「張衡一號」電磁監測試驗衛星為預報地震探路

新聞背景

2018年2月2日，「張衡一號」電磁監測試驗衛星成功由長徵－2D運載火箭從酒泉衛星發射中心送入太空。據國防科工局專家介紹，這次發射的「張衡一號」是我國地震立體觀測體系第一個天基平臺，即首顆觀測與地震活動相關電磁信息的衛星，也是我國地球物理場探測衛星計劃首發星。2月5日，中國遙感衛星地面站成功接收到「張衡一號」發回的數據。

地震是危害性極強的災害之一。據聯合國統計，20世紀以來，全世界因地震死亡人數達260多萬。我國處於世界兩大地震帶之間，境內地震分布廣、強度大、震源淺，是世界上大陸地震活動最強烈、災害最嚴重的國家之一。資料顯示，20世紀有1/3的陸上破壞性地震發生在我國，死亡人數約60萬，佔全世界同期因地震死亡人數的一半左右。另外，地震預報又是一個世界性難題，至今雖然研究了一些方法，但目前都不太可行。

這次發射的「張衡一號」將嘗試開展地震電磁信息分析研究，探索地震前後電離層響應變化的信息特徵及其機理，為地震觀測研究提供有價值的信息；還將研究地球系統特別是電離層與其它相關圈層相互作用及其效應，向航空航天、導航通信等相關領域提供空間電磁環境監測數據應用服務。

居高臨下全天時監測地震

目前，世界各國監測地震的主要手段仍是地面臺站觀測。我國也已建立了覆蓋全國的數字地震臺網、數字前兆臺網、數字強震臺網和國家GPS觀測網絡等。

不過，用地面臺站觀測具有很大的局限性，這是因為受觀測環境和生活環境等諸多客觀條件的限制，在國境邊界、海洋、高山和原始森林等地區建臺比較困難，全球的觀測臺網密度很不均勻，存在許多監測空白區。另外，現有的地面觀測臺站受到越來越嚴重的幹擾。這些都會導致地震監測區域空白和觀測資料不足。還有，用地面臺站觀測，存在全天候、全球性和動態性較差等先天不足，不利於地震預報和地震科學研究的進一步發展。

利用衛星進行對地觀測可以克服地面臺站觀測的許多不足，因為它具有覆蓋範圍廣、電磁環境好、動態信息強、無地域限制，以及全天候、全天時、周期短、效率高和動態性強等優點，能夠從更大的尺度上提高對地震孕育發生規律的研究和認識，彌補常規地面地震監測手段的不足。

例如，通過導航衛星可有效監測板塊之間以及板內各塊體之間的相對運動和地殼應力場變化，監測地質結構隨時間的變化就能探索預報地震的可能性。用星載「甚長基線幹涉儀」，可精確地記錄板塊（沿數百公裡基線）的移動情況，精度達釐米級。

氣象衛星曾充當先鋒

實踐和研究都表明，在地震發生前，由於震區巖層大面積受力，使震中周圍的巖層產生裂隙，二氧化碳、氫氣、氮氣和甲烷等氣體從巖層的裂隙中釋放出來。同時，地表電磁場的異常變化會轟擊這些氣體，從而釋放出熱量，產生熱紅外異常現象。

用氣象衛星上的紅外遙感器能得到晝夜雲和地表的紅外輻射信息，把這些信息以圖像形式表示就是紅外雲圖。20世紀80年代末，我國地震工作者開始利用氣象衛星獲取的熱紅外數據進行地震預報實驗研究，並取得一些成果。

比如，2003年1月20日，一幅風雲－1D衛星遙感圖像顯示，在墨西哥科利馬州附近，圖像顏色呈深紅色，表明增溫3℃左右，其附近10多萬平方公里海域也顯示明顯增溫。第二天，在墨西哥科利馬州太平洋沿岸發生芮氏7.6級地震。

2003年5月21日，風雲－1D氣象衛星雲圖顯示，在地中海地區有異常增溫現象。果然兩天後，阿爾及利亞首都阿爾及爾附近發生芮氏5.4級地震。

在2008年5月21日我國汶川大地震前，由於當地連日陰雨天，受雲層的幹擾，衛星熱紅外輻射計探測不到雲層下低空大氣的溫度，所以無法做出臨震前預報。有專家指出，如果事先有該地區連續的空間監測的熱和電磁效應的圖像，可能會有預報。

