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我们为应对地震做了哪些科学工作?
日期:2016-06-06 】【打印 关闭

         2016年4月14日,日本熊本县熊本地方发生矩震级6.2级的逆断层型地震,震源深度约11千米。两天后,日本熊本县熊本地方再次发生矩震级7.0级地震,震源深度约12千米。同日,厄瓜多尔发生里氏7.8级强烈地震,655人死亡,数千民众受伤,两万多人失去家园。

日本熊本地震

        同年4月19日,北京房山区发生2.7级地震,四川宜宾发生2.8级地震;4月25日,西藏那曲地区的双湖县发生3.6级地震,震源深度约8千米;4月27日,厄瓜多尔的卡拉克斯港附近地区发生里氏5.3级地震,震源深度约55千米,此次地震使当地25万人面临饥饿的威胁。

        其实,早在20163月,地球就已经开启了震动模式,甚至在8天内发生了47级以上的地震。面对如此高频率的地震,大家应该清楚地意识到地震离我们并不遥远,只有充分了解地震,才能有效减轻它对人类生活造成的伤害。那么,面对地震,人类又该如何应对呢?这些地震带的分布是否有一定的规律?现有技术可以帮助我们避开地震吗?

地震救援机器人

  地震后的72小时内是救援的黄金时间,如何更加高效地利用这段时间,直接决定了救援队能否救出更多的伤员。因此,在漫长的岁月中,人类不断探寻地震后的救援捷径。

  19世纪初,一只圣伯纳犬将一个冻僵的小男孩救出雪山并背回了修道院,在其短短14年的生命中一共救援了41个人,这就是世界上最著名的搜救犬——巴里。后来,人们将它的遗体制作成标本,存放在瑞士圣伯纳犬博物馆内,供人们参观和瞻仰。

  时至今日,聪明的人类早已不再满足于仅仅依靠搜救犬来营救震后的伤员,各国科学家发明了各式各样的机器人,纷纷为地震救援贡献出自己的力量。

        作为地震频发的国家之一,日本已有多种救援机器人被投入使用。千叶工业大学发明了一种用于探测人类呼吸状况和体温指标的机器人,它的外形酷似滑板车,由踏板、履带、四组轮子、六个电动发动机等组成,除了内部装有二氧化碳传感器和红外线传感器外,还有一个机械手臂可以帮忙搬开石块,将食物递给废墟中的伤员;大阪大学的著名救灾机器人研究专家田所悟志研发了一款用于搜寻被困人员的蛇形机器人,它可以钻进高低不平的地震废墟深处,利用顶端的针孔摄像头,配合内部安装的传感器将画面传输给救援队,帮助他们了解废墟深处的情况,别小瞧这条只有8米长、2.5厘米宽的“尼龙绳”,它在一次次的坍塌事故中发挥了重要的作用。此外,由横滨警视厅研发的履带式机器人、东京消防厅研发的RoboCue救援机器人,都能将伤员运送到安全地带。

        用于探测人类呼吸状况和体温指标的机器人

日本的地震救援机器人固然先进,但其他国家在这方面的水平也不落后。英国华威大学的学生们运用Kinect测距仪传送三维图像这一功能,成功研发出一款用于定位被困人员的地震救援机器人;考虑到救援人员的精力有限,美国维克那机器人公司发明了一款可以代替救援队伍的人形机器人,它能够利用双腿的两个独立踏板,完成一系列的人类动作,并通过“膝盖”、“臀部”、“足部”等部位的协调来改变自身高度;美国加利福尼亚大学伯克利分校的仿生学教授也从昆虫世界获得了灵感,发明了一款可以拍照的机器昆虫,它由手机等电子产品的废弃元件组装而成,再用硬纸板包裹起来,是一款成本极低的救援机器,相信在不久的将来,这款仅有一元纸币大小的机器昆虫将在各项救援活动中大放异彩。

机器昆虫

地震能否被预测?

  地震到底有多可怕?据资料记载,目前,死亡人数最多的地震发生在1556年的中国中部地区。那时,人们大多居住在由软土凿出的洞穴里,地震导致洞内坍塌,令83万人失去生命。面对如此巨大的灾难,人类真的无能为力吗?

  1975年2月4日,发生在辽宁海城的7.3级地震,因政府及时发布了地震中期预报而让无数人员与财产幸免于难,否则这次发生在人口密集的工业区且正当冬季夜晚的地震将是一场浩劫。紧接着,1976年5月29日,发生在云南龙陵的7.3级地震,8月16日和8月29日发生在四川松潘、平武的两次7.2级地震也被成功预测到,但与百余年来,地震的实际发生数量相比,准确的预测次数就显得寥寥无几了。

        为了掌握地震发生的规律,人们从古代起就上观星象,下听地声,中看动物和天气,想要从中找到蛛丝马迹。其中,动物能够预测地震的流言更是流传至今,最出名的要数英国开放大学的科研人员于201041日刊载在《动物学》杂志上的文章。20094月的意大利拉奎拉地区本该是蟾蜍繁殖的旺季,却有96%的雄蟾蜍在地震前5天逃离栖息地。经过研究,他们认为地球在发生地震前会释放出氡气和重力波,通过大气层反射回地球,并被蟾蜍探知。

