地震監(jiān)測的“移動時代”

張唯誠

在你的手機中下載一個應(yīng)用程序，你便擁有了一個便攜式的地震儀，地震波會在你的手機屏上以曲線圖的形式顯示出來。有關(guān)地震的時間、地點和強度的數(shù)據(jù)即刻會被傳給專業(yè)的研究人員，而這些海量數(shù)據(jù)是科學(xué)家們非常需要的，它們提供了一個在廣闊區(qū)域內(nèi)有效監(jiān)測地震的低成本方式。上述情景是否還很遙遠(yuǎn)呢？

手機“變身”地震儀

2014年8月24日3時20分，一次里氏6級地震襲擊了美國加州北部的納帕鎮(zhèn)，這是這一地區(qū)近25年來遭遇到的比較強烈的地震之一。地震發(fā)生后不到1分鐘，地震波就抵達(dá)了加州西部城市伯克利。同時，地震波的曲線也反映在一名加州大學(xué)地震監(jiān)測專業(yè)研究生的手機屏幕上……

原來，借助于一種名為My Shake的應(yīng)用程序，這名學(xué)生的手機“變身”為一種能監(jiān)測地震的便攜式地震儀。這種安裝于移動設(shè)備中的傳感器能記錄地層的移動，它產(chǎn)生的地震波曲線圖看上去非常像專業(yè)傳感器產(chǎn)生的曲線圖。正是因為有了這種技術(shù)上的進步，科學(xué)家萌生了使用大眾的個人移動設(shè)備監(jiān)測和研究地震的想法。

一直以來，美國地質(zhì)勘探局用于監(jiān)測地震的儀器不僅體積大、價格貴，而且不能隨處安裝。比如，不能將它安裝到山里，因為鳥可能飛進儀器里，或者以其他方式干擾它；也不能把它安裝在高速公路旁，因為來往的車輛會影響它，使它發(fā)出錯誤的信號。幸運的是，隨著地震傳感器變得越來越小，越來越便宜，而且能夠通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)后，科學(xué)家實現(xiàn)了把更多的儀器安裝在更多的地方，以形成高密度的地震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，從而更準(zhǔn)確地顯示地震的發(fā)生地點和余震預(yù)警。

從2009年起，美國地質(zhì)勘探局開始邀請志愿者作為“代理科學(xué)家”，幫助專業(yè)機構(gòu)擴充地震監(jiān)測網(wǎng)，第一批大約500個汽車電池大小的低成本地震儀被安裝在了人口密集區(qū)（主要分布于西雅圖、洛杉機和舊金山等美國易發(fā)地震的城市區(qū)域）。這種裝置名為“Net Quakes”，它們沒有大型的專業(yè)儀器靈敏，但仍然能夠探測到里氏1～2級的地震。

不僅如此，體積更小、成本更低的地震傳感器也正在加入到地震監(jiān)測的陣容中來，這種傳感器使用一個USB接口和個人電腦相連。當(dāng)一個志愿者將這種“盒子”連接上電腦并下載應(yīng)用程序后，這個傳感器就準(zhǔn)備好了，它會記錄下它所在位置的震動并不間斷地將信息傳給專業(yè)人士。現(xiàn)在，科學(xué)家們已在洛杉磯及其附近的幾百個家庭和辦公室里安裝了這種傳感器，作為“社區(qū)地震監(jiān)測網(wǎng)”的一部分，它們能探測到里氏3級和3級以上的地震。

科學(xué)家們認(rèn)為，這種需要公眾積極參與的科學(xué)項目將大大幫助專業(yè)研究人員建立地震監(jiān)測網(wǎng)，從而更快更準(zhǔn)確地監(jiān)測地震。這樣的努力還可以樹立公眾的地震防范意識，提高人們應(yīng)對地震災(zāi)害的能力，這種地震監(jiān)測網(wǎng)還必將有益于地震的預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)，從而挽救更多的生命。

