“張衡一號”在軌示意圖。國防科工局供圖

在21世紀(jì)的今天，人類文明已經(jīng)走過6000多年歷史并迎來第六次科技革命，如果要問還有哪些世界性難題久攻未破，甚至仍在限制人類的想象力?地震預(yù)測肯定算一個。

2月2日，我國第一顆觀測地震電磁信息的衛(wèi)星“張衡一號”成功發(fā)射。公元132年，張衡發(fā)明了人類歷史上最早的地動儀，開創(chuàng)世界地震勘測研究的先河。1800多年過去了，如今以他的名字命名的衛(wèi)星飛上了天，研究的還是同樣的問題：地震預(yù)測。

這顆衛(wèi)星仍然不能直接預(yù)測預(yù)報地震。用國防科工局系統(tǒng)工程司副司長趙堅的話說，“‘張衡一號’主要是用于地震前兆信息研究，為未來建立地震監(jiān)測體系進(jìn)行前期技術(shù)儲備。”

盡管如此，在中國的地震預(yù)測研究之路上，這顆衛(wèi)星還是邁出了一大步——有望讓我國第一次具備全疆域和全球三維地球物理場動態(tài)監(jiān)測能力。換句話說，中國境內(nèi)6級以上、全球主要地區(qū)7級以上的地震電磁信息，這顆衛(wèi)星都有可能“看到”。

人類究竟能否預(yù)測地震?

仰望星空，人類拿起“天文”的尺子來看待自己，不免會產(chǎn)生敬畏之感，同樣地，面對大地，人類同樣會感到“浩渺滄海之一粟”，這不單是因為體積上的巨大差異，更有來自這個龐然大物“發(fā)脾氣”時的巨大威脅——大地一顫抖，帶來的就可能是生與死。

以去年為例，來自中國地震局的數(shù)據(jù)顯示，2017年我國發(fā)生5級以上地震19次，其中大陸地區(qū)13次，臺灣地區(qū)6次，最大地震為8月8日四川九寨溝7.0級地震。這些地震共造成大陸地區(qū)37人死亡，1人失蹤，617人受傷，直接經(jīng)濟損失145.58億元。放眼全球，2017年發(fā)生7級以上地震8次，最大地震為9月8日墨西哥近海沿岸8.2級地震。

相應(yīng)地，地震認(rèn)知上的一個個空白，加劇了這種威脅：大地究竟為何顫抖，地震究竟能否預(yù)測，以及該如何預(yù)報，仍是全球科學(xué)家面臨的巨大挑戰(zhàn)。

“張衡一號”衛(wèi)星工程首席科學(xué)家兼副總師、中國地震局地殼應(yīng)力研究所總工程師申旭輝說，擺在科學(xué)家面前的地震預(yù)報難題有“三座大山”。首先是地震事例太少。他說，中國平均每3年有兩個7級地震，全球每年則有18個——盡管誰也不愿看到地震發(fā)生，但這無法避免，僅從科研角度來說，這樣幾次的數(shù)據(jù)連有效的統(tǒng)計分析都不夠，不足以幫助科學(xué)家形成完整的地震預(yù)測科學(xué)體系和方法體系。

換言之，地震監(jiān)測的研究結(jié)果難以檢驗。申旭輝說，強烈地震對于同一地區(qū)可能是幾十年、幾百年或者更長的時間才能遇到一次，對于不同地區(qū)，甚至不同時期的孕震過程，機理差異很大，所以，“重復(fù)實踐”進(jìn)行檢驗的機會很難碰到。

其次，地震科學(xué)研究的方法和手段受到很多制約。申旭輝說，地震發(fā)生在地下二三十公里處，而當(dāng)今世界上最深的鉆孔只有12公里，科學(xué)家們很難去地下“看”究竟發(fā)生了什么，“既看不見，也摸不著”。

相應(yīng)地，現(xiàn)有的地震“觀測”均是間接的，人們只能依靠地面的觀測資料，對地球內(nèi)部的狀況進(jìn)行反演和推測，但申旭輝告訴記者，地面的探測站點畢竟分散，又很難把全球的地球物理場搞清楚。

第三是理論的更新相對較慢。地震是地球上規(guī)模宏大的地下巖體破裂現(xiàn)象，其孕育過程跨越了幾年、幾十年，甚至更長的時間，因而，不但很難用經(jīng)典物理學(xué)從本質(zhì)上加以描述，也難以在實驗室或者野外進(jìn)行模擬。

申旭輝說，地震研究的基本理論本身起源于早期的牛頓物理學(xué)，而如今物理學(xué)發(fā)展很快，基礎(chǔ)理論學(xué)科相互交叉滲透，地震研究迫切需要吸收其他相關(guān)學(xué)科的理論。

其實，地震究竟能不能預(yù)測，科學(xué)界長期以來就有爭議。

20多年前，這個問題還曾在我國掀起過一次大討論。我國地球物理學(xué)家、中科院院士陳運泰當(dāng)時的態(tài)度相對樂觀——“地震不可預(yù)報這樣的論斷要慎言”，在他看來，自然科學(xué)問題必有解決的辦法，需要尋找探索新的思路。

申旭輝認(rèn)為，如今“張衡一號”的發(fā)射就是一次新的探索和嘗試。正如陳運泰院士所說，“地震預(yù)測預(yù)報，是世界性難題，但并不是說在這個難題解決之前，地震工作者就什么都不能做。”

為何要上天“看”地震?

