经过几十年的研究，科学界基本达成共识：地震是不可预测的。但最近，一位日本科学家提出了一个颇受争议的新理论：地震发生前半小时或更长时间，地震现场上空的电子会发生变化，而这种变化似乎是由即将发生的地震引起的。的。如果能够证明电子变化与地震发生之间的关系，那么地震预测就有可能成为可能。
2011 年3 月11 日星期五下午，当地面开始震动时，Kosuke Heki 正在日本北部北海道大学的办公室里。震动发生的时间间隔很远，每次持续几秒钟。日置是一位地球物理学家，他研究一种神秘现象，即地震后天空中电子的特殊模式。他对地震很感兴趣，但并没有过度惊慌。这次地震看起来是一场非常大的地震。随着震动的持续，他甚至觉得这次地震的观测数据或许对他的研究有帮助。这时，有人打开了电视新闻，日置的好奇瞬间变成了恐惧。
他感受到的震动来自——年毁灭性的9.0级东北地震，这是日本近代以来最大的地震。这次地震给该国造成了数千亿美元的损失，并夺去了至少15,000 人的生命。地震引发的海啸导致福岛第一核电站瘫痪，导致世界25年来最严重的核灾难。
当救援人员努力疏散人员并拯救当地人的生命时，日置能做的就是等待断断续续的电话和网络恢复正常。终于，互联网在周日恢复了。日置立即下载了日本东北地区的卫星观测数据，并急切地进行了梳理。正如他所预料的那样，地震后10分钟电离层中的电子受到扰动，但地震后几分钟的观测并不能证明他的模型是正确的。因此，日置尝试扩大时间范围，将地震发生前一小时内的观测数据纳入其中。就在那时，他有了一个不寻常的发现。
日置佑介
日置发现，地震发生前40分钟，震中上方的电子密度略有增加。这可能是异常、单一事件或仪器故障，但也可能有其他原因。目前，科学家尚未发现任何可靠的地震前兆可以用来在大地震发生前向人们发出警告。如果电力变化有任何迹象的话，每年可以挽救数千人的生命。
日置立即怀疑自己的观测数据有问题，于是他又收集了另外两次地震的数据。再次观察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次大地震前发现了类似的电子信号。在过去的八年里，他逐渐相信电子信号是真实的。
现在，其他专家正在仔细研究。美国宇航局喷气推进实验室的遥感专家Yuhe Tony Song 表示，多年前，人们认为天气是不可预测的，但现在我们可以了。在地面感受到振动之前，我们也许能够观察到一些现象。既然这些现象正在发生……我觉得值得讨论一下。
但并不是所有人都同意这个观点。许多科学家认为，日置的工作只是一长串错误预测中的最新一个。东京大学名誉教授、地震学家罗伯特·J·盖勒多年来一直致力于揭穿各种错误的地震预报方法，他说，它们就像普通感冒一样，总是在传播。如果你忽略这些方法，它们就会自行消失。
然而，日置的观点似乎并没有消失，而且可能变得越来越可信。科学家们在中型和大型地震中都发现了这种电子信号，其他科学家也提出了一种将地面断层与空气中电子活动联系起来的理论。 Nippon本人将其研究成果发表在《地球物理研究快报》（Geophysical Research Letters）等著名期刊上，并受邀在美国地球物理联盟年会上做报告。去年，在日本千叶大学举行的一次会议专门讨论了地震预警问题，其中包括日置的研究结果。如果日置的想法正确，对公共安全的影响将是巨大的。然而，利用这些迹象需要解决一些难题，例如预警系统的警报必须有多准确，以及应该采取什么样的应急响应？
在毫无预警的情况下，致命的东北地震和海啸摧毁了日本陆前高田市。灾后，居民在废墟中行走。
电子信号
据说地震震级的创造者查尔斯·F·里克特曾说过，只有傻瓜和江湖骗子才能预测地震。但他的话并没有阻止人们尝试。公元前373年，希腊发生约6.0至6.7级地震，赫里克城被毁。据记录，地震前五天，动物纷纷逃往避难所。日本人曾经相信，鲶鱼的抽搐或摇晃可以预测地震。据说狗、羊、蜈蚣、牛和被称为“大乌雉”的苏门答腊雉鸡都会在地震发生前改变它们的行为。
