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“张衡一号”:人类能否交出“地震预测”的答卷—新闻—科学网

科技资讯  2018年2月5日 11:00  来源:新浪科技
摘要:在21世纪的今日,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。

“张衡一号”在轨示意图。国防科工局供图

在21世纪的今日,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。

这颗卫星依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,不仅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。另外,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,但是均已退役,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。例如,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 来源:中国青年报 ( 2018年02月05日 12 版)

“张衡一号”:在天上“看”地震有多难

中国青年报·中青在线记者 邱晨辉

2月2日,我国首颗电磁监测试验卫星“张衡一号”发射升空,这让我国成为目前全球拥有在轨运行的多载荷、高精度地球物理场探测卫星的少数国家之一,为“地震预测”这道世界性难题的解答,提供一种新的尝试思路。

从外形来看,“张衡一号”的体积并不大,是一个约1.4米×1.4米×1.4米的立方体,重量也只有700多公斤。但是,这颗卫星的“长相”却有点奇怪——单太阳翼,装载有6根伸展长度4米多的“伸杆”,看上去有点像一个“炸了毛”的卫星。

这,恰恰是它的一大优势。

“张衡一号”卫星的抓总研制单位、航天科技集团五院东方红卫星公司总监周峰说,“张衡一号”上的“伸杆”,可将有效载荷即一双双盯着地球磁场的“眼睛”,尽可能大距离地远离星体的位置,避免受到卫星本体器件的电磁“干扰”——这是提高“眼睛”探测精度的必要条件。

说白了,离卫星本体越远,受到的电磁“干扰”越小,“眼睛”里的杂物越少,“看”得也就越清楚。

“张衡一号”的工作原理听上去并不复杂,即卫星在天上“盯着”地球磁场,一旦后者发生变化,哪怕只是起了些许的涟漪,就立即“上交”数据进行研究,因为引发磁场变化的一大可能,就是500公里外的地球上发生了较大的地壳活动——地震。

鲜为人知的是,这颗卫星“站岗”所在的太阳同步轨道,是一个布满了电子、离子的电磁世界,这里受到太阳、月球引潮力以及地球中高层大气的扰动,常常是“波涛汹涌”。国防科工局系统工程司副司长赵坚说,卫星在这里工作本就十分不易,还要探测这里的磁场变化情况,更是难上加难。

他告诉记者,“打铁还需自身硬”,想要精确“看到”地球磁场的细微变化,首先要求卫星本体的电磁信息“足够干净”。他给出一组数字:卫星本体磁性对磁场测量的“影响不确定性”需控制在0.5纳特,这相当于地球表面磁场强度的十万分之一。

周峰说,科研人员最终打造出来的“张衡一号”整星,其磁洁净度达到了0.33纳特,这是在国内首次实现低地球轨道卫星高精度电磁洁净度控制,达到国际先进水平。

此次任务中的“伸杆”机构也有两种,一种类似魔术表演中的魔术棒,叫卷筒式“伸杆”机构,其收拢时只有手掌大小;另一种类似人类的手臂,叫铰链式“伸杆”机构,两种机构展开后长度均可达到5米。

周峰告诉记者,这两种“伸杆”的选材过程可谓“百炼成钢”,既要能够保证其在轨时能够可靠展开,也要确保其在轨经历“超过200℃的温度交变”时,那些“眼睛”在5米长的“杆子”上,其位置变化量不大于2毫米,即大约一枚硬币的厚度。

周峰说,这是我国第一次实现高收纳比“伸杆”机构的国产化,一些关键性能指标达到国际先进水平。此次“伸杆”设计,也让我国星上探测载荷之间的距离,由不到2米延展至超过10米,创造了国内小卫星伸展载荷的新纪录。

值得一提的是,“张衡一号”安装了电场探测仪,这一载荷旨在探测卫星轨道环境空间电场,是目前国际上运行在太阳同步轨道上功能配置最全的空间电场探测仪器,由航天科技集团五院510所研制。

航天科技集团五院510所专家说,这个探测仪要“感知”太空中的三维电场,需要通过“伸杆”向卫星本体外“伸出”4个传感器,就像4个具有高灵敏测量电路的“球”。

这位专家表示,这样的“球”可以探测到“等离子体”的电势变化——这种变化非常微小,就好比“要在喜马拉雅山那么高的浪头上,分辨出一滴水珠”,难度之大可见一斑。

中国青年报·中青在线记者 邱晨辉 来源:中国青年报 ( 2018年02月05日 12 版)