2011年3月11日星期五下午，當(dāng)?shù)孛骈_始震動時，日置幸介（Kosuke Heki）正在日本北部的北海道大學(xué)的辦公室里。震動發(fā)生的地方離得很遠(yuǎn)，同時每次震動持續(xù)了幾秒鐘。日置是一名地球物理學(xué)家，他研究一種神秘的現(xiàn)象，即地震發(fā)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(yuǎn)的大震。隨著震動的持續(xù)，他甚至覺得這次地震的觀測數(shù)據(jù)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(shù)千億美元損失，并至少奪走了1.5萬人的生命。地震引發(fā)的海嘯使福島第一核電站陷入癱瘓，進而導(dǎo)致了全球近25年來最嚴(yán)重的核災(zāi)難。

當(dāng)救援人員努力疏散群眾，挽救當(dāng)?shù)厝嗣竦纳鼤r，日置能做的，只有等待時斷時續(xù)的電話和互聯(lián)網(wǎng)恢復(fù)正常。終于，互聯(lián)網(wǎng)在星期天恢復(fù)了。日置馬上下載了日本東北町上空的衛(wèi)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(xiàn)了擾動，但震后幾分鐘的觀測結(jié)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(nèi)的觀測數(shù)據(jù)也包括進來。就在那時，他有了不同尋常的發(fā)現(xiàn)。

日置幸介

日置發(fā)現(xiàn)，在地震發(fā)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(xué)家還沒有找到某種可靠的地震前兆，用來在大地震發(fā)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(shù)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(shù)據(jù)出了問題，因此他又收集了另外兩個地震的數(shù)據(jù)。再次觀測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個大地震震前發(fā)現(xiàn)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(xiàn)在，其他專家也開始密切關(guān)注這一觀點?！岸嗄暌郧埃藗冋J(rèn)為天氣無法預(yù)測，但我們現(xiàn)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(xiàn)象?，F(xiàn)在出現(xiàn)了這些現(xiàn)象……我認(rèn)為這值得討論?！?/p>

但也不是每個人都同意這種觀點。許多科學(xué)家認(rèn)為，日置的工作只是一連串錯誤預(yù)報里面最新的一個?！八鼈兙拖衿胀ǜ忻耙粯?，總是四處流傳，”東京大學(xué)的名譽教授、地震學(xué)家羅伯特·蓋勒（Robert J. Geller）說道，他花了數(shù)年時間揭穿各種錯誤的地震預(yù)報方法?！皩τ谶@些方法，如果你不理睬，它們自己就會消失?！?/p>

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?？茖W(xué)家在中型和大型地震中都發(fā)現(xiàn)了這樣的電子信號，其他科學(xué)家也已經(jīng)發(fā)展了一個將地面斷層與空中電子活動聯(lián)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(fā)表了他的發(fā)現(xiàn)，并受邀在美國地球物理學(xué)會的年會上作報告。去年，日本千葉大學(xué)舉辦了一次會議，整場都用來討論地震預(yù)警問題，其中就包括日置的發(fā)現(xiàn)。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(yù)警系統(tǒng)發(fā)出警報的準(zhǔn)確程度必須要達(dá)到多高，以及應(yīng)該采取何種應(yīng)急響應(yīng)？

因為幾乎沒有任何預(yù)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(zāi)難過后，居民走在廢墟中。

電子信號

據(jù)說，地震震級的創(chuàng)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(yù)測地震?！钡难哉摬]有讓人們停止嘗試。公元前373年，希臘發(fā)生了一場約6.0~6.7級的地震，赫里克市遭摧毀。據(jù)記載，在地震發(fā)生的5天前，動物就四散逃跑，去尋找庇護場所。日本人曾經(jīng)認(rèn)為，抽搐或抖動的鯰魚可以預(yù)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(jù)說都會在地震發(fā)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(xué)家將這些跡象（包括動物行為）結(jié)合起來，甚至預(yù)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(yù)測帶來了希望。“20世紀(jì)70年代，美國和日本的地震學(xué)家對短期地震預(yù)測非常樂觀，”東京大學(xué)巖石力學(xué)專家中谷正生（Masao Nakatani）說，“那時，我們傾向于認(rèn)為地震是一定可以預(yù)測的。”到了20世紀(jì)80年代，美國和日本都成立了研究小組來探索這個挑戰(zhàn)。