有些人还认为井突然干涸、温度变化、氡气释放和一些较小的前震可能是地震前兆。 1975年，中国科学家结合包括动物行为在内的这些迹象，甚至预测了海城7.3级地震并提前疏散居民。这次成功的地震预报给人们带来了希望。东京大学岩石力学专家Masao Nakatani 表示，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。当时，我们倾向于认为地震绝对是可以预测的。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一挑战。
然而，可靠的预测信号很难找到。中国成功预测海城地震一年后，同样的技术却未能预测另一场更大的地震（唐山地震），这场地震造成超过20 万人死亡。日本位于环太平洋火山带，板块运动频繁。经过大量努力，日本科学家发现前兆只能适用于一次地震，不能用来预测下一次地震。大自然似乎在不断改变规则。 20 世纪90 年代末，根据以往地震的模式，预测美国加利福尼亚州帕克菲尔德附近将发生地震。但地震并没有发生，美国也放弃了预测地震的努力。 2004年，地震终于发生了，但没有出现预期的预警信号。
日本东北大地震当年，意大利政府成立的国际地震预报委员会基本停止了地震预报研究。该委员会成员在2011 年5 月写道： 尽管日本不断进行研究，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。
带正电的空穴
四个月后，日置找到了地震预测研究的新方向。他发现神秘的电离粒子并不在地表，而是在距离地面约300公里的天空中。地球和天空有某种联系的想法并非没有根据。 20世纪70年代，科学家首次发现岩石在高压下可以发电，就像小型电池一样。该理论认为，当岩石受到压力时，氧原子会释放电子，形成物理学家所说的p 空穴。来自附近原子的电子被添加到空穴中，引起电荷运动的连锁反应。
美国宇航局和外星情报研究所（SETI）的研究员弗里德曼·弗罗因德说，这些空洞可以移动很长的距离，从几公里到十几公里到数百公里。 （弗里德曼·弗罗因德）说他是这种现象的发现者。就像一桶水用来灭火一样，它不断地从一个人的手中传递到另一个人的手中。
弗罗因德说，这些空洞首先穿过岩石，最终到达地球表面。在表面，它们从空气分子中吸引带负电的电子，就像磁铁吸引铁屑一样。通过这种方式，电荷扩散到高层大气。目前，这种机制还只是理论上的，很难直接测量，但震后观察到的电子团的痕迹似乎与这一理论相符。然而，没有人在地震前清楚地观察到这种效应。
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Hioki 能够探测到东北地震震中高空空气中的微弱电子波动。过了40分钟，地面上的地震仪器才记录下了大地的震动。
不过，日置表示，他当时对于发表自己的发现犹豫不决。 “我必须考虑如何公布这一发现，”他说。 “地震预报很特别，每个人都会非常兴奋。”
Hioki 没有立即公布其研究结果。日本东北地震后，他又观察到了两次大地震。这两次地震的地点都有详细的GPS数据。日置发现两次地震发生前至少30 分钟电子密度显着增加。地震越大，电子密度的变化似乎发生得越早。 2014年智利8.2级地震中，电子密度提前了25分钟变化，而日本东北9.0级地震中，这一提前时间为40分钟。因此，电子信号不仅表明地震即将发生，而且还表明即将发生地震的相对大小。 “我在地震前从未见过如此明显的迹象”，日置说。
积极讨论
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，其他科学家开始指出问题。一些人认为日置的研究结果是对数据的误解，地震期间和地震后的干扰影响了观测。日置通过不同的分析方法来回应质疑，强调震前影响。他还将以一定角度观察到的结果转换为鸟瞰图，以便更容易观察到这些效果。但批评人士表示，日置只是在重组一组有问题的数据。另一个日本研究小组声称日置的发现是由地磁风暴引起的。日置进行了另一项分析来说明地磁风暴的影响，发现仅靠地磁风暴无法解释他观察到的所有变化。
