测辐射 知地震----了解大气中电磁异常或可预测地质灾害

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科学家已在大地震发生前探测到电磁异常现象,比如这场在2011年袭击日本的9级地震。

图片来源:U.S. Navy photo

当问地震学家何时能预测地震时,他们的回答通常是这样的:在遥远的未来和永远不可能之间的某个时间点。尽管近年来已出现一些有希望的线索,但地震预报的历史散落着各种错误的开始和伪科学。不过,一些科学家认为,地球地壳可能在破裂前以地下和大气中电磁辐射异常的形式给出线索,而这些异常会在地震发生前的几分钟到几天内出现。近日,在旧金山举行的美国地球物理学会秋季会议上,研究人员分享了对这些现象不断增加的了解,以及它们可能被用于预测致命性地震的方式。

当日本北海道大学地球物理学家Kosuke Heki在2011年9级地震发生前的约40分钟发现该国东北地区上空中带有电荷的大气最外层——电离层总电子含量增加时,开始对地震预报产生兴趣。他一直利用GPS数据研究电离层对地震作出的响应。当地球地壳的突然移动反射到大气中时,这一现象便会发生。电离层的扰动则会妨碍GPS卫星和接收器之间的通讯,从而在研究人员能分辨出的特定无线电频率上留下印记。

2011年,Heki还对电磁前兆持怀疑态度。但自此以后,他利用全球不断增加的GPS测量站阵列,确认了9场其他大地震发生前的类似信号。Heki说,现在他相信真的有一些事情在发生:“眼见为实。”

不过,科学家尚未就地壳创造电磁信号的机制达成一致意见。美国宇航局艾姆斯研究中心资深科学家、加州圣何塞州立大学物理学兼职教授Friedemann Freund介绍说,一种观点是岩石在地震逐渐累积的过程中被加热或受到压力作用时会产生正电荷。“当你向一块岩石施加压力时,它会变成电池。”Freund说,“当然,这并不是你在自家汽车里发现的那种化学蓄电池,而是一种产生电子和空穴的新型半导体电池。”

这些空穴是来自被称为过氧键的分子缺陷的正电荷。过氧键在大多数结晶岩中都会发生,是指两个氧原子结合在一起,而不是同硅或其他元素相结合。在高温高压下,过氧键断裂,从临近原子中吸收一个电子,然后留下一个带正电荷的空穴。这产生了连锁效应:电子朝过氧缺陷处流动,然后大量正电荷流失到表面或更远处。

对于岩石而言,Freund介绍说,“你向它们施加压力的速度越快,获得的电流便越多。”他认为,这种机制能解释地震前观测到的大量奇异事件,诸如神秘的光从地面射出以及所报道的罗盘针出现舞动迹象。此类正电荷还可能传播到大气中,引发Heki和其他人看到的电离层扰动,尽管这一现象发生的确切方式尚不明确。

Freund和包括圣何塞州立大学物理学家John Scoville在内的合作者已经在实验室试验中展示了岩石的半导体行为。他们将一个90公斤重的物体扔到一大块火成岩上。虽然试验中创建的电磁脉冲要比地震前观察到的短一些且相对较弱,但Scoville将其归咎于规模上的巨大差异。“我们不可能重现地震期间活跃在地下的岩石量。”

不过,他们在实验室中看见的脉冲确实和实地观测到的拥有相同形状。在此次会议上,来自秘鲁罗马天主教大学的Jorge Heraud报告说,他的团队利用一对专门用于寻找地震前兆的地面磁力仪,在最近发生于利马附近的地震前两周便探测到磁脉冲。

尽管磁力仪可能在表面岩石中挑选出前兆信号,但它们有一个重大缺陷:必须位于震中约100公里的范围内。这便是为何意大利国家地球物理与火山研究所研究主任Angelo de Santis和其他人求助于卫星,以获得关于地震前大气中发生了什么的全局视野。通过一个名为“云集开展地震研究”的新项目,de Santi和同事将把来自2013年发射的欧空局“蜂群”卫星的数据和来自诸如地震仪、GPS测量站等传统地震监控设备的数据进行匹配。

de Santis介绍说,他们的目标是首先理解地球地壳和大气之间的联系。“如果你理解了这种物理现象,预测地震的几率便会加倍。”他们还将研究过去发生的地震,以确认已知断裂发生前的任何模式,然后研究这些相同的模式是否在未来地震发生前出现。此次会议上,他们已经报告说,在2014年智利伊基克地震和最近一次尼泊尔地震前发现了电离层异常现象。(宗华)

《中国科学报》 (2016-01-06 第3版 国际)

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