滇秘密研製"天文地動儀" 或破解地震預測難題

核心提示：中國科學院雲南天文臺正在秘密研究「天文地動儀」,這種儀器有望破解千年地震難題——提前預測地震的到來。

昆明日報8月24日報導

多功能經緯儀原理

本項目研製的多功能天文經緯儀,是一種用於觀測恆星位置的望遠鏡,恆星離地球非常遙遠,它們在天空中的位置固定不變。

請看圖一、處於地面某一位置的望遠鏡,在正常情況下,地球引力g是垂直向下的,望遠鏡中有個水銀盤,水銀面的垂直方向與引力平行指向天頂,望遠鏡在固定時刻觀測到某一恆星在天頂位置A出現。

請看圖二、當地下地震孕育區M受到周圍應力作用,導致物質密度反常,引力方向偏移到f方向,使望遠鏡中的水銀面指向天頂的方向發生偏移,望遠鏡在固定時刻觀測到某一恆星在天頂的位置偏移到B,我們就可以獲得偏轉角θ。

請看圖三、在一定區域內設置多個望遠鏡,在地下某一區域M的物質密度發生改變時,它會導致多個望遠鏡的水銀面方向產生偏移,通過觀測某一恆星在固定時刻的位置,可以測量引力的偏轉角α和β,從而可算出密度異常區的位置。地震孕育區通常存在物質密度異常,引起地面的重力異常,該儀器能夠探測產生一定程度重力異常的區域,為地震專家和政府決策提供重要信息。

該儀器還能測定瞬時天文大氣折射,建立多方位大氣折射實測模型。由於以記錄電磁波傳播時間為基本數據的空間大地測量技術,包括衛星雷射測距、全球定位系統GPS和甚長基線射電幹涉測量VLBI,都受到大氣折射延遲的影響,目前僅能用理論模型或經驗模型作修正,導致測量距離的誤差比較大。利用多功能天文經緯儀,建立天文大氣折射實測模型,轉換建立起大氣折射延遲實測模型,它將能使距離的測量精度接近於理論精度水平。另外,研製的儀器在航天發射和國防上也有應用價值,用該儀器和相應的測量方法可以為衛星發射和飛彈基地建立本地大氣折射實測模型,提高衛星發射和飛彈制導系統的時間、方向和定位精度。

去年以來,王建成就一直帶著一個科研小組加班加點、夜以繼日地投入到一項秘密研究課題中。

王建成是中國科學院雲南天文臺副臺長。與此前的一些研究目的不同,這次雖然同樣是「看天」,但最終卻是為了「探地」。

當發現甘肅舟曲1000多人死於泥石流災害的主要原因之一是汶川「5·12」地震震鬆了舟曲山體時,王建成心中又增添了些許沉重:「我們現在希望少受外界幹擾,靜心和高效地研製儀器,使儀器儘快應用和推廣。」王建成所說的儀器,正是他們一年多來潛心研究、能通過尋找和監測地下物質密度的異常變化,為預測地震提供有效信息的「多功能經緯儀」。張衡發明的「地動儀」在1700年前神秘失蹤,今天,雲南天文專家正嘗試利用一種叫做「多功能經緯儀」的儀器,用天文觀測的方法對地震進行精確預報。

可以想見,這種「天文地動儀」一旦研製成功,將會是人類對抗自然災害的歷史上最大的一次「地震」!

現實

上天容易入地難

眾所周知,地震預測是全世界公認的難題,預測地震的儀器都具有「不可入性」,由於地震專家不能直接觀測地球內部,以致對地震的孕育過程和影響這一過程的種種因素缺乏觀測數據。

市防震減災局副局長靳樹才介紹,一般而言,地震的震源都在地下十多公裡以下,有的深達幾百公裡,依託現有的技術水平,要打鑽下去,直接觀測,基本不可能。現階段,地震預測主要依靠電磁波、磁輻射、地下水化學分析、放射性元素、大地傾斜、重力變化等,通過綜合分析各種數據來作預報。但這些數據與地震的關係都是間接的,同時受幹擾因素較多。如對地下水的觀察,不僅要了解地下水變化的原因,還要了解地下水所處的構造部位、水的補給源、正常動態、可能引起水位變化的降雨及工業用水、農田灌水、氣候變化、季節變化、補給源變化等幹擾因素,以至引起地震發生的變化量非常小,不具有獨特性,很容易淹沒在其它幹擾因素中,要將它們有效甄別提取出來,難度很大。

有人說汶川地震前青蛙曾有異常行為。靳樹才說,動物的異常行為和地震有關聯,但沒有直接的、必然的聯繫。青蛙行為異常完全有可能是由其他原因引起的。更何況,青蛙不會告訴你將會在哪裡、什麼時間、發生幾級地震。

