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日本科學家:地震真的可以預測

2019-08-13 09:57:13  來源:環球科學

經過幾十年的研究后,科學界基本形成一個共識:地震是不可預測的。但最近,一位日本科學家提出了一個備受爭議的新理論:在地震發生前半個小時甚至更久,地震發生地上空的電子就會發生變化,而這種變化,似乎是即將發生的地震引起的。如果能證實電子變化與地震發生之間的關系,那么地震預測也許就能夠實現。

2011年3月11日星期五下午,當地面開始震動時,日置幸介(Kosuke Heki)正在日本北部的北海道大學的辦公室里。震動發生的地方離得很遠,同時每次震動持續了幾秒鐘。日置是一名地球物理學家,他研究一種神秘的現象,即地震發生后天空中電子形成的特殊模式。他對這次地震饒有興趣,但并未過度驚慌。這次地震似乎是一個很遠的大震。隨著震動的持續,他甚至覺得這次地震的觀測數據可能將有助于他的研究。這時有人打開電視新聞,日置的好奇心也瞬間變成了恐懼。

他感受到的震動源自日本近代以來最大的地震——毀滅性的9.0級東北大地震。這次地震造成該國數千億美元損失,并至少奪走了1.5萬人的生命。地震引發的海嘯使福島第一核電站陷入癱瘓,進而導致了全球近25年來最嚴重的核災難。

當救援人員努力疏散群眾,挽救當地人民的生命時,日置能做的,只有等待時斷時續的電話和互聯網恢復正常。終于,互聯網在星期天恢復了。日置馬上下載了日本東北町上空的衛星觀測資料,如饑似渴地進行梳理。如他所料,電離層的電子在震后10分鐘出現了擾動,但震后幾分鐘的觀測結果不能說明他的模型就是對的。因此,日置試圖擴大時間范圍,將震前一個小時內的觀測數據也包括進來。就在那時,他有了不同尋常的發現。

日置幸介

日置幸介

日置發現,在地震發生的40分鐘前,震中上空的電子密度略微增加了。這可能是個異常,只是單次事件,也可能是儀器故障,但也可能有著其他原因。目前,科學家還沒有找到某種可靠的地震前兆,用來在大地震發生前警告人們。如果電子變化可以作為這種指示跡象的話,每年數千人的生命將得到挽救。

日置立馬懷疑是不是自己的觀測數據出了問題,因此他又收集了另外兩個地震的數據。再次觀測到電子密度的變化后,他決定繼續深入研究這一現象。到目前為止,他已經在18個大地震震前發現了類似的電子信號。在過去8年中,他開始逐漸相信這種電子信號是真實存在的。

現在,其他專家也開始密切關注這一觀點。“多年以前,人們認為天氣無法預測,但我們現在就可以,”美國航空航天局噴氣推進實驗室的遙感專家宋予合(Yuhe Tony Song)說,“在地面感受到震動之前,我們可能會觀察到一些現象。現在出現了這些現象……我認為這值得討論。”

但也不是每個人都同意這種觀點。許多科學家認為,日置的工作只是一連串錯誤預報里面最新的一個。“它們就像普通感冒一樣,總是四處流傳,”東京大學的名譽教授、地震學家羅伯特·蓋勒(Robert J。 Geller)說道,他花了數年時間揭穿各種錯誤的地震預報方法。“對于這些方法,如果你不理睬,它們自己就會消失。”

然而,日置的觀點似乎并沒有消失,并且還可能會越來越可信。科學家在中型和大型地震中都發現了這樣的電子信號,其他科學家也已經發展了一個將地面斷層與空中電子活動聯系起來的理論。日置本人在《地球物理研究快報》(Geophysical Research Letters)等著名期刊上發表了他的發現,并受邀在美國地球物理學會的年會上作報告。去年,日本千葉大學舉辦了一次會議,整場都用來討論地震預警問題,其中就包括日置的發現。如果日置的想法是正確的,那么它對公共安全的影響將是巨大的。但是,要利用這些征兆,還要解決一些難題,比如預警系統發出警報的準確程度必須要達到多高,以及應該采取何種應急響應?

