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“张衡一号”卫星,除了研究地震,还能为人类带来什么?

2019-06-08 22:00 申旭辉

2018年2月2日, “张衡一号”卫星成功发射,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。除了对地震科学的促进,“张衡一号”卫星还能做什么?科学家眼中的“地震预测”,到底离公众的预期还有多远?中国地震局地壳应力研究所总工程师、“张衡一号”卫星工程首席科学家申旭辉为大家带来演讲《张衡一号卫星:换个角度看地震》。


申旭辉演讲视频:



 以下为申旭辉演讲实录:


我是申旭辉,来自中国地震局,做的是跟航天有关的工作。



现在传媒很发达,所以我们感觉有很多地震。


但事实上:地震很多,但是大地震很少。


根据现在的仪器记录,全球每年大概有500万次地震发生。微小地震、小地震,时时刻刻都在发生。只是我们大家都看不见、摸不着,就像我们人打个喷嚏、患个小感冒,但真正对我们影响很大的“重病”,是大地震。


幸运的是,中国的大地震很少。


一般的地震有6级、8度两个概念,这两个标准以下的地震,可能会有些摇摇晃晃、有点感觉,但是不会有大的破坏。


6级,指的是震级。一次地震的能量释放只有一个值,叫震级。

8度,指的是烈度。同一个地震在不同的地区、不同的地点造成了相应的破坏,叫烈度。


随之而来的,有很多地震谣言,真真假假的消息不准确。实际上,我个人不愿意称其“谣言”,更愿叫做“流言满天飞”。


我30多年前到地震局工作。这些年,不停有亲戚、朋友、同学、同事,还有很多社会上不同专业的人士,给我打电话、发信息、发邮件,说哪个地方刮风下雨了,哪个地方有地震云,预报哪个地方会有地震等等……类似的流言很多,鸡鸣狗跳,好像确有其事。不敢说每天,但我每周都会收到这样的信息。


今年4月8号,我在维也纳参加一个国际会议。刚到的那晚,就有一位国外的、行业里的专家给我发了条微信,说,“申博士,我有非常紧急的信息告诉你:我预计4月中旬,中国的云南、四川会发生七级以上地震。”


事实情况是,到了他说的那个时候,除了北京有2个小地震,还有台湾有个五级地震之外,云南、四川非常平静。



面对这样一些信息和谣言,我的观点是:认真研究,冷静对待。


所谓“冷静对待”,是因为地震预报确实还没有过关,我们地震科技工作者,有时觉得对不起大家。但是现在科技实力就是这样,全世界也一样的。我们要继续努力,避免“狼来了”和“烽火戏诸侯”问题重演。


但另一方面,谣言有不同的传播版本,从不同角度、不同方面谈到了这些问题,恰恰成为我科学研究的标杆;是参照,也是鞭策。


这是想跟大家说的第一个问题。



实际上,“地震研究”是一个老话题了。


人类最早的地震记录,在公元前1831年,“泰山震”;紧接着在公元前1809年,“伊洛竭”(“伊”、“洛”即洛阳的洛河和伊河)。国外的地震记录,最早是公元前340年,亚里士多德报告了地震现象。发明候风地动仪的张衡,是在公元132年开始进行地震的记录。



现代地震学诞生于1906年。当时美国加州发生了8.3级的地震,影响非常巨大,当时提出了“里德弹性回跳说”。紧接着,上世纪60年代提出了“板块构造”。现代地震学的基本理论框架,就是从那个时候开始形成。而中国的现代地震学,从1966年邢台地震开始,到现在也经历了几十年的发展。


几十年来,全世界包括中国的地震科技水平取得了极大的发展。在一些科学理论认识方面(包括现在的应急救援、防灾减灾),人们做了很多的工作。但是地震预报到底能不能预报,还没有人能保证。


上世纪90年代,世界上发生了许多地震,然而很多都没有预报出来。虽然中国成功预报了1975年海城地震,但次年导致24万人死亡的唐山大地震却失败了。所以,到了世纪之交,美国的科学家罗伯特·盖勒(Robert J. Geller)开始质疑,地震到底能不能预测?



