今天下午，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丁運載火箭成功將電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星“張衡一號”發(fā)射升空，衛(wèi)星順利進入預(yù)定軌道。
這是我國第一顆觀測地震電磁信息的衛(wèi)星！“張衡一號”的成功發(fā)射使我國成為世界上少數(shù)擁有在軌運行高精度地球物理場探測衛(wèi)星的國家之一。
在21世紀(jì)的今天，人類文明已經(jīng)走過6000多年歷史并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(yù)測，肯定算一個。
今天，我國第一顆觀測地震電磁信息的衛(wèi)星“張衡一號”成功發(fā)射。公元132年，我們的祖先張衡發(fā)明了人類歷史上最早的地動儀，開創(chuàng)世界地震勘測研究的先河，如今這個以他的名字命名的衛(wèi)星，飛上了天。1800多年過去了，我們研究的還是這個問題：地震預(yù)測。
是的，這顆衛(wèi)星仍然不能直接預(yù)測預(yù)報地震。用國防科工局系統(tǒng)工程司副司長趙堅的話說，“‘張衡一號’主要是用于地震前兆信息研究，為未來建立地震監(jiān)測體系進行前期技術(shù)儲備”。
盡管如此，對于中國人的地震預(yù)測研究之路，這顆衛(wèi)星還是邁出了一大步，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(tài)監(jiān)測能力。換句話說，中國境內(nèi)6級以上、全球主要地區(qū)7級以上的地震電磁信息，這顆衛(wèi)星都有可能“看到”。
人類究竟能否預(yù)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(chǎn)生敬畏之感，同樣地，面對大地，人類同樣會感到“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(fā)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(shù)據(jù)顯示，2017年我國發(fā)生5級以上地震19次，其中大陸地區(qū)13次，臺灣地區(qū)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(qū)37人死亡，1人失蹤，617人受傷，直接經(jīng)濟損失145.58億。
2017年8月8日21時19分46秒，四川省北部阿壩州九寨溝縣發(fā)生7.0級地震，截至2017年8月13日20時，地震造成25人死亡，525人受傷，73671間房屋不同程度受損。（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
相應(yīng)地，地震認(rèn)知上的一個個空白，加劇了這種威脅：大地究竟為何顫抖，地震究竟能否預(yù)測，以及該如何預(yù)報，仍是全球科學(xué)家面臨的巨大挑戰(zhàn)。
“張衡一號”衛(wèi)星工程首席科學(xué)家兼副總師、中國地震局地殼應(yīng)力研究所總工程師申旭輝說，擺在科學(xué)家面前的地震預(yù)報難題有“三座大山”。
首先是地震事例太少。他說，中國平均每三年有2個七級地震，全球每年則有18個——盡管誰也不愿看到地震發(fā)生，但這無法避免，那么僅從科研角度來說，這樣幾次的數(shù)據(jù)連有效的統(tǒng)計分析都不夠，不足以幫助科學(xué)家形成完整的地震預(yù)測科學(xué)體系和方法體系。
換言之，地震監(jiān)測的研究結(jié)果難以檢驗。申旭輝說，強烈地震對于同一地區(qū)可能是幾十年、幾百年或者更長的時間才能遇到一次，對于不同地區(qū)，甚至不同時期的孕震過程，機理差異很大，所以，“重復(fù)實踐”進行檢驗的機會很難碰到。
其次，地震科學(xué)研究的方法和手段受到很多制約。申旭輝說，地震發(fā)生在地下二三十千米處，而當(dāng)今世界上最深的鉆孔只有12千米，科學(xué)家們很難去地下去“看”究竟發(fā)生了什么，“既看不見，也摸不著”。
相應(yīng)地，現(xiàn)有的地震“觀測”均是間接的，人們只能依靠地面的觀測資料，對地球內(nèi)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(guī)模宏大的地下巖體破裂現(xiàn)象，其孕育過程跨越了幾年、幾十年，甚至更長的時間，因而，不但很難用經(jīng)典物理學(xué)從本質(zhì)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于早期的牛頓物理學(xué)，而如今物理學(xué)發(fā)展很快，基礎(chǔ)理論學(xué)科相互交叉滲透，地震研究迫切需要吸收其他相關(guān)學(xué)科的理論。
