“張衡一號”：借助“天眼”探地震

“張衡一號”衛星運行示意圖。

　　1800年前，東漢科學家張衡創造出一件傳世杰作——地動儀，這是世界上首架地震儀。當時利用這架儀器，我國成功測報了西部地區發生的一次地震，這比西方國家用儀器記錄地震的歷史早了1700多年。

　　時光穿越，“張衡”來到了2018年2月2日。這一次，被命名為“張衡一號”的衛星在酒泉衛星發射中心成功發射，它將借助“天眼”看地震

　　“張衡一號”由中國航天科技集團五院抓總研制，是首顆我國自主研制的電磁監測試驗衛星。該衛星的成功發射使得我國首次具備全疆域和全球三維地球物理場動態監測能力，成為全球唯一擁有在軌運行的多載荷、高精度地震監測試驗衛星的國家，這標志著我國地震監測和地球物理探測領域的探索正式邁入太空。

　　為什么要用衛星監測地震

　　衛星具有覆蓋范圍廣、電磁環境好、動態信息強、無地域限制等優勢，可以彌補常規地面地震監測手段的不足

　　我國地震區域分布廣、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，地震災害的潛在危險對于我國社會發展造成的影響不容輕視。

　　地震預測是世界性難題。二十世紀五六十年代，世界上才開啟地震研究，至今取得了一定進展。學界認為，通過衛星電磁監測的方法發現地殼異動，從而獲得地震即將發生的信息是很有希望的嘗試。一方面，地震發生前，地球巖石的摩擦破裂會產生電磁波，并傳播至大氣層。另一方面，地殼運動會切割磁力線，造成磁力線扭曲。

　　據國防科工局系統工程司副司長趙堅介紹，衛星具有覆蓋范圍廣、電磁環境好、動態信息強、無地域限制等優勢，使用衛星研究地球電磁環境能夠從更大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。

　　例如青藏高原、海洋等地震臺網不能完全覆蓋地區，通過衛星就可以實現全疆域實時觀測。“張衡一號”電磁監測試驗衛星在軌運行的5年中，將以標準手段電磁監測我國6級以上、全球7級以上的地震，并通過大量數據積累和震例分析，推動我國地震觀測技術發展。

　　“應該指出，目前利用電磁監測試驗衛星尚不能直接預測預報地震，主要是用于地震電磁電離層孕育肌理研究，為未來建立地震監測預報體系進行前期技術儲備。”趙堅說。

　　怎樣從天上“探”地震

　　地球外圍的空間等離子體環境受到影響時，會傳播相應電磁波，研究其變化與地震的關聯規律，有望探索地震監測新方法

　　地震活動復雜多變，遠在天外的衛星是怎樣探測感知地上變化的呢？原來， 地球的周圍有著一層薄薄的“殼”——空間等離子體環境，其中物質的性質在某種程度上就如同水一般，當受到地殼運動、地面人類活動等影響時，產生的電磁波就會像水中的漣漪一樣，在等離子體環境里傳播。

　　近年來，科學家們發現，地震也會對空間等離子體環境的電磁場產生影響。因此，科學家們希望通過研究空間等離子體變化與地震活動的關聯規律，來探索地震監測新方法。

　　“張衡一號”衛星正是在這樣的背景下誕生的，用我國古代探索地震的偉大科學家張衡來命名，以表達用空間探測手段監測地震的愿景。其中的主載荷是由中國航天科技集團五院510所研制的電場探測儀，它旨在探測衛星軌道環境空間電場，是目前全球運行在太陽同步軌道上功能配置最全的空間電場探測儀器。

　　為感知空間三維電場，探測儀通過伸桿向衛星本體外伸出4個傳感器，正如4個靈敏的觸角，能準確感知周圍等離子體環境電勢。而兩觸角間電勢差與距離的商就是兩觸角方向的電場，運用多組不共面方向的電場便能換算出空間三維電場。

　　打個比方，這就像我們能通過水中4個木塊的高低變化，來探測水波的立體變化情況一樣。只不過對探測等離子體電場信號的“木塊”要求很高，它們是4個內部具有高靈敏測量電路的“球”，可以探測到非常微小的等離子體電勢變化，就好比可以在珠穆朗瑪峰頂上分辨出一滴水珠。

　　而在衛星內部，有一個被稱為“信號處理單元”的高靈敏電子學測量設備，這是探測儀的“大腦”。它把“觸角”探測到的微小“波動”細分成十幾個通道，進一步精細處理，變成數字量，分成頻譜，再依靠衛星強大的通訊能力，把這些科學數據傳到地面來，供科學家們研究地球周圍等離子體空間的奧秘。

　　為把這些微小的“波動”傳到衛星內部，“觸角”們還需要4根纖細卻“堅韌”的“神經”——科研人員稱之為“電場探測儀復合電纜”。在衛星發射前，它們把“觸角”穩穩地拉住；當衛星上天后，再通過先進的機構讓觸角筆直地伸展出去，這些藏在“觸角”內部的“神經”，可以把“觸角”感受到的電磁場波動忠實可靠地傳遞給“大腦”。

　　“張衡一號”為什么了不起

　　“張衡一號”是我國地球物理場探測衛星計劃的首發星，將大幅提升全球空間電磁場、電離層等探測數據獲取能力

　　趙堅介紹，“張衡一號”是我國地球物理場探測衛星計劃的首發星，實現了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，填補了我國從空間電磁環境方面開展地震學、地質學等相關研究的空白，將大幅提升全球空間電磁場、電離層等探測數據獲取能力。

　　此外，“張衡一號”還是對空間環境直接觀測的衛星。空間電磁環境對于通訊、導航、航天、航空以及大氣層環境都具有重要作用，因此“張衡一號”還能為航空航天、通訊導航、大氣等多個領域提供空間電磁環境監測數據，為空間科學研究和應用服務。

　　電測監測實驗室首席科學家兼工程副總師申旭輝告訴經濟日報記者，“張衡一號”衛星完成在軌測試后，將交付中國地震局使用，履行我國第一顆以電磁監測研究為主要應用背景、專業進行電離層電磁擾動監測衛星的使命，將使我國首次具備全球地磁場和電離層信息獲取能力，構建具有完全自主知識產權的全球地磁場和電離層模型。

　　據悉，在國家主管部門的領導下，“張衡一號”將為全球用戶提供電磁場、高能粒子、等離子體等多方面的數據，并與國際上多個國家開展衛星應用和科學研究方面的深入合作，帶動引領我國地震監測領域研究的國際化發展潮流。

　　“‘張衡一號’衛星將為我國經濟社會建設提供強大推動力，為國家戰略決策提供翔實、可靠的依據，有利于加速構建天空地一體化的地震立體觀測體系；也是惠及社會民生、構建地震立體觀測體系的重要步驟，最終將為構建和諧社會貢獻力量。”申旭輝說。（經濟日報·中國經濟網記者 姜天驕）