汶川地震十周年紀念——捕捉地震中的次聲波
來源：中科院聲學所
2008年5月12日14時28分，芮氏8.0級的汶川地震爆發，山崩地裂，滿目瘡痍，69227人的生命因此被迫畫下休止符。經國務院批准，自2009年起，每年5月12日為全國「防災減災日」。
川之上，國有殤。逝者長眠，生者常思。悲劇提醒我們，科學認識地震、科學防震減災，對國家、社會和個人都至關重要。
多次自然災害事件的記錄以及研究表明，次聲波與許多自然災害存在著密切的關聯性。「次聲波存在於地震孕育早期、爆發、餘震的全過程，是與地震直接關聯的物理波，可建立次聲波和地震的某種相關關係，怎麼建立這種關係就值得我們研究了。」基於多年的次聲波探測分析，中科院噪聲與振動重點實驗室楊亦春研究員認為，次聲波有望為人們科學認識地震提供一份晴雨表。
中國科學院聲學研究所（以下簡稱「中科院聲學所」）對於自然事件關聯次聲波的研究有著50多年的歷史。中科院噪聲與振動重點實驗室的次聲學研究課題組成功研製了ISA2016型低頻寬帶次聲傳感器，並基於該傳感器在新疆、遼寧、雲南、北京、吉林五地共設置23個監測點，建立了廣域次聲監測網，可有效、不間斷地監測地震等自然事件關聯次聲波。
一、什麼是次聲波？
頻率低於20 Hz、不可被人耳聽到的聲波叫做次聲波。
人和一些動物發聲和聽覺的頻率範圍（圖/人教網）
次聲波主要來源於大自然，許多地球物理現象以及天文現象都是次聲波源，如地震、火山爆發、海嘯、流星雨、隕石墜落、極光、日食、核爆炸及偶發的大型化學爆炸等，都曾記錄到相伴隨的次聲波。次聲波的頻率低、波長長，容易與建築物、人體等產生共振，還能輕易繞過障礙物，可謂是「無孔不入」。
二、次聲波與地震有什麼特殊關係？
「地震是一個爆發巨大能量的力學過程，地震的活動全過程必然會產生聲波，且主要為次聲波。」楊亦春研究員指出，通過觀測地震活動伴生的次聲波的發生過程，研究次聲波的信號特徵，有利於科研人員掌握地震活動的狀態，研究地震的發生發展規律及產生次聲波的機理。
次聲在大氣中的傳播路徑（圖/中科院聲學所）
地震聲波主要是由巖石破裂和地表起伏所激發，既有次聲也有可聽聲。因此震中的人們在地震爆發時刻能夠聽到地底下隆隆的轟鳴聲，震耳欲聾，像千軍萬馬在怒吼，而夾雜其中的強次聲波會使人頭暈、噁心、心慌，失去逃跑能力。
不同類型的地質活動會產生不同頻率範圍的次聲波。地下巖石相互擠壓、破裂，產生的次聲波頻率偏高，大於0.1Hz。地表起伏釋放出的次聲波頻率偏低，為0.001—0.1Hz。
當地表起伏的幅度較小，或持續時間較長時，非爆裂的斷層滑動事件會逐漸釋放掉地殼活動的能量，就不會出現地表撕裂現象。因此，有時測量到次聲波並不一定會發生大地震。
三、怎麼檢測地震產生的次聲波？
由於地震波傳播衰減小，因此次聲波傳感器能夠在數千公裡以外探測到來自震中的地震次聲波信號。
從震中到遠方的監測點，次聲波有三種傳播途徑。最先到達的是通過地殼傳播到監測點後激發出的同振次聲波（圖中黑線），其次到達的是地震動引起途中山體晃動產生的次聲波（圖中紅線），最後到達的是從震中位置通過大氣傳過來的次聲波（圖中黃線）。
地震關聯次聲波的3種傳播途徑（圖/中科院聲學所）
四、大地震前的異常次聲波
與地震爆發後產生的次聲波相比,大地震前數天出現的一種次聲波幅值更大, 頻率更低，持續時間更長。
在汶川地震前的2008年5月2日，中科院聲學所曾檢測到聲壓（傳播介質受到聲波擾動後產生的壓強變化量）峰值達100Pa的異常次聲波，持續時間20000秒。
汶川地震前後的次聲波能量流曲線（圖/中科院聲學所）
2010年4月14日玉樹7.1級地震、2011年3月11日日本9級地震、2013年4月20日蘆山7級地震、2013年9月25日巴基斯坦7.7級地震等四次地震前兩周內，均出現了異常次聲波，頻率範圍在0.001Hz至0.01Hz之間，幅值範圍為50Pa至200Pa，持續時間約半小時至4小時，傳播速度為10m/s至30m/s。震級越高，震前異常次聲波的幅值越大。
多年連續觀測數據表明，在無地震時段，很難出現大幅值長周期次聲波。
大地震前出現的這種異常次聲波，是說來就來的嗎？並不是，只有同時具備兩個條件才會產生。
首先，必須有一個巨大的能量來源，才能產生覆蓋數千平方公裡範圍的100Pa聲波；其次，必須有超大面積的輻射面，才能在空氣中產生周期10—10000秒的聲波。
多次大地震發生前會出現異常次聲波，是科研人員長期觀察發現的一種客觀存在現象。隨著科學技術的快速發展，相信在不久的將來，關於次聲波的研究將對地震預測預警做出貢獻。
未來研究中，科研人員將擴大廣域次聲監測網的布設範圍，爭取在每一個中國地震臺網所屬地震臺站的周圍均布設次聲監測臺站，增加監測範圍，加強監測力度；同時繼續深入研究這類次聲波的產生機理與傳播機理，探索異常次聲信號與地震的關聯性，配合中國地震局等相關單位，為有效獲取地震監測和預警信息提供技術支持。
國家地震臺站分布圖（圖/中國地震臺網中心）
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中科院噪聲與振動重點實驗室呂君副研究員對本文亦有貢獻
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