2018年05月26日 星期六
中国矿业报订阅

在巡天中探地

——跟着专家走近中国地球物理场探测卫星计划首发星“张衡一号”

2018-2-7 9:58:39 来源:中国矿业报 本报记者:综合报道

2月2日15时51分,我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将电磁监测试验卫星“张衡一号”发射升空,进入预定轨道。这标志我国成为世界上少数拥有在轨运行高精度地球物理场探测卫星的国家之一。

作为我国地球物理场探测卫星计划首发星,“张衡一号”有何使命?科学目标是什么?真的可以在天上“看到”地震吗?另外,其发射成功对我国地震观测研究又将发挥哪些重要作用?它的技术应用领域及辐射范围还有哪些?让我们随着专家的解读一探究竟。

地震预测是世界性难题

公元132年,我国东汉天文学家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,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。如今以张衡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。

“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”。

“张衡一号”在轨示意图

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,但申旭辉表示,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,不但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、中国科学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。”

从天上看“地震”

“张衡一号”是我国地球物理场探测卫星计划首发星。国防科工局系统工程司副司长赵坚表示,作为我国首颗观测与地震活动相关电磁信息的卫星,“张衡一号”的成功发射是我国构建天空地一体化地震立体监测体系的重要里程碑。

电磁与地震有什么关联?为何要上天“看”地震?

地球电磁场部分源于地球内部,也与太阳和电离层的变化等有关。正是有了地球电磁场,我们才能通过指南针辨别方向。而地震是由地壳运动产生的一种自然现象,地壳运动能切割地球磁力线,或通过“摩擦起电”产生电磁辐射。

申旭辉介绍说,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。

早在1965年,苏联科学家就发现了卫星电磁观测在强地震前的异常现象,这一现象被随后发射的多颗卫星反复观测到。21世纪以来,美国、法国、乌克兰等国先后发射电磁卫星,用于研究与地震、火山相关的电离层变化及其机理等。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”。

对于“张衡一号”工作原理,中国地震局局长、电磁监测试验卫星工程总指挥郑国光解释说,地震是发生在地下深部的构造活动,在其孕育过程中由于能量的大量积累激发产生相关形变、电磁辐射及地下流体、化学物质的放射等,这些信息在地表积累进而传播影响到电离层变化。地震电磁效应能够通过多种方式传播到电离层,引起电离层和大气层的变化。电磁监测试验卫星通过实时监测空间电磁环境状态变化,研究地球系统特别是电离层与其他各圈层的相互作用和效应,初步探测地震前后电离层响应变化的信息特征及其机理。

我国地震地面监测网只能获取非常有限的相关电磁信息。而卫星监测覆盖范围广,电磁环境好,动态信息强,且无地域限制。跳出地球来“看”地震,还能突破许多地震研究的限制。比如,填补地面观测台网在青藏高原和海域地区观测的不足。

“‘张衡一号’弥补了常规地面地震监测手段的不足,开启了我国全疆域和全球三维地球物理场动态监测新时代。有了它,每年可以收集到全球10多次7级以上地震和150次左右6级地震。卫星监测1年的信息量,地面监测需要20多年,能够帮助科学家提高对地震孕育发生规律的认识。”申旭辉说。

科学探索永不止步

据介绍,发射成功后,“张衡一号”将迎来为期半年的在轨测试,通过星地比测和国际联测的“模拟考”检验数据质量,之后在轨交付“转正上岗”。

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,它的使命是,将在高度约500公里的太阳同步轨上开展全球7级、中国6级以上地震电磁信息分析,为地震机理研究、空间环境监测和地球系统科学研究提供天基平台和新的技术手段。

可以说,在中国的地震预测研究之路上,这颗卫星迈出了一大步——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。

但是,赵坚也坦言,目前利用电磁监测试验卫星尚不能直接预测预报地震,主要用于地震电磁电离层前兆信息研究,为未来建立地震监测体系进行前期技术储备,但我们探索地震孕育机理的脚步不会停止。

郑国光也表示,“张衡一号”不能直接预报地震,但可以监测电磁异常积累典型震例,研究地震电磁电离层信息特征及机理,研发地震电磁电离层前兆信息提取方法。初步建立全球电离层和地磁场模型,研究地球系统各圈层相互作用及其效应。此外,它还可以推进空间天气预警、通信导航环境监测以及电离层物理和地球物理的科学研究。

据郑国光介绍,我国电磁监测试验卫星“张衡一号”及其后续卫星计划已纳入国家民用空间基础设施中长期发展规划,“张衡二号”已经通过可研评估,预计2020年发射。

“建设天基电磁监测设施,是落实国家相关规划,提高地震监测能力的重要手段。”郑国光表示,要充分利用航天技术,逐步构建天空地一体化的地震立体观测体系。基于天基电磁观测平台获取全球电磁信息,对提高地震监测能力和科学研究具有重要意义。电磁监测试验卫星将大幅度增加震例检验的机会,能够很好地满足地震研究时效性要求。

此外,郑国光还指出,电磁监测试验卫星数据还将为空间天气预警、空间物理和地球物理场模型研究提供重要数据支持,服务于我国基础科学研究,提高我国在相关领域的国际地位。□

矿业报官方微博

返回新闻