其實，地震究竟能不能預(yù)測，科學(xué)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(xué)家、中科院院士陳運泰當(dāng)時的態(tài)度相對樂觀——“地震不可預(yù)報這樣的論斷要慎言”，在他看來，自然科學(xué)問題必有解決的辦法，需要尋找探索新的思路。
申旭輝認(rèn)為，如今“張衡一號”的發(fā)射就是一次新的探索和嘗試。正如陳運泰院士所說，“地震預(yù)測預(yù)報，是世界性難題，但并不是說在這個難題解決之前，地震工作者就什么都不能做”。
為何要到天上去“看”地震？
事實上，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，這里的物質(zhì)性質(zhì)在某種程度上就像是水一樣，當(dāng)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(huán)境里傳播。
申旭輝告訴記者，過去幾十年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，他們所監(jiān)測到的“空間電磁擾動”也就是“電磁波漣漪”，與地震的發(fā)生具有明顯的相關(guān)性：統(tǒng)計意義上，地球上六級七級以上地震在發(fā)生前即孕育過程中，相應(yīng)區(qū)域的“空間電磁擾動”都有可能發(fā)生異常。
上世紀(jì)60年代，蘇聯(lián)科學(xué)家分析一顆衛(wèi)星電磁信號時，發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星記錄到地震低頻電磁輻射前兆現(xiàn)象，稱之為“地震電離層效應(yīng)”。我國在1976年唐山地震時，也通過地面雷達系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了相應(yīng)的電離層擾動現(xiàn)象。
1976年7月28日，中國河北省唐山豐南一帶發(fā)生了強度里氏7.8級地震，地震造成242769人死亡，16.4萬人重傷（1978年11月17日至22日），死亡人數(shù)僅次于海原地震。（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
申旭輝說，這給人類探索地震發(fā)生的機理帶來了一絲“難得的光明”。
“張衡一號”正是依據(jù)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(chǎn)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(fā)生變化。
事實上，國外利用衛(wèi)星進行地震前“空間電磁異?！爆F(xiàn)象的研究已經(jīng)有多年的歷史。趙堅說，此前有俄羅斯、法國、美國、烏克蘭等國家已經(jīng)發(fā)射過同類衛(wèi)星，不過均已退役，其中法國的DEMETER衛(wèi)星連續(xù)在軌運行6年半，取得了不小的成功。
法國DEMETER衛(wèi)星計劃首席科學(xué)家米歇爾·帕羅特教授說，基于這顆衛(wèi)星的統(tǒng)計研究，可以反映電離層擾動的常規(guī)形態(tài)，并有助于科學(xué)家確定震前的電離層擾動特征。值得一提的是，中法科學(xué)家也聯(lián)合利用這顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)發(fā)表了大量科研論文，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(wǎng)在青藏高原和海域地區(qū)觀測不足。
申旭輝說，在地面上，像青藏高原的極寒地區(qū)，現(xiàn)有的地震臺網(wǎng)并不能完全覆蓋，面積廣闊的海洋也觀測不到。相應(yīng)地，衛(wèi)星上天之后，就可以不受這些自然環(huán)境的約束，對全疆域?qū)崟r觀測。
一兩顆衛(wèi)星就能研究地震？
按照趙堅的說法，“張衡一號”真正投入運行后，能夠重點監(jiān)測中國全境，并能獲取全球電磁信息的試驗衛(wèi)星及其地面、應(yīng)用系統(tǒng)，檢驗衛(wèi)星電磁監(jiān)測新技術(shù)設(shè)備的效能和空間適應(yīng)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(shù)指標(biāo)達到國際先進水平，部分技術(shù)指標(biāo)達到國際領(lǐng)先水平。