蟾蜍的反常现象

        不可否认的是,当地震即将来临,有些动物确实会因它们在某些方面优于人类的感知能力而更早地感知到波动,并且体现在行动上。但单纯依靠动物预测地震的方法并不严谨,除了地震以外,生活中还有许多其他的因素会影响动物们的行为,你无法知晓楼下的狗在半夜突然汪汪大叫是由于地震要来了,或者只是从远处驶来一辆大货车,还是它饿了。要知道,一次错误的地震预报不仅会引起人群的恐慌,还会令公共财产等造成巨大的损失,其影响不亚于一场真正的地震。同时,心理学中有一种心理聚焦效应,当发生地震后,人们常常会清晰地回想起地震前的异常现象(比如动物活动的与众不同),加上某些媒体为搏眼球的猎奇报道,都会误导公众形成一个概念——动物能够预测地震。

        此外,地震的不可预测性还与地震盲区的存在有关。地震波在传播过程中垂直通过弹性不同的地质体分界面时,一部分能量会形成反射波继续向前传递,而剩余的能量则会沿分界面滑行,同时形成折射波,引起上方地层质点振动并传递到地面(类似于光的折射)。由于滑行波的速度极快,往往导致折射波比反射波更快到达地面,当地震警报系统探测到反射波,进而发出警报时,这一区域内的折射波所引起的地震早已发生,这便是所谓的“地震预警盲区”。这块区域靠近地震中心,极有可能是地震破坏最严重的地方,并且随着地质体分界面埋藏深度的增加,这块区域会变大。现有技术还无法消除地震预警盲区,科学家们只能凭借技术手段来逐渐缩小这一范围。

地震盲区示意图

  不过,尽管无法避免地震盲区,但地震的分布还是有迹可循的。

地震分布的规律性

        众所周知,地震是地下岩层在地应力的长期作用下,产生倾斜和弯曲直至到达极限而发生断裂,让其中蕴藏的巨大能量在瞬间被释放出来并形成波动,同时产生地面位移和错动。

  即使仅从新闻报道中,我们也不难看出南北两极从未发生过地震,而日本、厄瓜多尔等地却地震频发。究其原因,南北两极的冰雪覆盖面积都达到了80%以上,厚厚的冰层使地下岩层难以发生形变,因此更不会断裂而产生地震。但日本、厄瓜多尔恰恰处于环太平洋地震带上,这里是地球上最主要的地震带,长期受到板块间相向运动的挤压,地下岩层显得较为薄弱。

地震发生示意图

  不过,地震的发生还是对南北两极有一定的影响。2011年3月11日,发生在日本东北部海域的里氏9.0级地震所引发的海啸,令南极苏兹贝格冰架的部分冰层碎裂为巨大的冰山。经过估算,其中最大的冰山面积略大于美国曼哈顿的土地面积,深度约80米。冰川专家们认为,海啸促使波浪不停地拍打冰架,波浪节奏性地上下起伏足以破坏冰架的刚性结构,使这些原本依附海岸线的浮动冰层大量剥落,最后威胁到地面上的冰层。而地面冰层一旦大面积破碎或者融化,地下岩层原本受到的压力就会消失,这时,南北两极的地下岩层也会在地应力的作用下变得倾斜或弯曲,最终导致地震的发生。

        不过,地震的发生还是对南北两极有一定的影响。2011年3月11日,发生在日本东北部海域的里氏9.0级地震所引发的海啸,令南极苏兹贝格冰架的部分冰层碎裂为巨大的冰山。经过估算,其中最大的冰山面积略大于美国曼哈顿的土地面积,深度约80米。冰川专家们认为,海啸促使波浪不停地拍打冰架,波浪节奏性地上下起伏足以破坏冰架的刚性结构,使这些原本依附海岸线的浮动冰层大量剥落,最后威胁到地面上的冰层。而地面冰层一旦大面积破碎或者融化,地下岩层原本受到的压力就会消失,这时,南北两极的地下岩层也会在地应力的作用下变得倾斜或弯曲,最终导致地震的发生。

南极大陆冰架正在脱落

  目前,科学家们对于地震预测的研究还处于半理论半实践阶段,需要世界各国的通力合作,来早日解决这一科学难题。我想,相对于预测地震,我们同样应该防患于未然,建造更坚固的房屋来抵御地震。早在2009年,英国研究人员就在希腊设计并建成了“自治愈”房屋,他们在墙内预留了缝隙空间,并在墙体中加入了可以在强压下变为流体的特殊材料,利用无线射频识别技术和传感器来监控地震中的房屋。

当地震压迫到房屋的墙壁时,墙体中的特殊材料会转变为流体后流入缝隙中,不会令固体墙面遭到破坏。像这样的研究成果还有很多很多,假以时日,人类一定会完全学会如何与地震对抗。

 无线射频识别技术和传感器共同监控地震

        当地震压迫到房屋的墙壁时,墙体中的特殊材料会转变为流体后流入缝隙中,不会令固体墙面遭到破坏。像这样的研究成果还有很多很多,假以时日,人类一定会完全学会如何与地震对抗。

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