xiàn)在普遍認(rèn)為，利用衛(wèi)星捕捉電磁前兆將是地震短臨預(yù)報最有效的手段之一。

20世紀(jì)90年代初，俄羅斯科學(xué)家提出建立地震前兆全球監(jiān)測衛(wèi)星系統(tǒng)的設(shè)想。該系統(tǒng)的目標(biāo)是對特定地區(qū)上空的電磁波、電離層等離子體特征等長期監(jiān)測，在震前2小時～48小時做出預(yù)報。按照科學(xué)家們的設(shè)想，這一系統(tǒng)由20顆微型中低軌道衛(wèi)星、地面接收網(wǎng)絡(luò)和地面飛行控制中心組成。地面接收系統(tǒng)把信息傳遞到地震預(yù)測中心，中心再將地震衛(wèi)星信息與地面?zhèn)鹘y(tǒng)地震監(jiān)測得到的信息相結(jié)合進(jìn)行地震預(yù)測。

俄羅斯先后于1999年、2001年、2006年發(fā)射了3顆衛(wèi)星，用來探測與地震有關(guān)的電離層變化信息，探索地震預(yù)報信息和預(yù)報技術(shù)，研究與地震、火山和其他大規(guī)模的自然災(zāi)害有關(guān)的電離層、電磁和等離子體變化等前兆。其中，2001年，俄羅斯發(fā)射的Predvestnik-E是世界上首顆地震衛(wèi)星，它裝有電場強(qiáng)度測量儀、FM-4磁力計、高能粒子監(jiān)視器、紅外光譜儀等，用于監(jiān)測震源區(qū)上空200千米～450千米處電離層電子濃度、電磁波反射頻率以及電磁輻射參數(shù)異常。

2006年5月，俄羅斯發(fā)射了“指南針”-2衛(wèi)星，即復(fù)雜的在軌磁等離子體自主小衛(wèi)星-2。它重81.6千克，裝有測量磁場的低頻波組合探測器、測量電場的低頻波組合探測器、主動探測的雙頻發(fā)射機(jī)、無線電頻率分析儀、GPS掩星接收機(jī)和粒子探測器，用于探測地震活動，并協(xié)助探測即將發(fā)生地震或其他自然現(xiàn)象的跡象。

近些年，法國、美國、烏克蘭等國家也開始進(jìn)行地震電磁監(jiān)測衛(wèi)星的相關(guān) 研究。2003年6月，美國發(fā)射了一顆重3千克的地震衛(wèi)星，它綜合了3種立方體小衛(wèi)星平臺的設(shè)計，裝有1臺單軸感應(yīng)式磁力儀，用于監(jiān)測地震活動的極低頻無線電輻射，研究磁場信號與地震巖石破裂關(guān)系機(jī)理，預(yù)測地震活動。

2004年6月，法國發(fā)射了1顆名叫“震區(qū)電磁輻射探測衛(wèi)星”的地震衛(wèi)星，它可以在地震或火山活動發(fā)生前后對區(qū)域的電離層和電磁環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。其質(zhì)量只有132千克左右重，體積和一臺洗衣機(jī)差不多，主要載荷有感應(yīng)式磁力儀、電場探測儀、等離子體分析儀、Langmuir探針和粒子探測儀。在軌飛行期間，該衛(wèi)星可以監(jiān)測地球電磁信號的變化，即研究與地震、火山相關(guān)的電離層變化，研究與人類活動有關(guān)的電離層活動及引起電離層變化的機(jī)理等。

2004年12月，烏克蘭發(fā)射了用于研究與地震和人類活動有關(guān)的電離層活動的“西奇”-1M衛(wèi)星，但由于火箭第3級失效，導(dǎo)致衛(wèi)星未能進(jìn)入預(yù)定軌道。

2013年11月22日，歐空局的3顆“蜂群”衛(wèi)星升空，對地球磁場進(jìn)行勘察。每顆衛(wèi)星的發(fā)射質(zhì)量為473千克，裝有矢量場磁強(qiáng)計，絕對標(biāo)量磁強(qiáng)計、電場裝置、加速度計、GPS接收機(jī)、星敏感器和激光反射器。其中2顆衛(wèi)星在460千米高度軌道進(jìn)行編隊飛行，以測量地球磁場的東-西梯度，第3顆衛(wèi)星部署在高度為530千米的軌道。

建立星座是趨勢

受到運(yùn)行周期、衛(wèi)星性能等的影響，用1顆地震衛(wèi)星觀測會只能獲取有限的地震前兆信息。在一次較大地震發(fā)生前的一月時間內(nèi)，1顆衛(wèi)星飛過地震震中上空的次數(shù)也就幾次，而且持續(xù)時間非常短，可以獲得的觀測數(shù)據(jù)非常少，僅憑這些數(shù)據(jù)來判斷地震的時間、空間和強(qiáng)度是非常困難的。

如果能建立包括監(jiān)測電磁、重力、熱紅外輻射等多種不同類型衛(wèi)星組成的星座，則可滿足地震預(yù)報要求。衛(wèi)星數(shù)量和種類越多，資料積累就越多，有利于地震電磁耦合機(jī)理、地震前兆特征和干擾研究。

