用卫星能预报地震吗?

□ 谭涛

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260万，因此，如何进行地震预报受到世界各国的关注。目前监测地震的主要手段是地面台站观测，但受观测环境、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，且无法实现全天候、全球性观测，动态性较差，这些都不利于地震预报和地震科学研究的进一步发展。那该怎么办呢？人们想到了卫星。

居高临下优点多

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。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”，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，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。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，目前用卫星直接预报地震主要有两种：一种使用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；另一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。

用气象卫星预报地震

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。

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。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。

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。

监测电磁变化的地震卫星

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5.2级～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12小时～14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，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小时～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。

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200千米～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。

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，装有测量磁场的低频波组合探测器、测量电场的低频波组合探测器、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，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的相关 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。

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，体积和一台洗衣机差不多，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。

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，欧空局的3颗“蜂群”卫星升空，对地球磁场进行勘察。每颗卫星的发射质量为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。

建立星座是趋势

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颗卫星组成的地震-S/C卫星星座方案，运行在两个 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，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。

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。

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。

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，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，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。