不過，申旭輝告訴記者，對于地震研究而言，指望一兩顆衛(wèi)星遠遠不夠。這一點國外的“先驅(qū)者”已經(jīng)給出了理由。
米歇爾·帕羅特談及法國的DEMETER衛(wèi)星時說，盡管這顆衛(wèi)星運行了6年，但作為一顆低軌衛(wèi)星，衛(wèi)星經(jīng)過未來震中上空1500公里范圍內(nèi)的時間，每天只有3分鐘，所以科研人員不可能期望能觀測到“持續(xù)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(wèi)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”計劃要設(shè)計多顆衛(wèi)星的重要之處。
趙堅說，后續(xù)，國防科工局將會同中國地震局，開展電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星即“張衡”系列衛(wèi)星的在軌測試及相關(guān)應(yīng)用，提升民用衛(wèi)星對地震監(jiān)測與應(yīng)急服務(wù)能力，進一步提升天基信息防震減災(zāi)服務(wù)能力。
他還透露，“張衡一號”及其后續(xù)衛(wèi)星計劃已經(jīng)納入國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃，目前“張衡二號”目前已經(jīng)通過可研評估，預(yù)計2020年發(fā)射。
事實上，能夠真正對全球?qū)嵤┯^測，統(tǒng)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(yù)測”真正實現(xiàn)的那一天，但這并不意味著現(xiàn)在的努力就付諸東流。
申旭輝說，一代人有一代的使命，如今有了衛(wèi)星以及相應(yīng)的星座計劃，可以積累更多有效的、原始的數(shù)據(jù)，不斷探索地震預(yù)測新方法——這是他這一代科學(xué)家要做的。
延伸閱讀
今天，我國首顆地震電磁監(jiān)測衛(wèi)星“張衡一號”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。這是我國自主研發(fā)的地震立體觀測體系天基觀測平臺，表明我國已經(jīng)成為唯一擁有在軌運行的多載荷、高精度地震監(jiān)測衛(wèi)星的國家。這是我國繼“墨子號”量子科學(xué)衛(wèi)星之后又一個以我國古代科學(xué)家名字命名的科學(xué)實驗衛(wèi)星。
張衡是我國古代著名的科學(xué)家，它的重要發(fā)明就是候風(fēng)地動儀，這是世界上最早記錄地震的儀器。此次發(fā)射的地震電磁衛(wèi)星“張衡一號”就是為紀(jì)念這位偉大的科學(xué)家而命名的。
圖1 《張衡一號》地震電磁監(jiān)測衛(wèi)星
電磁監(jiān)測衛(wèi)星：研究地球電磁環(huán)境
地球是一個系統(tǒng)，它是由空間圈、大氣圈、水圈和固體地球（固體地球包括巖石圈、地幔、外核和內(nèi)核）各個圈層組成。
地球科學(xué)的主要任務(wù)就是研究地球系統(tǒng)各個圈層相互作用、地球災(zāi)變和人類活動對地球的影響。在航天時代，地球各個圈層的相互作用更進一步被證明，在特大地震發(fā)生時電離層有反應(yīng)已經(jīng)被證實。
電磁監(jiān)測衛(wèi)星是研究地球電磁環(huán)境的重要手段，在地震監(jiān)測、預(yù)測方面有重要的應(yīng)用前景?？茖W(xué)家通過研究發(fā)現(xiàn)，在一些大地震前可觀測到較大空間范圍的電離層擾動和電磁異?，F(xiàn)象。法國2004年發(fā)射了專用于地震監(jiān)測的DEMETER衛(wèi)星，觀測到了明顯的震前電磁擾動信息。
圖2 地震空間電磁擾動
空間電磁探測是對地球高層大氣和外層空間所進行的探測，以人造地球衛(wèi)星為主，與地面觀測臺站網(wǎng)相配合構(gòu)成完整的探測系統(tǒng)。
空間探測主要了解太陽系的起源、演變和現(xiàn)狀；通過對太陽系內(nèi)的各主要行星的比較研究，進一步認(rèn)識地球環(huán)境的形成和演變，了解地球各個圈層的相互作用及地球環(huán)境的變化?？臻g探測主要探測中性粒子、高能帶電粒子、等離子體、微流星體、磁場和電場。
空間監(jiān)測和探測地震技術(shù)創(chuàng)新進入快車道
人造地球衛(wèi)星上天開辟了空間對地觀測。20世紀(jì)70年代末期，衛(wèi)星遙感技術(shù)已經(jīng)有了初步應(yīng)用，利用光學(xué)遙感來觀察地球上的地質(zhì)構(gòu)造構(gòu)造，監(jiān)測地震災(zāi)害，特別是大地震后從空中遙感照片上解譯地震災(zāi)情，為地震應(yīng)急救援提供遙感數(shù)據(jù)。
