地震卫星庞之浩投北京日报文档格式.docx

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由于对地观测卫星具有全天候、全球性、周期短、效率高、动态性强等优点。

例如,卫星图像可用于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,现已成为评估地球断层/板块边界运动/位移情况的有力工具,精度甚至可达毫米级。

利用卫星的“甚长基线干涉仪”（VLBI）,可以精确地记录板块（沿数百千米基线）的移动情况,精度达厘米级。

所以利用卫星监测地震,及时获取地震前兆信息,实现地震短临预报目的,已经成为各国地震科学家的研究热点。

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卫星导航就是其中一种,它是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。

GPS接收机的定位精度现已达10-8米量级,而在陆缘构造活动地区,地壳的年应变速率一般为10-7米/秒量级。

因此,GPS技术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,目前用卫星直接预报地震主要有2种,1种使用气象卫星通过监测某1地地表热红外辐射的异常变化来预报地震,另1种是使用地震电磁卫星（简称地震卫星）监测某地电磁场的异常变化来预报地震,而且后者已成为发展主流。

2用气象卫星预报地震地震是造成人民生命财产损失最主要的灾害之一。

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。

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。

1990年俄罗斯也发现了地震前有卫星热红外增温现象。

这些都为利用卫星遥感红外技术研究地震预报提供了新的线索,此后这方面的研究受到地震学者的广泛关注。

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。

1990年2000年,国家地震局和国家气象局借助气象卫星、资源卫星获取的红外实测数据,首创了地震短临预报技术,进行了100次地震预报,预报准确率达到50%以上。

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有一定效果,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35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。

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较明显;

我国地震、气象专家通过利用卫星遥感技术监视和预报地震方法的实验发现,在我国四大地震活动区的6级左右强震,发生前都显示出卫星遥感监测到的“热辐射”场变异的特征,如2001年发生的四川雅江强震和盐源强烈地震以及印度普杰、美国西雅图、萨尔瓦多等地发生的强烈地震。

专家据此研制出适宜区域监视预报强震有无的中短期预报方法,在地震短期监视预报中,对未来强震事件的发生地域显示有重要应用价值。

专家认为,我国利用气象卫星遥感增温做地震临震预报已获得较为满意的结果,这将成为地震预报新的突破口。

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。

2003年5月21日,阿尔及利亚地震的前两天,风云-1D气象卫星云图显示,地中海地区有异常增温现象,预示着这一地区将发生地震,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。

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,但由于种种原因,也未能做出预报。

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“群策群利”,各施绝技。

不过,这些方法还在探索实验中。

3监测电磁变化的卫星成为主流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,1位专家对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5.26.1级地震前均有低频电磁辐射,出现概率最大是在主震前l2l4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248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。

不过,俄罗斯先后于1999年、2001年、2006年发射了3颗卫星,用来探测与地震有关的电离层变化信息,探索地震预报信息和预报技术,研究与地震、火山和其他大规模的自然灾害有关的电离层、电磁和等离子体变化等前兆。

其中,2001年,俄罗斯发射的Predvestnik-E是世界上首颗地震卫星,它装有电场强度测量仪、FM-4磁力计、高能粒子监视器、红外光谱仪等,用于监测震源区上空200450千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,即复杂的在轨磁等离子体自主小卫星-2。

它重81.6千克,装有用于磁场测量的低频波组合探测器、用于电场测量的低频波组合探测器、用于主动探测的双频发射机、无线电频率分析仪、GPS掩星接收机和粒子探测器（共计20.4千克）,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。

这些仪器由俄罗斯、波兰、瑞典、匈牙利与乌克兰提供,将探测地下岩石圈、大气圈、电离层,以及磁层,研究每一陆地区域与地震、火山、热带风暴、飓风等现象的联系。

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。

2004年6月,法国发射了1颗名叫“震区电磁辐射探测卫星”的地震卫星,它可以在地震或火山活动发生前后对区域的电离层和电磁环境进行监测。

其质量只有132千克左右重,体积和一个洗衣机差不多,主要载荷有感应式磁力仪、电场探测仪、等离子体分析仪、Langmuir探针和粒子探测仪。

在轨飞行期间,该卫星可以监测地球电磁信号的变化,即研究与地震、火山相关的电离层变化,研究与人类活动有关的电离层活动及引起电离层变化的机理等。

该卫星自发射以来研究成效显著,已积累了许多观测数据资料,为地震电磁耦合机理、地震前兆信息研究提供了宝贵的资料,在业内颇受关注。

2004年12月,乌克兰发射了用于研究与地震和人类活动有关的电离层活动的西奇-1M卫星,但由于火箭第3级失效,导致卫星未能进入预定轨道。

2013年11月22日,欧航局3颗“蜂群”升空,对地球磁场进行勘察。

每颗“蜂群”卫星的发射质量为473千克,装有矢量场磁强计,绝对标量磁强计、电场装置、加速度计、GPS接收机、星敏感器和激光反射器。

其中2颗卫星在460千米高度轨道进行编队飞行,以测量地球磁场的东西梯度,第3颗卫星部署在高度为530千米的轨道。

在未来4年的在轨期间,“蜂群”任务将以前所未有的精度测量地球磁场。

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。

4未来的趋势是建立星座受到运行周期、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。

它们运载在由2个不同轨道高度,采用统一的卫星平台,设计寿命不少于7年。

其中6颗在高550千米的轨道上运行,星间距离30;