在地球的周圍，有著一層薄薄的“殼”，是一個“電子”和“離子”的世界，當(dāng)受到地殼運動、地面人類活動等的影響時，其中的“電磁波”就會像水中的“漣漪”一樣，在等離子體環(huán)境里傳播。

申旭輝告訴記者，過去幾十年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，他們所監(jiān)測到的“空間電磁擾動”也就是“電磁波漣漪”，與地震的發(fā)生具有明顯的相關(guān)性：統(tǒng)計意義上，地球上6級、7級以上地震在發(fā)生前即孕育過程中，相應(yīng)區(qū)域的“空間電磁擾動”都有可能發(fā)生異常。

上世紀(jì)60年代，蘇聯(lián)科學(xué)家分析一顆衛(wèi)星電磁信號時，發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星記錄到地震低頻電磁輻射前兆現(xiàn)象，稱之為“地震電離層效應(yīng)”。我國在1976年唐山地震時，也通過地面雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了相應(yīng)的電離層擾動現(xiàn)象。

申旭輝說，這給人類探索地震發(fā)生的機理帶來了一絲“難得的光明”。

“張衡一號”正是依據(jù)這一原理來運行的。申旭輝說，地震簡單來說就是“地殼運動”，這種運動會切割磁力線，也會造成磁力線的扭曲。另一方面，地球巖石的摩擦破裂，會產(chǎn)生電磁波，這些電磁波往大氣層傳播，將致使大氣層的電磁信息發(fā)生變化。

事實上，國外利用衛(wèi)星進(jìn)行地震前“空間電磁異常”現(xiàn)象的研究已經(jīng)有多年的歷史。趙堅說，此前俄羅斯、法國、美國、烏克蘭等國家已經(jīng)發(fā)射過同類衛(wèi)星，不過均已退役，其中法國的DEMETER衛(wèi)星連續(xù)在軌運行6年半，取得了不小的成功。

法國DEMETER衛(wèi)星計劃首席科學(xué)家米歇爾·帕羅特教授說，基于這顆衛(wèi)星的統(tǒng)計研究，可以反映電離層擾動的常規(guī)形態(tài)，并有助于科學(xué)家確定震前的電離層擾動特征。值得一提的是，中法科學(xué)家也聯(lián)合利用這顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)發(fā)表了大量科研論文，其中大部分是針對震前研究。

而跳出地球來“看”地震，還能突破許多地震研究的限制。比如，填補地面觀測臺網(wǎng)在青藏高原和海域地區(qū)觀測的不足。

申旭輝說，在地面上，像青藏高原的極寒地區(qū)，現(xiàn)有的地震臺網(wǎng)并不能完全覆蓋，面積廣闊的海洋也觀測不到。相應(yīng)地，衛(wèi)星上天之后，就可以不受這些自然環(huán)境的約束，對全疆域?qū)崟r觀測。

一兩顆衛(wèi)星就能研究地震?

按照趙堅的說法，“張衡一號”真正投入運行后，能夠重點監(jiān)測中國全境，檢驗衛(wèi)星電磁監(jiān)測新技術(shù)設(shè)備的效能和空間適應(yīng)性。

具體來說，“張衡一號”可以開展全球7級以上、我國6級以上地震電磁信息分析研究，總體技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平，部分技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

不過，申旭輝告訴記者，對于地震研究而言，指望一兩顆衛(wèi)星遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。這一點國外的“先驅(qū)者”已經(jīng)給出了理由。

米歇爾·帕羅特談及法國的DEMETER衛(wèi)星時說，盡管這顆衛(wèi)星運行了6年，但作為一顆低軌衛(wèi)星，衛(wèi)星經(jīng)過未來震中上空1500公里范圍內(nèi)的時間，每天只有3分鐘，所以科研人員不可能期望能觀測到“持續(xù)的”電離層擾動。

如此一來，一些電離層擾動很可能“看”不到，這就是單一衛(wèi)星與地基觀測對比中顯示出來的主要缺陷。米歇爾·帕羅特說，這也是中國的“張衡”衛(wèi)星計劃要設(shè)計多顆衛(wèi)星的重要之處。

趙堅說，后續(xù)，國防科工局將會同中國地震局，開展電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星即“張衡”系列衛(wèi)星的在軌測試及相關(guān)應(yīng)用，提升民用衛(wèi)星對地震監(jiān)測與應(yīng)急服務(wù)能力，進(jìn)一步提升天基信息防震減災(zāi)服務(wù)能力。

他還透露，“張衡一號”及其后續(xù)衛(wèi)星計劃已經(jīng)納入國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃，目前“張衡二號”已經(jīng)通過可研評估，預(yù)計2020年發(fā)射。

事實上，能夠真正對全球?qū)嵤┯^測，統(tǒng)計研究全球地震的前兆變化特征，對地震研究者來說是件“極其興奮”的事。申旭輝告訴記者，也許在他有生之年，也未必能見證“地震預(yù)測”真正實現(xiàn)的那一天，但這并不意味著現(xiàn)在的努力就付諸東流。

申旭輝說，一代人有一代的使命，如今有了衛(wèi)星以及相應(yīng)的星座計劃，可以積累更多有效的、原始的數(shù)據(jù)，不斷探索地震預(yù)測新方法——這是他這一代科學(xué)家要做的。