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一文详解什么是地震预警?

2019-07-11    来源:科普中国网

  2019年6月17日22时55分在四川省宜宾市长宁县(北纬28.39度,东经104.94度)发生6.0级地震,23时36分在宜宾市珙县(北纬28.43度,东经104.77度)发生5.1级地震。据央视报道,在长宁6.0地震发生后,成都城区提前发出了地震预警。

  

  图1 长宁6.0地震预警(图片源于网络)

  我们急切想知道:什么是地震预警?地震预警和地震预报是一回事吗?

  一、什么是地震预警?

  “地震预警”是指在大地震发生以后,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2)。

  

  图2 远震的地震记录

  地震波在地震发生后会产生两种类型的波,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,是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波。大地震发生后,对地面造成破坏的主要是横波,对建筑物造成强烈破坏的主要是面波(图2)。

  

  图3 地震纵波和横波示意图

  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,在距发生地震较远的地方地震波还未到达时收到警报,从而采取紧急措施进行逃生。地震预警可以减少地震造成的损失,避免次生灾害的发生。

  二、地震预警和地震预报

  有人会问:这明明是警报怎么能被称为预警?

  追根溯源,“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,这是因为在汉字里“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。需要强调的是,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”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!

  三、如何进行地震预警?

  我们知道,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。

  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。

  四、地震预警的盲区

  地震预警能不能救命,是不是万能的呢?如果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。红星为震源,红房子为地震台

  如前说述,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 ,也就是说在地震纵波走过的半径为20公里的地方称为地震预警的盲区。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,例如地震烈度为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。所以震级越大预警的作用也越大。

  预警的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。另外人们还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。

  地震预警在减少地震灾害方面发挥了它的作用。随着科学技术的进步地震预警技术将不断完善,从而更广泛地服务于民众服务于社会。(作者:地球物理信息科普团队)