因為幾乎沒有任何預警,致命的日本東北大地震和海嘯摧毀了日本的陸前高田市。災難過后,居民走在廢墟中。

因為幾乎沒有任何預警,致命的日本東北大地震和海嘯摧毀了日本的陸前高田市。災難過后,居民走在廢墟中。

電子信號

據說,地震震級的創造者查爾斯·F·里克特(Charles F。 Richter)曾說過,“只有傻瓜和騙子才去預測地震。”但他的言論并沒有讓人們停止嘗試。公元前373年,希臘發生了一場約6.0~6.7級的地震,赫里克市遭摧毀。據記載,在地震發生的5天前,動物就四散逃跑,去尋找庇護場所。日本人曾經認為,抽搐或抖動的鯰魚可以預測地震。狗、羊、蜈蚣、奶牛以及被稱為“偉大的阿格斯”的蘇門答臘野雞,據說都會在地震發生前改變行為。

有些人還把突然變干的井、溫度變化、氡氣釋放和一些較小的前震看作可能的地震前兆。1975年,中國科學家將這些跡象(包括動物行為)結合起來,甚至預測了7.3級的海城地震,并提前疏散了居民。這次成功的地震預測帶來了希望。“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,”東京大學巖石力學專家中谷正生(Masao Nakatani)說,“那時,我們傾向于認為地震是一定可以預測的。”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個挑戰。

然而,可靠的預測信號并不好找。中國成功預測海城地震之后一年,同樣的技術卻未能預測另一場更大的地震(唐山大地震),后者導致了二十幾萬人死亡。日本坐落于板塊運動頻發的環太平洋火山帶上,在付出了相當大的努力后,日本科學家發現一種前兆只適用于一場地震,無法用來預測下次地震。大自然似乎在不斷改變規則。20世紀90年代末期,美國基于先前地震的模式,預測了加利福尼亞州的帕克菲爾德附近將發生地震。但地震并未發生,美國也因此放棄了預測地震的努力。地震最終在2004年發生了,但絲毫沒有出現期待的預警信號。

日本東北大地震發生的那年,意大利政府設立的國際地震預測委員會基本上停止了地震預測的研究。該委員會的成員在2011年5月寫道:“盡管日本進行了持續的研究,但幾乎沒有發現證據表明,存在可以預測即將發生的大地震的前兆。”

帶正電荷的空穴

四個月后,日置為地震預測研究找到了新方向。他發現,暗含玄機的電離粒子不在地表,而是在距離地面約300千米的天空中。大地和天空存在某種關聯的想法并不是毫無依據。20世紀70年代,科學家首次發現巖石在高壓下能產生電流,就像是一個小小的電池一樣。該理論認為,當巖石受壓時,氧原子會釋放電子,形成物理學家所說的(p-holes)。臨近原子的電子補充到空穴中,進而產生電荷移動的連鎖反應。

這些空穴“能在很遠范圍內移動,從幾千米、十幾千米到數百千米,”美國航空航天局和搜索地外文明研究所(SETI)的研究員弗里德曼·弗羅因德(Friedemann Freund)說,他正是這一現象的發現者。“就像滅火時用的一桶水一樣,不斷地從一個人的手中傳遞給下一個人。”

弗羅因德說,空穴先是在巖石中傳遞,最終到達地球表面。在地表,它們吸引空氣分子中帶負電的電子,就像磁鐵吸引鐵屑一樣。就這樣,電荷便傳播到高層大氣了。目前,這種機制還只是理論,很難直接測量,但震后觀測到的電子叢痕跡似乎符合這一理論。但是,還沒有人在震前清清楚楚地觀測到這種效應。

日置在他的研究中引入了一種新方法:利用復雜的GPS衛星網絡,來監測大氣中電子的細微變化。日本擁有特別密集的GPS接收器網絡,這使得日置能夠發現日本東北大地震震中上方高空中微弱的電子波動,這之后過了40分鐘,地面的地震儀器才記錄到大地的震動。

