經(jīng)過幾十年的研究，科學界基本達成共識：地震是不可預測的。但最近，一位日本科學家提出了一個頗受爭議的新理論：地震發(fā)生前半小時或更長時間，地震現(xiàn)場上空的電子會發(fā)生變化，而這種變化似乎是由即將發(fā)生的地震引起的。的。如果能夠證明電子變化與地震發(fā)生之間的關(guān)系，那么地震預測就有可能成為可能。

2011 年3 月11 日星期五下午，當?shù)孛骈_始震動時，Kosuke Heki 正在日本北部北海道大學的辦公室里。震動發(fā)生的時間間隔很遠，每次持續(xù)幾秒鐘。日置是一位地球物理學家，他研究一種神秘現(xiàn)象，即地震后天空中電子的特殊模式。他對地震很感興趣，但并沒有過度驚慌。這次地震看起來是一場非常大的地震。隨著震動的持續(xù)，他甚至覺得這次地震的觀測數(shù)據(jù)或許對他的研究有幫助。這時，有人打開了電視新聞，日置的好奇瞬間變成了恐懼。

他感受到的震動來自——年毀滅性的9.0級東北地震，這是日本近代以來最大的地震。這次地震給該國造成了數(shù)千億美元的損失，并奪去了至少15,000 人的生命。地震引發(fā)的海嘯導致福島第一核電站癱瘓，導致世界25年來最嚴重的核災難。

當救援人員努力疏散人員并拯救當?shù)厝说纳鼤r，日置能做的就是等待斷斷續(xù)續(xù)的電話和網(wǎng)絡(luò)恢復正常。終于，互聯(lián)網(wǎng)在周日恢復了。日置立即下載了日本東北地區(qū)的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，并急切地進行了梳理。正如他所預料的那樣，地震后10分鐘電離層中的電子受到擾動，但地震后幾分鐘的觀測并不能證明他的模型是正確的。因此，日置嘗試擴大時間范圍，將地震發(fā)生前一小時內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)納入其中。就在那時，他有了一個不尋常的發(fā)現(xiàn)。

日置佑介

日置發(fā)現(xiàn)，地震發(fā)生前40分鐘，震中上方的電子密度略有增加。這可能是異常、單一事件或儀器故障，但也可能有其他原因。目前，科學家尚未發(fā)現(xiàn)任何可靠的地震前兆可以用來在大地震發(fā)生前向人們發(fā)出警告。如果電力變化有任何跡象的話，每年可以挽救數(shù)千人的生命。

日置立即懷疑自己的觀測數(shù)據(jù)有問題，于是他又收集了另外兩次地震的數(shù)據(jù)。再次觀察到電子密度的變化后，他決定繼續(xù)深入研究這一現(xiàn)象。到目前為止，他已經(jīng)在18次大地震前發(fā)現(xiàn)了類似的電子信號。在過去的八年里，他逐漸相信電子信號是真實的。

現(xiàn)在，其他專家正在仔細研究。美國宇航局噴氣推進實驗室的遙感專家Yuhe Tony Song 表示，多年前，人們認為天氣是不可預測的，但現(xiàn)在我們可以了。在地面感受到振動之前，我們也許能夠觀察到一些現(xiàn)象。既然這些現(xiàn)象正在發(fā)生……我覺得值得討論一下。

但并不是所有人都同意這個觀點。許多科學家認為，日置的工作只是一長串錯誤預測中的最新一個。東京大學名譽教授、地震學家羅伯特·J·蓋勒多年來一直致力于揭穿各種錯誤的地震預報方法，他說，它們就像普通感冒一樣，總是在傳播。如果你忽略這些方法，它們就會自行消失。

然而，日置的觀點似乎并沒有消失，而且可能變得越來越可信?？茖W家們在中型和大型地震中都發(fā)現(xiàn)了這種電子信號，其他科學家也提出了一種將地面斷層與空氣中電子活動聯(lián)系起來的理論。 Nippon本人將其研究成果發(fā)表在《地球物理研究快報》（Geophysical Research Letters）等著名期刊上，并受邀在美國地球物理聯(lián)盟年會上做報告。去年，在日本千葉大學舉行的一次會議專門討論了地震預警問題，其中包括日置的研究結(jié)果。如果日置的想法正確，對公共安全的影響將是巨大的。然而，利用這些跡象需要解決一些難題，例如預警系統(tǒng)的警報必須有多準確，以及應(yīng)該采取什么樣的應(yīng)急響應(yīng)？

