到外太空帮人类探路,这颗卫星能“看到”中国6级以上地震

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  出品| 网易新闻

  作者| 杭添仁,航天学者

  据中国地震台网测定,6月17日22时55分,四川宜宾市长宁县发生6.0级地震,震源深度16千米,随后发生多次余震,四川多地、重庆、贵州、陕西等均有震感。

  这次地震让中国的地震预警系统进入了公众的视野,此次地震后,周边地区实现了提前预警,一定程度上减少了恐惧和伤亡。

  我们都知道,迄今为止,地震预报仍是一个世界性难题,不过这并不代表人类什么也不能做,除了预警技术,中国近年来在地震探测和预报方面也做了不少工作,在2018年的2月2日,被命名为“张衡一号”的中国电磁监测试验卫星在酒泉卫星发射中心成功发射,听名字想必大家已经知道,这颗卫星与地震监测有关。今天我们就来说说这颗卫星。  

到外太空帮人类探路,这颗卫星能“看到”中国6级以上地震


  (长征-2D火箭发射张衡-1)

  (一)为什么要到太空“看”地震?

  目前,世界各国监测地震的主要手段仍是地面台站观测,中国也已建立了覆盖全国的数字地震台网、数字前兆台网、数字强震台网和国家GPS观测网络等。

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  (2000国家GPS大地测控网)

  不过,用地面台站观测地震具有很大的局限性。

  受观测环境和生活环境等诸多客观条件的限制,在国境边界、海洋、高山和原始森林等地区建台比较困难,全球的观测台网密度很不均匀,存在许多监测空白区。另外,现有的地面观测台站受到越来越严重的干扰。这些都会导致地震监测区域空白和观测资料不足。


  还有,用地面台站观测,存在全天候、全球性和动态性较差等先天不足,不利于地震预报和地震科学研究的进一步发展。

  地球周围存在空间等离子体环境,当受到地壳运动、人类活动等影响时,其中的电磁波就会像水中的涟漪一样在等离子体环境里传播。科学家已发现,地震也会对空间等离子体环境的电磁场产生影响,这种影响甚至在地震发生前就会出现,因此,科学家希望通过研究空间等离子体变化与地震活动的关联规律,来探索如何攻克“地震预报”这一千年难题。

  利用卫星进行对地观测正好可以弥补地面台站的不足,它具有覆盖范围广、电磁环境好、动态信息强、无地域限制,以及全天候、全天时、周期短、效率高和动态性强等优点,能够从更大的尺度上提高对地震孕育发生规律的研究和认识。

  并且,用空间技术手段进行地震监测有其自身优势。

  首先,地震是个小概率事件,所以需要尽可能多的观测到地震,积累数据,如果利用卫星来观测地震的话,地震事件经验的积累可比只在国内地表观测提高二三十倍。其次,利用空间技术手段,能观测地球板块之间的相互作用,提高板块动力学研究能力,推进地震预测研究。

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  (用GPS导航卫星星座可有效监测板块之间以及板内各块体之间的相对运动和地壳应力场变化)

  现在,用卫星直接预报地震的方法主要有两种:一种是用气象卫星通过监测某地地表热红外辐射的异常变化来预报地震;另一种是用电磁监测卫星(也简称地震卫星)监测某地电磁场的异常变化来预报地震,且后者已成为发展主流。

  (二)一两颗卫星就能研究地震?

  大量的观测事实显示,在多数大地震发生前,均在震中及其邻区发现过大量与电磁波有关的异常现象,而这些电磁场的变化会最终反映在大气的电离层中,因此,使用卫星监测电离层变化,可以为人们准确预报地震提供参考。

  国外利用卫星进行地震前空间电磁异常现象的研究已经有多年的历史。早在冷战时期,由于地下核试验产生的强震会引起电磁异常,所以为了监测有关国家地下核试验的情况,苏联发射过多颗可监测电磁异常的卫星。后来,这种电磁监测卫星又逐渐被用于地震预报,转化成为专门的地震卫星。


