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“张衡一号”卫星能为预报地震做些什么?

2018-02-13 16:53 编辑:TF003 来源:猜你会好奇 

2018年2月2日,“张衡一号”电磁监测试验卫星成功由长征-2D运载火箭从酒泉卫星发射中心送入太空。据国防科工局专家介绍,这次发射的“张衡一号”是我国地震立体观测体系第一个天基平台,即首颗观测与地震活动相关电磁信息的卫星,也是我国地球物理场探测卫星计划首发星。2月5日,中国遥感卫星地面站成功接收到“张衡一号”发回的数据。

“张衡一号”发射升空 新华社图

“张衡一号”到底能为地震预报做些什么?我们特约著名航天专家庞之浩先生为您解读。

地震是危害性极强的灾害之一。据联合国统计,20世纪以来,全世界因地震死亡人数达260多万。我国处于世界两大地震带之间,境内地震分布广、强度大、震源浅,是世界上大陆地震活动最强烈、灾害最严重的国家之一。资料显示,20世纪有1/3的陆上破坏性地震发生在我国,死亡人数约60万,占全世界同期因地震死亡人数的一半左右。另外,地震预报又是一个世界性难题,至今虽然研究了一些方法,但目前都不太可行。

这次发射的“张衡一号”将尝试开展地震电磁信息分析研究,探索地震前后电离层响应变化的信息特征及其机理,为地震观测研究提供有价值的信息;还将研究地球系统特别是电离层与其它相关圈层相互作用及其效应,向航空航天、导航通信等相关领域提供空间电磁环境监测数据应用服务。

居高临下 全天时监测地震

目前,世界各国监测地震的主要手段仍是地面台站观测。我国也已建立了覆盖全国的数字地震台网、数字前兆台网、数字强震台网和国家GPS观测网络等。

不过,用地面台站观测具有很大的局限性,这是因为受观测环境和生活环境等诸多客观条件的限制,在国境边界、海洋、高山和原始森林等地区建台比较困难,全球的观测台网密度很不均匀,存在许多监测空白区。另外,现有的地面观测台站受到越来越严重的干扰。这些都会导致地震监测区域空白和观测资料不足。还有,用地面台站观测,存在全天候、全球性和动态性较差等先天不足,不利于地震预报和地震科学研究的进一步发展。

利用卫星进行对地观测可以克服地面台站观测的许多不足,因为它具有覆盖范围广、电磁环境好、动态信息强、无地域限制,以及全天候、全天时、周期短、效率高和动态性强等优点,能够从更大的尺度上提高对地震孕育发生规律的研究和认识,弥补常规地面地震监测手段的不足。

例如,通过导航卫星可有效监测板块之间以及板内各块体之间的相对运动和地壳应力场变化,监测地质结构随时间的变化就能探索预报地震的可能性。用星载“甚长基线干涉仪”,可精确地记录板块(沿数百公里基线)的移动情况,精度达厘米级。

气象卫星曾充当先锋

实践和研究都表明,在地震发生前,由于震区岩层大面积受力,使震中周围的岩层产生裂隙,二氧化碳、氢气、氮气和甲烷等气体从岩层的裂隙中释放出来。同时,地表电磁场的异常变化会轰击这些气体,从而释放出热量,产生热红外异常现象。

用气象卫星上的红外遥感器能得到昼夜云和地表的红外辐射信息,把这些信息以图像形式表示就是红外云图。20世纪80年代末,我国地震工作者开始利用气象卫星获取的热红外数据进行地震预报实验研究,并取得一些成果。

比如,2003年1月20日,1幅风云-1D卫星遥感图像显示,在墨西哥科利马州附近,图像颜色呈深红色,表明增温3℃左右,其附近10多万平方公里海域也显示明显增温。第二天,在墨西哥科利马州太平洋沿岸发生里氏7.6级地震。

2003年5月21日,风云-1D气象卫星云图显示,在地中海地区有异常增温现象。果然两天后,阿尔及利亚首都阿尔及尔附近发生里氏5.4级地震。

在2008年5月21日我国汶川大地震前,由于当地连日阴雨天,受云层的干扰,卫星热红外辐射计探测不到云层下低空大气的温度,所以无法做出临震前预报。有专家指出,如果事先有该地区连续的空间监测的热和电磁效应的图像,可能会有预报。