很快，一些怀疑论者开始同意他的观点。中谷正夫说：这是迄今为止发现的最好的地震前兆。中谷还表示，在90 年代这项努力失败后，他不再相信地震预测，但日置重新点燃了他的信念，他相信这项工作很可能是地震科学史上最重要的发现。 NASA的宋宇和并没有那么夸张，但他也认为电子密度的变化很难用错误来解释，而且似乎预示着一些真实的事件（地震）。弗罗因德说，日置在日本东北地区研究了几个月的地面压力积聚和天空电子密度的变化。虽然这些压力可以通过其他方式释放，例如无法感觉到的安静地震，但理论上仍然可以在地震发生之前检测到带电粒子的释放并用于预测。
然而，批评者坚持认为，日置所看到的东西只存在于计算机中，而不存在于现实世界中。意大利国家地球物理和火山研究所的法布里齐奥·马西说，他试图在没有提供有效证据的情况下检验他最初的想法。马希在他发表的一些论文中不仅反驳了日置的说法，还反驳了其他地震预测的观点，将日置的回应描述为一种转移注意力的伎俩。
大多数批评集中在日置对基准电子水平的读取上。像电子这样的微小粒子散布在整个地球上，并且像天气一样波动。日木相信，在地震发生之前，电子的浓度会比平常高一些。批评者认为这种变化是由电子每天的潮起潮落引起的。换句话说，日置可能正在寻找统计幽灵。
马希更为激进。他声称，如果地震本质上是混沌系统，那么可能就不存在所谓的地震前兆。如果不能准确确定事件的初始条件，就不可能知道最终的结果是什么。对于地震来说，确定所有的初始条件是极其困难的。
巴黎地球物理研究所的乔瓦尼·奥奇宾蒂(Giovanni Occhipinti)并不那么悲观，尽管他也同意，充分了解岩石类型、压力、附近断层等所有因素来做出预测是令人畏惧的。挑战。和日置一样，奥吉平蒂也在研究地震如何影响大气离子。他说，由于离子在大气中非常无序，因此从所有噪音中提取信号几乎是不可能的，因为这就像试图从云中预测有一天会发生飓风一样。他说，困难在于天空中有很多云不断出现并移动，要弄清楚哪一朵云是前兆并不容易。
不久前，奥基平蒂站在怀疑者一边，认为日置的研究结果只不过是统计数据而已。然而，Hioki 的最新研究考虑到了信号周围复杂的三维空间，这引起了Okipinti 的兴趣。与卫星快照的有限用途相比，3D 建模可以在多个维度上显示异常现象背后的相同物理过程，使它们更难被视为统计幽灵。 Okipinti 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，看看它们的拟合程度如何。因此，Okipinti还没有完全相信日置的理论。但他也承认日置的理论是一个非常有吸引力的想法，并开始认真对待。奥基平蒂说，这个想法正在推动科学向前发展，但你必须非常、非常、非常严谨，因为它关系到人们的生活。
能否实现预警？
这里所说的生命可能有数十万。美国地质调查局统计了自2000年以来，历时16年的世界各地地震造成的死亡人数。由于大地震并非每年都会发生，因此死亡人数每年都有所波动。然而，地震造成的死亡人数仍然令人畏惧。这16年中，死亡人数超过2万的有7年，死亡人数超过20万的有两年。在受灾最严重的国家，人们迫切需要任何可能的警告信号，即使只是几秒钟。例如，墨西哥城位于地球上最致命和研究最深入的地震带之一。 1985 年造成多达10,000 人死亡的毁灭性地震后，墨西哥政府利用地震波可以在该地区传播很长距离的事实建立了监测系统。如果地震波来自足够远的地方，监测系统可以提前几分钟发出警告。
地球物理学家、墨西哥国家防灾中心主任卡洛斯·巴尔德斯表示，40分钟的预警听起来不错，但现实并非那么简单。首先，误报会破坏任何应急响应。例如，墨西哥的一些地震引发了警告，但地震强度太弱或距离太远，无法对城市造成实际损害。人们会变得恼火并停止响应这些警报。但他更担心相反的事情：恐慌。瓦尔迪兹说，有人会说，我有40 分钟的时间，我要离开这座城市，一旦有人开始尖叫或逃跑，每个人都会效仿。道路将被堵塞，最终无人能安全抵达。
然而，其他应急规划人员指出，即使是短暂的警告也可以通过提供关闭天然气管道或停止地铁运营的时间来降低风险。更高的准确性将解决误报问题。英国和俄罗斯科学家提议发射一颗卫星来跟踪日置所研究的大气异常现象，而中国也在推进一项基于电离层电磁扰动的天基预测项目。但考虑到电离层的复杂性，加上地震本身令人费解的性质，大气数据真正用于地震预警可能还需要几十年的时间。
盖勒认为那一天不会到来。他说：130年来，寻找前兆的人们都有一种孩童般的信念，认为前兆一定存在，地震越大，前兆一定越大，但没有特别明显的理由支持这些信念。的。
