用衛(wèi)星預(yù)測地震

譚濤

2014年8月3日16時30分在云南省昭通市魯?shù)榭h（北緯27.1度，東經(jīng)103.3度）發(fā)生6.5級地震，震源深度12千米。截至2014年8月8日15時，地震共造成617人死亡。大災(zāi)過后，如何進(jìn)行地震預(yù)報(bào)又成為眾人議論的熱門話題。

目前，世界各國監(jiān)測地震的主要手段是臺站觀測。我國現(xiàn)已建立了覆蓋全國的數(shù)字地震臺網(wǎng)、數(shù)字前兆臺網(wǎng)、數(shù)字強(qiáng)震臺網(wǎng)和國家GPS觀測網(wǎng)絡(luò)。不過，地面臺站觀測具有很大的局限性。因?yàn)槭苡^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)。另外，現(xiàn)有的地面觀測臺站干擾越來越嚴(yán)重。由此，利用臺站觀測，在全天候、全球性、動態(tài)性等方面先天不足。

天眼洞穿地表

看到全天候、全球性和動態(tài)性好的需求，人們想到了衛(wèi)星。對地觀測衛(wèi)星圖像可描述地球的新構(gòu)造運(yùn)動結(jié)構(gòu)，確定地震風(fēng)險(xiǎn)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，所以利用衛(wèi)星監(jiān)測地震，及時獲取地震前兆信息，可實(shí)現(xiàn)地震短臨預(yù)報(bào)。

那么，如何用衛(wèi)星預(yù)報(bào)地震呢？其實(shí)，用衛(wèi)星進(jìn)行地震預(yù)報(bào)已有多種，比如，大家所熟悉的GPS衛(wèi)星導(dǎo)航，可通過監(jiān)測地殼變化來預(yù)報(bào)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?cái)鄬拥陌鍓K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。由此可見，GPS還可以為地殼導(dǎo)航，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(xiǎn)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(yàn)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?yàn)”衛(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，上述幾點(diǎn)是相對前衛(wèi)的在研預(yù)報(bào)方式。目前，用衛(wèi)星直接預(yù)報(bào)地震主要有氣象衛(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(bào)地震，以及使用地震電磁衛(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(bào)地震兩種方式，而且后者已成為發(fā)展主流。

氣象衛(wèi)星報(bào)地震

在地震發(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?dú)夂图淄榈葰怏w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(bào)地震發(fā)生的時間、震中的位置和震級的。

用衛(wèi)星預(yù)報(bào)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(bào)分析。

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(xiǎn)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。

實(shí)踐證明，利用衛(wèi)星熱紅外信息進(jìn)行地震短臨預(yù)報(bào)在預(yù)報(bào)強(qiáng)震方面很有效，因?yàn)閺?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(bào)判讀準(zhǔn)確性較強(qiáng)震差。

經(jīng)過不斷的研究和探索，我國在利用氣象衛(wèi)星熱紅外數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)地震有了較大突破。例如，1997年，在對日本列島所做的7次地震預(yù)報(bào)中有6次比較準(zhǔn)確；1999年，又成功預(yù)報(bào)了唐山4.7級地震、新疆伽師6.3級地震等。1999年9月21日中國臺灣大地震前3～5天，氣象衛(wèi)星遙感圖像上就已經(jīng)顯示其附近海域出現(xiàn)爆發(fā)性增溫現(xiàn)象。為此，國家衛(wèi)星氣象中心加緊對溫度、云、降水等資料的對比，分析認(rèn)為臺灣將發(fā)生地震，初步判斷震中位置，并迅速報(bào)告國家地震局。中國臺灣發(fā)生7.6級強(qiáng)烈地震后，此前所報(bào)告的震中位置與預(yù)測地點(diǎn)只有30千米。

目前，在用氣象衛(wèi)星預(yù)報(bào)地震發(fā)生的時間、地點(diǎn)、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(bào)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。