但是,日置卻說他當時在猶豫是否發表他的發現。“我得考慮如何發表這個發現,”他說,“地震預測很特別,所有人都會非常激動。”

實際上,日置確實沒有立即發表自己的發現。在日本東北大地震之后,他又觀察了另外兩次大地震,這兩次地震所在地都有詳細的GPS數據。日置發現,在這兩場地震發生前至少30分鐘,電子密度都出現了明顯增加。地震越大,電子密度出現變化的時間似乎越提前。在2014年智利的8.2級地震中,電子密度出現變化的時間是提前了25分鐘,而在9.0級的日本東北大地震中,這一提前時間則是40分鐘。所以說,電子信號不僅提示地震即將發生,還會表明了即將發生的地震的相對大小。“我從未見過如此明顯的震前征兆,”日置說。

激烈的爭論

2011年9月,在這些數據的支持下,日置終于發表了一篇論文,宣布了他的發現。很快,其他科學家就開始指出問題。有人認為,日置的研究結果是對數據的誤讀,地震發生時和震后的干擾影響了觀測。日置采用了不同的分析方法來突出震前效應,以此回應質疑。他還將以一定角度觀測的結果轉換為鳥瞰圖,這樣就可以更容易觀察到那些效應。但批評者認為,日置只是在重新組織一套有問題的數據。另一個日本研究團隊聲稱,日置的發現是地球磁暴造成的。日置進行了另一項分析來闡述磁暴的影響,發現地球磁暴本身無法解釋他觀測到的所有變化。

不久,一些懷疑者開始認同他的觀點。中谷正生說:“這是迄今為止發現的最好的地震前兆。” 中谷正生還說,20世紀90年代的努力失敗后,他就不再相信地震預報了,但日置重新點燃了他的信念,以至于他認為這項工作很可能是“地震科學史上最重要的發現”。美國航空航天局的宋予合則沒這么夸張,但他也認為電子密度的變化很難用誤差來解釋,這似乎預示著一些真實的事件(地震)。弗羅因德說,日置研究了日本東北地區幾個月內大地的壓力積聚和天空中電子密度的變化。雖然這些壓力可能會通過其他方式釋放,比如感受不到的靜地震,但在理論上,帶電粒子的釋放仍然可以在地震發生前被監測到,并用于預報。

然而,批評者堅持認為,日置看到的現象只存在于計算機里,而非現實世界中。“他試圖在沒有提供有效證據的情況下,驗證他的最初想法,”意大利國家地球物理和火山研究所的法布里奇奧·馬希(Fabrizio Masci)說道。馬希在他已經發表的一些論文里,不僅反駁了日置,還反駁了其他地震預測的想法,并且形容日置的回應是“轉移讀者注意力的把戲”。

很多批評集中在日置對基準電子水平的讀取上。電子這樣的微小粒子遍布地球各處,并且像天氣一樣波動。日置認為,就在地震發生之前,電子的聚集程度會比平時高一點。批評者則認為,這種變化是電子每天的潮起潮落引起的。換句話說,日置尋找的可能是一個統計學幽靈。

馬希則更為激進,他聲稱,如果地震從根本上來說屬于混沌系統,那么可能就沒有什么所謂的地震前兆。如果事件的初始條件沒法精確確定,那也就無法知道最終的結果是什么。對于地震,確定所有初始條件是極其困難的。

巴黎地球物理研究所的喬瓦尼·奧基平蒂(Giovanni Occhipinti)并不那么悲觀,雖然他也認為充分理解巖石類型、壓力、附近的斷層等所有影響因素,進而做出預測是一個令人生畏的挑戰。與日置一樣,奧基平蒂也在研究地震如何影響大氣離子。他說,鑒于離子在大氣中是如此的無序,從所有噪音中提取信號幾無可能,因為那就像試圖根據一片云預測一天后的颶風一樣。“(這么做的)困難之處在于,天空中有大量的云不斷出現,四處移動,”他說,“要找到哪塊云作為前兆的方法并不容易。”