即便如此，日置仍继续前进。最近，他发表了一篇论文，利用三维模型详细分析了2015年智利地震的前兆。他说，这篇论文可能会让他的想法更难反驳。与此同时，他还试图填补电荷与地震实际位置之间的数据空白，以更好地了解地壳中正在发生哪些物理过程导致天空高处的异常。日置表示，地震前电离层发生了一些变化，但我不知道是哪种物理机制造成的，但观测数据本身非常清楚。
附：《环球科学》 日置佑介专访：
问：
当谈到地震预报时，大多数人都会从地下寻找线索。是什么让你对天空感兴趣？
A：
自2004年以来，我一直在研究地震后向上传播的声波对电离层的影响（这发生在地震后大约10分钟）。当时我只是在寻找空气中地震的同震效应，但我发现了一些有趣的现象。
问：
您以前做过地震前兆研究吗？
A：
我以前并不专门研究地震前兆，只是偶然发现的。在那之前，和其他科学家一样，我一直想知道地震是否有某种电磁前兆。
问：
我们看到，您的研究和观点发布后，很多科学家提出了质疑。对于他们的质疑，你怎么看？
A：
假设地震发生之前，地球表面应该有电荷积累，但我们还没有观察到这一点，所以我可以理解批评。
问：
为了回应批评，您建立了电信号出现时周围环境的三维模型。它如何帮助确认这些电信号是地震的可靠前兆？
A：
电离层存在许多易于识别的自然变化，例如偶尔出现的电子层和由太阳耀斑引起的电子密度突然增加。幕式E层（Es）是一个小尺度的电离薄层，短暂出现在电离层中，具有较大的电子密度。耀斑引起的电子密度突然增加是全球性的。与我们研究的地震前兆相比，中尺度电离层扰动（MSTID）和大尺度电离层扰动（LSTID）更难区分，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地震前兆中传播。电离层，而MSTID和LSTID将在电离层中传播。需要指出的是，这种差异在事后整理数据时很明显，但在地震发生前30分钟内可能不太容易看出。
问：
您在大地震前观察到一种特殊的电子信号，并指出地震震级越大，电子信号出现的越早。原因是什么？
A：
随着地震震级的增加，损失、人员伤亡、地面震动和海啸高度也会增加。因此，如果地震前兆不随着地震震级的增加而变得更加明显，那就很不正常了。
大地震也有大断层面。我的猜测是，断层内发生了某种侵蚀过程（这就是导致电子空穴产生的原因）。因此，对于断层面较大的地震，这个过程需要更长的时间。我正在与一位地震学专家合作撰写的一篇即将发表的新论文专门讨论了这个问题。
问：
较低震级的地震也会产生这种电子异常吗？
A：
迄今为止观测到的震前电子异常最小的地震发生在2016年的尼泊尔。这是2015年尼泊尔地震（里氏8.1级）中最大的余震。这是因为，对于小地震，产生的电荷有限，地面上形成的电场很难到达电离层。然而，无论地震的强度如何，这些累积的电荷都会在地震发生前出现在地面上。有了合适的传感器，我们将能够监控这些电荷。
问：
除了您之外，还有哪些科学家在从事这一领域的研究？
A：
很多人把我和中国台湾的一位研究人员混淆了。他就是中国台湾中央大学空间科学研究所的刘正彦教授。他研究了电离层的另一种地震前兆，在中国大陆有很多追随者。据我所知，中国大陆只有东北大学的何黎明博士在做这方面的研究。他曾经和我一起做过两年的博士后研究员。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。
问：
您在地震预测方面与中国科学家有过交流吗？
A：
去年夏天，我在中国地震局地应力研究所做了题为《震前TEC异常的标准模型》的讲座。人们可能对这方面的地震前兆研究感兴趣。
问：
最后一个问题，可能也是人们最关心的一个问题，是我们能否预测未来的地震？
A：
（我的理论）技术上没有什么大问题。然而，我们需要密集的全球导航卫星系统（GNSS，包括我国即将建成的北斗卫星导航系统，记者注）能够提供实时数据来监测总电子含量的变化（电离层的TEC）。我们还需要一种复杂的算法来识别并消除空间天气本身的影响。这离不开人力、财力的支持，所以我要说服更多的人（地震是可以预测的）然后实现。
