編者注（3/11/11）：本文摘自即將出版的《大眾科學》四月號。鑑於日本發生致命地震和由此引發的海嘯，我們提前釋出本文。
地震在自然災害中是獨一無二的，因為它們在發生前沒有任何預警。以 1989 年 10 月 17 日襲擊舊金山灣區的洛馬普列塔地震為例，當時舊金山巨人隊和奧克蘭 A's 之間的當晚世界大賽的賽前熱身賽正要開始。下午 5 點 04 分，聖安德烈亞斯斷層突然滑動，以足夠的力道震動了該地區，導致一段 1.5 英里的雙層高速公路和連線奧克蘭和舊金山的舊金山灣大橋部分坍塌。超過 60 人死亡。
多年來，科學家們一直在尋找一些訊號——一種先兆訊號，哪怕再微弱——可以使預報員準確地確定大地震發生的確切位置和時間，從而使人們脫離危險。經過數十年的徒勞搜尋，許多地震學家現在懷疑這種訊號是否存在。
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然而，並非所有的希望都破滅了。在地震最初的細微動作發生後幾秒鐘內，科學家們現在可以比較肯定地預測震動的強度和範圍。透過將新的科學與現代通訊技術相結合，有關部門可以向處於危險中的人們發出幾十秒鐘的警告，甚至可能是半分鐘的警告。這聽起來可能不算多，但這足以向發電廠和鐵路網路傳送關閉警告，自動開啟電梯門並提醒消防員。
洛馬普列塔地震的震中位於海灣以南崎嶇的聖克魯斯山脈。當地面開始晃動後，破壞性的震動花了 30 多秒才傳播到 60 英里外的舊金山和奧克蘭，那裡是 80% 以上死亡事件的發生地。如果當時存在地震預警系統，它本可以為該地區中心提供大約 20 秒的預警時間。這足以減慢和停止火車，向正在最後進近的飛機發出“繞行”指令，並將街道上的紅綠燈變成紅色——防止汽車進入橋樑和隧道等危險結構。危險工作環境中的工人可以轉移到安全區域，敏感裝置可以進入保持模式，從而減少損壞和損失。中小學生和辦公室工作人員可以在震動來臨前躲到桌子底下。該地區將準備好應對即將到來的強烈震動。
這樣的網路正在世界各地部署，地點包括墨西哥、臺灣、土耳其和羅馬尼亞等。日本的系統是最先進的之一。該全國性網路透過大多數電視和廣播電臺、幾家手機運營商以及購物中心和其他公共場所的公共廣播系統釋出警告。自從該系統上線三年半以來，已經有十幾起地震引發了廣泛的警報。工廠、學校、火車和汽車上的人們被給予了寶貴的幾分鐘來做準備；在發出警報後，沒有發生恐慌或高速公路事故的報告。美國落後於世界其他國家，但在加利福尼亞州部署的新試驗檯應該很快在該斷層遍佈的州建立一個全面的預警系統。
加利福尼亞州早就應該迎來下一次大地震了。如果我們現在建立預警系統，我們可以挽救生命。
從震波到預警
我們腳下的地面正在移動。隨著構造板塊在地表漂移，大陸板塊互相研磨並像高速公路連環追尾一樣碰撞。地殼——我們所居住的板塊外層——是有彈性的，但只是在一定程度上。在板塊邊界，地殼彎曲直到應變變得太大。當它斷裂時，在過去的幾十年裡積聚的能量會撕裂地表，震動其路徑中的一切。
每天都會發生數百次地震。幸運的是，大多數地震都太小了，如果我們沒有靈敏的地震儀的幫助，我們永遠不會知道它們。在每日的地震中，斷層面的滑移只有三到六英尺；人類感覺不到震動。在 5.0 級地震中，斷層面的斷裂會延伸一到兩英里；人類可以輕易地感覺到震動，但現代建築可以承受它。在 8.0 級地震中，斷裂會沿著斷層面傳播數百英里，並且撕裂會延伸到地表。它會把一座建築物撕成兩半。
透過監測地震之間應變的累積，地震學家知道地殼的許多區域都接近破壞。但是，地表深處斷層的詳細結構在地震破裂的成核和傳播中也起著重要作用——這種結構無法直接取樣。因此，大多數地震學家不認為有可能建立一個能夠在大型地震發生前數小時或數天預測其發生的預測系統。在可預見的未來，任何人能夠做的最好的事情是快速檢測到大型地震併發出警報。
地震的一些獨特特徵有助於完成這項任務。我們感知到的一個延伸的震動實際上是分階段發生的。來自地殼破裂的能量以兩種形式穿過地球：P 波和 S 波。兩種型別的波同時離開斷層面，但相似之處也到此為止。P 波，如聲波，是壓縮波。它們傳播相對較快，但它們不攜帶太多能量。在地震期間，您會感覺到 P 波，它表現為突然的垂直重擊。S 波更像是海浪，移動緩慢，攜帶大部分能量並帶來最強烈的震動。地面運動是水平的和垂直的，它們可以像海浪中的小艇一樣將整個建築物擊倒。
此外，並非所有波都看起來一樣；它們根據滑移區域的大小呈現不同的形狀。對於小滑移區域，P 波輻射具有相對較低的振幅和高頻率——一個小的但尖銳的脈衝。較大的地震會使斷層區域破裂，並且滑移量更大，因此 P 波的振幅更大，頻率更低。這類似於小鳥的吱吱聲和灰熊的咆哮之間的差異。