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

日本東北大地震發(fā)生的那年，意大利政府設(shè)立的國際地震預(yù)測委員會基本上停止了地震預(yù)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(xù)的研究，但幾乎沒有發(fā)現(xiàn)證據(jù)表明，存在可以預(yù)測即將發(fā)生的大地震的前兆?！?/p>

四個月后，日置為地震預(yù)測研究找到了新方向。他發(fā)現(xiàn)，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(guān)聯(lián)的想法并不是毫無依據(jù)。20世紀(jì)70年代，科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)巖石在高壓下能產(chǎn)生電流，就像是一個小小的電池一樣。該理論認(rèn)為，當(dāng)巖石受壓時，氧原子會釋放電子，形成物理學(xué)家所說的帶正電荷的空穴（p-holes）。臨近原子的電子補充到空穴中，進而產(chǎn)生電荷移動的連鎖反應(yīng)。

這些空穴“能在很遠(yuǎn)范圍內(nèi)移動，從幾千米、十幾千米到數(shù)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(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)者?！熬拖駵缁饡r用的一桶水一樣，不斷地從一個人的手中傳遞給下一個人?！?/p>

弗羅因德說，空穴先是在巖石中傳遞，最終到達(dá)地球表面。在地表，它們吸引空氣分子中帶負(fù)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(yīng)。

日置在他的研究中引入了一種新方法：利用復(fù)雜的GPS衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，來監(jiān)測大氣中電子的細(xì)微變化。日本擁有特別密集的GPS接收器網(wǎng)絡(luò)，這使得日置能夠發(fā)現(xiàn)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(dāng)時在猶豫是否發(fā)表他的發(fā)現(xiàn)。“我得考慮如何發(fā)表這個發(fā)現(xiàn)，”他說，“地震預(yù)測很特別，所有人都會非常激動?！?p>

實際上，日置確實沒有立即發(fā)表自己的發(fā)現(xiàn)。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(xì)的GPS數(shù)據(jù)。日置發(fā)現(xiàn)，在這兩場地震發(fā)生前至少30分鐘，電子密度都出現(xiàn)了明顯增加。地震越大，電子密度出現(xiàn)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(xiàn)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(fā)生，還會表明了即將發(fā)生的地震的相對大小?！拔覐奈匆娺^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(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(xué)家就開始指出問題。有人認(rèn)為，日置的研究結(jié)果是對數(shù)據(jù)的誤讀，地震發(fā)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(yīng)，以此回應(yīng)質(zhì)疑。他還將以一定角度觀測的結(jié)果轉(zhuǎn)換為鳥瞰圖，這樣就可以更容易觀察到那些效應(yīng)。但批評者認(rèn)為，日置只是在重新組織一套有問題的數(shù)據(jù)。另一個日本研究團隊聲稱，日置的發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(rèn)同他的觀點。中谷正生說：“這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最好的地震前兆?！?中谷正生還說，20世紀(jì)90年代的努力失敗后，他就不再相信地震預(yù)報了，但日置重新點燃了他的信念，以至于他認(rèn)為這項工作很可能是“地震科學(xué)史上最重要的發(fā)現(xiàn)”。美國航空航天局的宋予合則沒這么夸張，但他也認(rèn)為電子密度的變化很難用誤差來解釋，這似乎預(yù)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(qū)幾個月內(nèi)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(fā)生前被監(jiān)測到，并用于預(yù)報。

