用衛(wèi)星能預報地震嗎?

□ 譚濤

地震是危害性極強的災害之一，據(jù)聯(lián)合國統(tǒng)計，20世紀以來，全世界因地震死亡人數(shù)達260萬，因此，如何進行地震預報受到世界各國的關注。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報和地震科學研究的進一步發(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)性強等優(yōu)點。衛(wèi)星圖像可用于描述地球的新構造運動結構，確定地震風險帶的地震構造條件。空間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/板塊邊界運動/位移情況的有力工具，精度甚至可達毫米級。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)地震短臨預報目的，已經(jīng)成為各國地震科學家的研究熱點。

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

用星載合成孔徑雷達能獲得危險源目標的三維信息，用差分合成孔徑雷達進行干涉測量還能提供有效的地球動力學信息，這種方法在長期監(jiān)視斷層緩慢運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“重力恢復與氣候實驗”衛(wèi)星得到了“蘇門答臘-安達曼大地震”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提供了重要證據(jù)。

不過，目前用衛(wèi)星直接預報地震主要有兩種：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報地震，而且后者已成為發(fā)展主流。

用氣象衛(wèi)星預報地震

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)星遙感技術對地面熱紅外輻射進行觀測，再綜合地質構造、地震帶分布和其他氣象情況的分析、預報地震發(fā)生的時間、震中的位置和震級的。

用衛(wèi)星預報地震的理論最早是20世紀70年代蘇聯(lián)人提出來的。該理論認為，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。在地球上空運行的衛(wèi)星可以獲得大幅度的資料和進行連續(xù)不斷地觀測，可以用來監(jiān)測地球表面的異常增溫，從而用來進行地震預報分析。

20世紀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)進行地震預報實驗研究。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)星遙感紅外技術研究地震預報提供了新的線索，此后這方面的研究受到地震學者的廣泛關注。

氣象衛(wèi)星對地震的監(jiān)測預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，物體的色調取決于其自身的溫度，物體溫度越高色調越暗。當某地溫度偏高時，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)了地震短臨預報技術，進行了100次地震預報，預報準確率達到50%以上。實踐證明，利用衛(wèi)星熱紅外信息進行地震短臨預報在預報強震方面很有效，因為強震前異常反應強烈，在圖像上顯示的異常增溫較明顯；而小地震前異常反應不明顯，預報判讀準確性較強震差。

我國地震、氣象專家通過利用衛(wèi)星遙感技術監(jiān)視和預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)視預報強震有無的中短期預報方法，在地震短期監(jiān)視預報中，對未來強震事件的發(fā)生地域顯示有重要應用價值。

目前，在用氣象衛(wèi)星預報地震發(fā)生的時間、地點、震級三要素的準確性方面正不斷提高，特別是在短臨預報方面的成績已引起國內外同行的密切關注。比如，2003年1月20日，1幅風云-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3℃左右，說明地下釋放了巨大的熱能，也就是這種能量轉換導致了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的異常現(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，可以為人們準確預報地震提供參考。

其實，早在冷戰(zhàn)時期，由于地下核試驗產(chǎn)生的強震會引起電磁異常，所以為了監(jiān)測有關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報，轉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)小時內超低頻電磁信號增強，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，這一發(fā)現(xiàn)為地震衛(wèi)星的發(fā)展奠定了基礎。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，地震學家現(xiàn)在普遍認為，利用衛(wèi)星捕捉電磁前兆將是地震短臨預報最有效的手段之一。

20世紀90年代初，俄羅斯科學家提出建立地震前兆全球監(jiān)測衛(wèi)星系統(tǒng)的設想。該系統(tǒng)的目標是對特定地區(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小時做出預報。按照科學家們的設想，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)測得到的信息相結合進行地震預測。

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的電離層變化信息，探索地震預報信息和預報技術，研究與地震、火山和其他大規(guī)模的自然災害有關的電離層、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、無線電頻率分析儀、GPS掩星接收機和粒子探測器，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行地震電磁監(jiān)測衛(wèi)星的相關 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)星平臺的設計，裝有1臺單軸感應式磁力儀，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系機理，預測地震活動。

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)境進行監(jiān)測。其質量只有132千克左右重，體積和一臺洗衣機差不多，主要載荷有感應式磁力儀、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、火山相關的電離層變化，研究與人類活動有關的電離層活動及引起電離層變化的機理等。

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的電離層活動的“西奇”-1M衛(wèi)星，但由于火箭第3級失效，導致衛(wèi)星未能進入預定軌道。

2013年11月22日，歐空局的3顆“蜂群”衛(wèi)星升空，對地球磁場進行勘察。每顆衛(wèi)星的發(fā)射質量為473千克，裝有矢量場磁強計，絕對標量磁強計、電場裝置、加速度計、GPS接收機、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，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，從而對準確預報地震很有幫助。

美國擬發(fā)射載有感應式磁力儀的“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，運行在兩個 不同軌道高度，采用統(tǒng)一的衛(wèi)星平臺，設計壽命不少于7年。其中6顆在高550千米的軌道上運行，星間距離30°；另外2顆在高950千米的軌道上運行，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、中期及短期地震預報監(jiān)測。

烏克蘭準備打造由3顆衛(wèi)星組成的IONOSATS星座，運行在高450千米、傾角大于80°的極軌道上，并在水平面上構成三角形，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，以及與地球內部動力學、大氣層-電離層-磁層耦合、太陽活動和宇宙射線等有關的現(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，我國有關專家認為，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責人申旭輝在接受記者采訪時指出，利用空間技術手段進行地震監(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地表觀測提高二三十倍。其次，利用空間技術手段，可以觀測地球板塊之間的相互作用，提高板塊動力學研究能力，突破地震預報技術。

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。它裝有高精度磁強計、感應式磁力儀、三分量電場儀、Langmuir探針、等離子體分析儀、GNSS掩星接收機、三頻信標發(fā)射機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)，研究與地震相關的電離層變化現(xiàn)象，總結地震電離層前兆特征，探索地震電離層耦合機理和地震預測方法，為空間科學、電波科學以及地球物理研究等提供數(shù)據(jù)信息服務。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；可以構建我國第一個自主的全球電離層模型，對通信、導航、空間天氣預警、地球物理勘探等戰(zhàn)略應用具有重要作用。

盡管目前利用地震衛(wèi)星預報地震還有一定的困難，但是隨著在地震電磁耦合機理的突破、觀測數(shù)據(jù)資料的積累、地震前兆信息特征和干擾排除方法研究的深入以及其它信息如重力、紅外、形變的綜合，對地震的預測預報還是可以實現(xiàn)的。從遙感衛(wèi)星發(fā)展來看，現(xiàn)在光學遙感衛(wèi)星分辨率越來越高；但從電磁衛(wèi)星用戶的角度出發(fā)，希望地球物理遙感衛(wèi)星能得到更多的重視，地球遙感物理還有很多未知的領域需要我們去不斷探索。