编者注（3/11/11）：本文摘自即将出版的《大众科学》四月号。鉴于日本发生致命地震和由此引发的海啸，我们提前发布本文。
地震在自然灾害中是独一无二的，因为它们在发生前没有任何预警。以 1989 年 10 月 17 日袭击旧金山湾区的洛马普列塔地震为例，当时旧金山巨人队和奥克兰 A's 之间的当晚世界大赛的赛前热身赛正要开始。下午 5 点 04 分，圣安德烈亚斯断层突然滑动，以足够的力道震动了该地区，导致一段 1.5 英里的双层高速公路和连接奥克兰和旧金山的旧金山湾大桥部分坍塌。超过 60 人死亡。
多年来，科学家们一直在寻找一些信号——一种先兆信号，哪怕再微弱——可以使预报员准确地确定大地震发生的确切位置和时间，从而使人们脱离危险。经过数十年的徒劳搜索，许多地震学家现在怀疑这种信号是否存在。
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然而，并非所有的希望都破灭了。在地震最初的细微动作发生后几秒钟内，科学家们现在可以比较肯定地预测震动的强度和范围。通过将新的科学与现代通信技术相结合，有关部门可以向处于危险中的人们发出几十秒钟的警告，甚至可能是半分钟的警告。这听起来可能不算多，但这足以向发电厂和铁路网络发送关闭警告，自动打开电梯门并提醒消防员。
洛马普列塔地震的震中位于海湾以南崎岖的圣克鲁斯山脉。当地面开始晃动后，破坏性的震动花了 30 多秒才传播到 60 英里外的旧金山和奥克兰，那里是 80% 以上死亡事件的发生地。如果当时存在地震预警系统，它本可以为该地区中心提供大约 20 秒的预警时间。这足以减慢和停止火车，向正在最后进近的飞机发出“绕行”指令，并将街道上的红绿灯变成红色——防止汽车进入桥梁和隧道等危险结构。危险工作环境中的工人可以转移到安全区域，敏感设备可以进入保持模式，从而减少损坏和损失。中小学生和办公室工作人员可以在震动来临前躲到桌子底下。该地区将准备好应对即将到来的强烈震动。
这样的网络正在世界各地部署，地点包括墨西哥、台湾、土耳其和罗马尼亚等。日本的系统是最先进的之一。该全国性网络通过大多数电视和广播电台、几家手机运营商以及购物中心和其他公共场所的公共广播系统发布警告。自从该系统上线三年半以来，已经有十几起地震引发了广泛的警报。工厂、学校、火车和汽车上的人们被给予了宝贵的几分钟来做准备；在发出警报后，没有发生恐慌或高速公路事故的报告。美国落后于世界其他国家，但在加利福尼亚州部署的新试验台应该很快在该断层遍布的州建立一个全面的预警系统。
加利福尼亚州早就应该迎来下一次大地震了。如果我们现在建立预警系统，我们可以挽救生命。
从震波到预警
我们脚下的地面正在移动。随着构造板块在地表漂移，大陆板块互相研磨并像高速公路连环追尾一样碰撞。地壳——我们所居住的板块外层——是有弹性的，但只是在一定程度上。在板块边界，地壳弯曲直到应变变得太大。当它断裂时，在过去的几十年里积聚的能量会撕裂地表，震动其路径中的一切。
每天都会发生数百次地震。幸运的是，大多数地震都太小了，如果我们没有灵敏的地震仪的帮助，我们永远不会知道它们。在每日的地震中，断层面的滑移只有三到六英尺；人类感觉不到震动。在 5.0 级地震中，断层面的断裂会延伸一到两英里；人类可以轻易地感觉到震动，但现代建筑可以承受它。在 8.0 级地震中，断裂会沿着断层面传播数百英里，并且撕裂会延伸到地表。它会把一座建筑物撕成两半。
通过监测地震之间应变的累积，地震学家知道地壳的许多区域都接近破坏。但是，地表深处断层的详细结构在地震破裂的成核和传播中也起着重要作用——这种结构无法直接采样。因此，大多数地震学家不认为有可能创建一个能够在大型地震发生前数小时或数天预测其发生的预测系统。在可预见的未来，任何人能够做的最好的事情是快速检测到大型地震并发出警报。
地震的一些独特特征有助于完成这项任务。我们感知到的一个延伸的震动实际上是分阶段发生的。来自地壳破裂的能量以两种形式穿过地球：P 波和 S 波。两种类型的波同时离开断层面，但相似之处也到此为止。P 波，如声波，是压缩波。它们传播相对较快，但它们不携带太多能量。在地震期间，您会感觉到 P 波，它表现为突然的垂直重击。S 波更像是海浪，移动缓慢，携带大部分能量并带来最强烈的震动。地面运动是水平的和垂直的，它们可以像海浪中的小艇一样将整个建筑物击倒。
此外，并非所有波都看起来一样；它们根据滑移区域的大小呈现不同的形状。对于小滑移区域，P 波辐射具有相对较低的振幅和高频率——一个小的但尖锐的脉冲。较大的地震会使断层区域破裂，并且滑移量更大，因此 P 波的振幅更大，频率更低。这类似于小鸟的吱吱声和灰熊的咆哮之间的差异。