然而，批評者堅持認(rèn)為，日置看到的現(xiàn)象只存在于計算機里，而非現(xiàn)實世界中?！八噲D在沒有提供有效證據(jù)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(jīng)發(fā)表的一些論文里，不僅反駁了日置，還反駁了其他地震預(yù)測的想法，并且形容日置的回應(yīng)是“轉(zhuǎn)移讀者注意力的把戲”。

很多批評集中在日置對基準(zhǔn)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(rèn)為，就在地震發(fā)生之前，電子的聚集程度會比平時高一點。批評者則認(rèn)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(tǒng)計學(xué)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(tǒng)，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(jié)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(rèn)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(yù)測是一個令人生畏的挑戰(zhàn)。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(jù)一片云預(yù)測一天后的颶風(fēng)一樣?！埃ㄟ@么做的）困難之處在于，天空中有大量的云不斷出現(xiàn)，四處移動，”他說，“要找到哪塊云作為前兆的方法并不容易?！?/p>

不久之前，奧基平蒂還站在懷疑者的一邊，認(rèn)為日置的發(fā)現(xiàn)只是統(tǒng)計學(xué)上的小波動。然而，日置在最新的研究當(dāng)中，考慮了信號出現(xiàn)時周圍復(fù)雜的三維空間，這引起了奧基平蒂的興趣。與作用有限的衛(wèi)星快照相比，三維建?？梢詮亩鄠€維度顯示異常現(xiàn)象背后相同的物理過程，使得它們很難再被當(dāng)作統(tǒng)計幽靈。奧基平蒂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，看看它們符合得有多好。所以說，奧基平蒂現(xiàn)在還不是完全相信日置的理論。但他也承認(rèn)，日置的理論是一個“非常吸引人”的想法，并開始認(rèn)真對待。“這個想法正在推動科學(xué)向前發(fā)展，” 奧基平蒂說，“但你必須非常、非常、非常嚴(yán)謹(jǐn)，因為它與人們的生命息息相關(guān)?！?/p>

預(yù)警能實現(xiàn)嗎

這里說的生命可能達(dá)到數(shù)十萬之多。美國地質(zhì)調(diào)查局統(tǒng)計了2000年以來全球地震造成的死亡人數(shù)，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(shù)也有所波動。但是，因地震而死亡的人數(shù)仍令人生畏。在這16年中，有7年的死亡人數(shù)超過了2萬人，同時還有兩年的死亡人數(shù)超過了20萬人。在受災(zāi)最嚴(yán)重的國家，人們迫切需要任何可能的預(yù)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(dá)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(qū)能長距離傳播的事實，建立了一個監(jiān)測系統(tǒng)。如果地震波來自足夠遠(yuǎn)的地方，監(jiān)測系統(tǒng)就能提前幾分鐘發(fā)出預(yù)警。

墨西哥國家災(zāi)害預(yù)防中心主任、地球物理學(xué)家卡洛斯·瓦爾德斯（Carlos Valdés）表示，提前40分鐘的預(yù)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(yīng)急響應(yīng)。例如，墨西哥的一些地震觸發(fā)了預(yù)警，但它們的能量太弱或者位置很遠(yuǎn)，實際上并不能破壞城市。人們會變得惱火，并停止響應(yīng)這些警報。但他更擔(dān)心的是相反的情形：恐慌?！坝腥藭f，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?！钡缆窌氯?，最終沒人能到達(dá)安全地點。

不過，其他應(yīng)急計劃人員指出，即便是短時預(yù)警也能為關(guān)閉天然氣管道或停止地鐵運行提供時間，從而降低風(fēng)險。更高的準(zhǔn)確性將解決假警報的問題。英國和俄羅斯的科學(xué)家已經(jīng)提議發(fā)射一顆衛(wèi)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(yù)測項目。但是，鑒于電離層的復(fù)雜性，加上令人費解的地震本身，將大氣數(shù)據(jù)真正用于地震預(yù)警可能還需要幾十年時間。