在毫無預警的情況下，致命的東北地震和海嘯摧毀了日本陸前高田市。災后，居民在廢墟中行走。

電子信號

據(jù)說地震震級的創(chuàng)造者查爾斯·F·里克特曾說過，只有傻瓜和江湖騙子才能預測地震。但他的話并沒有阻止人們嘗試。公元前373年，希臘發(fā)生約6.0至6.7級地震，赫里克城被毀。據(jù)記錄，地震前五天，動物紛紛逃往避難所。日本人曾經(jīng)相信，鯰魚的抽搐或搖晃可以預測地震。據(jù)說狗、羊、蜈蚣、牛和被稱為“大烏雉”的蘇門答臘雉雞都會在地震發(fā)生前改變它們的行為。

有些人還認為井突然干涸、溫度變化、氡氣釋放和一些較小的前震可能是地震前兆。 1975年，中國科學家結(jié)合包括動物行為在內(nèi)的這些跡象，甚至預測了海城7.3級地震并提前疏散居民。這次成功的地震預報給人們帶來了希望。東京大學巖石力學專家Masao Nakatani 表示，20 世紀70 年代，美國和日本的地震學家對短期地震預測非常樂觀。當時，我們傾向于認為地震絕對是可以預測的。到了20 世紀80 年代，美國和日本都成立了研究小組來探索這一挑戰(zhàn)。

然而，可靠的預測信號很難找到。中國成功預測海城地震一年后，同樣的技術(shù)卻未能預測另一場更大的地震（唐山地震），這場地震造成超過20 萬人死亡。日本位于環(huán)太平洋火山帶，板塊運動頻繁。經(jīng)過大量努力，日本科學家發(fā)現(xiàn)前兆只能適用于一次地震，不能用來預測下一次地震。大自然似乎在不斷改變規(guī)則。 20 世紀90 年代末，根據(jù)以往地震的模式，預測美國加利福尼亞州帕克菲爾德附近將發(fā)生地震。但地震并沒有發(fā)生，美國也放棄了預測地震的努力。 2004年，地震終于發(fā)生了，但沒有出現(xiàn)預期的預警信號。

日本東北大地震當年，意大利政府成立的國際地震預報委員會基本停止了地震預報研究。該委員會成員在2011 年5 月寫道： 盡管日本不斷進行研究，但幾乎沒有發(fā)現(xiàn)證據(jù)表明存在可以預測即將發(fā)生的大地震的前兆。

帶正電的空穴

四個月后，日置找到了地震預測研究的新方向。他發(fā)現(xiàn)神秘的電離粒子并不在地表，而是在距離地面約300公里的天空中。地球和天空有某種聯(lián)系的想法并非沒有根據(jù)。 20世紀70年代，科學家首次發(fā)現(xiàn)巖石在高壓下可以發(fā)電，就像小型電池一樣。該理論認為，當巖石受到壓力時，氧原子會釋放電子，形成物理學家所說的p 空穴。來自附近原子的電子被添加到空穴中，引起電荷運動的連鎖反應(yīng)。

美國宇航局和外星情報研究所（SETI）的研究員弗里德曼·弗羅因德說，這些空洞可以移動很長的距離，從幾公里到十幾公里到數(shù)百公里。 （弗里德曼·弗羅因德）說他是這種現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)者。就像一桶水用來滅火一樣，它不斷地從一個人的手中傳遞到另一個人的手中。

弗羅因德說，這些空洞首先穿過巖石，最終到達地球表面。在表面，它們從空氣分子中吸引帶負電的電子，就像磁鐵吸引鐵屑一樣。通過這種方式，電荷擴散到高層大氣。目前，這種機制還只是理論上的，很難直接測量，但震后觀察到的電子團的痕跡似乎與這一理論相符。然而，沒有人在地震前清楚地觀察到這種效應(yīng)。

日置在他的研究中引入了一種新方法：利用復雜的GPS 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)測大氣中電子的細微變化。日本擁有特別密集的GPS 接收器網(wǎng)絡(luò)，這使得Hioki 能夠探測到東北地震震中高空空氣中的微弱電子波動。過了40分鐘，地面上的地震儀器才記錄下了大地的震動。

不過，日置表示，他當時對于發(fā)表自己的發(fā)現(xiàn)猶豫不決。 “我必須考慮如何公布這一發(fā)現(xiàn)，”他說。 “地震預報很特別，每個人都會非常興奮?！?