一个地震仪可以仅根据这些信息估计地震的震级。任何具有高振幅和低频率的 P 波都会触发警告。这种单站方法是提供震中附近警告的最快方法。然而，地震破裂的特征各不相同——并非所有 5.0 级地震看起来都一样——并且地震仪下方的特定沉积物会改变 P 波。这种可变性增加了误报（没有地震时的警告）和漏报（破坏性地震正在发生时）的风险。
为了减少误报和漏报的可能性，我们可以结合位于几英里外的几个地震仪记录的数据。在这种设置中，每个仪器下方的沉积物都会不同，因此我们可以获得震级的平均估计值。这种方法需要将仪器数据传输到中心站点并将其集成的地震网络。然而，传输和分析数据需要几秒钟，而且在每流逝一秒钟，破坏性的 S 波就会传播另外两到三英里。
因此，最好的方法是将单站方法和基于网络的方法相结合，这提供了在震中附近区域快速发出警告以及向更远的位置发出数十秒警告的可能性。
任何系统都必须在准确性和可用的预警时间之间进行权衡。随着地震网络收集到更多的地震数据，预测将会改善，但震动的时间会减少。一些用户可能可以容忍更多的误报和漏报，以获得更多的预警时间。例如，学校可能更喜欢更快地收到警告，以便孩子们可以躲藏起来。每年的一些误报可以提供必要的定期演习，以便每个人都知道该怎么做。相比之下，核电站只需要一秒钟就可以关闭反应堆——但这样做会带来巨大的成本。那里的操作员会等到确定发生极端震动才会采取行动。
近距离和远距离警报
公共地震预警系统以一种或另一种形式存在了几十年。在 20 世纪 60 年代，日本工程师在新干线高速列车的轨道上安装了地震仪。过度的震动会发出警报，让列车员有机会减速。后来，科学家们设计了使用遥远地震仪传递重震前警告的系统。墨西哥的网络旨在检测海岸附近的地震，并在墨西哥城广播警告，墨西哥城是一个拥有 2000 多万人口的古老都市，建立在一个可以放大地震波的淤泥湖床上。海岸和城市之间的距离可以提供超过 60 秒的预警时间。
墨西哥的系统于 1993 年上线。两年后，它将经历第一次严重的考验。1995 年 10 月 9 日，一场 8.0 级地震袭击了曼萨尼约海岸附近。预警系统接收到震动并通过墨西哥城的电视和广播电台以及类似于美国天气广播的专用无线电警报系统广播了警报。由于预警，官员能够在震动来临前 50 秒停止地铁系统，学校也按计划疏散。
日本的系统于 2007 年投入使用，大量利用了个人技术。警报不仅通过电视和广播发出，还通过家庭、办公室和学校的专用接收器发出。计算机上的弹出窗口会显示一个实时地图，标明震中的位置和辐射出的地震波。一个计时器会倒计时到您所在位置的震动，并突出显示预测的强度。手机运营商会向所有手机广播类似短信的警告，并带有独特的 audible 警报。核电站、铁路系统、机场和危险制造设施等关键行业使用针对其需求量身定制的专用通信系统。
日本的经验表明，地震预警系统不仅有助于保护生命，还有助于提高经济效益。2003 年，日本仙台附近发生的两次地震给 OKI 半导体制造厂造成了超过 1500 万美元的损失，原因是火灾、设备损坏和生产力下降。在地震发生后，该工厂不得不分别停工 17 天和 13 天。随后，该公司花费了 60 万美元来改造工厂并安装预警系统。在之后发生的两次类似地震中，该工厂仅遭受了 20 万美元的损失，停工时间分别为 4.5 天和 3.5 天。
加州的诅咒
加州是地震多发地带。2006 年，由大学、州和联邦机构组成的联盟共同开发了 ShakeAlert，这是一个为该州服务的预警系统。目前，一个原型系统将大约 400 个地震台站连接在一起，很快将向一小部分测试用户发送警报。完成后的系统不仅会向震中附近的人员提供即时的单站警报，还会向较远的人员提供广泛的基于网络的警报。如果一切顺利，警报将在第一个 P 波到达后五秒钟内发出。
然而，加州要实现像日本那样全面的网络覆盖还有很长的路要走。现有的 400 个地震台站集中在旧金山湾区和洛杉矶都会区周围，其他地方则存在空白。尽管大多数加州人居住在这两个地区附近，但空白既减慢了系统速度，又降低了其准确性，因为它需要更长的时间才能在多个位置检测到 P 波。在日本，仪器在全国各地每隔 15 英里就分布一个。在加州采用这种间隔密度可以提供最佳的系统性能，减少误报和漏报，并延长预警时间。
这些警报，像日本的警报一样，将利用大多数人每天携带的联网设备。个人会在手机上收到警报，指示预测的震动强度、震动开始前的倒计时，以及一些简单的指示，例如“躲到桌子底下”或“移动到您的安全区域”。区域内基础设施分散的大型组织可能需要更详细的信息，例如显示波浪传播和整个受影响区域地面震动分布的实时地图。
这样一个系统只需要少量投资，与重大地震的潜在危险相比，是微不足道的——100 个新的地震台站和对现有基础设施的升级，总成本为 8000 万美元。五年内，该系统就可以投入运行。六年内，我们可能会非常感激它。