当时我在中国地震局分析预报中心当科技处处长,也加入了这一场讨论,但是我想讨论的结果并没有一个定论。


2009年,陈运泰院士在《中国科学》上发表了一个总结性论文,叫《地震预测:回顾与展望》。他回顾和展望的结论在右边,叫“慎言不可能。昨日之梦想,今日有希望,明日变现实。”也就是说,地震预报现在还有难度;但是未来是“可有作为”的领域,应该继续去探索。


把这几句话再进一步展开一点点,我想总结的是——



预测这么难,到底难在什么地方?


难在这些地方——



前面说过,地震很多、大地震很少,而预报地震需要大地震震例,因为地震科学是观测科学,学者需要有大量的观测资料来支撑科学研究、发现和发明。大地震太少,统计震例就少,就会导致机理认识不清。但这是一个两难的选择——因为从国家角度,为了人民的生命财产安全、为了防灾减灾,就希望地震尽可能少来,最好别来。


同时,地震预测也受到观测技术的限制,所以大家都对新技术、新发展充满期待。我们常说,地震科学的突破,最终要依赖新技术、新方法的突破——


为此,我们的研究从“地”上了“天”。



那么,“空间对地观测技术”能为地震科学提供哪些支持?


空间对地观测,首先是大范围、高动态、多参数,不受地面条件限制,它同时也是一个跨学科、交叉融合的很好的机遇。


前面说过,地震预报最大的困难,是震例太少。从统计意义上说,中国每3年有2次七级以上地震、每年有4次六级以上地震;而全球范围,每年就有18次七级以上地震。这样的话,可以用卫星观测,大范围地把全球的地震都收集起来,可以加快地震科学的发展。所以从震例观测、收集的角度,“天上一年,等于地面二、三十年”,能够跨越式地提高地震科学技术发展的步伐。


我从研究地震到现在,大概三十多年,真正碰到的地震很少很少,好多地震都在青藏高原上。西部的青藏高原、沙漠无人区是很难观测的,但靠卫星就可以实现。此外,地面观测台就只能观测中国的,而且中国跟美国的观测是不一样的,没法拿来统一对比,而卫星就可以做全球尺度的观测。



16年前, 2003年2月18号,中国地震局、科技部、国家有关部委联合在北京开了个“香山会议”,题目叫做“院士呼吁地震星”。


这里面有两弹一星的元勋,王希季老先生(首行左四);也有我的导师丁国瑜院士(中间行左四),他现在已经快90岁了;还有前一段时间来到我们“我是科学家”的叶叔华先生(首行左一)。还有大批来自各行各业、各个国家的专家,来共同支持这件事情,比如法国的一位数学家(底行左一),意大利空间局的局长(底行左二)。另外,还包括我的团队,我的学生、我的同事……一大批人,做了16年。


坦率来说,这16年,很难。


演讲嘉宾申旭辉:《张衡一号卫星:换个角度看地震》


16年前,中国第一次做这类卫星。我们不光“没有吃过猪肉”,还“没有见过猪跑”,所以需要在国际上大量学习。


真正做起来后,仍然非常困难。很多人不理解,直到现在,大家还在面对一个情景——好多人说,地震既然预报不了,那干嘛要搞这个卫星?劳民伤财。


做这个卫星,对我自己也是很大的挑战。我首先要从地质学去了解地球物理学,还需要了解空间物理学、航天工程和离子体物理。那一段时间确实非常艰难,我有时开玩笑说熬成了一个“老弱病残”。



经过几起几伏,我记得,2013年7月30号那天早上,还没有上班,航天局的朋友给我打电话说,国务院昨天下午已经批了这个项目。


十年,花了国家很多钱,有一大批人在里边奉献,然后终于上了一个台阶……当时我还在病休,非常激动、非常兴奋,我觉得我已经很坚强了,但当时还是控制不住大哭了一场。



十年,花了国家很多钱,有一大批人在里边奉献,然后终于上了一个台阶……当时我还在病休,非常激动、非常兴奋,我觉得我已经很坚强了,但当时还是控制不住大哭了一场。


同样到过“我是科学家”的一位演讲嘉宾杨芳博士,曾经是我们卫星系统的总设计师。她当时设计的卫星,跟我们现在发射到天上去运行的卫星,实际上已经完全不一样了。这里面涉及很多科学问题、技术问题和工艺问题,非常困难。