2004年12月26日，印度洋發(fā)生8.7級大地震，地震引起了大范圍的海嘯，給周邊幾個國家造成了重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。然而，國家地震局專家在分析2004年12月5日15：00的風(fēng)云-2B云圖就說，太平洋出現(xiàn)了大面積紅色區(qū)域，即升溫區(qū)，而當(dāng)?shù)貢r間是11：00，不應(yīng)升溫，所以這是地震前兆。在2004年12月14日4時的衛(wèi)星云圖上，升溫帶甚至開始呈暗紅的“山字形”，“山”字的兩邊分別從日本海往西南和從印度半島往東南，伊洛瓦底江自北向南，是“山”字中間一豎，直指震中，這是地震應(yīng)力的明顯表現(xiàn)。從“風(fēng)云”-2B氣象衛(wèi)星在印度洋發(fā)生地震之前6天（即2004年12月20日）拍攝的云圖上可看到，西太平洋、南海、印度洋的大范圍紅色升溫條帶，條帶最窄處已經(jīng)到達(dá)震中即印尼蘇門答臘島西岸及海區(qū)，從而監(jiān)測到了這次災(zāi)害將要發(fā)生的征兆。但遺憾的是但由于種種原因，也未能做出預(yù)報(bào)。endprint

在2008年5月21日汶川大地震前，由于當(dāng)?shù)剡B日陰雨天，受云層的干擾，衛(wèi)星熱紅外輻射計(jì)探測不到云層下低空大氣的溫度，所以可能無法做出臨震前預(yù)報(bào)。因此，我國的地震專家又生一計(jì)，設(shè)計(jì)出衛(wèi)星群，其中，7 顆裝上可以探測到震前云下升溫的微波輻射計(jì)，另外3顆裝上熱紅外輻射，它們“群策群力”，各施絕技。不過，這些方法還在探索實(shí)驗(yàn)中。

量身打造地震衛(wèi)星

由于云層的干擾，無法洞穿地殼看內(nèi)在，那能不能在不被干擾的高空找到相應(yīng)的映射呢？大量的觀測事實(shí)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(zhǔn)確預(yù)報(bào)地震提供參考。和傳統(tǒng)的設(shè)在地面上的地震監(jiān)測站點(diǎn)相比，這種通過衛(wèi)星監(jiān)測來預(yù)報(bào)地震方法，為人們提供了新的預(yù)報(bào)依據(jù)。所以，許多國家開展了地震電磁衛(wèi)星（簡稱地震衛(wèi)星）的探索研究，以期將其作為監(jiān)測地震災(zāi)害的有效手段之一。

其實(shí)，早在冷戰(zhàn)時期，由于地下核試驗(yàn)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(yàn)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(bào)，轉(zhuǎn)化成為專門的地震衛(wèi)星。

1983年，一位專家對一顆遙感衛(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5.2～6.1級地震前均有低頻電磁輻射，出現(xiàn)概率最大是在主震前l(fā)2～l4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(bào)最有效的手段之一。

20世紀(jì)90年代初，在多年研究的基礎(chǔ)上，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2～48小時做出預(yù)報(bào)。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。但是由于俄羅斯經(jīng)濟(jì)衰退等原因，該系統(tǒng)建立進(jìn)程緩慢。

2001年，俄羅斯發(fā)射的Predvestnik-

E是世界上首顆地震衛(wèi)星，用于監(jiān)測震源區(qū)上空200～450千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，但該衛(wèi)星的目標(biāo)并沒有實(shí)現(xiàn)。2006年5月，俄羅斯發(fā)射了指南針-2衛(wèi)星現(xiàn)已用于探測地震活動，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(jì)，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。由于其利用微小衛(wèi)星技術(shù)平臺，一定程度上影響了觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，運(yùn)行情況及記錄資料至今沒有公布?？v觀各國已發(fā)射的地震衛(wèi)星，它們主要用于探測感應(yīng)電場、感應(yīng)磁場、基本磁場、TEC、高能粒子等電離層參數(shù)。

組團(tuán)預(yù)報(bào)地震

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(bào)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(jì)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(bào)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VULCAN-S/C衛(wèi)星星座方案。烏克蘭準(zhǔn)備打造由3顆衛(wèi)星組成的IONOSATS星座，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。

中國地震局地震預(yù)測研究所申旭輝研究員介紹說，我國將在2016年發(fā)射首顆地震衛(wèi)星——電磁監(jiān)測試驗(yàn)衛(wèi)星。用于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)，可以提供全球地震觀測能力，能使地震資料積累提高二三十倍，建成我國立體觀測體系中第一個電磁立體觀測系統(tǒng)。

地震預(yù)報(bào)是世界性的難題，很難準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。但從科學(xué)的角度來說，用衛(wèi)星進(jìn)行災(zāi)害監(jiān)測已經(jīng)成為全世界公認(rèn)的有效方法。

責(zé)任編輯：武瑾媛endprint