“獨行”五年，“張衡一號”拓展全球地球物理場和空間環(huán)境感知建模能力

為推進破解地震預測科學難題，2003年2月18-19日，中國地震局、國家國防科技工業(yè)局、科技部、中國科學院等共同組織香山會議，正式啟動了我國地球物理場衛(wèi)星計劃論證工作。2018年2月2日，作為我國地球物理場衛(wèi)星計劃的首發(fā)星和地震立體觀測體系首個天基平臺，“張衡一號”電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射入軌。截至到2023年2月2日，“張衡一號”衛(wèi)星已經(jīng)圓滿完成五年設計壽命，并將繼續(xù)在軌超期服役。

“張衡一號”衛(wèi)星的主要科學目標是：在實時監(jiān)測空間電磁環(huán)境狀態(tài)變化的基礎上，開展全球7級以上、中國6級以上地震電磁信息分析研究，初步探索地震前后電離層響應變化信息特征及其機理，研究地球系統(tǒng)特別是電離層與其他相關圈層相互作用及其效應，向國家安全、航空航天、導航通信等相關領域提供空間電磁環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)應用服務。

5年了，“張衡一號”衛(wèi)星都做了些什么？

張衡一號在軌期間，我國首次成功獲取了覆蓋全球的地磁場和低頻電磁頻譜兩套基礎數(shù)據(jù)集，完整記錄了全球500多次6級以上，近60次7級以上強震信息。在基礎上，首次系統(tǒng)構建了全球參考地磁場和巖石圈-大氣層-電離層耦合機理兩個科學模型，達到國際領先水平；全面開展了全球顯著性地震的震例解剖和統(tǒng)計分析，取得了地震電磁和電離層前兆的時空統(tǒng)計規(guī)律的初步認識，同步還開展了空間天氣災害、火山災害效應等的分析研究為進一步推進地震預測科學探索和多災種災害鏈監(jiān)測預警提供了正面支持。

1.全球地磁場和低頻電磁頻譜數(shù)據(jù)采集填補國內空白

自發(fā)射以來，衛(wèi)星記錄了全球地磁場和從ULF到HF頻段的低頻電磁頻譜?；谛l(wèi)星觀測的低頻電磁頻譜數(shù)據(jù)可以建立一個自主可控的、精細的、時變的低頻電磁輻射背景場（圖1），并動態(tài)感知低頻電磁輻射擾動，有效提高電離層環(huán)境監(jiān)測預警能力。觀測的電磁波動在DC-3.5MHz頻段，涵蓋了ULF、ELF、VLF、HF多頻段的信號，包括哨聲波、嘶聲、準周期離散波動等豐富的波動。其中一些電磁波動還通過波粒相互作用機制導致了高能粒子加速和沉降現(xiàn)象。這些地磁場和低頻電磁頻譜數(shù)據(jù)的采集填補了國內空白，在我國地球空間物理和自然災害防治的研究方面發(fā)揮重要作用。

圖1 張衡衛(wèi)星給出的全球ULF頻段電磁頻譜背景

2.衛(wèi)星電磁數(shù)據(jù)應用研究取得突破性進展

系統(tǒng)研究了衛(wèi)星在軌期間全球震例，初步結論認為6級以上地震較大概率存在電磁電離層前兆異常。2018年2月17日，墨西哥發(fā)生了7.1級強烈地震。2月15日和16日，張衡一號衛(wèi)星連續(xù)記錄到了這次地震前的低頻電磁輻射現(xiàn)象，也是張衡一號衛(wèi)星記錄到的首個7級以上地震現(xiàn)象。2023年2月6日土耳其7.8級雙震，張衡一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析也發(fā)現(xiàn)震前約20天斷續(xù)出現(xiàn)電磁波和等離子體前兆異常。震例解剖和綜合統(tǒng)計結果初步表明:6級以上地震孕育過程中，較大概率在震前幾天、距離震中數(shù)百km范圍內出現(xiàn)明顯的電磁輻射和電離層擾動異常。其中，異常出現(xiàn)的位置余震中的偏差與所處的地磁經(jīng)緯度相關，6級以上地震前出現(xiàn)低頻電磁射和電離層擾動前兆的概率在60%以上。