20世紀(jì)80年代末期，GPS應(yīng)用于地殼形變監(jiān)測，紅外遙感信息監(jiān)測地面的溫度變化，從而研究大地震和紅外遙感之間的關(guān)系。
20世紀(jì)90年代中期，干涉雷達技術(shù)可以觀測大地震的形變，從而研究地震的同震形變。
21世紀(jì)初，根據(jù)地震行業(yè)需求，全面開展了衛(wèi)星電磁和電離層與地震的關(guān)系研究，多源多種遙感和探測技術(shù)在地震應(yīng)用迅速發(fā)展。
十一五期間，中國地震局結(jié)合防震減災(zāi)的要求，開展了遙感在地震減災(zāi)和空間技術(shù)應(yīng)用研究。
十二五期間，我國開始電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星研制，實施了空間地震遙感和監(jiān)測地震應(yīng)急示范工程，開展了衛(wèi)星遙感和探測地震的定量研究，使我國空間監(jiān)測和探測地震技術(shù)創(chuàng)新進入了快車道，同時進行了“天地一體化”防震減災(zāi)立體綜合觀測、衛(wèi)星地震工程建設(shè)。
近年來，電磁監(jiān)測衛(wèi)星的有關(guān)技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展迅速。國際上，俄羅斯、法國、烏克蘭等很多國家紛紛將地震監(jiān)測的衛(wèi)星列入航天發(fā)展計劃。
我國首顆電磁監(jiān)測衛(wèi)星于2013年7月29日獲得國務(wù)院批準(zhǔn)立項，它是中國地震立體觀測體系的第一個天基平臺，開辟了我國地震監(jiān)測預(yù)測的新途徑。它的發(fā)射，可以發(fā)揮空間對地觀測的大動態(tài)、寬視角、全天候特點，通過獲取全球電磁場、電離層等離子體、高能粒子觀測數(shù)據(jù)，對中國及其周邊區(qū)域開展電離層動態(tài)實時監(jiān)測和地震前兆跟蹤，彌補地面觀測的不足。地震電磁監(jiān)測衛(wèi)星發(fā)射使我國在衛(wèi)星地震電磁空間探測進入了世界先進行列。
圖3 地球空間地球物理場
地震與電磁場：為地震預(yù)測探索增添新手段
大家要問：電磁和地震有關(guān)聯(lián)嗎？空間電磁場的變化和地震有什么關(guān)系？這也是地球科學(xué)家十分關(guān)心和需要研究的問題。
大地震之前空間電磁場的變化一直是科學(xué)家重點研究的問題。我國“張衡一號”電磁監(jiān)測衛(wèi)星將在軌運行5年，在這5年中它將以標(biāo)準(zhǔn)手段對我國6級以上、全球7級以上的地震進行電磁監(jiān)測，通過大量的數(shù)據(jù)積累和震例分析，有望找到其中規(guī)律，為地震預(yù)測探索增添新手段，推動我國地震預(yù)測技術(shù)的發(fā)展。
“張衡一號”電磁監(jiān)測衛(wèi)星采用通用小衛(wèi)星平臺，搭載感應(yīng)式磁力儀、高精度磁強計、電場探測儀、GNSS掩星接收機等8種載荷，是世界上載荷最多，探測精度最高的空間電磁探測衛(wèi)星。它使我國首次具備全疆域和全球三維地球物理場動態(tài)監(jiān)測能力，也將進一步推進我國立體地震觀測體系的建設(shè)。
“張衡一號”地震電磁監(jiān)測衛(wèi)星的載荷設(shè)備將產(chǎn)生大量空間電磁監(jiān)測數(shù)據(jù)。實時跟蹤這些數(shù)據(jù)將會產(chǎn)出一系列數(shù)據(jù)產(chǎn)品與成果，包括全球地磁場、電離層模型和區(qū)域增強模型，空間天氣監(jiān)測與預(yù)警，中國6級、全球7級以上地震電離層擾動震例研究成果，固體地球物理、空間物理相互作用等科學(xué)研究成果。這些數(shù)據(jù)和成果將為地球科學(xué)創(chuàng)新打下良好的空間觀測和探測基礎(chǔ)。
作為國家地球物理場探測衛(wèi)星計劃的首發(fā)星，“張衡一號”電磁監(jiān)測衛(wèi)星還可為航空航天、導(dǎo)航通訊等領(lǐng)域提供空間電磁環(huán)境監(jiān)測服務(wù)。
期待未來“張衡一號”在各種空間電磁監(jiān)測上給人們帶來新的發(fā)現(xiàn)和驚喜！
總監(jiān)制：吳亮
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責(zé)編：戴麗麗 李逸博
編務(wù)：李浩然
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