不久之前,奧基平蒂還站在懷疑者的一邊,認為日置的發現只是統計學上的小波動。然而,日置在最新的研究當中,考慮了信號出現時周圍復雜的三維空間,這引起了奧基平蒂的興趣。與作用有限的衛星快照相比,三維建模可以從多個維度顯示異常現象背后相同的物理過程,使得它們很難再被當作統計幽靈。奧基平蒂希望看到更多的三維分析,并將這些結果與其他模型進行比較,看看它們符合得有多好。所以說,奧基平蒂現在還不是完全相信日置的理論。但他也承認,日置的理論是一個“非常吸引人”的想法,并開始認真對待。“這個想法正在推動科學向前發展,” 奧基平蒂說,“但你必須非常、非常、非常嚴謹,因為它與人們的生命息息相關。”

預警能實現嗎

這里說的生命可能達到數十萬之多。美國地質調查局統計了2000年以來全球地震造成的死亡人數,時間跨度是16年。由于不是每年都有大地震,所以每年的死亡人數也有所波動。但是,因地震而死亡的人數仍令人生畏。在這16年中,有7年的死亡人數超過了2萬人,同時還有兩年的死亡人數超過了20萬人。在受災最嚴重的國家,人們迫切需要任何可能的預警信號,哪怕只能提前幾秒鐘。以墨西哥城為例,它位于地球上最致命以及得到了充分研究的地震帶之一。在1985年那次造成多達1萬人死亡的毀滅性地震后,墨西哥政府利用地震波在該地區能長距離傳播的事實,建立了一個監測系統。如果地震波來自足夠遠的地方,監測系統就能提前幾分鐘發出預警。

墨西哥國家災害預防中心主任、地球物理學家卡洛斯·瓦爾德斯(Carlos Valdés)表示,提前40分鐘的預警聽起來不錯,但實際情況并非如此簡單。首先,誤報會損害所有的應急響應。例如,墨西哥的一些地震觸發了預警,但它們的能量太弱或者位置很遠,實際上并不能破壞城市。人們會變得惱火,并停止響應這些警報。但他更擔心的是相反的情形:恐慌。“有人會說,我有40分鐘,我要離開這座城市,”瓦爾德斯說,“只要有一個人開始尖叫或逃跑,然后每個人都會這么做。”道路會堵塞,最終沒人能到達安全地點。

不過,其他應急計劃人員指出,即便是短時預警也能為關閉天然氣管道或停止地鐵運行提供時間,從而降低風險。更高的準確性將解決假警報的問題。英國和俄羅斯的科學家已經提議發射一顆衛星,來跟蹤比如日置研究的大氣異常,而中國也正在推進一項基于電離層電磁擾動的天基預測項目。但是,鑒于電離層的復雜性,加上令人費解的地震本身,將大氣數據真正用于地震預警可能還需要幾十年時間。

蓋勒認為那一天將不會到來。他說:“在過去的130年里,尋找前兆的人都有著孩子般的信念,即前兆一定存在,以及地震越大,前兆也一定越大,但并沒有什么特別明顯的理由支持這些信念是正確的。”

即便如此,日置仍在繼續前行。最近,他發表了一篇論文,利用三維建模詳細地分析了2015年智利地震的前兆。他說,這篇論文可能使他的想法更難被反駁。同時,他還在試圖填補電荷與實際地震位置之間的數據空白,以便更好地理解地殼中發生了哪些物理過程,才使得高空出現異常。“震前電離層發生了一些變化,但我不知道是哪種物理機制導致的,”日置說,“但觀測數據本身非常明顯。”

附《環球科學》對日置幸介的專訪:

Q:

就地震預測而言,大部分人都在尋找來自地下的線索,是什么讓你對天空感興趣?

