如何編織能預測地震的電磁蜘蛛網

寧波職業技術學院 蔣 敏

1.引言

有資料介紹：在1976年7月28日唐山市7.8級大地震前，在震中處存在強大的地震波電磁場，在收音機的接受端，強大的地震波電磁場就淹沒了各個廣播電臺發出的無線電波，所以唐山市在大地震前收音機收不到廣播節目，又因為強大的地震波是外來的地下電磁場，它不是廣播電臺發出來的的聲音、音樂等等，它是屬于一種雜波，所以收音機收到的是一些亂七八糟的雜音，聽不到一點電臺廣播的聲音。如果地下發出的電磁波是比較弱的電磁波，將在收音機里調制在電臺發出的調幅波上不是原來的聲音，聽起來有些失真，聲音變味了。

2.理論基礎：麥克斯韋方程組

臨近主震發生前，在震源區附近將不斷地產生許多新的裂縫，裂縫的兩側帶有相反的電荷，它相當于一個電偶極子充放電，向外發射電磁信號。這可由麥克斯韋方程組(1)、(2)、(3)得到解釋，方程組是由高斯通量定理、磁通連續性原理(又稱為磁場的高斯通量定理)、法拉第電磁感應定律和全電流定律(又稱為一般形式下的安培環路定理)4個方程式所組成的：

上式中

是自由空間中的光速。請讀者注意麥克斯韋方程組各方程式的積分限：

第1式和第2式中，等號左邊是場矢量在封閉曲面S上對坐標的曲面積分，等號右邊是在S所包圍的體積V內的體積分；

第3式和第4式中，等號左邊是場矢量在任意形狀閉合曲線L上對坐標的曲線積分，等號右邊的曲面S是以L為周界的任意形狀的曲面，S的正方向與L的環繞方向呈右手螺旋關系。把磁感應強度矢量B的一般形式下的安培環路定理推廣到連續介質的情況，就可以得到一般形式下磁場強度矢量H的安培環路定理。對于連續介質，麥克斯韋方程組可以寫成

這樣改寫之后，麥克斯韋方程組的物理意義就更加完善了。

3.電磁蜘蛛網結構

蜘蛛網是由部分種類的蜘蛛吐絲所編成的網狀物，用以捕獲昆蟲、小型脊椎動物等作食物，或用以結巢居住。蜘蛛可以感應到獵物沖撞或受困于蜘蛛網上時所產生的震動；在完成它們的網后，蜘蛛會在網上或附近等待獵物落入陷阱。蜘蛛網里有些絲有黏性，有些沒有。由于蜘蛛本身的行動也會受自己的黏液所影響，因此當它們在網上移動時，會避免踩到帶有黏液的絲線。有一些蜘蛛絲的強度比同等重量的鋼絲還要強，彈性也較高。圓形蜘蛛網是蜘蛛進化中期出現的蛛網結構，如今在蛛網中非常普遍，具有典型的研究意義，圓形蜘蛛網常呈圓形，并具有一定的對稱性，其上半部比下半部小蛛網的網眼大小分析。

4.電磁蜘蛛網工作原理

電磁蜘蛛網由30米、300米、3000米無線發射器各6～8組組成。

由ASK無線發射模塊（300米）是一款性能優越的ISM頻段的發射模塊。采用歐洲品牌工業級射頻無線數據傳送接收芯片，具有較強的發射功率，低電壓供電，無需外加任何電路即可以做到數據信號輸入到無線信號輸出。用戶只需要外加簡單的數據解碼電路，即可輕易實現無線產品的開發。采用晶體穩頻(+-30KHZ)，工作頻率穩定，靜態功耗低發射時電流消耗：10mA。

由ASK(幅度調制)無線發射模塊，工作頻率：315MHZ；433MHZ，特點：小體積、大功率、遠距離(空曠地3000米)。通信方式：單發；調制速率：3KHz；輸入信號接口：TTL電平；輻射功率：1.5w@9V。

由調頻遙控器，調制方式：FSK(頻率調制)，其特點是：小體積、中功率、遠距離(空曠地500米)。發射頻率：315/426/433/447/868/915Mhz(軟件調整)。遙控距離：100M,200M,500M,1KM,2KM，有無線認證：CE、FCC、KCC、VCCI。按鍵個數：1,2,3,4,5,6,8,10,12個遙控發射距離遠接收功耗低、尺寸小、靈敏度高遙控器和接收模塊都能通過美國FCC(part 15)和歐洲CE(R&TTE)無線標準認證。表1是無線電波長與傳播方式。

表1 無線電波長與傳播方式

5.實驗的理論依據

電磁波產生本身存在著不同步現象，有人對巖樣施加壓力，使巖樣產生破裂和摩擦滑動，以模擬地震孕震區構造斷裂帶的活動。實驗結果表明：不同方位、不同頻率的天線接收的信號到時不同步、信號幅度也有差異，位于裂隙處的天線接收的信號最大。這說明巖石破裂產生的電磁輻射本身存在著方向性。因此，即使觀測網內各個觀測點都采用同一觀測頻率和同一靈敏度，也會出現有的觀測點記錄到電磁異常信息，有的觀測點根本收不到任何異常信號；有的觀測點電磁異常信息出現的早，有的觀測點電磁異常信息出現的晚。盡管如此，在不同時間內各觀測點所觀測到的異常信號來源方向仍大體與震中方位一致。從上面的典型震例可以看出，MS5級左右地震電磁異常有的觀測點在地震前半個月左右就可能出現，而反應較遲的觀測點在震前數天或數小時才出現異常。

6.電磁蜘蛛網制作方法

在空曠地上放置6～8個ASK(幅度調制)無線發射模塊(3KM)，就可以在方圓約30平方公里范圍內感應到大地電磁場變化，改變FSK(頻率調制)模塊電阻，就能在中央接收端上分別收到信號，利用專門的定時器，就能每10秒接收一路信號，再由51系列單片機軟件判斷大地電磁場異常與報警。專門用來地震前監視空間電場變化，這是一種有希望的地震短臨預報方法。

7.小結

在當今世界上地震頻繁，破壞力很大。如果地震前幾個小時，知道地震發生時，可以避免許多可怕的事情。地球是一個復雜的巨系統，建立一個非常精確動力學方程是無法實現的。利用空間電場變化設計的地震臨震預報器，該電場參數測量是不必要的進入地球內部，技術上容易實現，已經制成的電磁蜘蛛網地震預報器由多路發射、單路接收機電路組成。由麥克斯韋方程組具體展示臨震動力學方程、電磁場規律建立有點復雜的，但利用空間電場變化而設計制成的地震臨震預測控制系統則是很簡單。利用每10秒接收一路信號循環檢測制成的臨震預報器將地震前電場變化參數轉換為電參數，初步實驗測試證明可以用于震前電磁場異常預報。

[1]蔣敏.聲光指示電子指南針[J].電子世界,1996.

[2]蔣敏.利用空間電場和大地磁場變化設計的地震臨震預報器[J].科技與企業,2012:306-308.

[3]蔣敏.低功耗長時效大地磁場偏移檢測器(地震臨震預報器)[J].電子世界,2012.