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 , 張衡發明瞭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 多年過去瞭 , 如今以他的名字命名的衛星飛上瞭天 , 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。用國防科工局系統工程司副司長趙堅的話說 ," ‘張衡一號’主要是用於地震前兆信息研究 , 為未來建立地震監測體系進行前期技術儲備。"
盡管如此 , 在中國的地震預測研究之路上 , 這顆衛星還是邁出瞭一大步——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。換句話說 , 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 , 不免會產生敬畏之感 , 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 , 加劇瞭這種威脅 : 大地究竟為何顫抖 , 地震究竟能否預測 , 以及該如何預報 , 仍是全球科學傢面臨的巨大挑戰。
" 張衡一號 " 衛星工程首席科學傢兼副總師、中國地震局地殼應力研究所總工程師申旭輝說 , 擺在科學傢面前的地震預報難題有 " 三座大山 "。首先是地震事例太少。他說 , 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 , 僅從科研角度來說 , 這樣幾次的數據連有效的統計分析都不夠 , 不足以幫助科學傢形成完整的地震預測科學體系和方法體系。
換言之 , 地震監測的研究結果難以檢驗。申旭輝說 , 強烈地震對於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 , 對於不同地區 , 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。申旭輝說 , 地震發生在地下二三十公裡處 , 而當今世界上最深的鉆孔隻有 12 公裡 , 科學傢們很難去地下 " 看 " 究竟發生瞭什麼 ," 既看不見 , 也摸不著 "。
相應地 , 現有的地震 " 觀測 " 均是間接的 , 人們隻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巖體破裂現象 , 其孕育過程跨越瞭幾年、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。
申旭輝說 , 地震研究的基本理論本身起源於早期的牛頓物理學 , 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。我國地球物理學傢、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。正如陳運泰院士所說 ," 地震預測預報 , 是世界性難題 , 但並不是說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 , 在等離子體環境裡傳播。
申旭輝告訴記者 , 過去幾十年科學傢發現 , 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 , 蘇聯科學傢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 , 也通過地面雷達系統發現瞭相應的電離層擾動現象。
申旭輝說 , 這給人類探索地震發生的機理帶來瞭一絲 " 難得的光明 "。
" 張衡一號 " 正是依據這一原理來運行的。申旭輝說 , 地震簡單來說就是 " 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 , 地球巖石的摩擦破裂 , 會產生電磁波 , 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。趙堅說 , 此前俄羅斯、法國、美國、烏克蘭等國傢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 , 取得瞭不小的成功。
法國 DEMETER 衛星計劃首席科學傢米歇爾 · 帕羅特教授說 , 基於這顆衛星的統計研究 , 可以反映電離層擾動的常規形態 , 並有助於科學傢確定震前的電離層擾動特征。值得一提的是 , 中法科學傢也聯合利用這顆衛星的數據發表瞭大量科研論文 , 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。
申旭輝說 , 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 ?
按照趙堅的說法 ," 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。
具體來說 ," 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 , 對於地震研究而言 , 指望一兩顆衛星遠遠不夠。這一點國外的 " 先驅者 " 已經給出瞭理由。
米歇爾 · 帕羅特談及法國的 DEMETER 衛星時說 , 盡管這顆衛星運行瞭 6 年 , 但作為一顆低軌衛星 , 衛星經過未來震中上空 1500 公裡范圍內的時間 , 每天隻有 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 · 帕羅特說 , 這也是中國的 " 張衡 " 衛星計劃要設計多顆衛星的重要之處。
趙堅說 , 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 " 系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傢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征 , 對地震研究者來說是件 " 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。
申旭輝說 , 一代人有一代的使命 , 如今有瞭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——這是他這一代科學傢要做的。
中國青年報 · 中青在線記者邱晨輝
