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颠覆认知?日本科学家:地震真的可以预测


经过几十年的研究后,科学界基本形成一个共识:地震是不可预测的。但最近,一位日本科学家提出了一个备受争议的新理论:在地震发生前半个小时甚至更久,地震发生地上空的电子就会发生变化,而这种变化,似乎是即将发生的地震引起的。如果能证实电子变化与地震发生之间的关系,那么地震预测也许就能够实现。


撰文 | 埃里克·万斯(Erik Vance)

翻译 | 姚家园


2011年3月11日星期五下午,当地面开始震动时,日置幸介(Kosuke Heki)正在日本北部的北海道大学的办公室里。震动发生的地方离得很远,同时每次震动持续了几秒钟。日置是一名地球物理学家,他研究一种神秘的现象,即地震发生后天空中电子形成的特殊模式。他对这次地震饶有兴趣,但并未过度惊慌。这次地震似乎是一个很远的大震。随着震动的持续,他甚至觉得这次地震的观测数据可能将有助于他的研究。这时有人打开电视新闻,日置的好奇心也瞬间变成了恐惧。


他感受到的震动源自日本近代以来最大的地震——毁灭性的9.0级东北大地震。这次地震造成该国数千亿美元损失,并至少夺走了1.5万人的生命。地震引发的海啸使福岛第一核电站陷入瘫痪,进而导致了全球近25年来最严重的核灾难。


当救援人员努力疏散群众,挽救当地人民的生命时,日置能做的,只有等待时断时续的电话和互联网恢复正常。终于,互联网在星期天恢复了。日置马上下载了日本东北町上空的卫星观测资料,如饥似渴地进行梳理。如他所料,电离层的电子在震后10分钟出现了扰动,但震后几分钟的观测结果不能说明他的模型就是对的。因此,日置试图扩大时间范围,将震前一个小时内的观测数据也包括进来。就在那时,他有了不同寻常的发现。


日置幸介


日置发现,在地震发生的40分钟前,震中上空的电子密度略微增加了。这可能是个异常,只是单次事件,也可能是仪器故障,但也可能有着其他原因。目前,科学家还没有找到某种可靠的地震前兆,用来在大地震发生前警告人们。如果电子变化可以作为这种指示迹象的话,每年数千人的生命将得到挽救。


日置立马怀疑是不是自己的观测数据出了问题,因此他又收集了另外两个地震的数据。再次观测到电子密度的变化后,他决定继续深入研究这一现象。到目前为止,他已经在18个大地震震前发现了类似的电子信号。在过去8年中,他开始逐渐相信这种电子信号是真实存在的。


现在,其他专家也开始密切关注这一观点。“多年以前,人们认为天气无法预测,但我们现在就可以,”美国航空航天局喷气推进实验室的遥感专家宋予合(Yuhe Tony Song)说,“在地面感受到震动之前,我们可能会观察到一些现象。现在出现了这些现象……我认为这值得讨论。”


但也不是每个人都同意这种观点。许多科学家认为,日置的工作只是一连串错误预报里面最新的一个。“它们就像普通感冒一样,总是四处流传,”东京大学的名誉教授、地震学家罗伯特·盖勒(Robert J. Geller)说道,他花了数年时间揭穿各种错误的地震预报方法。“对于这些方法,如果你不理睬,它们自己就会消失。”


然而,日置的观点似乎并没有消失,并且还可能会越来越可信。科学家在中型和大型地震中都发现了这样的电子信号,其他科学家也已经发展了一个将地面断层与空中电子活动联系起来的理论。日置本人在《地球物理研究快报》(Geophysical Research Letters)等著名期刊上发表了他的发现,并受邀在美国地球物理学会的年会上作报告。去年,日本千叶大学举办了一次会议,整场都用来讨论地震预警问题,其中就包括日置的发现。如果日置的想法是正确的,那么它对公共安全的影响将是巨大的。但是,要利用这些征兆,还要解决一些难题,比如预警系统发出警报的准确程度必须要达到多高,以及应该采取何种应急响应?