另外2颗在高950千米的轨道上运行,星间距离90。

该星座用于探测地震引起的大气层、电离层和磁层的异常物理现象,在全球尺度上监测异常地震现象,并与COMPASS-2卫星一起构成大气层、电离层电磁异常现象监测的长期、中期及短期地震预报监测。

乌克兰准备打造由3颗卫星组成的IONOSATS星座,每颗卫星携带大体相同的有效载荷。

它们运行在高450千米,倾角大于80的极轨道上,并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。

意大利计划发射ESPERIA卫星。

它载有磁通门磁力仪、感应式磁力仪、电场分析仪、Langmuir探针和粒子探测仪。

该星主要用于研究等离子体环境和高能粒子环境、近地电磁环境,以及与地球内部动力学、大气层-电离层-磁层耦合、太阳活动和宇宙射线等有关的现象和地震活动性。

日本正在研制的ELMOS卫星计划配置磁通门磁力仪、电场测量仪、电子密度探测仪和闪电成像仪,设计轨道高度600千米,寿命大于2年。

中国台湾打算发射与德国合作研制的ARGO（又叫快眼-6）卫星,它装有离子探测器、电子探测器、磁通门磁力仪、感应线圈磁力仪、电场和等离子体探测器等载荷,用于监测灾害未来,在我国地震卫星发射之后,可以与国外的卫星合作,组成星座编队飞行,提高时间分辨率,尽可能捕捉到地震短临前兆5我国首颗地震卫星指日可待我国处于世界两大地震带之间,是一个多地震的国家。

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。

所以,我国有关专家认为,发展地震卫星十分必要。

与传统的地面地震监测站相比,利用卫星监测并且预报地震的方法无疑为人们提供了新的预报的依据。

虽然利用地震卫星预报地震目前还处于“探索阶段”,但是这一方法已得到了许多科学家的认同。

未来,随着科技水平的提高和科学研究的深入,地震卫星有望在地震预测中发挥重要的作用。

目前我国已建成了相当数量的地基电磁监测台网,但我国幅员辽阔,地震多发区多,已建和筹建的电磁监测台还不能满足预报需求。

而用人造地球卫星对地电磁观测覆盖范围大,不受地面自然条件限制,且空间电磁的场动态信息强于地面的信息。

利用卫星实现空间电磁监测,将有可能对地震预报起到积极的推动作用。

在2008年我国四川汶川发生大地震后,我们权威专家指出,如果我们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。

发展我国的地震卫星对地观测技术,将空间手段与地基监测相结合,建立天地一体化的立体地震电磁监测系统,能明显增加地震前兆的信息量,为地震预测预报提供重要的科学判据。

我国地震卫星计划实施专家组负责人申旭辉在接受记者采访时指出,利用空间技术手段进行地震监测有其自身优势。

首先,地震是个小概率事件,需要尽可能多的观测到地震,积累数据。

如果利用卫星来观测地震的话,地震事件经验的积累可以比只在国内地表观测提高二三十倍。

其次,利用空间技术手段,可以观测地球板块之间的相互作用,提高板块动力学研究能力,突破地震预报技术。

中国地震局地震预测研究所申旭辉研究员介绍说,基于这样的研究思路,我国将在2016年发射首颗地震卫星电磁监测试验卫星。

该卫星采用CAST小卫星平台,运行在太阳同步圆轨道,轨道高度约500千米。

它装有高精度磁强计、感应式磁力仪、三分量电场仪、LANGMUIR探针、等离子体分析仪、GNSS掩星接收机、三频信标发射机和高能粒子探测器共8种有效载荷。

我国电磁监测试验卫星将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,研究与地震相关的电离层变化现象,总结地震电离层前兆特征,探索地震电离层耦合机理和地震预测方法,为空间科学、电波科学以及地球物理研究等提供数据信息服务。

卫星在轨期间,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。

同时可以利用该卫星资料制作我国第一张自主的全球地磁图;

可以构建我国第一个自主的全球电离层模型,对通信、导航、空间天气预警、地球物理勘探等战略应用具有重要作用。

尽管目前利用地震卫星预报地震还有一定的困难,但是随着在地震电磁耦合机理的突破、观测数据资料的积累、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,对地震的预测预报还是可以实现的。

从遥感卫星发展来看,现在光学遥感卫星分辨率越来越高;

但从电磁卫星用户的角度出发,希望地球物理遥感卫星能得到更多的重视,地球遥感物理还有很多未知的领域需要我们去不断探索。

总之,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。

（庞之浩）6