2011 年 3 月 11 日星期五下午，當大地開始震動時，Kosuke Heki 正在日本北部北海道大學的辦公室裡。脈衝間隔很遠，每個脈衝持續幾秒鐘。Heki 是一位研究一種神秘現象的地球物理學家，該現象涉及地震後天空中電子形成的奇怪模式，他對地震感興趣，但並不特別驚慌。這似乎是一場大地震，但離得很遠。隨著震動持續，他認為來自該事件的資料可能有助於他的研究。然後有人打開了新聞，Heki 的好奇心變成了恐懼。
他感受到的震波來自現代日本歷史上最嚴重的地震——破壞性的 9.0 級東日本大地震，這場地震給日本造成了數千億美元的損失，並奪走了超過 15,000 名同胞的生命。地震後的海嘯使福島第一核電站癱瘓，並引發了四分之一世紀以來最嚴重的核災難。
當緊急救援人員在該國另一地區努力疏散人員和拯救生命時，Heki 只能等待零星的電話和網際網路服務恢復線上。到星期日，網際網路恢復工作，他迅速下載了東北地區上空空氣的衛星觀測資料，並如飢似渴地梳理這些資料。正如他所預料的那樣，電離層中的電子在地震發生 10 分鐘後顯示出擾動。但他無法僅透過檢視地震發生後的幾分鐘來使他的模型與資料相符。因此，他嘗試擴大時間範圍，包括地震發生前一小時。那時他看到了一些讓他震驚的東西。
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在地震發生前四十分鐘，震中上方的電子密度略有上升。也許這是一個異常現象，一次性事件或儀器故障。或者也許還有更多。科學家們尚未找到可靠的地震前兆——一種可以在大地震發生前向人們發出警報的明顯跡象。如果電子變化是這樣一種預警，它們每年可以拯救數千人的生命。
同事們形容 Heki 為謙遜、安靜和謹慎，他立即對自己的資料持懷疑態度，因此他調出了另外兩次地震的資訊。他再次看到了密度變化，並決定繼續挖掘。迄今為止，他已經在 18 次大地震之前發現了電子訊號，並且在過去的七年中，他開始相信這是真實的。
其他專家現在也開始密切關注這個想法。“多年前，人們不認為我們可以預測天氣，但我們現在可以做到，”美國宇航局噴氣推進實驗室的遙感專家 Yuhe Song 說。“我們可能可以在地面感受到震動之前看到一些東西。那裡有一些東西……我認為這值得討論。”
並非所有人都同意。許多科學家認為 Heki 的工作是長期以來虛假預測承諾中的最新案例。“這些東西就像普通感冒：它們總是會發生，”東京大學的名譽教授、地震學家 Robert J. Geller 說，他多年來一直在揭穿各種地震預測的想法。“如果你忽略它們，它們就會消失。”
圖片來源：Matthew Twombly
然而，Heki 的想法似乎正在堅持下去，並且可能變得越來越強大。電子訊號不僅出現在最大的地震中，也出現在中等規模的地震中。其他科學家已經形成了一種理論，將地下的斷層與天空中的活動聯絡起來。Heki 已在《地球物理研究快報》等知名期刊上發表了他的發現，並應邀在美國地球物理聯合會年會上就這些結果發表演講。今年春天，日本千葉大學舉辦了一次專門會議，討論地震預測，包括他的想法。如果 Heki 是正確的，那麼這對公共安全的影響將是巨大的，但關於如何使用這種前兆存在一些難題。預警系統必須有多準確才能發出警報，以及應該採取什麼樣的緊急響應？
預測最壞的情況
據說地震震級量表的建立者查爾斯·F·里氏曾說過，“只有傻瓜和騙子才會預測地震。”但這並沒有阻止人們嘗試。據報道，公元前 373 年，動物在估計為 6.0 至 6.7 級的地震襲擊希臘並摧毀了海利克城之前五天逃往避難所。日本人曾經認為，鯰魚的抽搐或抽搐可以預測地震。據說狗、綿羊、蜈蚣、牛奶和一種名為大眼斑雉的蘇門答臘雉雞都會在地震前改變它們的行為。
其他人則將突然乾涸的水井、溫度變化、氡氣排放，當然還有成群的小型前震視為可能的前兆。1975 年，中國人甚至利用這些跡象（包括動物行為）成功預測了 7.3 級地震，並及時開始疏散海城。這燃起了希望。“在 1970 年代，美國和日本的地震學家對短期地震預測變得非常樂觀，”東京大學岩石力學專家中谷正雄說。“我們傾向於相信地震一定是可預測的。”到 1980 年代，美國和日本都成立了研究小組來應對這一挑戰。
地震的代價：在幾乎沒有預警的情況下，致命的東北地震和海嘯摧毀了日本城市陸前高田；之後，居民在廢墟中行走。圖片來源：Nicolas Asfouri Getty Images