因为几乎没有任何预警,致命的日本东北大地震和海啸摧毁了日本的陆前高田市。灾难过后,居民走在废墟中。



电子信号


据说,地震震级的创造者查尔斯·F·里克特(Charles F. Richter)曾说过,“只有傻瓜和骗子才去预测地震。”但他的言论并没有让人们停止尝试。公元前373年,希腊发生了一场约6.0~6.7级的地震,赫里克市遭摧毁。据记载,在地震发生的5天前,动物就四散逃跑,去寻找庇护场所。日本人曾经认为,抽搐或抖动的鲶鱼可以预测地震。狗、羊、蜈蚣、奶牛以及被称为“伟大的阿格斯”的苏门答腊野鸡,据说都会在地震发生前改变行为。


有些人还把突然变干的井、温度变化、氡气释放和一些较小的前震看作可能的地震前兆。1975年,中国科学家将这些迹象(包括动物行为)结合起来,甚至预测了7.3级的海城地震,并提前疏散了居民。这次成功的地震预测带来了希望。“20世纪70年代,美国和日本的地震学家对短期地震预测非常乐观,”东京大学岩石力学专家中谷正生(Masao Nakatani)说,“那时,我们倾向于认为地震是一定可以预测的。”到了20世纪80年代,美国和日本都成立了研究小组来探索这个挑战。


然而,可靠的预测信号并不好找。中国成功预测海城地震之后一年,同样的技术却未能预测另一场更大的地震(唐山大地震),后者导致了二十几万人死亡。日本坐落于板块运动频发的环太平洋火山带上,在付出了相当大的努力后,日本科学家发现一种前兆只适用于一场地震,无法用来预测下次地震。大自然似乎在不断改变规则。20世纪90年代末期,美国基于先前地震的模式,预测了加利福尼亚州的帕克菲尔德附近将发生地震。但地震并未发生,美国也因此放弃了预测地震的努力。地震最终在2004年发生了,但丝毫没有出现期待的预警信号。


日本东北大地震发生的那年,意大利政府设立的国际地震预测委员会基本上停止了地震预测的研究。该委员会的成员在2011年5月写道:“尽管日本进行了持续的研究,但几乎没有发现证据表明,存在可以预测即将发生的大地震的前兆。”


四个月后,日置为地震预测研究找到了新方向。他发现,暗含玄机的电离粒子不在地表,而是在距离地面约300千米的天空中。大地和天空存在某种关联的想法并不是毫无依据。20世纪70年代,科学家首次发现岩石在高压下能产生电流,就像是一个小小的电池一样。该理论认为,当岩石受压时,氧原子会释放电子,形成物理学家所说的带正电荷的空穴(p-holes)。临近原子的电子补充到空穴中,进而产生电荷移动的连锁反应。


这些空穴“能在很远范围内移动,从几千米、十几千米到数百千米,”美国航空航天局和搜索地外文明研究所(SETI)的研究员弗里德曼·弗罗因德(Friedemann Freund)说,他正是这一现象的发现者。“就像灭火时用的一桶水一样,不断地从一个人的手中传递给下一个人。”


弗罗因德说,空穴先是在岩石中传递,最终到达地球表面。在地表,它们吸引空气分子中带负电的电子,就像磁铁吸引铁屑一样。就这样,电荷便传播到高层大气了。目前,这种机制还只是理论,很难直接测量,但震后观测到的电子丛痕迹似乎符合这一理论。但是,还没有人在震前清清楚楚地观测到这种效应。


日置在他的研究中引入了一种新方法:利用复杂的GPS卫星网络,来监测大气中电子的细微变化。日本拥有特别密集的GPS接收器网络,这使得日置能够发现日本东北大地震震中上方高空中微弱的电子波动,这之后过了40分钟,地面的地震仪器才记录到大地的震动。



