用卫星预测地震

谭涛

2014年8月3日16时30分在云南省昭通市鲁甸县（北纬27.1度，东经103.3度）发生6.5级地震，震源深度12千米。截至2014年8月8日15时，地震共造成617人死亡。大灾过后，如何进行地震预报又成为众人议论的热门话题。

目前，世界各国监测地震的主要手段是台站观测。我国现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。不过，地面台站观测具有很大的局限性。因为受观测环境、生活环境等诸多客观条件的限制，在国境边界、海洋、高山、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干扰越来越严重。由此，利用台站观测，在全天候、全球性、动态性等方面先天不足。

天眼洞穿地表

看到全天候、全球性和动态性好的需求，人们想到了卫星。对地观测卫星图像可描述地球的新构造运动结构，确定地震风险带的地震构造条件。空间探测可以克服地面测地勘探/测量中的许多限制，所以利用卫星监测地震，及时获取地震前兆信息，可实现地震短临预报。

那么，如何用卫星预报地震呢？其实，用卫星进行地震预报已有多种，比如，大家所熟悉的GPS卫星导航，可通过监测地壳变化来预报地震。用GPS系统可有效地监测地质结构随时间的变化，这对于了解地球动力学的长期变化是极为重要的。它还可测量沿板块边界的复杂形变与积累形变，而沿断层的板块运动和滑坡等已能用差分GPS测量法得到，精度达厘米级。由此可见，GPS还可以为地壳导航，对于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是极为有力的工具。

用星载合成孔径雷达能获得危险源目标的三维信息，用差分合成孔径雷达进行干涉测量还能提供有效的地球动力学信息，这种方法在长期监视断层缓慢运动方面的能力已得到验证。

另外，地震会引起地球表面的引力变化，该发现为地震重力卫星的发展提供了依据。美国用“重力恢复与气候实验”卫星得到了“苏门答腊-安达曼大地震”引起的地球引力变化异常的数据，这为地震重力耦合效应提供了重要证据。

不过，上述几点是相对前卫的在研预报方式。目前，用卫星直接预报地震主要有气象卫星通过监测某地地表热红外辐射的异常变化来预报地震，以及使用地震电磁卫星（简称地震卫星）监测某地电磁场的异常变化来预报地震两种方式，而且后者已成为发展主流。

气象卫星报地震

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轰击这些气体，从而释放出热量，产生热红外异常。所以，可以通过卫星遥感技术对地面热红外辐射进行观测，再综合地质构造、地震带分布和其他气象情况的分析、预报地震发生的时间、震中的位置和震级的。

用卫星预报地震的理论最早是20世纪70年代苏联人提出来的。该理论认为，地球板块碰撞会把地下热挤压出来，造成地表异常增温，通过地表出现异常增温，就可反推出该地区有可能发生地震。在地球上空运行的卫星可以获得大幅度的资料和进行连续不断地观测，可以用来监测地球表面的异常增温，从而用来进行地震预报分析。

气象卫星对地震的监测预测是利用其红外遥感器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。在红外云图上，物体的色调取决于其自身的温度，物体温度越高色调越暗。当某地温度偏高时，红外遥感器接收了辐射信息，在红外云图上的体现就是深红的一片。专家看到这种“危险信号”，就要对该地区严密监测，判断是地震前兆还是其他自然或人为事件。

实践证明，利用卫星热红外信息进行地震短临预报在预报强震方面很有效，因为强震前异常反应强烈，在图像上显示的异常增温较明显；而小地震前异常反应不明显，预报判读准确性较强震差。

经过不断的研究和探索，我国在利用气象卫星热红外数据预报地震有了较大突破。例如，1997年，在对日本列岛所做的7次地震预报中有6次比较准确；1999年，又成功预报了唐山4.7级地震、新疆伽师6.3级地震等。1999年9月21日中国台湾大地震前3～5天，气象卫星遥感图像上就已经显示其附近海域出现爆发性增温现象。为此，国家卫星气象中心加紧对温度、云、降水等资料的对比，分析认为台湾将发生地震，初步判断震中位置，并迅速报告国家地震局。中国台湾发生7.6级强烈地震后，此前所报告的震中位置与预测地点只有30千米。

目前，在用气象卫星预报地震发生的时间、地点、震级三要素的准确性方面正不断提高，特别是在短临预报方面的成绩已引起国内外同行的密切关注。比如，2003年1月20日，1幅风云-1D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多万平方千米海域也显示明显增温。此前两三天的风云-1D星全球拼图都有类似现象。在大面积水域增温1℃都算是非常显著的变化，而在这一地区附近明显增温达3℃左右，说明地下释放了巨大的热能，也就是这种能量转换导致了2003年1月21日晚8时许，在墨西哥科利马州太平洋沿岸发生里氏7.6级地震。