A:

從2004年開始,我一直在研究地震發生后,向上傳播的聲波對電離層有什么影響(這大約出現在地震發生后10分鐘)。當時我只是想找找空中有沒有地震的同震效應,但卻發現了一些有趣的現象。

Q:

在此之前,你對地震前兆有過研究嗎?

A:

我之前并不是專門研究地震前兆,只是偶然發現了而已。在那之前,跟其他科學家一樣,我也懷疑地震是否有某種電磁前兆。

Q:

我們看到,你的研究和觀點發布之后,很多科學家都提出了質疑,你如何看待他們的質疑?

A:

按照假設,在地震發生之前,地球表面應該出現積聚的電荷,但我們還沒能觀測到這一現象,所以我能理解大家的批評。

Q:

為了回應批評者的質疑,你建立了電子信號出現時周圍環境的三維模型,它如何幫助確認這些電子信號是可靠的地震前兆?

A:

電離層中有很多自然變化,比如偶發E層和太陽耀斑導致的電子密度突然增加,是容易辨別的。偶發E層(Es)是電離層內短暫出現的小范圍電離薄層,電子密度很大,而耀斑導致的電子密度突然增加則是全球性的。跟我們研究的地震前兆相比,中尺度電離層行擾(MSTID)和大尺度電離層行擾(LSTID)比較難區分一些,但它們有一個明顯的區別,那就是地震引起的電子異常不會在電離層中傳播,而MSTID和LSTID則會在電離層中傳播。需要指出的是,這一區別在事后整理數據時很明顯,但在地震發生前的30分鐘內,它可能并不容易看出來。

Q:

你是在大型地震前觀測到了特殊的電子信號,并指出地震震級越大,電子信號出現的時間越提前,原因是什么?

A:

隨著地震震級的提高,地震造成的損害、人員傷亡、地面晃動、海嘯高度也都隨之增加。因此,如果地震前兆不隨著地震震級的提高而變得更加明顯反倒是相當不正常的。

大型地震的斷層面也很大。我猜測,斷層內發生了某種侵蝕過程(正是這種過程導致了電子穴的產生)。因此,對于斷層面更大的地震來說,這種過程需要的時間也更長。我跟一位地震學專家合作的一篇新論文即將發表,里面專門討論了這個問題。

Q:

震級較低的地震是否也會產生這種電子異常?

A:

目前觀察到的有震前電子異常的最小地震是2016年發生在尼泊爾,它是2015年尼泊爾大地震(里氏震級達8.1級)的一次最大余震。這是因為,對小型地震來說,它產生的電荷有限,導致在地面形成的電場難以到達電離層。但是,不管地震震級大小,在震前,地面上都會出現這種積聚的電荷。利用合適的傳感器,我們將能夠監測到這些電荷。

Q:

除了你之外,還有哪些科學家在做這方面的研究?

A:

很多人把我跟中國臺灣的一位研究人員搞混了,他是中國臺灣中央大學太空科學研究所的劉正彥教授。他研究電離層中另一種地震前兆,并且在中國大陸地區有很多跟隨者。就我所知,中國大陸只有東北大學的賀黎明博士在做我這方面的研究,他曾作為博士后研究員,在我這里做了兩年研究。我希望《地震可以預測?》這篇文章發表后,人們會對這個領域感興趣。

Q:

在地震預測方面,你與中國科學家有互動嗎?

A:

去年夏天,我在中國地震局地殼應力研究所做了一場題為《震前TEC異常的“標準模型”》的演講。人們或許會對這方面的地震前兆研究感興趣。

Q:

最后一個問題,可能也是人們最關心的問題是,我們將來到底能不能預測地震?

A:

(我的理論)在技術上是沒有太大問題的。但是,我們需要一個能提供實時數據的全球導航衛星系統(GNSS,包括我國即將建設完成的北斗導航衛星系統,記者注)密集陣列,來監測電離層總電子含量(TEC)的變化,同時還需要一個復雜的算法,識別并消除空間天氣本身的影響。這離不開人力和財力的支持,所以我還得讓更多人相信(地震是可以預測的),進而實現它。

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