但是,日置却说他当时在犹豫是否发表他的发现。“我得考虑如何发表这个发现,”他说,“地震预测很特别,所有人都会非常激动。”


实际上,日置确实没有立即发表自己的发现。在日本东北大地震之后,他又观察了另外两次大地震,这两次地震所在地都有详细的GPS数据。日置发现,在这两场地震发生前至少30分钟,电子密度都出现了明显增加。地震越大,电子密度出现变化的时间似乎越提前。在2014年智利的8.2级地震中,电子密度出现变化的时间是提前了25分钟,而在9.0级的日本东北大地震中,这一提前时间则是40分钟。所以说,电子信号不仅提示地震即将发生,还会表明了即将发生的地震的相对大小。“我从未见过如此明显的震前征兆,”日置说。



激烈的争论


2011年9月,在这些数据的支持下,日置终于发表了一篇论文,宣布了他的发现。很快,其他科学家就开始指出问题。有人认为,日置的研究结果是对数据的误读,地震发生时和震后的干扰影响了观测。日置采用了不同的分析方法来突出震前效应,以此回应质疑。他还将以一定角度观测的结果转换为鸟瞰图,这样就可以更容易观察到那些效应。但批评者认为,日置只是在重新组织一套有问题的数据。另一个日本研究团队声称,日置的发现是地球磁暴造成的。日置进行了另一项分析来阐述磁暴的影响,发现地球磁暴本身无法解释他观测到的所有变化。


不久,一些怀疑者开始认同他的观点。中谷正生说:“这是迄今为止发现的最好的地震前兆。” 中谷正生还说,20世纪90年代的努力失败后,他就不再相信地震预报了,但日置重新点燃了他的信念,以至于他认为这项工作很可能是“地震科学史上最重要的发现”。美国航空航天局的宋予合则没这么夸张,但他也认为电子密度的变化很难用误差来解释,这似乎预示着一些真实的事件(地震)。弗罗因德说,日置研究了日本东北地区几个月内大地的压力积聚和天空中电子密度的变化。虽然这些压力可能会通过其他方式释放,比如感受不到的静地震,但在理论上,带电粒子的释放仍然可以在地震发生前被监测到,并用于预报。


然而,批评者坚持认为,日置看到的现象只存在于计算机里,而非现实世界中。“他试图在没有提供有效证据的情况下,验证他的最初想法,”意大利国家地球物理和火山研究所的法布里奇奥·马希(Fabrizio Masci)说道。马希在他已经发表的一些论文里,不仅反驳了日置,还反驳了其他地震预测的想法,并且形容日置的回应是“转移读者注意力的把戏”。


很多批评集中在日置对基准电子水平的读取上。电子这样的微小粒子遍布地球各处,并且像天气一样波动。日置认为,就在地震发生之前,电子的聚集程度会比平时高一点。批评者则认为,这种变化是电子每天的潮起潮落引起的。换句话说,日置寻找的可能是一个统计学幽灵。


马希则更为激进,他声称,如果地震从根本上来说属于混沌系统,那么可能就没有什么所谓的地震前兆。如果事件的初始条件没法精确确定,那也就无法知道最终的结果是什么。对于地震,确定所有初始条件是极其困难的。


巴黎地球物理研究所的乔瓦尼·奥基平蒂(Giovanni Occhipinti)并不那么悲观,虽然他也认为充分理解岩石类型、压力、附近的断层等所有影响因素,进而做出预测是一个令人生畏的挑战。与日置一样,奥基平蒂也在研究地震如何影响大气离子。他说,鉴于离子在大气中是如此的无序,从所有噪音中提取信号几无可能,因为那就像试图根据一片云预测一天后的飓风一样。“(这么做的)困难之处在于,天空中有大量的云不断出现,四处移动,”他说,“要找到哪块云作为前兆的方法并不容易。”


