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地震預警的“能”與“不能”

時間:2015-12-09 08:23:47.0 來源:科普中國 作者:

  汶川地震以后,特別是日本3.11地震以后,"地震預警"這個名詞熱了起來,新聞媒體、微博微信上時不時地就出現地震預警的消息和報道,有些報道還把地震預警和地震預報混淆起來。公眾和很多網友不斷地來詢問:什么是地震預警,地震預警是怎么回事,怎樣進行地震預警,地震預警真的能救命嗎?

 

  地震預警是怎么回事?


  要了解地震預警,先要了解一下地震和地震波。地震是地殼巖石斷裂在極短時間內釋放出大量能量的結果,這種巨大的能量可以激發出一種向四周傳播的彈性波,我們稱為地震波(圖1)。

 

圖1 近震記錄

 

  地震波在地震發生后會主要產生兩種類型的波,一種是體波,包括縱波和橫波,其中縱波也稱為P波,橫波也稱為S波。縱波是擠壓傳遞的波,橫波是剪切傳遞的波。另一種是面波,是由縱波、橫波在地表相遇后疊加而成的混合波,其波長大,只能沿地表面傳播。大地震發生后,對地面造成破壞的主要是橫波(見圖2),面波也會造成地面破壞。

 

圖2 地震縱波和橫波示意圖

 

  "地震預警"簡單地說,它是在大地震發生以后,請注意是"地震發生以后",在發生地震附近的地震監測臺站檢測到地震,馬上發出警報:"我這里地震了!",從而使距離地震較遠的地方在破壞性地震波還沒有到達之前可以避險和逃生。

   地震預警的原理是什么呢?由于地震波的傳播速度每秒僅為幾公里,相對電磁波的傳播速度每秒30萬公里要慢得多,人們就將地震發生的消息用電磁波手段(電話、廣播、電視、網絡、手機)迅速地傳給遠方,在距離發生地震較遠的地方,收到警報時地震波還未到達,從而采取緊急措施進行逃生和關閉電、氣、水等生命線設施,使地鐵、高鐵減速等。這樣就可以減少地震造成的損失,避免次生災害的發生。這就如同防空警報一樣,知道敵機已經起飛了,拉響防空警報,提醒人們躲避。

   地震預警應該叫"地震警報"


  可能有人會質疑,這明明是警報,怎么能被稱為預警?

   確實如此,"地震預警"這個名詞中的"預"字往往使人們認為是指在地震沒發生時或者地震發生之前發出的警報,因為在漢字里"預"字有預先之意,所以很多人常常會把地震預警和地震預報相混淆。地震預報是指地震發生之前發出的預測報告。這里還需要說明,由于地震是發生在地殼的內部,人類現在還無法動態觀測和探測到地球深部的環境變化和地震發生的過程,因此目前還無法科學驗證地震發生的原因及準確預測地震的發生。

   地震預警這個詞是從英文"Earthquake Early Warning"翻譯過來的。準確的中文應譯為"地震報警或地震警報",而不應譯為"地震預警"。地震預警容易和地震預報混淆起來。在日本稱"地震預警"為"地震緊急速報",美國在加州新建立的地震預警試驗系統就稱為"Shake Alert"系統,即震動警報。在中國盡管我們一再呼吁不要再用"預警"這個詞,但是約定俗成,改起來也不容易。所以目前所說的地震預警,就是地震警報!

 

  如何進行地震預警?


  如何進行地震預警呢?人類早就有地震預警的設想,例如,1868年美國舊金山日報刊登的地震預警的設想,就非常形象地告訴我們如何進行地震預警。由圖3我們看到,地震發生后縱波和橫波由震源向外傳播。縱波傳播速度較快,大約6公里/秒,但震動相對較小,破壞性也小。橫波傳播速度較慢,大約3.7公里/秒,攜帶能量大,是地震發生時造成破壞的主要元兇。地震預警系統就是利用震中附近監測儀器捕捉到地震縱波后快速估算地震參數,比如發震時刻、地震強度、地震位置、震中烈度等,并預測地震對周邊地區的影響,搶在

圖3 1868年舊金山日報刊登的地震預警設想

   橫波到達震中周邊地區之前,通過電子通訊系統,如廣播、電視、網絡、電話、手機、報警器等發布警報信息。在圖3的右下方還把中國的侯風地動儀畫上去了。19世紀的地震監測設備很簡陋,監測臺站也很少,因此無法實現地震預警的設想。地震預警需要密集地震觀測網和智能化的處理系統,這樣才能保證大地震發生后快速發出地震警報,所以人類百年以前的夢想,今天才得以實現。

   地震預警是有盲區的


  地震預警能不能救命,是不是萬能的呢?不是一直說地震報警是給遠處的人們發出地震警報,那么地震發生較近的區域警報有用嗎?確實,地震預警在原理上就存在一個難以避免的"預警盲區"。

 


圖4 地震預警盲區示意圖

 

  圖4是地震預警盲區的示意圖。紅星為震源,紅房子為地震臺。前面我們說過從地震發生到發出警報需要時間,這個時間包括:(1)地震波從震源到達地震臺與(2)地震臺收到地震信號再判定地震所需時間的總和。在這段時間里,地震波照樣傳播,這段時間對應的是橫波傳播距離,我們稱之為地震預警盲區。

   假設最理想的情況是地震臺正好在大地震的上方,也就是在震中位置。如果地震發生在12公里深,按照地震縱波傳播速度6公里/秒,則地震縱波傳到地面地震臺大約需2秒鐘,地震臺收到地震波后需要進行快速的計算,從而確定前述的地震參數。目前全球最高水平的計算需要使用前3秒地震波,這樣最短時間需要5秒中才能發出地震警報,這時地震縱波已經走了30公里左右,地震橫波也已經走了將近20公里左右,我們稱縱波走過的半徑30公里和橫波走過的20公里以內的區域為縱波和橫波的地震預警的盲區。如前所述由于地震破壞的元兇是橫波,所以一般指橫波的地震預警盲區為地震預警盲區。顯然在盲區內警報收到時,有破壞力的橫波已經到達或過去了。

   對于中小地震,地震預警作用有限。而大地震在盲區以外的一定區域仍會產生強烈震動,具有一定的破壞性,如果進行地震預警,就可以減輕盲區以外的災害,我們把這個區域稱為地震預警的獲益區。再遠的區域,例如烈度為6度以下較遠的區域,地震預警的作用也就不大了,稱為地震預警的無效區。因此可以說地震預警對震級大的地震作用才大。

   這時就出現了一個問題,盲區內可能是地震破壞最大的地區。因此要使地震預警獲得更大的效益,在技術上需要盡量縮短處理地震的時間,但是無法消滅盲區。當然有研究表明地震警報對于盲區也是有用的,它相當于給人以警示,無需人們再自身判斷就可立即避險,其次,房屋的破壞并不是橫波到達就立即破壞。另外自動緊急處置也可以在得到警報后立即動作,例如切斷電源,減少次生災害發生。

  總之,作為地球科學近些年發展的新技術,地震預警確實是有減災作用。同時地震預警也是社會工程,我們需要了解和正確地運用才能更好地發揮它的作用。目前我國正在建立地震預警系統,有些地區已經開始進行地震預警的實驗和示范,我們很快就有地震預警了!

 

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