然而，可靠的訊號被證明難以捉摸。在中國取得成功一年後，同樣的技術未能發現另一次更大的地震，那次地震造成數十萬人喪生。日本位於環太平洋構造活躍的火環帶上，投入了相當大的精力，但發現前兆只奏效一次，而不會再次奏效。大自然似乎一直在改變規則。美國在 1990 年代後期放棄了預測工作，此前，根據先前地震的模式預測的地震未能出現在加利福尼亞州帕克菲爾德附近。（它最終在 2004 年襲擊了該地區，但沒有出現任何預期的預警訊號。）
在東日本大地震發生的那一年，義大利政府設立的國際預測委員會實際上結束了該領域。“儘管日本持續進行研究努力，但很少有證據表明存在預示即將發生的大地震的前兆，”成員們在 2011 年 5 月寫道。
四個月後，Heki 重啟了這本書。他看到的是奇異的離子化粒子團，它們不在地球表面或地表，而是在地表以上 186 英里處。地面和天空之間存在聯絡的想法並非異想天開。在 1970 年代，科學家們首次發現，處於額外壓力下的岩石會產生電流，就像一塊非常微弱的電池。該理論認為，當岩石受到壓力時，其氧原子會釋放電子，留下物理學家描述為正孔的缺陷。來自附近其他原子的電子移動到這些孔中，留下更多的孔，從而產生移動電荷的連鎖反應。
美國宇航局和 SETI 研究所的研究員 Friedemann Freund 發現了這種現象，他說，這些孔“有能力在很長的距離上移動——數英里、數十英里、數百英里”。“這就像消防線中的一桶水。它從一個人傳遞到另一個人。”
Freund 說，這些孔隨後在岩石中漫遊，最終到達地球表面，在那裡它們會從空氣中的分子中吸引帶負電的電子，就像磁鐵吸引鐵屑一樣。然後，電荷會傳播到高層大氣。這種機制只是一種理論，因為它很難直接測量，但它似乎與地震後看到的電子團的跡象相符。但沒有人清楚地看到在地震之前發生這種效應。
為了他的研究，Heki 引入了一種新方法，該方法使用複雜的 GPS 衛星網路，當無線電訊號彎曲穿過大氣層時，該網路可以檢測到大氣電子的細微變化。日本擁有特別密集的 GPS 接收器網路，這使得 Heki 能夠發現東北震中上方高空中的細微電子激增，大約在地面地震儀檢測到任何運動前 40 分鐘。
但這位地球物理學家說，他不願意展示他的發現。“我不得不擔心如何發表它，”他說。“地震預測有些特殊。每個人都會變得非常激動。”
事實上，他並沒有立即發表。在東北地震之後，Heki 回顧了兩次可以獲得詳細 GPS 資料的巨型地震。在每一次地震中，他都發現電子濃度在 30 多分鐘前明顯升高。似乎地震震級越大，提前時間越長。2014 年智利發生的 8.2 級地震提前了 25 分鐘，而 9.0 級東北地震提前了 40 分鐘。因此，這些訊號不僅暗示斷層即將滑動；它們還表明了隨後地震的相對規模。“我從未見過如此清晰的現象發生在地震之前，”他說。
混亂的辯論
有了這些資料，Heki 最終在 2011 年 9 月發表了一篇論文，公佈了他的發現。其他科學家很快開始指出問題。有些人說，結果來自對資料的誤讀，地震期間和地震後的擾動混淆了視線。Heki 透過使用不同的分析方法來突出地震前的影響來回應。他還將以一定角度進行的測量轉換為鳥瞰圖，認為這將使效果更容易被發現。但批評者認為這只是重新組織相同的有缺陷的資料。另一個日本團隊表示，這種效應是由地磁暴引起的。Heki 進行了另一項分析，以解釋風暴效應，發現風暴無法解釋他看到的所有變化。
很快，一些懷疑論者開始同意他的觀點。“這是迄今為止報道過的最好的前兆，”中谷正雄說，他說在 1990 年代的失敗之後，他不再相信地震預測。但 Heki 重燃了他的信心，以至於他現在說這項工作很可能成為“地震科學史上最重要的發現”。美國宇航局的 Song 不那麼誇張，但也同意電子雲一直很難解釋為錯誤，並且似乎預示著真實事件。Freund 說，東北地震發生前幾個月，壓力不斷累積，電子密度也發生了變化。儘管這種壓力可能找到了其他出口——例如看不見的“沉默”地震——但帶電粒子的釋放仍然是一種可預測的現象，理論上可以在其他地震中檢測到。