不久之前,奥基平蒂还站在怀疑者的一边,认为日置的发现只是统计学上的小波动。然而,日置在最新的研究当中,考虑了信号出现时周围复杂的三维空间,这引起了奥基平蒂的兴趣。与作用有限的卫星快照相比,三维建模可以从多个维度显示异常现象背后相同的物理过程,使得它们很难再被当作统计幽灵。奥基平蒂希望看到更多的三维分析,并将这些结果与其他模型进行比较,看看它们符合得有多好。所以说,奥基平蒂现在还不是完全相信日置的理论。但他也承认,日置的理论是一个“非常吸引人”的想法,并开始认真对待。“这个想法正在推动科学向前发展,” 奥基平蒂说,“但你必须非常、非常、非常严谨,因为它与人们的生命息息相关。”



预警能实现吗


这里说的生命可能达到数十万之多。美国地质调查局统计了2000年以来全球地震造成的死亡人数,时间跨度是16年。由于不是每年都有大地震,所以每年的死亡人数也有所波动。但是,因地震而死亡的人数仍令人生畏。在这16年中,有7年的死亡人数超过了2万人,同时还有两年的死亡人数超过了20万人。在受灾最严重的国家,人们迫切需要任何可能的预警信号,哪怕只能提前几秒钟。以墨西哥城为例,它位于地球上最致命以及得到了充分研究的地震带之一。在1985年那次造成多达1万人死亡的毁灭性地震后,墨西哥政府利用地震波在该地区能长距离传播的事实,建立了一个监测系统。如果地震波来自足够远的地方,监测系统就能提前几分钟发出预警。


墨西哥国家灾害预防中心主任、地球物理学家卡洛斯·瓦尔德斯(Carlos Valdés)表示,提前40分钟的预警听起来不错,但实际情况并非如此简单。首先,误报会损害所有的应急响应。例如,墨西哥的一些地震触发了预警,但它们的能量太弱或者位置很远,实际上并不能破坏城市。人们会变得恼火,并停止响应这些警报。但他更担心的是相反的情形:恐慌。“有人会说,我有40分钟,我要离开这座城市,”瓦尔德斯说,“只要有一个人开始尖叫或逃跑,然后每个人都会这么做。”道路会堵塞,最终没人能到达安全地点。


不过,其他应急计划人员指出,即便是短时预警也能为关闭天然气管道或停止地铁运行提供时间,从而降低风险。更高的准确性将解决假警报的问题。英国和俄罗斯的科学家已经提议发射一颗卫星,来跟踪比如日置研究的大气异常,而中国也正在推进一项基于电离层电磁扰动的天基预测项目。但是,鉴于电离层的复杂性,加上令人费解的地震本身,将大气数据真正用于地震预警可能还需要几十年时间。


盖勒认为那一天将不会到来。他说:“在过去的130年里,寻找前兆的人都有着孩子般的信念,即前兆一定存在,以及地震越大,前兆也一定越大,但并没有什么特别明显的理由支持这些信念是正确的。”


即便如此,日置仍在继续前行。最近,他发表了一篇论文,利用三维建模详细地分析了2015年智利地震的前兆。他说,这篇论文可能使他的想法更难被反驳。同时,他还在试图填补电荷与实际地震位置之间的数据空白,以便更好地理解地壳中发生了哪些物理过程,才使得高空出现异常。“震前电离层发生了一些变化,但我不知道是哪种物理机制导致的,”日置说,“但观测数据本身非常明显。”



附《环球科学》对日置幸介的专访:


Q:就地震预测而言,大部分人都在寻找来自地下的线索,是什么让你对天空感兴趣?

A:从2004年开始,我一直在研究地震发生后,向上传播的声波对电离层有什么影响(这大约出现在地震发生后10分钟)。当时我只是想找找空中有没有地震的同震效应,但却发现了一些有趣的现象。


Q:在此之前,你对地震前兆有过研究吗?