实践和研究证明,利用卫星热红外信息进行地震短临预报在预报强震方面有一定效果。

监测电磁预报地震成趋势

大量的观测事实显示,在多数大地震发生前,均在震中及其邻区发现过大量与电磁波有关的异常现象。而这些电磁场的变化会最终反映在大气的电离层中,因此使用卫星监测电离层变化,可以为人们准确预报地震提供参考。

其实,早在冷战时期,由于地下核试验产生的强震会引起电磁异常,所以为了监测有关国家地下核试验的情况,苏联曾发射过多颗这种可监测电磁异常的卫星。后来,这种电磁监测卫星又逐渐用于地震预报,转化成为专门的地震卫星。

1983年,有专家对1颗遥感卫星经过地震区域时的记录数据分析后发现,震前和震后几十分钟至数小时内超低频电磁信号增强,这一成果极大推动了地震-电磁现象的研究。1989年,日本和苏联卫星又观测到了28次5.2~6.1级地震前均有低频电磁辐射,出现概率最大是在主震前l2~l4小时内。此后,还有多颗卫星所获数据都表明,地震前后低频电磁信号都有明显的变化。因此,地震学家普遍认为,用卫星捕捉电磁前兆有可能是地震短临预报最有效的手段之一。

从2001年开始,俄罗斯、法国、欧航局等陆续发射了一些地震卫星,主要用于探测感应电场、感应磁场、基本磁场和高能粒子等电离层参数。

受到运行周期、卫星性能等的影响,用1颗地震卫星观测只能获取有限的地震前兆信息。在一次较大地震发生前的一月时间内,1颗卫星飞过地震震中上空的次数也就几次,而且持续时间非常短,可以获得的观测数据非常少,仅凭这些数据来判断地震的时间、空间和强度是非常困难的。如果能建立包括监测电磁、重力、热红外辐射等多种不同类型卫星组成的星座,则可满足地震预报要求。

“张衡一号”达到国际先进水平

“张衡一号”是我国第一颗专业进行电离层电磁扰动监测的卫星,用于监测全球空间电磁场、电磁波、电离层等离子体和高能粒子沉降等物理量。它的主要工程目标之一是:建设重点监测中国全境,并能获取全球电磁信息的试验卫星及其地面、应用系统,检验卫星电磁监测新技术设备的效能和空间适应性。同时搭载国际相关载荷,开展全球7级以上、我国6级以上地震电磁信息分析研究。

该卫星采用中国航天科技集团五院航天东方红卫星有限公司自主研发的CAST2000平台进行设计,并有针对性地进行改进,发射质量约730千克,外形为1.4米×1.4米×1.4米的立方体,装载了6根伸展长度4米多的伸杆,采用单太阳电池翼及三轴对地稳定姿态,设计寿命为5年。它装载了高精度磁强计、感应式磁力仪、电场探测仪、等离子体分析仪、朗缪尔探针、全球导航卫星系统掩星接收机、三频信标机和高能粒子探测器8种科学探测有效载荷,可实现在低地球轨道对空间电磁场、电离层等离子体、高能粒子的监测。

“张衡一号”卫星运行于约500公里高度的太阳同步轨道,重访周期为5天,即卫星每5天在同一个时间从同一个位置的上空飞过,观测区域可覆盖地球南北纬65°内的区域,重点观测区域覆盖我国陆地全境和陆地周边约1000公里区域以及全球两个主要地震带。

“张衡一号”创造了我国卫星研制领域的多项首次,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。

按照计划,“张衡一号”将安排6个月左右的在轨测试工作,检验和评价卫星数据质量,之后交付中国地震局进行使用。

虽然目前利用电磁监测试验卫星尚不能直接预测预报地震,现在它还主要是用于对地震前兆信息研究,为未来建立地震监测预报体系进行前期技术储备,但是随着在地震电磁耦合机理方面的突破、观测数据资料的积累、对地震前兆信息特征和干扰排除方法研究的深入以及其它信息如重力、红外、形变的综合,地震预测科学研究还将逐步取得进步。

今后,我国还可以与国外的卫星合作,组成星座编队飞行,提高电磁监测的时间分辨率。另外,“张衡一号”的02星正加快推动立项,计划将于2020年发射。

庞之浩

(原标题:“张衡一号”能为预报地震做些什么?)

 

来源:猜你会好奇

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