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中国为何首次发射这种卫星 可在关键时刻救你我一命
中国军工资源网    2018-02-05 20:00:07    文字:【】【】【
摘要:这是我国第一颗观测地震电磁信息的卫星!“张衡一号”的成功发射使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。

 昨天(2日)下午,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,卫星顺利进入预定轨道。

  这是我国第一颗观测地震电磁信息的卫星!“张衡一号”的成功发射使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。

  在21世纪的今天,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。

  今天,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,我们的祖先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,如今这个以他的名字命名的卫星,飞上了天。1800多年过去了,我们研究的还是这个问题:地震预测。

  是的,这颗卫星仍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,对于中国人的地震预测研究之路,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“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。

  2017年8月8日21时19分46秒,四川省北部阿坝州九寨沟县发生7.0级地震,截至2017年8月13日20时,地震造成25人死亡,525人受伤,73671间房屋不同程度受损。(图片来源于网络)

  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,中国平均每三年有2个七级地震,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,那么仅从科研角度来说,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,地震发生在地下二三十千米处,而当今世界上最深的钻孔只有12千米,科学家们很难去地下去“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”。

  为何要到天上去“看”地震?

  事实上,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,这里的物质性质在某种程度上就像是水一样,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,地球上六级七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。

  1976年7月28日,中国河北省唐山丰南一带发生了强度里氏7.8级地震,地震造成242769人死亡,16.4万人重伤(1978年11月17日至22日),死亡人数仅次于海原地震。(图片来源于网络)

  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。另一方面,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,此前有俄罗斯、法国、美国、乌克兰等国家已经发射过同类卫星,不过均已退役,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。比如,填补地面观测台网在青藏高原和海域地区观测不足。

  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,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。

  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”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”目前已经通过可研评估,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。

  延伸阅读

  “张衡一号”卫星发射成功,开启地震监测预测新篇章

  文 | 陈会忠 沈萍本文转载自微信公众号“科学大院”(ID:kexuedayuan),不代表瞭望智库观点。

  今天,我国首颗地震电磁监测卫星“张衡一号”在酒泉卫星发射中心成功发射。这是我国自主研发的地震立体观测体系天基观测平台,表明我国已经成为唯一拥有在轨运行的多载荷、高精度地震监测卫星的国家。这是我国继“墨子号”量子科学卫星之后又一个以我国古代科学家名字命名的科学实验卫星。

  张衡是我国古代著名的科学家,它的重要发明就是候风地动仪,这是世界上最早记录地震的仪器。此次发射的地震电磁卫星“张衡一号”就是为纪念这位伟大的科学家而命名的。

  图1 《张衡一号》地震电磁监测卫星

  电磁监测卫星:研究地球电磁环境

  地球是一个系统,它是由空间圈、大气圈、水圈和固体地球(固体地球包括岩石圈、地幔、外核和内核)各个圈层组成。

  地球科学的主要任务就是研究地球系统各个圈层相互作用、地球灾变和人类活动对地球的影响。在航天时代,地球各个圈层的相互作用更进一步被证明,在特大地震发生时电离层有反应已经被证实。

  电磁监测卫星是研究地球电磁环境的重要手段,在地震监测、预测方面有重要的应用前景。科学家通过研究发现,在一些大地震前可观测到较大空间范围的电离层扰动和电磁异常现象。法国2004年发射了专用于地震监测的DEMETER卫星,观测到了明显的震前电磁扰动信息。

  图2 地震空间电磁扰动

  空间电磁探测是对地球高层大气和外层空间所进行的探测,以人造地球卫星为主,与地面观测台站网相配合构成完整的探测系统。

  空间探测主要了解太阳系的起源、演变和现状;通过对太阳系内的各主要行星的比较研究,进一步认识地球环境的形成和演变,了解地球各个圈层的相互作用及地球环境的变化。空间探测主要探测中性粒子、高能带电粒子、等离子体、微流星体、磁场和电场。

  空间监测和探测地震技术创新进入快车道

  人造地球卫星上天开辟了空间对地观测。20世纪70年代末期,卫星遥感技术已经有了初步应用,利用光学遥感来观察地球上的地质构造构造,监测地震灾害,特别是大地震后从空中遥感照片上解译地震灾情,为地震应急救援提供遥感数据。

  20世纪80年代末期,GPS应用于地壳形变监测,红外遥感信息监测地面的温度变化,从而研究大地震和红外遥感之间的关系。

  20世纪90年代中期,干涉雷达技术可以观测大地震的形变,从而研究地震的同震形变。

  21世纪初,根据地震行业需求,全面开展了卫星电磁和电离层与地震的关系研究,多源多种遥感和探测技术在地震应用迅速发展。

  十一五期间,中国地震局结合防震减灾的要求,开展了遥感在地震减灾和空间技术应用研究。

  十二五期间,我国开始电磁监测试验卫星研制,实施了空间地震遥感和监测地震应急示范工程,开展了卫星遥感和探测地震的定量研究,使我国空间监测和探测地震技术创新进入了快车道,同时进行了“天地一体化”防震减灾立体综合观测、卫星地震工程建设。

  近年来,电磁监测卫星的有关技术与应用发展迅速。国际上,俄罗斯、法国、乌克兰等很多国家纷纷将地震监测的卫星列入航天发展计划。

  我国首颗电磁监测卫星于2013年7月29日获得国务院批准立项,它是中国地震立体观测体系的第一个天基平台,开辟了我国地震监测预测的新途径。它的发射,可以发挥空间对地观测的大动态、宽视角、全天候特点,通过获取全球电磁场、电离层等离子体、高能粒子观测数据,对中国及其周边区域开展电离层动态实时监测和地震前兆跟踪,弥补地面观测的不足。地震电磁监测卫星发射使我国在卫星地震电磁空间探测进入了世界先进行列。

  图3 地球空间地球物理场

  地震与电磁场:为地震预测探索增添新手段

  大家要问:电磁和地震有关联吗?空间电磁场的变化和地震有什么关系?这也是地球科学家十分关心和需要研究的问题。

  大地震之前空间电磁场的变化一直是科学家重点研究的问题。我国“张衡一号”电磁监测卫星将在轨运行5年,在这5年中它将以标准手段对我国6级以上、全球7级以上的地震进行电磁监测,通过大量的数据积累和震例分析,有望找到其中规律,为地震预测探索增添新手段,推动我国地震预测技术的发展。

  “张衡一号”电磁监测卫星采用通用小卫星平台,搭载感应式磁力仪、高精度磁强计、电场探测仪、GNSS掩星接收机等8种载荷,是世界上载荷最多,探测精度最高的空间电磁探测卫星。它使我国首次具备全疆域和全球三维地球物理场动态监测能力,也将进一步推进我国立体地震观测体系的建设。

  “张衡一号”地震电磁监测卫星的载荷设备将产生大量空间电磁监测数据。实时跟踪这些数据将会产出一系列数据产品与成果,包括全球地磁场、电离层模型和区域增强模型,空间天气监测与预警,中国6级、全球7级以上地震电离层扰动震例研究成果,固体地球物理、空间物理相互作用等科学研究成果。这些数据和成果将为地球科学创新打下良好的空间观测和探测基础。

  作为国家地球物理场探测卫星计划的首发星,“张衡一号”电磁监测卫星还可为航空航天、导航通讯等领域提供空间电磁环境监测服务。

  期待未来“张衡一号”在各种空间电磁监测上给人们带来新的发现和惊喜!

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