  2001年,俄罗斯发射了世界首颗地震卫星Predvestnik-E。它装有电场强度测量仪、FM-4磁力计、高能粒子监视器和红外光谱仪等,用于监测震源区上空200~450km处电离层电子浓度、电磁波反射频率以及电磁辐射参数异常,不过该卫星的目标因故并没有完全实现。

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  (俄罗斯研制的世界上首颗地震卫星Predvestnik-E模型)

  随后,包括俄罗斯在内的多国先后发射了多颗地震卫星,如俄罗斯2006年发射的指南针-2卫星、乌克兰的西奇-1M卫星、法国的“震区电磁辐射探测卫星”以及欧航局的“蜂群”卫星。纵观各国已发射的地震卫星,它们主要用于探测感应电场、感应磁场、基本磁场和高能粒子等电离层参数。

  而受到运行周期、卫星性能等的影响,用一颗地震卫星观测只能获取有限的地震前兆信息,在一次较大地震发生前的一月时间内,一颗卫星飞过地震震中上空的次数也就几次,而且持续时间非常短,可以获得的观测数据非常少,仅凭这些数据来判断地震的时间、空间和强度是非常困难的。

  如果能建立包括监测电磁、重力、热红外辐射等多种不同类型卫星组成的星座,则可满足地震预报要求。卫星数量和种类越多,资料积累就越多,越有利于地震电磁耦合机理、地震前兆特征和干扰研究。

  (三)中国地震卫星有哪些独门秘籍?

  中国发射的张衡一号卫星采用中国自主研发的CAST2000平台进行设计,并针对性地进行改进,发射质量约730千克,外形为1.4米×1.4米×1.4米的立方体,装载了6根伸展长度4米多的伸杆,采用单太阳电池翼及三轴对地稳定姿态,设计寿命为5年。

  它装载了高精度磁强计、感应式磁力仪、电场探测仪、等离子体分析仪、朗缪尔探针、全球导航卫星系统掩星接收机、三频信标机和高能粒子探测器8种科学探测有效载荷,可实现在低地球轨道对空间电磁场、电离层等离子体、高能粒子的监测。


  它每5天对地球上同一地点进行重访,观测区域可覆盖地球南北纬65°内的区域,重点观测区域覆盖中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。

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  (CAST2000通用小卫星平台)

  张衡-1创造了中国卫星研制领域的多项首次,总体技术指标达到国际先进水平,部分技术指标达到国际领先水平。

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  (张衡-1发射状态结构图)

  根据地球岩石层-大气层-电离层耦合机理,结合地震电磁辐射及其传播特征,张衡-1搭载了3类8种有效载荷。

  一是探测电磁场的高精度磁强计、感应式磁力仪和电场探测仪,它们用于测量直流和低频电磁场及其变化信息。

  高精度磁强计测量磁场时是用传感器将它转变为电信号,这台仪器有两种传感器:一种采用电磁感应原理,即通过一系列设计好的线圈系统,在电和磁的交替感应过程中将空间磁场的信息调制为最终的电信号;另一种是利用铷87原子,一种与磁场有关的量子效应进行磁场测量。第一种可以准确测量磁场方向,第二种能准确测量磁场大小,两种结合就可以准确测量磁场的大小和方向,也就是磁场“矢量”。

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  (高精度磁强仪)

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  (感应式磁力仪,用于探测变化磁场信息)


  电场探测仪用于探测卫星轨道环境空间电场,它是目前国际上运行在太阳同步轨道上功能配置最全的空间电场探测仪器。为了感知空间三维电场,该探测仪通过伸杆向卫星本体外伸出4台传感器,每个传感器都能准确地感知其所在周围等离子体环境电势,而2台传感器间电势差与距离的商就是2台传感器方向的电场,多组不共面方向的电场便能换算出空间三维电场,探测到非常微小的等离子体电势变化,如同在喜马拉雅山那么高的浪头上分辨出一滴水珠一样。