Hioki 沒有立即公布其研究結(jié)果。日本東北地震后，他又觀察到了兩次大地震。這兩次地震的地點都有詳細的GPS數(shù)據(jù)。日置發(fā)現(xiàn)兩次地震發(fā)生前至少30 分鐘電子密度顯著增加。地震越大，電子密度的變化似乎發(fā)生得越早。 2014年智利8.2級地震中，電子密度提前了25分鐘變化，而日本東北9.0級地震中，這一提前時間為40分鐘。因此，電子信號不僅表明地震即將發(fā)生，而且還表明即將發(fā)生地震的相對大小。 “我在地震前從未見過如此明顯的跡象”，日置說。

積極討論

2011年9月，在這些數(shù)據(jù)的支持下，日置終于發(fā)表了一篇論文，宣布了他的發(fā)現(xiàn)。很快，其他科學家開始指出問題。一些人認為日置的研究結(jié)果是對數(shù)據(jù)的誤解，地震期間和地震后的干擾影響了觀測。日置通過不同的分析方法來回應(yīng)質(zhì)疑，強調(diào)震前影響。他還將以一定角度觀察到的結(jié)果轉(zhuǎn)換為鳥瞰圖，以便更容易觀察到這些效果。但批評人士表示，日置只是在重組一組有問題的數(shù)據(jù)。另一個日本研究小組聲稱日置的發(fā)現(xiàn)是由地磁風暴引起的。日置進行了另一項分析來說明地磁風暴的影響，發(fā)現(xiàn)僅靠地磁風暴無法解釋他觀察到的所有變化。

很快，一些懷疑論者開始同意他的觀點。中谷正夫說：這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最好的地震前兆。中谷還表示，在90 年代這項努力失敗后，他不再相信地震預測，但日置重新點燃了他的信念，他相信這項工作很可能是地震科學史上最重要的發(fā)現(xiàn)。 NASA的宋宇和并沒有那么夸張，但他也認為電子密度的變化很難用錯誤來解釋，而且似乎預示著一些真實的事件（地震）。弗羅因德說，日置在日本東北地區(qū)研究了幾個月的地面壓力積聚和天空電子密度的變化。雖然這些壓力可以通過其他方式釋放，例如無法感覺到的安靜地震，但理論上仍然可以在地震發(fā)生之前檢測到帶電粒子的釋放并用于預測。

然而，批評者堅持認為，日置所看到的東西只存在于計算機中，而不存在于現(xiàn)實世界中。意大利國家地球物理和火山研究所的法布里齊奧·馬西說，他試圖在沒有提供有效證據(jù)的情況下檢驗他最初的想法。馬希在他發(fā)表的一些論文中不僅反駁了日置的說法，還反駁了其他地震預測的觀點，將日置的回應(yīng)描述為一種轉(zhuǎn)移注意力的伎倆。

大多數(shù)批評集中在日置對基準電子水平的讀取上。像電子這樣的微小粒子散布在整個地球上，并且像天氣一樣波動。日木相信，在地震發(fā)生之前，電子的濃度會比平常高一些。批評者認為這種變化是由電子每天的潮起潮落引起的。換句話說，日置可能正在尋找統(tǒng)計幽靈。

馬希更為激進。他聲稱，如果地震本質(zhì)上是混沌系統(tǒng)，那么可能就不存在所謂的地震前兆。如果不能準確確定事件的初始條件，就不可能知道最終的結(jié)果是什么。對于地震來說，確定所有的初始條件是極其困難的。

巴黎地球物理研究所的喬瓦尼·奧奇賓蒂(Giovanni Occhipinti)并不那么悲觀，盡管他也同意，充分了解巖石類型、壓力、附近斷層等所有因素來做出預測是令人畏懼的。挑戰(zhàn)。和日置一樣，奧吉平蒂也在研究地震如何影響大氣離子。他說，由于離子在大氣中非常無序，因此從所有噪音中提取信號幾乎是不可能的，因為這就像試圖從云中預測有一天會發(fā)生颶風一樣。他說，困難在于天空中有很多云不斷出現(xiàn)并移動，要弄清楚哪一朵云是前兆并不容易。