「我們需的是準確、科學的預報。」靳樹才說。

啟發

東漢「地動儀」帶來靈感

1800多年前,在張衡所處的東漢時代,地震比較頻繁。經過長年研究,張衡發明了一個測報地震的儀器,叫做「地動儀」。(南方都市報  www.nddaily.com 南都網)

據史書記載,地動儀是用青銅製造的,形狀有點像一個酒罈,四圍刻鑄著八條龍,龍頭向八個方向伸著。每條龍的嘴裡含了一顆小銅球:龍頭下面,蹲了一個銅製的蛤蟆,對準龍嘴張著嘴。哪個方向發生了地震,朝著那個方向的龍嘴就會自動張開來,把銅球吐出。銅球掉在蛤蟆的嘴裡,發出響亮的聲音,就給人發出地震的警報。

漢順帝陽嘉三年十一月壬寅(公元134年12月13日),地動儀的一個龍機突然發動,吐出了銅球,掉進了那個蟾蜍的嘴裡。當時在京師(洛陽)的人們卻絲毫沒有感覺到地震的跡象,於是有人開始議論紛紛,責怪地動儀不靈驗。沒過幾天,隴西(今甘肅省天水地區)有人飛馬來報,證實那裡前幾天確實發生了地震,於是人們開始對張衡的高超技術極為信服。隴西距洛陽有一千多裡,地動儀標示無誤,說明它的測震靈敏度是比較高的。

遺憾的是,凝聚中華民族智慧的地動儀沒有保存下來,1700多年前,地動儀神秘消失。

「應該可以用天文觀測的技術和儀器來提高地震預測的準確度。」祖先的智慧、先進的科技啟發和驅動著雲南天文學家投入到了看似不可能的「天文地動儀」研製中。

原理

精準把脈重力變化

據了解,雖然地震孕律具有很大的複雜性,但通過研究,世界各國專家普遍認為地震孕育區受多種應力的作用,積累大量能量,引起周圍重力變化。監測到重力變化,就能發現地下能量的異常聚集,地震部門現在已經能用重力儀測出重力變化大小,但卻測不出重力方向。

王建成介紹,「多功能經緯儀」這一項目是通過雲南天文臺獨創的低緯子午環的觀測原理和儀器誤差測量方法,研製出一架達到高精度要求的小型、輕便、全自動的「多功能天文經緯儀」樣機。這種「多功能經緯儀」本來是天文上用於精確觀測恆星位置變化的望遠鏡,而恆星位置變化是重力變化的一面「鏡子」,如果同時啟動多臺「多功能經緯儀」監測,就能測量出重力方向,由此尋找和監測到引起重力變化的源頭,為地震專家預測地震提供可靠信息。

2009年1月24日和2010年2月4日,省委常委、市委書記仇和等領導在連續兩次專程登門拜訪中國科學院、中國工程院在昆的院士時,都對我國恆星物理研究專家、雲南天文臺黃潤乾院士以及雲南天文臺副臺長、項目組長王建成介紹的多功能經緯儀項目研究情況給予了高度評價和極大地支持。

王建成表示,項目已開始總體方案設計和研討,今年10月底完成總體設計和論證,項目研究組正排除一切幹擾,不舍晝夜、嚴謹高效地加緊研製,計劃2011年底驗收,力爭早日投入應用和推廣。他透露,明年底樣機研製成功後,即可建立多臺測量儀組成的監測網,布置到我省地震斷裂帶周圍,尋找和監測地下物質密度的異常變化區域,通過監測地下物質密度的異常變化,為預測地震提供新的有效信息。

希望

能像預測颱風一樣預測地震

靳樹才表示,感謝其他行業專家對地震預測的關注,為地震預報獻計獻策,身體力行地做研製工作。

他認為「多功能經緯儀」項目是符合科學規律的,但同時,他對引起地下重力變化的力量是否就足夠使地表發生形變表示不確定。因為使地表發生形變的因素也很多,比如說重型貨車經過時,在路邊就能感到顛簸,這就是一種形變,重型貨車對路面產生的壓力都遠遠大於重力變化的力量。所以,這對地震觀測條件提出了高要求,要儘量避開環境和人為幹擾,而選擇環境比較安靜、工農業生產幹擾小、無環境汙染的地區。儀器具體安裝位置要選擇地質條件較好的巖石,而不是鬆軟的土層,儘量減少幹擾因素。

對未來能夠準確預報地震,靳樹才充滿了信心,他說, 地震預測具有時代性。雖然很難,但隨著人類科技進步,終有一天能解決。「退回200年前,颱風的預測也只能憑經驗,而現在什麼時候登陸,在哪裡登陸,都已在人類的嚴密監控下,因為我們有了衛星。」他說。

至於「多功能經緯儀」,靳樹才也充滿期待:「儀器究竟能發揮多大作用?現在尚不能確定。待儀器研製成功後,我們將成立專門研究小組,總結規律性東西,認真觀測,積累經驗,在實踐中提出改進建議。」

本文來源：昆明日報 責任編輯：王曉易_NE0011