  然后,卫星的信号处理分系统把传感器探测到的微小“波动”细分成十几个通道进一步精细处理,变成数字量,分成频谱,再依靠卫星的通信分系统把科学数据传到地面进行研究。

  二是测量电离层原位参数的朗缪尔探针、等离子体分析仪和高能粒子探测器,它们用于测量电离层电子和离子的密度、温度、漂移速度以及带电高能粒子通量与运动方向。

  朗缪尔探针主要探测等离子体中电子密度、电子温度参数;等离子体分析仪主要探测等离子体的密度、温度、离子漂移速度、离子成分以及离子密度涨落等参数。这两台载荷配合工作,可精确监测地球电离层等离子体,不仅能探测磁暴等空间极端现象对电离层等离子体的影响,也能精确捕捉地壳活动引起的电离层等离子体扰动。

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  (朗缪尔探针)

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  (等离子体分析仪,探测空间等离子体离子成分、密度、温度、飘移速度等)

  高能粒子探测器拥有优异的方向测量和粒子鉴别能力,探测能段覆盖辐射带高能带电粒子的主要能区,能测量高能粒子的能量、入射方向和轨迹,并能鉴别粒子的种类,从而绘制全球高能粒子分布图,监测地震带地区磁场动态演化规律和地震期间的变化特征。

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  (高能粒子探测器,探测高能电子、质子能谱和通量等)

  其中的高能粒子探测器高能段由意大利国家核物理研究院提供,绝对磁场校准装置由奥地利空间研究所提供。

  三是电离层结构层析成像载荷,包括全球导航卫星系统掩星接收机和三频信标机,它们用于测量电离层二维、三维等离子体精细结构及其变化。

  该掩星接收机是利用地球轨道上“全球导航卫星星座—地球—近地轨道卫星”之间发生掩星现象进行地球电离层与大气测量的气象遥感技术。导航卫星信号切割地球大气层与电离层剖面时,穿过该剖面的导航卫星信号由于受到电离层电子密度影响会发生传播特性的变化,从而探测成地球的电离层和中性大气层。

  三频信标机用于实现空间电离层全维层析成像,是中国自主创新实现的天体一体空间电离层三频信标测量技术。其测量原理类似于医学CT对人体进行射线扫描成像,通过从太空发射三个频段的相干信号,在地面接收处理,实现对电离层的立体扫描,形成电离层CT,从而获得大范围、高精度的电子总含量及电子密度等电离层参量。

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  (全球导航卫星系统掩星接收机和三频信标发射机,探测电离层电子密度、总电子含量和电子密度二维、三维结构)

  它与卫星上装载的电磁场、等离子体和高能粒子等探测设备协同工作,能获取地球电磁场和电离层环境及其扰动信息,为研究地震相关的电磁和电离层扰动的机理,以及空间物理及地球多圈层相互作用原理提供技术手段。

  利用上述科学探测有效载荷,能获取全球低频电磁场和电离层等离子体及高能粒子观测数据,研究与地震相关的电离层变化现象,总结地震电离层前兆特征,探索地震电离层耦合机理和地震预测方法,为空间科学、电波科学以及地球物理研究等提供数据信息服务。

  为了满足高精度磁强计等有效载荷探测要求,卫星的工作模式分两种:载荷工作模式和卫星平台调整模式。在载荷工作模式下,太阳电池翼停转、磁卸载停止,最大限度保证卫星平台对有效载荷的扰动;在卫星平台调整模式中,有效载荷停止工作,太阳电池翼对日跟踪来补充能量,同时进行动量轮的磁卸载来保证整星的三轴零动量稳定系统的平衡。


  该卫星在轨期间,可提供全球地震观测能力,建成中国立体观测体系中第一个电磁立体观测系统;制作中国第一张自主的全球地磁图;构建中国第一个自主的全球电离层模型,对通信、导航、空间天气预警、地球物理勘探等战略应用具有重要作用。

  常言道。“没有金刚钻,不揽瓷器活”,张衡-1有以下一些亮点。

  一是在国内首次实现了在轨精确磁场探测。卫星装载高精度磁强计、感应式磁力仪载荷,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,使中国第一次有望获取十分宝贵的全球地磁场数据。

