「光速」预警地震海啸，引力来帮忙？

来源：原理

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“突然，乌云密布的天空划出一道闪电！几秒之后，雷声才随之而来。”

对于这样的场景，想必我们都不会陌生。闪电总是先于雷声到来，因为闪电以光速传播，每秒3×10⁸米，可以几乎没有延时的被我们观测到；而雷声的传播速度要慢得多，约每秒340米。几个世纪以来，人们一直通过这种时间差来估算闪电的距离。这两个信号之间的时间差越大，就意味着闪电的位置距离观测者越远。

其实，与此类似的还有地震。当地震发生时，同样会产生一种以光速传播的信号，这是一种由地球内部的质量变化而引起的引力突变，被称为PEGS（瞬时弹性引力信号）。相比于传播速度在3到10千米每秒的地震波来说，这种信号可以更早地被检测仪器探测到。因此从理论上说，当地震发生后，地震学家可以在探测到地震波之前，瞬间记录下这种引力扰动。然而可惜的是，这是一种非常微弱的引力效应，它不到地球引力的十亿分之一，非常难以被探测。因此，PEGS信号只能被用于记录特别强烈的地震。

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这种信号首次被证实于一篇发表于2016年的研究，当时，研究人员从发生在2011年发生的9.1级“3.11日本地震”（或称东日本大地震）的数据中，发现了这种信号。他们分析了来自10个距离震中500至3000公里不同地点的地震仪所记录的数据，确认了这是一种与引力相关的信号。与此同时，他们还发现这种信号对地震的震级非常敏感，认为这是一种可被用于快速量化强震震级的性质。

这种PEGS是如何产生的呢？

其实，这种信号的产生过程非常复杂，它们并不仅仅直接产生于震源处，还会随着地震波在地球内部的传播而持续性地产生。每当地震发生时，地球内部的岩体就会突然移动，从而影响地球的质量分布。当强震发生时，这种位移甚至可以达到几米。由于局部的引力测量取决于测量点附近的质量分布，因此每当发生地震时，都会导致引力发生微小但瞬时的变化。

在一定程度上，当地震发生时，产生的地震波会改变岩石的密度，在短时间内导致地球引力发生轻微变化——使地球引力与地震同步振荡。这种振荡的引力会对岩石施加一种短期的力的效应，从而触发地震横波（S波）。甚至在有的情况下，我们可以在地震纵波（P波）到达之前就观测到这些由引力触发的地震横波。

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自了解了PEGS信号的存在以来，虽然研究人员已对这种信号的物理特性作出了较好的解释，但是到目前为止，他们仍然缺乏一种可以直接地、准确地在计算机上对其进行模拟的系统。因为这种建模面临的一个关键性难题就是要将地震发生时所产生的多重相互作用都整合到一个模型中。

最近，北京大学地空学院和GFZ（德国波茨坦地学研究中心）的研究人员成功地发展出了这样一种系统。他们提出了一种新的算法，可以在不费多大力气的情况下，实现对PEGS信号的高精度计算，并且能从这些信号中得出与特大地震的强度、持续时间和形成机制有关的信息。在这项研究中，他们将新的算法也应用于那次引发了福岛海啸的3.11日本大地震（9.1级）上，发现利用这一模型计算出的PEGS信号强度与已有的测量数据是一致的。

这是一则非常令人欣喜的消息，因为有了这些信号的帮助，就有望在破坏性的地震或海啸到来之前探测到地震。这一新的结果被发表在了近期的《地球与行星科学通讯》上。

研究人员希望，他们可以利用这一方法来分析那些距海岸线数百公里处发生的引力变化，来确定是否发生了（或正在发生）能引发海啸的强地震。虽然目前这一点还难以完全真正做到，因为现有的测量仪器还不够灵敏，而且周围环境所引起的其他信号也会造成太大的干扰，但这一进展的确为我们可以提前躲避由强地震引发的一系列灾难性事件带来了新的希望。