圖2“張衡一號”衛(wèi)星的組成

張衡一號衛(wèi)星對多種自然災害事件具備良好的響應能力。當前，空間天氣災害已經(jīng)成為影響社會經(jīng)濟的重要因素。張衡一號衛(wèi)星在軌期間，完整記錄了多次空間天氣災害事件的時空發(fā)展過程。如2018年8月發(fā)生的大磁暴，電磁場、等離子體、能量粒子等各類載荷都觀測到了磁暴初相、主相和恢復相期間地球物理場參量的擾動及其全球分布特征（圖3）。

圖3 張衡一號衛(wèi)星對2018年8月26日強磁暴期的響應情況

張衡一號衛(wèi)星搭載的太陽X射線監(jiān)測器也觀測到了太陽耀斑和日冕物質拋射期間的X射線的增強和太陽質子事件的發(fā)生。這些太陽活動的觀測結果與NOAA衛(wèi)星、GOES衛(wèi)星的觀測結果具有很好的一致性。張衡一號衛(wèi)星在軌還觀測到湯加火山爆發(fā)前后的電離層變化和通信導航環(huán)境強烈擾動。

成功構建我國首個全球參考地磁場模型，達到國際領先水平?；趶埡庖惶栃l(wèi)星數(shù)據(jù)，建立了全球參考地磁場模型CGGM 2020.0（圖4）。該模型經(jīng)國際地磁與高空物理聯(lián)合會（IAGA）評估，符合國際全球地磁參考場IGRF建模精度要求并入選新一代IGRF模型IGRF2020.0。這是自IGRF開始更新一個多世紀以來唯一的中國模型，標志著我國已經(jīng)全面掌握全球地磁場建模的關鍵技術，填補了我國在全球地磁場戰(zhàn)略信息資源獲取領域的能力空白。

圖4 張衡一號衛(wèi)星全球參考地磁場模型CGGM 2020.0

目前，正在融合多種數(shù)據(jù)，構建高分辨率高精度全球和區(qū)域地磁場模型，為應急組合導航、全球資源探查、國家安全以及“一帶一路”和人類命運共同體建設提供重要的戰(zhàn)略信息資源保障。

3.系統(tǒng)發(fā)展低頻電磁波跨圈層傳播模型奠定空間地球物理科學發(fā)展理論基礎

基于張衡一號衛(wèi)星海量觀測約束，建立了低頻電磁波從地下/地表向大氣層和電離層傳播滲透的全波模型（圖5），結論認為：低頻電磁波的部分波模、部分能量能夠到達電離層高度并被衛(wèi)星接收到。該模型系統(tǒng)突破了低頻電磁波跨圈層耦合傳播機理，創(chuàng)新發(fā)展了地球巖石層-大氣層-電離層耦合模型，并借助地面低頻通信、散射雷達和相關衛(wèi)星觀測信號驗證了模型的科學性和可靠性，證實地震等產(chǎn)生的低頻電磁波能夠穿透巖石圈、大氣層和電離層到達張衡一號衛(wèi)星高度，從而被衛(wèi)星觀測到。

圖5 低頻電磁波跨巖石層-電離層間傳播模型及其在電離層波導中的衰減

該模型的建立修正了前人關于地球巖石層-大氣層-電離層間電磁波傳播問題認識的局限，為我國發(fā)展全球重特大自然災害全過程監(jiān)測預警，開展天基低頻電磁波近地表隱伏地物高分辨率探測提供理論支撐，為重大自然災害監(jiān)測、地下資源開發(fā)和地下空間管理奠定了重要基礎，同時從科學上拓寬了地球系統(tǒng)科學和地球關鍵圈層研究。

對標國家戰(zhàn)略需求和國際科學前沿，張衡一號衛(wèi)星和地球物理場衛(wèi)星計劃的發(fā)展尚屬起步，在系統(tǒng)發(fā)展光學、微波技術基礎上，加快發(fā)展地球物理場衛(wèi)星計劃、構建自主的高分辨率高精度地球物理場動態(tài)模型，打造全球自然災害監(jiān)測預警、極端條件通信導航環(huán)境管理及宜居地球可持續(xù)發(fā)展支撐能力。