蓋勒認(rèn)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(xù)前行。最近，他發(fā)表了一篇論文，利用三維建模詳細(xì)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(shù)據(jù)空白，以便更好地理解地殼中發(fā)生了哪些物理過程，才使得高空出現(xiàn)異常?！罢鹎半婋x層發(fā)生了一些變化，但我不知道是哪種物理機制導(dǎo)致的，”日置說，“但觀測數(shù)據(jù)本身非常明顯?！?/p>

附《環(huán)球科學(xué)》對日置幸介的專訪：

Q：就地震預(yù)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(fā)生后，向上傳播的聲波對電離層有什么影響（這大約出現(xiàn)在地震發(fā)生后10分鐘）。當(dāng)時我只是想找找空中有沒有地震的同震效應(yīng)，但卻發(fā)現(xiàn)了一些有趣的現(xiàn)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(fā)現(xiàn)了而已。在那之前，跟其他科學(xué)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(fā)布之后，很多科學(xué)家都提出了質(zhì)疑，你如何看待他們的質(zhì)疑？

A：按照假設(shè)，在地震發(fā)生之前，地球表面應(yīng)該出現(xiàn)積聚的電荷，但我們還沒能觀測到這一現(xiàn)象，所以我能理解大家的批評。

Q：為了回應(yīng)批評者的質(zhì)疑，你建立了電子信號出現(xiàn)時周圍環(huán)境的三維模型，它如何幫助確認(rèn)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(fā)E層和太陽耀斑導(dǎo)致的電子密度突然增加，是容易辨別的。偶發(fā)E層（Es）是電離層內(nèi)短暫出現(xiàn)的小范圍電離薄層，電子密度很大，而耀斑導(dǎo)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(qū)分一些，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(qū)別在事后整理數(shù)據(jù)時很明顯，但在地震發(fā)生前的30分鐘內(nèi)，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(xiàn)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(dāng)不正常的。

大型地震的斷層面也很大。我猜測，斷層內(nèi)發(fā)生了某種侵蝕過程（正是這種過程導(dǎo)致了電子穴的產(chǎn)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(xué)專家合作的一篇新論文即將發(fā)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(chǎn)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(fā)生在尼泊爾，它是2015年尼泊爾大地震（里氏震級達(dá)8.1級）的一次最大余震。這是因為，對小型地震來說，它產(chǎn)生的電荷有限，導(dǎo)致在地面形成的電場難以到達(dá)電離層。但是，不管地震震級大小，在震前，地面上都會出現(xiàn)這種積聚的電荷。利用合適的傳感器，我們將能夠監(jiān)測到這些電荷。

Q：除了你之外，還有哪些科學(xué)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(xué)太空科學(xué)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(qū)有很多跟隨者。就我所知，中國大陸只有東北大學(xué)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(yù)測？》這篇文章發(fā)表后，人們會對這個領(lǐng)域感興趣。

Q：在地震預(yù)測方面，你與中國科學(xué)家有互動嗎？

A：去年夏天，我在中國地震局地殼應(yīng)力研究所做了一場題為《震前TEC異常的“標(biāo)準(zhǔn)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(guān)心的問題是，我們將來到底能不能預(yù)測地震？

A：（我的理論）在技術(shù)上是沒有太大問題的。但是，我們需要一個能提供實時數(shù)據(jù)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS，包括我國即將建設(shè)完成的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，記者注）密集陣列，來監(jiān)測電離層總電子含量（TEC）的變化，同時還需要一個復(fù)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(yù)測的），進而實現(xiàn)它。

（原標(biāo)題：顛覆認(rèn)知？日本科學(xué)家：地震真的可以預(yù)測 本文獲微信公眾號“環(huán)球科學(xué)：huanqiukexue”授權(quán)轉(zhuǎn)載，禁止二次轉(zhuǎn)載）