  二是在国内首次实现了低地球轨道卫星高精度电磁洁净度控制。俗话说、“打铁还需自身硬”。张衡-1运行在近地轨道地球磁场很强大的情况下,要精确探测6级以上地震引起的电离层的微弱变化,积累高质量的观测数据,对卫星本体的电磁洁净度提出了非常高的要求,该卫星采用了国内首颗控制整星磁洁净度小于0.5nt的卫星平台,整星磁洁净度达到了0.33nt,具备独一无二的高磁洁净度的特性,达到国际先进水平。

  三是在国内首次实现了高精度电离层电子、离子原位探测。张衡-1装载的中国自主研发的等离子体分析仪和朗缪尔探针,实现等离子体原位探测,突破了高精度、大动态范围的微弱电流测量技术。该技术还可直接应用于中国其它地球电离层探测的航天器和对其它行星的电离层探测。另外,它在国内还首次实现了利用三频信标技术进行空间电离层探测,填补了中国在星载无线电信标探测电离层领域的空白。

  四是建立了中国首个天基地震电磁综合观测平台。张衡-1是中国首个天基地震电磁综合观测平台,开辟了中国地震监测研究的新途径。

  张衡-1采用了多载荷集成技术,把8台套3类载荷有机地集成在一起,在国内首次将电场、磁场、等离子体和高能粒子等多种有效载荷集成在同一个卫星上,这是相当不易的,需要充分考虑卫星轨道运动与太阳的关系,卫星与空间等离子体的相互作用关系,卫星与空间磁场、高能粒子的相互关系,以及每个载荷工作时是否通过等离子环境的相互作用进而影响别的载荷,所以卫星系统设计难度大。

  五是采用了高精度标定技术,这对验证科学载荷实现性能、实现定量化测量十分关键。在张衡-1研制中,解决了极低噪声、超大动态范围和极高灵敏度的动态标定问题以及直流/交流磁场、等离子体和粒子的定量标定技术,全面验证了各载荷性能,确保了各载荷在轨科学数据质量满足要求。


  六是在国内首次研制了超高收纳比(伸开机构展开后长度与收拢状态长度之比)的伸杆机构,它可将有效载荷展开至远离星体的位置,从而提高有效载荷的探测精度。

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  (张衡-1在轨示意图)

  张衡-1在国内首次自主研制了具有轻质、低磁、一维展开特点的卷筒式伸杆机构,首次实现了弹性卷筒国产化,机构的伸杆指向精度、展开状态基频等关键性能指标达到国际先进水平。

  该卫星有两类新机构,一种类似魔术棒,即卷筒式伸杆机构,其收拢时只有手掌大小;另一种类似人的手臂,即铰链式伸杆机构,这两种机构展开后长度均可超过5米。前者收纳比为39,达到国际领先水平。

  这两类伸杆机构有几大特点:一是能缩能伸,发射时牢固压紧在卫星表面以承受发射过程中的巨大力学载荷而不损坏,入轨展开后将端部产品运送至指定位置;二是伸杆机构在轨展开可靠,在经历超过200℃的温度交变时,5米左右的机构端部位置变化量不大于2毫米,大约为一枚硬币的厚度。三是用料更精,由于伸杆机构距离终端载荷产品距离更近,其磁洁净度要求也更为苛刻,伸杆机构上的每种材料都经历过严格筛选和测试。

  多伸杆机构卫星的在轨有效应用,极大的突破了卫星本体尺寸对载荷探测需求的约束。在CAST2000小卫星平台基础上,张衡-1将星上探测载荷之间的距离由不到2米延展至超过10米,创造了国内小卫星伸展载荷的新纪录,具有良好的经济可行性和庞大的市场背景。

  结语

  张衡一号卫星的发射和投入使用,可使中国首次具备全疆域和全球三维地球物理场动态监测的技术能力,将使中国成为世界上拥有在轨运行多载荷、高精度地球物理场探测卫星的少数国家之一。

  虽然目前利用电磁监测试验卫星尚不能直接预测预报地震,但是随着研究的深入和观测数据资料的积累,地震预测科学研究将逐步取得进步。今后,中国还可以与国外的卫星合作,组成星座编队飞行,提高电磁监测的时间分辨率,相信中国的地震卫星在后续空间探测任务中会带给我们更大的惊喜。


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  编辑| 史文慧

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