然而，批評者堅持認為 Heki 在計算機中看到的是現實世界中不存在的東西。“他試圖在沒有提供有效支援的情況下證實他的最初想法，”義大利國家地球物理和火山學研究所的 Fabrizio Masci 說。他發表了論文，不僅駁斥了 Heki，還駁斥了其他地震預測的想法，並表示 Heki 的回應是“分散讀者注意力的一種巧妙方式”。許多批評都集中在 Heki 對基線電子水平的解讀上。微小的粒子滲透到我們的星球，並且像天氣一樣波動。Heki 說，就在地震發生前，電子的聚集程度略高於平均水平。批評者說，這種變化是由電子的日常潮起潮落引起的。換句話說，Heki 可能正在追逐一個統計幽靈。
Masci 甚至更進一步說，如果地震本身從根本上是混沌的，那麼地震前兆可能是無法實現的。如果事件的初始條件沒有精確確定，就不可能知道結果將如何發展。對於地震，要確定所有初始條件非常困難。
巴黎地球物理研究所的 Giovanni Occhipinti 並沒有那麼悲觀，儘管他同意充分理解所有起作用的因素——岩石型別、壓力、附近的斷層——以便你可以做出預測，這是一個令人畏懼的問題。Occhipinti 和 Heki 一樣，研究地震如何影響大氣離子。他說，鑑於大氣中的離子是多麼混亂，你根本無法從所有噪聲中提取訊號。這就像試圖根據一天前的一片雲來預測颶風。“問題是，有大量的雲正在來來往往，”他說。“要推斷出一種方法來區分你想要看到的特定雲作為前兆，這並不簡單。”
直到最近，Occhipinti 還站在懷疑論者一邊，並認為 Heki 的發現僅僅是一個統計上的小故障。然而，Heki 最新的工作考慮了效應發生的複雜 3D 空間，這引起了他的興趣。與有限的衛星快照不同，3D 建模顯示了指向異常現象背後一致物理過程的多維效應，使得它們很難被視為幽靈而一筆勾銷。Occhipinti 希望看到更多的 3D 分析，以及將這些結果與其他模型進行比較，以瞭解它們的擬合程度。因此，他目前還不是一個完全的信徒。但他稱這個想法“有趣”，並且現在正在更仔細地研究它。“這正在推動科學向前發展，”Occhipinti 說，“但你必須非常非常非常精確。你是在玩弄人們的生命。”
拉響警報
這些生命的數字可以達到數十萬。美國地質調查局審查了 2000 年開始的 16 年期間全球地震死亡人數。死亡人數會波動，因為並非每年都會發生巨型地震。但傷亡人數令人望而生畏。在其中七年中，死亡人數超過 20,000 人，另外兩年，死亡總人數超過 200,000 人。在受災最嚴重的國家，人們渴望獲得任何形式的預警，即使只有幾秒鐘。以地球上最致命和研究最充分的地震帶之一墨西哥城為例。在 1985 年造成多達 10,000 人死亡的毀滅性地震之後，政府利用地震波在該地區傳播異常長的距離這一事實，建立了一個監測系統，如果遠距離檢測到地震波，該系統可以提供幾分鐘的預警。
墨西哥國家災害預防中心地球物理工程師兼主任 Carlos Valdés 說，40 分鐘的預警聽起來不錯，但現實並非如此簡單。首先，誤報會破壞任何緊急響應。例如，一些墨西哥地震引發了警報，但震級太小或位置不正確，實際上無法震動這座城市。人們變得惱火，不再對這些警報做出反應。但他更擔心相反的問題：恐慌。“有人會說，‘我有 40 分鐘，我要離開這座城市’，”他說。“只需要一個人開始尖叫或開始奔跑，所有人都會跟隨。”道路擁堵，沒有人能安全脫身[參見“這條路出去”]。
儘管如此，其他應急規劃人員指出，即使是短暫的預警時間也創造了關閉燃氣管道或停止地鐵的機會，從而降低了風險。更高的準確性將解決誤報問題。英國和俄羅斯科學家已經提出了一顆衛星，可以更好地跟蹤大氣異常，例如 Heki 研究的那些異常，而中國正在推進一項基於空間的預測計劃，該計劃依賴於電離層中的電磁擾動。但鑑於電離層的複雜性質，加上地震的混亂性質，可能需要幾十年才能將大氣資料轉化為實際的地震預警。
Geller 認為那一天永遠不會到來。“過去 130 年來的前兆獵人有一種孩子般的信念，即一，一定存在前兆，二，地震越大，前兆一定越大。但沒有特別的理由證明這些信念是正確的，”他說。
儘管如此，Heki 仍在向前邁進。他最近發表了一篇論文，詳細分析了 2015 年智利地震的前兆，他說這可能會使他的想法更難被駁斥。他還試圖填補電荷和實際地震位置之間的一些資料空白。目標是更好地瞭解地殼中是什麼產生了高空效應。“電離層中在地震之前存在一些東西。我不知道物理機制，”Heki 說，“但觀測本身非常清晰。”