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张衡一号:天基测震显神通

2018-02-07 11:32 来源:人民日报海外版 本报记者 张保淑

  “张衡一号”在轨示意图

  国防科工局供图

  本文漫画

郭立平作

  2008年5月12日14时28分04秒,天摇地动、山河破碎、举国同悲,八方驰援、众志成城、巍然挺立,这就是中国人刻骨铭心的四川汶川大地震。而今,那一刻已经过去近10个年头,中国人民完成了凤凰涅槃、浴火重生的壮举。

  作为历史上屡受地震之灾的国度,中国一直致力于对地震科学的研究:古有东汉张衡发明的地动仪,今有刚刚发射入轨的旨在探测地震电磁电离层信息的卫星“张衡一号”,以期寻觅到与地震相关的蛛丝马迹,揭示地震发生的内在机理,达到防灾减灾的目的。

  九天之上 求解更接地气

  地震是地壳快速释放能量过程中造成的振动。按照常理,人们研究地震,如果不是从研究地壳内部入手,向地下钻探,通过在地层深处放置探测设备等措施,至少也应该立足于地面。为什么要“舍近求远”,依靠运行在500公里高度的太阳同步轨道上的卫星呢?这恐怕是很多人对“张衡一号”探测地震信息产生的最大疑问之一。

  谁想舍近求远呢?科学家如果能够近距离对地震进行有效研究,谁也不想大费周折发射卫星。“张衡一号”卫星工程首席科学家兼副总师、中国地震局地壳应力研究所总工程师申旭辉介绍说,地震往往发生在地下数十公里处,人类目前的最大钻探深度远远不及此。看不见,够不着,正是地震研究面临的现实困难。

  地震发生前,地球岩石的摩擦破裂会产生电磁波,这些电磁波会往大气层传播;地壳运动会切割磁力线,造成磁力线的扭曲。因此,电磁是科学家进行地震研究的重要手段。申旭辉说,正是基于上述思路,我国研发了多种地面地震电磁观测技术,建成了大规模的地震电磁监测台网。但是,由于受条件限制,地面监测台网在自然条件恶劣地区和海域地区缺乏必要的观测能力,对地震预测预报研究迫切需要的三维地球物理场动态的监测能力不足;同时,由于破坏性地震、尤其是重特大地震事件发生的小概率特性,再加上地面覆盖范围相对较小,难以获取足够地震震例。

  建立电磁卫星观测系统,获取全球破坏性地震震例,是进行地震科学研究的必要手段。“张衡一号”由此应运而生。申旭辉说,该卫星每年可以收集到全球10多次7级以上地震和150次左右6级地震。卫星监测一年的信息量,地面监测需要20多年,能够帮助科学家提高对地震孕育发生规律的认识。

  魔幻触角 消磁测磁两相宜

  “张衡一号”是1.4米见方的立方星,重量约700公斤。从这些指标来看,它的确平淡无奇,但是,从外形来看,的确特色非常鲜明,除了伸展的单片太阳能板之外,还有6条长长的“触角”即卫星伸杆,这也使其成为中国已发射的卫星中,“触角”最多的。而其高技术含量在很大程度上就体现在这长长的“触角”中。

  据卫星研制方航天东方红卫星有限公司总监周峰介绍,“张衡一号”多伸杆机构卫星在轨有效应用,极大突破了卫星本体尺寸对载荷探测需求的约束,把星上探测载荷之间的距离由不到2米大幅延展到超过10米,而这样做正是适应卫星载荷功能协调,达到卫星磁洁净度指标的必然要求。

  “张衡一号”集中了电场、磁场、等离子体、高能粒子等多种有效载荷。为准确获取全球空间电磁场、电磁波、电离层等离子体、高能粒子沉降等科学数据,卫星在轨磁场测量总误差要求保持极低水平。中国科学家一方面采取减少磁性材料使用量等手段;另一方面设计出“超级伸杆”,把磁场探测器安装到顶部,尽可能减少磁场干扰。这些努力使得“张衡一号” 的磁强计灵敏度达到可以分辨出背景磁场五百万分之一的信号。对此,卫星总指挥兼总设计师袁仕耿打了个比方:相当于感知一只蚊子落在人身上产生的重量。

  “张衡一号”的“触角”堪称魔幻,一方面,它展开后达到近5米而收拢时仅有手掌大小;另一方面它形态变化具有超稳定性,即使经历从零下100摄氏度到零上100摄氏度极大的温度交变,其承载的有效载荷位置变化不大于一枚硬币厚度。

  携手同行 造福同一个地球

  对国际上电磁监测实验卫星的发展,申旭辉介绍说,从20世纪90年代以来,随着空间探测技术在地球科学中的应用发展,国际上一些国家开始利用包括电磁、GPS等在内的卫星技术进行地震监测研究,其中,电磁监测卫星作为研究地球电磁环境的重要手段,在地震监测预测研究方面具有广阔的应用前景。2004年,法国发射了专门用于地震监测的 DEMETER卫星,观测到了较为明显的震前电磁扰动信息。俄罗斯、欧空局的相关卫星也为电离层地震前兆观测研究积累了更多的观测数据和经验。

  中国科学家在上世纪末开始了卫星预报地震的研究和应用,并取得初步成果。2013年,中国电磁监测试验卫星工程经国务院批准立项,经过3年多攻关,到2016年完成初样研制并转入正样研制阶段。关于“张衡一号”的性能,申旭辉表示,其搭载了感应式磁力仪、高精度磁强计、电场探测仪等8种载荷,填补了中国在近地磁场精确探测领域的空白,达到国际先进水平。

  在对地观测效率方面,“张衡一号”每5天实现对地球上同一地点的重访;就覆盖区域而言,卫星观测到地球南北纬65°内的广阔范围,重点观测区域覆盖我国陆地全境和陆地周边约1000千米区域以及全球两个主要地震带。据悉,“张衡二号”已经通过可研评估,预计2020年发射,届时,中国地震立体观测体系的第一个专用天基平台功能将更为强大。

  “张衡一号”的优异性能既是中国科学家多年努力攻关的结果,又是国际合作的产物,其8大载荷之一的高能粒子探测器就来自意大利,而作为重要合作方代表,意大利航天局局长巴蒂斯通亲临发射现场,并对“张衡一号”未来的表现充满期待,他说,这是一颗配备良好、致力于获取空间探测和地震活动之间关联性的卫星,它将成为地震科学研究的重要贡献者。

(责任编辑:王蔚)

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