實踐和研究證明，利用衛星熱紅外信息進行地震短臨預報在預報強震方面有一定效果。

監測電磁預報地震成趨勢

大量的觀測事實顯示，在多數大地震發生前，均在震中及其鄰區發現過大量與電磁波有關的異常現象。而這些電磁場的變化會最終反映在大氣的電離層中，因此使用衛星監測電離層變化，可以為人們準確預報地震提供參考。

其實，早在冷戰時期，由於地下核試驗產生的強震會引起電磁異常，所以為了監測有關國家地下核試驗的情況，蘇聯曾發射過多顆這種可監測電磁異常的衛星。後來，這種電磁監測衛星又逐漸用於地震預報，轉化成為專門的地震衛星。

1983年，有專家對1顆遙感衛星經過地震區域時的記錄數據分析後發現，震前和震後幾十分鐘至數小時內超低頻電磁信號增強，這一成果極大推動了地震-電磁現象的研究。1989年，日本和蘇聯衛星又觀測到了28次5.2至6.1級地震前均有低頻電磁輻射，出現概率最大是在主震前l2至l4小時內。此後，還有多顆衛星所獲數據都表明，地震前後低頻電磁信號都有明顯的變化。因此，地震學家普遍認為，用衛星捕捉電磁前兆有可能是地震短臨預報最有效的手段之一。

從2001年開始，俄羅斯、法國、歐航局等陸續發射了一些地震衛星，主要用於探測感應電場、感應磁場、基本磁場和高能粒子等電離層參數。

受到運行周期、衛星性能等的影響，用1顆地震衛星觀測只能獲取有限的地震前兆信息。在一次較大地震發生前的一個月內，1顆衛星飛過地震震中上空的次數也就幾次，而且持續時間非常短，可以獲得的觀測數據非常少，僅憑這些數據來判斷地震的時間、空間和強度是非常困難的。如果能建立包括監測電磁、重力、熱紅外輻射等多種不同類型衛星組成的星座，則可滿足地震預報要求。

「張衡一號」達到國際先進水平

「張衡一號」是我國第一顆專業進行電離層電磁擾動監測的衛星，用於監測全球空間電磁場、電磁波、電離層等離子體和高能粒子沉降等物理量。它的主要工程目標之一是：建設重點監測中國全境，並能獲取全球電磁信息的試驗衛星及其地面、應用系統，檢驗衛星電磁監測新技術設備的效能和空間適應性。同時搭載國際相關載荷，開展全球7級以上、我國6級以上地震電磁信息分析研究。

該衛星採用中國航天科技集團五院航天東方紅衛星有限公司自主研發的CAST2000平臺進行設計，並有針對性地進行改進，發射質量約730千克，外形為1.4米×1.4米×1.4米的立方體，裝載了6根伸展長度4米多的伸杆，採用單太陽電池翼及三軸對地穩定姿態，設計壽命為5年。它裝載了高精度磁強計、感應式磁力儀、電場探測儀、等離子體分析儀、朗繆爾探針、全球導航衛星系統掩星接收機、三頻信標機和高能粒子探測器8種科學探測有效載荷，可實現在低地球軌道對空間電磁場、電離層等離子體、高能粒子的監測。

「張衡一號」衛星運行於約500公裡高度的太陽同步軌道，重訪周期為5天，即衛星每5天在同一個時間從同一個位置的上空飛過，觀測區域可覆蓋地球南北緯65°內的區域，重點觀測區域覆蓋我國陸地全境和陸地周邊約1000公裡區域以及全球兩個主要地震帶。

「張衡一號」創造了我國衛星研製領域的多項首次，總體技術指標達到國際先進水平，部分技術指標達到國際領先水平。

按照計劃，「張衡一號」將安排6個月左右的在軌測試工作，檢驗和評價衛星數據質量，之後交付中國地震局進行使用。

雖然目前利用電磁監測試驗衛星尚不能直接預測預報地震，現在它還主要是用於對地震前兆信息研究，為未來建立地震監測預報體系進行前期技術儲備，但是隨著在地震電磁耦合機理方面的突破、觀測數據資料的積累、對地震前兆信息特徵和幹擾排除方法研究的深入以及其它信息如重力、紅外、形變的綜合，地震預測科學研究還將逐步取得進步。

今後，我國還可以與國外的衛星合作，組成星座編隊飛行，提高電磁監測的時間解析度。另外，「張衡一號」的02星正加快推動立項，計劃將於2020年發射。