一個地震儀可以僅根據這些資訊估計地震的震級。任何具有高振幅和低頻率的 P 波都會觸發警告。這種單站方法是提供震中附近警告的最快方法。然而，地震破裂的特徵各不相同——並非所有 5.0 級地震看起來都一樣——並且地震儀下方的特定沉積物會改變 P 波。這種可變性增加了誤報（沒有地震時的警告）和漏報（破壞性地震正在發生時）的風險。
為了減少誤報和漏報的可能性，我們可以結合位於幾英里外的幾個地震儀記錄的資料。在這種設定中，每個儀器下方的沉積物都會不同，因此我們可以獲得震級的平均估計值。這種方法需要將儀器資料傳輸到中心站點並將其整合的地震網路。然而，傳輸和分析資料需要幾秒鐘，而且在每流逝一秒鐘，破壞性的 S 波就會傳播另外兩到三英里。
因此，最好的方法是將單站方法和基於網路的方法相結合，這提供了在震中附近區域快速發出警告以及向更遠的位置發出數十秒警告的可能性。
任何系統都必須在準確性和可用的預警時間之間進行權衡。隨著地震網路收集到更多的地震資料，預測將會改善，但震動的時間會減少。一些使用者可能可以容忍更多的誤報和漏報，以獲得更多的預警時間。例如，學校可能更喜歡更快地收到警告，以便孩子們可以躲藏起來。每年的一些誤報可以提供必要的定期演習，以便每個人都知道該怎麼做。相比之下，核電站只需要一秒鐘就可以關閉反應堆——但這樣做會帶來巨大的成本。那裡的操作員會等到確定發生極端震動才會採取行動。
近距離和遠距離警報
公共地震預警系統以一種或另一種形式存在了幾十年。在 20 世紀 60 年代，日本工程師在新幹線高速列車的軌道上安裝了地震儀。過度的震動會發出警報，讓列車員有機會減速。後來，科學家們設計了使用遙遠地震儀傳遞重震前警告的系統。墨西哥的網路旨在檢測海岸附近的地震，並在墨西哥城廣播警告，墨西哥城是一個擁有 2000 多萬人口的古老都市，建立在一個可以放大地震波的淤泥湖床上。海岸和城市之間的距離可以提供超過 60 秒的預警時間。
墨西哥的系統於 1993 年上線。兩年後，它將經歷第一次嚴重的考驗。1995 年 10 月 9 日，一場 8.0 級地震襲擊了曼薩尼約海岸附近。預警系統接收到震動並透過墨西哥城的電視和廣播電臺以及類似於美國天氣廣播的專用無線電警報系統廣播了警報。由於預警，官員能夠在震動來臨前 50 秒停止地鐵系統，學校也按計劃疏散。
日本的系統於 2007 年投入使用，大量利用了個人技術。警報不僅透過電視和廣播發出，還透過家庭、辦公室和學校的專用接收器發出。計算機上的彈出視窗會顯示一個即時地圖，標明震中的位置和輻射出的地震波。一個計時器會倒計時到您所在位置的震動，並突出顯示預測的強度。手機運營商會向所有手機廣播類似簡訊的警告，並帶有獨特的 audible 警報。核電站、鐵路系統、機場和危險製造設施等關鍵行業使用針對其需求量身定製的專用通訊系統。
日本的經驗表明，地震預警系統不僅有助於保護生命，還有助於提高經濟效益。2003 年，日本仙台附近發生的兩次地震給 OKI 半導體制造廠造成了超過 1500 萬美元的損失，原因是火災、裝置損壞和生產力下降。在地震發生後，該工廠不得不分別停工 17 天和 13 天。隨後，該公司花費了 60 萬美元來改造工廠並安裝預警系統。在之後發生的兩次類似地震中，該工廠僅遭受了 20 萬美元的損失，停工時間分別為 4.5 天和 3.5 天。
加州的詛咒
加州是地震多發地帶。2006 年，由大學、州和聯邦機構組成的聯盟共同開發了 ShakeAlert，這是一個為該州服務的預警系統。目前，一個原型系統將大約 400 個地震臺站連線在一起，很快將向一小部分測試使用者傳送警報。完成後的系統不僅會向震中附近的人員提供即時的單站警報，還會向較遠的人員提供廣泛的基於網路的警報。如果一切順利，警報將在第一個 P 波到達後五秒鐘內發出。
然而，加州要實現像日本那樣全面的網路覆蓋還有很長的路要走。現有的 400 個地震臺站集中在舊金山灣區和洛杉磯都會區周圍，其他地方則存在空白。儘管大多數加州人居住在這兩個地區附近，但空白既減慢了系統速度，又降低了其準確性，因為它需要更長的時間才能在多個位置檢測到 P 波。在日本，儀器在全國各地每隔 15 英里就分佈一個。在加州採用這種間隔密度可以提供最佳的系統性能，減少誤報和漏報，並延長預警時間。
這些警報，像日本的警報一樣，將利用大多數人每天攜帶的聯網裝置。個人會在手機上收到警報，指示預測的震動強度、震動開始前的倒計時，以及一些簡單的指示，例如“躲到桌子底下”或“移動到您的安全區域”。區域內基礎設施分散的大型組織可能需要更詳細的資訊，例如顯示波浪傳播和整個受影響區域地面震動分佈的即時地圖。
這樣一個系統只需要少量投資，與重大地震的潛在危險相比，是微不足道的——100 個新的地震臺站和對現有基礎設施的升級，總成本為 8000 萬美元。五年內，該系統就可以投入執行。六年內，我們可能會非常感激它。