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地震预警的“能”与“不能”

时间:2015-12-09 08:23:47.0 来源:科普中国 作者:

  汶川地震以后,特别是日本3.11地震以后,"地震预警"这个名词热了起来,新闻媒体、微博微信上时不时地就出现地震预警的消息和报道,有些报道还把地震预警和地震预报混淆起来。公众和很多网友不断地来询问:什么是地震预警,地震预警是怎么回事,怎样进行地震预警,地震预警真的能救命吗?

 

  地震预警是怎么回事?


  要了解地震预警,先要了解一下地震和地震波。地震是地壳岩石断裂在极短时间内释放出大量能量的结果,这种巨大的能量可以激发出一种向四周传播的弹性波,我们称为地震波(图1)。

 

图1 近震记录

 

  地震波在地震发生后会主要产生两种类型的波,一种是体波,包括纵波和横波,其中纵波也称为P波,横波也称为S波。纵波是挤压传递的波,横波是剪切传递的波。另一种是面波,是由纵波、横波在地表相遇后叠加而成的混合波,其波长大,只能沿地表面传播。大地震发生后,对地面造成破坏的主要是横波(见图2),面波也会造成地面破坏。

 

图2 地震纵波和横波示意图

 

  "地震预警"简单地说,它是在大地震发生以后,请注意是"地震发生以后",在发生地震附近的地震监测台站检测到地震,马上发出警报:"我这里地震了!",从而使距离地震较远的地方在破坏性地震波还没有到达之前可以避险和逃生。

   地震预警的原理是什么呢?由于地震波的传播速度每秒仅为几公里,相对电磁波的传播速度每秒30万公里要慢得多,人们就将地震发生的消息用电磁波手段(电话、广播、电视、网络、手机)迅速地传给远方,在距离发生地震较远的地方,收到警报时地震波还未到达,从而采取紧急措施进行逃生和关闭电、气、水等生命线设施,使地铁、高铁减速等。这样就可以减少地震造成的损失,避免次生灾害的发生。这就如同防空警报一样,知道敌机已经起飞了,拉响防空警报,提醒人们躲避。

   地震预警应该叫"地震警报"


  可能有人会质疑,这明明是警报,怎么能被称为预警?

   确实如此,"地震预警"这个名词中的"预"字往往使人们认为是指在地震没发生时或者地震发生之前发出的警报,因为在汉字里"预"字有预先之意,所以很多人常常会把地震预警和地震预报相混淆。地震预报是指地震发生之前发出的预测报告。这里还需要说明,由于地震是发生在地壳的内部,人类现在还无法动态观测和探测到地球深部的环境变化和地震发生的过程,因此目前还无法科学验证地震发生的原因及准确预测地震的发生。

   地震预警这个词是从英文"Earthquake Early Warning"翻译过来的。准确的中文应译为"地震报警或地震警报",而不应译为"地震预警"。地震预警容易和地震预报混淆起来。在日本称"地震预警"为"地震紧急速报",美国在加州新建立的地震预警试验系统就称为"Shake Alert"系统,即震动警报。在中国尽管我们一再呼吁不要再用"预警"这个词,但是约定俗成,改起来也不容易。所以目前所说的地震预警,就是地震警报!

 

  如何进行地震预警?


  如何进行地震预警呢?人类早就有地震预警的设想,例如,1868年美国旧金山日报刊登的地震预警的设想,就非常形象地告诉我们如何进行地震预警。由图3我们看到,地震发生后纵波和横波由震源向外传播。纵波传播速度较快,大约6公里/秒,但震动相对较小,破坏性也小。横波传播速度较慢,大约3.7公里/秒,携带能量大,是地震发生时造成破坏的主要元凶。地震预警系统就是利用震中附近监测仪器捕捉到地震纵波后快速估算地震参数,比如发震时刻、地震强度、地震位置、震中烈度等,并预测地震对周边地区的影响,抢在

图3 1868年旧金山日报刊登的地震预警设想

   横波到达震中周边地区之前,通过电子通讯系统,如广播、电视、网络、电话、手机、报警器等发布警报信息。在图3的右下方还把中国的侯风地动仪画上去了。19世纪的地震监测设备很简陋,监测台站也很少,因此无法实现地震预警的设想。地震预警需要密集地震观测网和智能化的处理系统,这样才能保证大地震发生后快速发出地震警报,所以人类百年以前的梦想,今天才得以实现。

   地震预警是有盲区的


  地震预警能不能救命,是不是万能的呢?不是一直说地震报警是给远处的人们发出地震警报,那么地震发生较近的区域警报有用吗?确实,地震预警在原理上就存在一个难以避免的"预警盲区"。

 


图4 地震预警盲区示意图

 

  图4是地震预警盲区的示意图。红星为震源,红房子为地震台。前面我们说过从地震发生到发出警报需要时间,这个时间包括:(1)地震波从震源到达地震台与(2)地震台收到地震信号再判定地震所需时间的总和。在这段时间里,地震波照样传播,这段时间对应的是横波传播距离,我们称之为地震预警盲区。

   假设最理想的情况是地震台正好在大地震的上方,也就是在震中位置。如果地震发生在12公里深,按照地震纵波传播速度6公里/秒,则地震纵波传到地面地震台大约需2秒钟,地震台收到地震波后需要进行快速的计算,从而确定前述的地震参数。目前全球最高水平的计算需要使用前3秒地震波,这样最短时间需要5秒中才能发出地震警报,这时地震纵波已经走了30公里左右,地震横波也已经走了将近20公里左右,我们称纵波走过的半径30公里和横波走过的20公里以内的区域为纵波和横波的地震预警的盲区。如前所述由于地震破坏的元凶是横波,所以一般指横波的地震预警盲区为地震预警盲区。显然在盲区内警报收到时,有破坏力的横波已经到达或过去了。

   对于中小地震,地震预警作用有限。而大地震在盲区以外的一定区域仍会产生强烈震动,具有一定的破坏性,如果进行地震预警,就可以减轻盲区以外的灾害,我们把这个区域称为地震预警的获益区。再远的区域,例如烈度为6度以下较远的区域,地震预警的作用也就不大了,称为地震预警的无效区。因此可以说地震预警对震级大的地震作用才大。

   这时就出现了一个问题,盲区内可能是地震破坏最大的地区。因此要使地震预警获得更大的效益,在技术上需要尽量缩短处理地震的时间,但是无法消灭盲区。当然有研究表明地震警报对于盲区也是有用的,它相当于给人以警示,无需人们再自身判断就可立即避险,其次,房屋的破坏并不是横波到达就立即破坏。另外自动紧急处置也可以在得到警报后立即动作,例如切断电源,减少次生灾害发生。

  总之,作为地球科学近些年发展的新技术,地震预警确实是有减灾作用。同时地震预警也是社会工程,我们需要了解和正确地运用才能更好地发挥它的作用。目前我国正在建立地震预警系统,有些地区已经开始进行地震预警的实验和示范,我们很快就有地震预警了!