不久前，奧基平蒂站在懷疑者一邊，認為日置的研究結(jié)果只不過是統(tǒng)計數(shù)據(jù)而已。然而，Hioki 的最新研究考慮到了信號周圍復雜的三維空間，這引起了Okipinti 的興趣。與衛(wèi)星快照的有限用途相比，3D 建模可以在多個維度上顯示異常現(xiàn)象背后的相同物理過程，使它們更難被視為統(tǒng)計幽靈。 Okipinti 希望看到更多的三維分析，并將這些結(jié)果與其他模型進行比較，看看它們的擬合程度如何。因此，Okipinti還沒有完全相信日置的理論。但他也承認日置的理論是一個非常有吸引力的想法，并開始認真對待。奧基平蒂說，這個想法正在推動科學向前發(fā)展，但你必須非常、非常、非常嚴謹，因為它關(guān)系到人們的生活。

能否實現(xiàn)預警？

這里所說的生命可能有數(shù)十萬。美國地質(zhì)調(diào)查局統(tǒng)計了自2000年以來，歷時16年的世界各地地震造成的死亡人數(shù)。由于大地震并非每年都會發(fā)生，因此死亡人數(shù)每年都有所波動。然而，地震造成的死亡人數(shù)仍然令人畏懼。這16年中，死亡人數(shù)超過2萬的有7年，死亡人數(shù)超過20萬的有兩年。在受災最嚴重的國家，人們迫切需要任何可能的警告信號，即使只是幾秒鐘。例如，墨西哥城位于地球上最致命和研究最深入的地震帶之一。 1985 年造成多達10,000 人死亡的毀滅性地震后，墨西哥政府利用地震波可以在該地區(qū)傳播很長距離的事實建立了監(jiān)測系統(tǒng)。如果地震波來自足夠遠的地方，監(jiān)測系統(tǒng)可以提前幾分鐘發(fā)出警告。

地球物理學家、墨西哥國家防災中心主任卡洛斯·巴爾德斯表示，40分鐘的預警聽起來不錯，但現(xiàn)實并非那么簡單。首先，誤報會破壞任何應(yīng)急響應(yīng)。例如，墨西哥的一些地震引發(fā)了警告，但地震強度太弱或距離太遠，無法對城市造成實際損害。人們會變得惱火并停止響應(yīng)這些警報。但他更擔心相反的事情：恐慌。瓦爾迪茲說，有人會說，我有40 分鐘的時間，我要離開這座城市，一旦有人開始尖叫或逃跑，每個人都會效仿。道路將被堵塞，最終無人能安全抵達。

然而，其他應(yīng)急規(guī)劃人員指出，即使是短暫的警告也可以通過提供關(guān)閉天然氣管道或停止地鐵運營的時間來降低風險。更高的準確性將解決誤報問題。英國和俄羅斯科學家提議發(fā)射一顆衛(wèi)星來跟蹤日置所研究的大氣異常現(xiàn)象，而中國也在推進一項基于電離層電磁擾動的天基預測項目。但考慮到電離層的復雜性，加上地震本身令人費解的性質(zhì)，大氣數(shù)據(jù)真正用于地震預警可能還需要幾十年的時間。

蓋勒認為那一天不會到來。他說：130年來，尋找前兆的人們都有一種孩童般的信念，認為前兆一定存在，地震越大，前兆一定越大，但沒有特別明顯的理由支持這些信念。的。

即便如此，日置仍繼續(xù)前進。最近，他發(fā)表了一篇論文，利用三維模型詳細分析了2015年智利地震的前兆。他說，這篇論文可能會讓他的想法更難反駁。與此同時，他還試圖填補電荷與地震實際位置之間的數(shù)據(jù)空白，以更好地了解地殼中正在發(fā)生哪些物理過程導致天空高處的異常。日置表示，地震前電離層發(fā)生了一些變化，但我不知道是哪種物理機制造成的，但觀測數(shù)據(jù)本身非常清楚。

附：《環(huán)球科學》 日置佑介專訪：

問：

當談到地震預報時，大多數(shù)人都會從地下尋找線索。是什么讓你對天空感興趣？

A：

自2004年以來，我一直在研究地震后向上傳播的聲波對電離層的影響（這發(fā)生在地震后大約10分鐘）。當時我只是在尋找空氣中地震的同震效應(yīng)，但我發(fā)現(xiàn)了一些有趣的現(xiàn)象。