经过这么多反反复复,国际合作、国内研制、再国内研制、再国际合作,终于,在2018年的2月2号,把“张衡一号”这个中国地震立体观测体系首发星、也是中国地球物理场的第一颗卫星顺利发射到天上去了。



左边这张图,是在轨飞行的模拟,是一个仿真状态。右图是去年2月2号发射时候的场景,卫星火箭带着“张衡一号”卫星上天,发射成功了。


中共中央总书记、国家主席习近平,专门发贺电庆祝“张衡一号”卫星的发射,同时对卫星的科学意义,包括与意大利的合作,做出了高度评价。



这就是我们的卫星,有七百多公斤、大概1.5米见方。现在卫星运行在五百多公里高度的轨道上,如果有一个简易望远镜的话,每天下午2点、凌晨2点,你可以看到卫星过境。图右是它展开之后的样子,展开的天线叫“伸杆”,能把探头放到顶端。



卫星上,根据科学研究结果,一共搭载了三类八个载荷:


第一类,是电磁性质的,包括低频电磁扰动的高精度磁强计、感应式磁力仪和电场探测仪。


第二类,是一系列等离子体的新产品,因为在五百米高度上更多的是离子化的气体,有电子和离子。这些产品包括:GNSS掩星接收机、三频信标发射机、等离子体分析仪和朗缪尔探针。


第三类,跟太阳有关,就是高能粒子探测器。


从去年2月2号到今天,“张衡一号”上天已经一年零两个多月了。这段时间,卫星做了什么?



首先,“张衡一号”已经收集到了十几个七级、几十个六级以上地震震例,并得到了一些观察结果。卫星2月2号上天,13号开始工作,16号获得了墨西哥7.1级地震的信息。2018年8月份印尼的两个地震,这些信息也都获取了。



然后,在这些观测基础上,我们也正在做统计分析。我们希望用大量的震例,得出一些统计特征,也去解决一些个例;得知它到底是怎么变化的,然后得到一个统计规律。



最后,我们希望实现科学理论的突破。现在的地震科学是经典物理学,是常温常压下的流动物理学,但是地震震源在十几公里之外,超高温、超高压。为了发展,就要在现在的基础上,利用学科交叉优势,发展“多板块、多圈层、多物理场”的地震过程模型,来推进科学发展。


我相信,有这些发展之后,地震预测的科学能够往前大大进一步。



不过,我想跟大家说的是:“张衡一号”卫星最原始的产出不是地震前兆,而是地球的磁场模型(图左)和电离层模型(图右)。


现在国际上对中国电磁星评价很高,说数据非常好。有了这两个模型,后续除了地震研究,还能做一些其他的应用。



比如说,磁场可以用于导航。大家知道GPS导航精度很高,但是在某些时候,它是受影响的,因为它必须实时。所以在没有GPS的时候,地磁可以作为可能不精确、但绝对可靠的导航工具。


此外,也可以用于一些科学研究,比如地球物理反演(即探索地壳结构)。



还有一个问题,就是随着科学技术的发展,电离层对现代科学技术系统有极大影响。1989年太阳耀斑和超级磁暴,对输电线路、海底电缆、卫星运行都带来了明显影响。


2017年9月初,北美产生了太阳风暴,同时还有特大地震和飓风。地震和飓风产生时,人们需要通讯、救灾——但太阳风暴又使当时航空海事应急的高频通讯中断了八个小时。当时造成的受灾很严重。


最后,想跟大家说说,与“张衡一号”未来可能的应用有关的一个东西。


大家可能知道,1962年,古巴导弹危机差点引发了第三次世界大战。其实,1967年5月,还有一件事情也差点引发第三次世界大战。



1967年5月23号早上,太阳爆发了20世纪最大的一次风暴,导致美国的军事通讯手段、通讯系统中断了小半个月。当时正是“冷战”时期,美国军方包括总统,一直认为是苏联在发动攻击,所以准备起动所有的战略导弹去打苏联了。


还好,有一个太阳预报中心,很快把太阳风暴告诉了美国的空军司令部,拦下了即将执行的任务。要知道,当时全球有3万多颗核弹头,战争一旦发动,后果不堪设想。



我的分享就到这里,谢谢大家。


演讲嘉宾申旭辉:《张衡一号卫星:换个角度看地震》


作者:申旭辉

编辑:麦芽杨、凝音


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