2004年12月26日，印度洋发生8.7级大地震，地震引起了大范围的海啸，给周边几个国家造成了重大的人员伤亡和经济损失。然而，国家地震局专家在分析2004年12月5日15：00的风云-2B云图就说，太平洋出现了大面积红色区域，即升温区，而当地时间是11：00，不应升温，所以这是地震前兆。在2004年12月14日4时的卫星云图上，升温带甚至开始呈暗红的“山字形”，“山”字的两边分别从日本海往西南和从印度半岛往东南，伊洛瓦底江自北向南，是“山”字中间一竖，直指震中，这是地震应力的明显表现。从“风云”-2B气象卫星在印度洋发生地震之前6天（即2004年12月20日）拍摄的云图上可看到，西太平洋、南海、印度洋的大范围红色升温条带，条带最窄处已经到达震中即印尼苏门答腊岛西岸及海区，从而监测到了这次灾害将要发生的征兆。但遗憾的是但由于种种原因，也未能做出预报。endprint

在2008年5月21日汶川大地震前，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，所以可能无法做出临震前预报。因此，我国的地震专家又生一计，设计出卫星群，其中，7 颗装上可以探测到震前云下升温的微波辐射计，另外3颗装上热红外辐射，它们“群策群力”，各施绝技。不过，这些方法还在探索实验中。

量身打造地震卫星

由于云层的干扰，无法洞穿地壳看内在，那能不能在不被干扰的高空找到相应的映射呢？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。和传统的设在地面上的地震监测站点相比，这种通过卫星监测来预报地震方法，为人们提供了新的预报依据。所以，许多国家开展了地震电磁卫星（简称地震卫星）的探索研究，以期将其作为监测地震灾害的有效手段之一。

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，一位专家对一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，这一成果极大地推动了地震-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，这一发现为地震卫星的发展奠定了基础。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，地震学家现在普遍认为，利用卫星捕捉电磁前兆将是地震短临预报最有效的手段之一。

20世纪90年代初，在多年研究的基础上，俄罗斯科学家提出建立地震前兆全球监测卫星系统的设想。该系统的目标是对特定地区上空的电磁波、电离层等离子体特征等长期监测，在震前2～48小时做出预报。按照科学家们的设想，这一系统由20颗微型中低轨道卫星、地面接收网络和地面飞行控制中心组成。地面接收系统把信息传递到地震预测中心，中心再将地震卫星信息与地面传统地震监测得到的信息相结合进行地震预测。但是由于俄罗斯经济衰退等原因，该系统建立进程缓慢。

2001年，俄罗斯发射的Predvestnik-

E是世界上首颗地震卫星，用于监测震源区上空200～450千米处电离层电子浓度、电磁波反射频率以及电磁辐射参数异常，但该卫星的目标并没有实现。2006年5月，俄罗斯发射了指南针-2卫星现已用于探测地震活动，并协助探测即将发生地震或其他自然现象的迹象。

近些年，法国、美国、乌克兰等国家也开始进行地震电磁监测卫星相关研究。2003年6月，美国发射了一颗重3千克的地震卫星，它综合了3种立方体小卫星平台的设计，装有1台单轴感应式磁力仪，用于监测地震活动的极低频无线电辐射，研究磁场信号与地震岩石破裂关系机理，预测地震活动。由于其利用微小卫星技术平台，一定程度上影响了观测数据质量，运行情况及记录资料至今没有公布。纵观各国已发射的地震卫星，它们主要用于探测感应电场、感应磁场、基本磁场、TEC、高能粒子等电离层参数。

组团预报地震

受到运行周期、卫星性能等的影响，用1颗地震卫星观测会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。卫星数量和种类越多，资料积累就越多，有利于地震电磁耦合机理、地震前兆特征和干扰研究。

所以，目前美国、俄罗斯、乌克兰、意大利、日本、中国台湾等，都有发射监测电磁的地震卫星计划，其中不少拟建立观测星座，它是地震卫星观测的发展方向。这样可在探测与地震前兆信息密切相关的物理量时，同时探测可能的前兆信息干扰源，或者为有效提取地震前兆信息提供辅助观测，从而对准确预报地震很有帮助。

美国拟发射载有感应式磁力仪的地震卫星-2卫星，来研究电离层参数变化与地震活动性的关系的。俄罗斯提出了建立由8颗卫星组成的VULCAN-S/C卫星星座方案。乌克兰准备打造由3颗卫星组成的IONOSATS星座，在水平面上构成三角形，其间距控制在数十至数百千米范围，平均间距约100 千米。

中国地震局地震预测研究所申旭辉研究员介绍说，我国将在2016年发射首颗地震卫星——电磁监测试验卫星。用于获取全球低频电磁场和电离层等离子体及高能粒子观测数据，可以提供全球地震观测能力，能使地震资料积累提高二三十倍，建成我国立体观测体系中第一个电磁立体观测系统。

地震预报是世界性的难题，很难准确预报。但从科学的角度来说，用卫星进行灾害监测已经成为全世界公认的有效方法。

责任编辑：武瑾媛endprint