所以，目前美國、俄羅斯、烏克蘭、意大利、日本、中國臺灣等，都有發(fā)射監(jiān)測電磁的地震衛(wèi)星計劃，其中不少擬建立觀測星座，它是地震衛(wèi)星觀測的發(fā)展方向。這樣可在探測與地震前兆信息密切相關(guān)的物理量時，同時探測可能的前兆信息干擾源，或者為有效提取地震前兆信息提供輔助觀測，從而對準(zhǔn)確預(yù)報地震很有幫助。

美國擬發(fā)射載有感應(yīng)式磁力儀的“地震衛(wèi)星”-2衛(wèi)星，來研究電離層參數(shù)變化與地震活動性的關(guān)系的。

俄羅斯提出了建立由8顆衛(wèi)星組成的地震-S/C衛(wèi)星星座方案，運(yùn)行在兩個不同軌道高度，采用統(tǒng)一的衛(wèi)星平臺，設(shè)計壽命不少于7年。其中6顆在高550千米的軌道上運(yùn)行，星間距離30°；另外2顆在高950千米的軌道上運(yùn)行，星間距離90°。該星座用于探測地震引起的大氣層、電離層和磁層的異常物理現(xiàn)象，在全球尺度上監(jiān)測異常地震現(xiàn)象，并與COMPASS-2衛(wèi)星一起構(gòu)成大氣層、電離層電磁異?，F(xiàn)象監(jiān)測的長期、中期及短期地震預(yù)報監(jiān)測。

烏克蘭準(zhǔn)備打造由3顆衛(wèi)星組成的IONOSATS星座，運(yùn)行在高450千米、傾角大于80°的極軌道上，并在水平面上構(gòu)成三角形，其間距控制在數(shù)十至數(shù)百千米范圍，平均間距約100 千米。

意大利計劃發(fā)射ESPERIA衛(wèi)星。它載有磁通門磁力儀、感應(yīng)式磁力儀、電場分析儀、Langmuir探針和粒子探測儀。該星主要用于研究等離子體環(huán)境和高能粒子環(huán)境、近地電磁環(huán)境，以及與地球內(nèi)部動力學(xué)、大氣層-電離層-磁層耦合、太陽活動和宇宙射線等有關(guān)的現(xiàn)象和地震活動性。

日本正在研制的ELMOS衛(wèi)星計劃配置磁通門磁力儀、電場測量儀、電子密度探測儀和閃電成像儀，設(shè)計軌道高度600千米，壽命大于2年。

中國臺灣打算發(fā)射與德國合作研制的ARGO（又叫“快眼”-6）衛(wèi)星，它裝有離子探測器、電子探測器、磁通門磁力儀、感應(yīng)線圈磁力儀、電場和等離子體探測器等載荷。

我國首顆地震衛(wèi)星指日可待

我國處于世界兩大地震帶之間，是一個多地震的國家。資料顯示，20世紀(jì)有1/3的陸上破壞性地震發(fā)生在我國，死亡人數(shù)約60萬，占全世界同期因地震死亡人數(shù)的一半左右。所以，我國有關(guān)專家認(rèn)為，發(fā)展地震衛(wèi)星十分必要。

我國地震衛(wèi)星計劃實施專家組負(fù)責(zé)人申旭輝在接受記者采訪時指出，利用空間技術(shù)手段進(jìn)行地震監(jiān)測有其自身優(yōu)勢。首先，地震是個小概率事件，需要盡可能多的觀測到地震，積累數(shù)據(jù)。如果利用衛(wèi)星來觀測地震的話，地震事件經(jīng)驗的積累可以比只在國內(nèi)地表觀測提高二三十倍。其次，利用空間技術(shù)手段，可以觀測地球板塊之間的相互作用，提高板塊動力學(xué)研究能力，突破地震預(yù)報技術(shù)。

基于這樣的研究思路，我國將在2016年發(fā)射首顆地震衛(wèi)星——電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星，采用CAST小衛(wèi)星平臺，運(yùn)行在太陽同步圓軌道，軌道高度約500千米。它裝有高精度磁強(qiáng)計、感應(yīng)式磁力儀、三分量電場儀、Langmuir探針、等離子體分析儀、GNSS掩星接收機(jī)、三頻信標(biāo)發(fā)射機(jī)和高能粒子探測器共8種有效載荷。我國電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星將獲取全球低頻電磁場和電離層等離子體及高能粒子觀測數(shù)據(jù)，研究與地震相關(guān)的電離層變化現(xiàn)象，總結(jié)地震電離層前兆特征，探索地震電離層耦合機(jī)理和地震預(yù)測方法，為空間科學(xué)、電波科學(xué)以及地球物理研究等提供數(shù)據(jù)信息服務(wù)。衛(wèi)星在軌期間，可以提供全球地震觀測能力，建成我國立體觀測體系中第一個電磁立體觀測系統(tǒng)。同時可以利用該衛(wèi)星資料制作我國第一張自主的全球地磁圖；可以構(gòu)建我國第一個自主的全球電離層模型，對通信、導(dǎo)航、空間天氣預(yù)警、地球物理勘探等戰(zhàn)略應(yīng)用具有重要作用。