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(cè)肯定算一個(gè)。

2月2日，我國第一顆觀測(cè)地震電磁信息的衛(wèi)星“張衡一號(hào)”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(dòng)儀，開創(chuàng)世界地震勘測(cè)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(cè)。

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

盡管如此，在中國的地震預(yù)測(cè)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(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)能力。換句話說，中國境內(nèi)6級(jí)以上、全球主要地區(qū)7級(jí)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(cè)地震？

仰望星空，人類拿起“天文”的尺子來看待自己，不免會(huì)產(chǎn)生敬畏之感，同樣地，面對(duì)大地，人類同樣會(huì)感到“浩渺滄海之一粟”，這不單是因?yàn)轶w積上的巨大差異，更有來自這個(gè)龐然大物“發(fā)脾氣”時(shí)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(jí)以上地震19次，其中大陸地區(qū)13次，臺(tái)灣地區(qū)6次，最大地震為8月8日四川九寨溝7.0級(jí)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(jì)損失145.58億元。放眼全球，2017年發(fā)生7級(jí)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(jí)地震。

相應(yīng)地，地震認(rèn)知上的一個(gè)個(gè)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(cè)，以及該如何預(yù)報(bào)，仍是全球科學(xué)家面臨的巨大挑戰(zhàn)。

“張衡一號(hào)”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(bào)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(gè)7級(jí)地震，全球每年則有18個(gè)——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(jì)分析都不夠，不足以幫助科學(xué)家形成完整的地震預(yù)測(cè)科學(xué)體系和方法體系。

換言之，地震監(jiān)測(cè)的研究結(jié)果難以檢驗(yàn)。申旭輝說，強(qiáng)烈地震對(duì)于同一地區(qū)可能是幾十年、幾百年或者更長的時(shí)間才能遇到一次，對(duì)于不同地區(qū)，甚至不同時(shí)期的孕震過程，機(jī)理差異很大，所以，“重復(fù)實(shí)踐”進(jìn)行檢驗(yàn)的機(jī)會(huì)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(cè)”均是間接的，人們只能依靠地面的觀測(cè)資料，對(duì)地球內(nèi)部的狀況進(jìn)行反演和推測(cè)，但申旭輝告訴記者，地面的探測(cè)站點(diǎn)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(duì)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)，地震究竟能不能預(yù)測(cè)，科學(xué)界長期以來就有爭議。

20多年前，這個(gè)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(yùn)泰當(dāng)時(shí)的態(tài)度相對(duì)樂觀——“地震不可預(yù)報(bào)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(hào)”的發(fā)射就是一次新的探索和嘗試。正如陳運(yùn)泰院士所說，“地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，是世界性難題，但并不是說在這個(gè)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(gè)“電子”和“離子”的世界，當(dāng)受到地殼運(yùn)動(dòng)、地面人類活動(dòng)等的影響時(shí)，其中的“電磁波”就會(huì)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(cè)到的“空間電磁擾動(dòng)”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(jì)意義上，地球上6級(jí)、7級(jí)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(dòng)”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(hào)時(shí)，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(shí)，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(dòng)現(xiàn)象。

申旭輝說，這給人類探索地震發(fā)生的機(jī)理帶來了一絲“難得的光明”。

“張衡一號(hào)”正是依據(jù)這一原理來運(yùn)行的。申旭輝說，地震簡單來說就是“地殼運(yùn)動(dòng)”，這種運(yùn)動(dòng)會(huì)切割磁力線，也會(huì)造成磁力線的扭曲。另一方面，地球巖石的摩擦破裂，會(huì)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(shí)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(jiān)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(yùn)行6年半，取得了不小的成功。

法國DEMETER衛(wèi)星計(jì)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(jì)研究，可以反映電離層擾動(dòng)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(dòng)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(duì)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(bǔ)地面觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)在青藏高原和海域地區(qū)觀測(cè)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(tái)網(wǎng)并不能完全覆蓋，面積廣闊的海洋也觀測(cè)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(duì)全疆域?qū)崟r(shí)觀測(cè)。

一兩顆衛(wèi)星就能研究地震？

按照趙堅(jiān)的說法，“張衡一號(hào)”真正投入運(yùn)行后，能夠重點(diǎn)監(jiān)測(cè)中國全境，檢驗(yàn)衛(wèi)星電磁監(jiān)測(cè)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(hào)”可以開展全球7級(jí)以上、我國6級(jí)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(duì)于地震研究而言，指望一兩顆衛(wèi)星遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。這一點(diǎn)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(shí)說，盡管這顆衛(wèi)星運(yùn)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(shí)間，每天只有3分鐘，所以科研人員不可能期望能觀測(cè)到“持續(xù)的”電離層擾動(dòng)。

如此一來，一些電離層擾動(dòng)很可能“看”不到，這就是單一衛(wèi)星與地基觀測(cè)對(duì)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(jì)劃要設(shè)計(jì)多顆衛(wèi)星的重要之處。

趙堅(jiān)說，后續(xù)，國防科工局將會(huì)同中國地震局，開展電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星即“張衡”系列衛(wèi)星的在軌測(cè)試及相關(guān)應(yīng)用，提升民用衛(wèi)星對(duì)地震監(jiān)測(cè)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(hào)”及其后續(xù)衛(wèi)星計(jì)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(hào)”已經(jīng)通過可研評(píng)估，預(yù)計(jì)2020年發(fā)射。

事實(shí)上，能夠真正對(duì)全球?qū)嵤┯^測(cè)，統(tǒng)計(jì)研究全球地震的前兆變化特征，對(duì)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(cè)”真正實(shí)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(jì)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(cè)新方法——這是他這一代科學(xué)家要做的。