問：

您以前做過地震前兆研究嗎？

A：

我以前并不專門研究地震前兆，只是偶然發(fā)現(xiàn)的。在那之前，和其他科學家一樣，我一直想知道地震是否有某種電磁前兆。

問：

我們看到，您的研究和觀點發(fā)布后，很多科學家提出了質(zhì)疑。對于他們的質(zhì)疑，你怎么看？

A：

假設(shè)地震發(fā)生之前，地球表面應(yīng)該有電荷積累，但我們還沒有觀察到這一點，所以我可以理解批評。

問：

為了回應(yīng)批評，您建立了電信號出現(xiàn)時周圍環(huán)境的三維模型。它如何幫助確認這些電信號是地震的可靠前兆？

A：

電離層存在許多易于識別的自然變化，例如偶爾出現(xiàn)的電子層和由太陽耀斑引起的電子密度突然增加。幕式E層（Es）是一個小尺度的電離薄層，短暫出現(xiàn)在電離層中，具有較大的電子密度。耀斑引起的電子密度突然增加是全球性的。與我們研究的地震前兆相比，中尺度電離層擾動（MSTID）和大尺度電離層擾動（LSTID）更難區(qū)分，但它們有一個明顯的區(qū)別，那就是地震引起的電子異常不會在地震前兆中傳播。電離層，而MSTID和LSTID將在電離層中傳播。需要指出的是，這種差異在事后整理數(shù)據(jù)時很明顯，但在地震發(fā)生前30分鐘內(nèi)可能不太容易看出。

問：

您在大地震前觀察到一種特殊的電子信號，并指出地震震級越大，電子信號出現(xiàn)的越早。原因是什么？

A：

隨著地震震級的增加，損失、人員傷亡、地面震動和海嘯高度也會增加。因此，如果地震前兆不隨著地震震級的增加而變得更加明顯，那就很不正常了。

大地震也有大斷層面。我的猜測是，斷層內(nèi)發(fā)生了某種侵蝕過程（這就是導致電子空穴產(chǎn)生的原因）。因此，對于斷層面較大的地震，這個過程需要更長的時間。我正在與一位地震學專家合作撰寫的一篇即將發(fā)表的新論文專門討論了這個問題。

問：

較低震級的地震也會產(chǎn)生這種電子異常嗎？

A：

迄今為止觀測到的震前電子異常最小的地震發(fā)生在2016年的尼泊爾。這是2015年尼泊爾地震（里氏8.1級）中最大的余震。這是因為，對于小地震，產(chǎn)生的電荷有限，地面上形成的電場很難到達電離層。然而，無論地震的強度如何，這些累積的電荷都會在地震發(fā)生前出現(xiàn)在地面上。有了合適的傳感器，我們將能夠監(jiān)控這些電荷。

問：

除了您之外，還有哪些科學家在從事這一領(lǐng)域的研究？

A：

很多人把我和中國臺灣的一位研究人員混淆了。他就是中國臺灣中央大學空間科學研究所的劉正彥教授。他研究了電離層的另一種地震前兆，在中國大陸有很多追隨者。據(jù)我所知，中國大陸只有東北大學的何黎明博士在做這方面的研究。他曾經(jīng)和我一起做過兩年的博士后研究員。希望《地震可以預測？》這篇文章發(fā)表后，人們會對這個領(lǐng)域感興趣。

問：

您在地震預測方面與中國科學家有過交流嗎？

A：

去年夏天，我在中國地震局地應(yīng)力研究所做了題為《震前TEC異常的標準模型》的講座。人們可能對這方面的地震前兆研究感興趣。

問：

最后一個問題，可能也是人們最關(guān)心的一個問題，是我們能否預測未來的地震？

A：

（我的理論）技術(shù)上沒有什么大問題。然而，我們需要密集的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS，包括我國即將建成的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，記者注）能夠提供實時數(shù)據(jù)來監(jiān)測總電子含量的變化（電離層的TEC）。我們還需要一種復雜的算法來識別并消除空間天氣本身的影響。這離不開人力、財力的支持，所以我要說服更多的人（地震是可以預測的）然后實現(xiàn)。