“編外”地震儀作用大

來自“編外”地震儀的數(shù)據(jù)可以幫助科學(xué)家生成一個“地震圖”，從而使研究人員通過分析這種圖以確定地震發(fā)生在什么地方。通常情況下，這種圖顯示地震發(fā)生區(qū)域的誤差大約在10～20千米以內(nèi)，要想把精度定位到具體街區(qū)，那就要安裝更多的地震傳感器，而這也正是“社區(qū)地震監(jiān)測網(wǎng)”建設(shè)所要達(dá)到的目標(biāo)。

目前，科學(xué)家正在全球范圍內(nèi)建設(shè)這樣的網(wǎng)絡(luò)，這就是“Quake-Catcher Network”，簡稱QCN。它已經(jīng)在全球征募了3 400名志愿者，有些志愿者的傳感器只是一個手指大小的U盤，而另一些志愿者則使用一種名為“運動傳感器”的加速感應(yīng)器。顧名思義，加速感應(yīng)器根據(jù)加速度來測量運動狀態(tài)。在智能手機中，它感知手機的運動，當(dāng)你轉(zhuǎn)動它，屏幕上會出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的影像。在一部手機中，加速感應(yīng)器能測到幾千千米以外發(fā)生的里氏3～3.5級的地震，而在臺式電腦中，這種感應(yīng)器甚至能記錄里氏2.5級左右的地震。假若人們下載了這種QCN應(yīng)用程序，他們的電腦和手機就成了地震監(jiān)測網(wǎng)的一部分，任何被傳感器測到的震動都會形成一個報告并傳到科學(xué)家那里。研究人員獲得并分析這些數(shù)據(jù)，從而做出準(zhǔn)確的判斷。

2014年，用于QCN地震監(jiān)測網(wǎng)中的傳感器被安裝在了阿拉斯加州安克雷奇市的24所學(xué)校里。這一年恰巧是1964年阿拉斯加大地震50周年，那次地震的強度達(dá)到里氏9.2級，地面震動了5分鐘，成為世界有地震記錄以來的第二大強震。

3秒鐘的預(yù)警時間

地震雖然無法預(yù)報，但地震監(jiān)測可以為預(yù)警贏得一點兒時間。2015年4月，一組科學(xué)家發(fā)表論文稱，他們的實驗表明，當(dāng)一場里氏7級的地震從舊金山灣以西28千米的地方橫掃舊金山灣時，一些生活在舊金山市的市民能依靠連接虛擬網(wǎng)絡(luò)的智能手機傳感器獲得3秒鐘的預(yù)警時間?？瓷先?，3秒鐘的時間太少了，但有了這點兒時間，人們就能及時躲藏，一些自動設(shè)備能及時開啟，電梯來得及停在最近的樓層上，消防站的大門得以打開，消防車可以及時駛出……

這樣的預(yù)警之所以能夠?qū)崿F(xiàn)，是因為數(shù)字通信傳輸?shù)乃俣冉咏馑伲卣鸩ㄔ诘叵碌膫鞑t相對緩慢，其速度僅相當(dāng)于聲波。除此之外，地震的初波（P波）和次波（S波）之間也有一個因傳播速度不同而產(chǎn)生的時間差。由于初波更快，它會首先到來，但接踵而至的次波更強，更具破壞性。

美國地質(zhì)勘探局已著手建立美國西海岸的地震預(yù)警系統(tǒng)，這個名為“Shake Alert”的系統(tǒng)中的625個傳感器正處于測試之中，他們還將擴充這個系統(tǒng)。值得注意的是，他們將在這個由昂貴的地震儀構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)中補充進智能手機和廉價的地震傳感器，使之成為一個龐大的“后備軍”，要知道，僅在舊金山灣地區(qū)就有幾百萬智能手機使用者?？茖W(xué)家相信，假若更多的智能手機能夠參與進來，一個強大有效的地震網(wǎng)絡(luò)就更容易建立起來。由此看來，隨著科技的日益進步，地震監(jiān)測的“移動時代”正在來臨。