A:我之前并不是专门研究地震前兆,只是偶然发现了而已。在那之前,跟其他科学家一样,我也怀疑地震是否有某种电磁前兆。


Q:我们看到,你的研究和观点发布之后,很多科学家都提出了质疑,你如何看待他们的质疑?

A:按照假设,在地震发生之前,地球表面应该出现积聚的电荷,但我们还没能观测到这一现象,所以我能理解大家的批评。


Q:为了回应批评者的质疑,你建立了电子信号出现时周围环境的三维模型,它如何帮助确认这些电子信号是可靠的地震前兆?

A:电离层中有很多自然变化,比如偶发E层和太阳耀斑导致的电子密度突然增加,是容易辨别的。偶发E层(Es)是电离层内短暂出现的小范围电离薄层,电子密度很大,而耀斑导致的电子密度突然增加则是全球性的。跟我们研究的地震前兆相比,中尺度电离层行扰(MSTID)和大尺度电离层行扰(LSTID)比较难区分一些,但它们有一个明显的区别,那就是地震引起的电子异常不会在电离层中传播,而MSTID和LSTID则会在电离层中传播。需要指出的是,这一区别在事后整理数据时很明显,但在地震发生前的30分钟内,它可能并不容易看出来。


Q:你是在大型地震前观测到了特殊的电子信号,并指出地震震级越大,电子信号出现的时间越提前,原因是什么?

A:随着地震震级的提高,地震造成的损害、人员伤亡、地面晃动、海啸高度也都随之增加。因此,如果地震前兆不随着地震震级的提高而变得更加明显反倒是相当不正常的。

大型地震的断层面也很大。我猜测,断层内发生了某种侵蚀过程(正是这种过程导致了电子穴的产生)。因此,对于断层面更大的地震来说,这种过程需要的时间也更长。我跟一位地震学专家合作的一篇新论文即将发表,里面专门讨论了这个问题。


Q:震级较低的地震是否也会产生这种电子异常?

A:目前观察到的有震前电子异常的最小地震是2016年发生在尼泊尔,它是2015年尼泊尔大地震(里氏震级达8.1级)的一次最大余震。这是因为,对小型地震来说,它产生的电荷有限,导致在地面形成的电场难以到达电离层。但是,不管地震震级大小,在震前,地面上都会出现这种积聚的电荷。利用合适的传感器,我们将能够监测到这些电荷。


Q:除了你之外,还有哪些科学家在做这方面的研究?

A:很多人把我跟中国台湾的一位研究人员搞混了,他是中国台湾中央大学太空科学研究所的刘正彦教授。他研究电离层中另一种地震前兆,并且在中国大陆地区有很多跟随者。就我所知,中国大陆只有东北大学的贺黎明博士在做我这方面的研究,他曾作为博士后研究员,在我这里做了两年研究。我希望《地震可以预测?》这篇文章发表后,人们会对这个领域感兴趣。


Q:在地震预测方面,你与中国科学家有互动吗?

A:去年夏天,我在中国地震局地壳应力研究所做了一场题为《震前TEC异常的“标准模型”》的演讲。人们或许会对这方面的地震前兆研究感兴趣。


Q:最后一个问题,可能也是人们最关心的问题是,我们将来到底能不能预测地震?

A:(我的理论)在技术上是没有太大问题的。但是,我们需要一个能提供实时数据的全球导航卫星系统(GNSS,包括我国即将建设完成的北斗导航卫星系统,记者注)密集阵列,来监测电离层总电子含量(TEC)的变化,同时还需要一个复杂的算法,识别并消除空间天气本身的影响。这离不开人力和财力的支持,所以我还得让更多人相信(地震是可以预测的),进而实现它。


(《环球科学》记者:龚聪)



本文原载于《环球科学》2018年11月刊

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