“獨(dú)行”五年，“張衡一號(hào)”拓展全球地球物理場(chǎng)和空間環(huán)境感知建模能力

為推進(jìn)破解地震預(yù)測(cè)科學(xué)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(xué)院等共同組織香山會(huì)議，正式啟動(dòng)了我國地球物理場(chǎng)衛(wèi)星計(jì)劃論證工作。2018年2月2日，作為我國地球物理場(chǎng)衛(wèi)星計(jì)劃的首發(fā)星和地震立體觀測(cè)體系首個(gè)天基平臺(tái)，“張衡一號(hào)”電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)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(hào)”衛(wèi)星已經(jīng)圓滿完成五年設(shè)計(jì)壽命，并將繼續(xù)在軌超期服役。

“張衡一號(hào)”衛(wèi)星的主要科學(xué)目標(biāo)是：在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空間電磁環(huán)境狀態(tài)變化的基礎(chǔ)上，開展全球7級(jí)以上、中國6級(jí)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(yīng)變化信息特征及其機(jī)理，研究地球系統(tǒng)特別是電離層與其他相關(guān)圈層相互作用及其效應(yīng)，向國家安全、航空航天、導(dǎo)航通信等相關(guān)領(lǐng)域提供空間電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)。

5年了，“張衡一號(hào)”衛(wèi)星都做了些什么？

張衡一號(hào)在軌期間，我國首次成功獲取了覆蓋全球的地磁場(chǎng)和低頻電磁頻譜兩套基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集，完整記錄了全球500多次6級(jí)以上，近60次7級(jí)以上強(qiáng)震信息。在基礎(chǔ)上，首次系統(tǒng)構(gòu)建了全球參考地磁場(chǎng)和巖石圈-大氣層-電離層耦合機(jī)理兩個(gè)科學(xué)模型，達(dá)到國際領(lǐng)先水平；全面開展了全球顯著性地震的震例解剖和統(tǒng)計(jì)分析，取得了地震電磁和電離層前兆的時(shí)空統(tǒng)計(jì)規(guī)律的初步認(rèn)識(shí)，同步還開展了空間天氣災(zāi)害、火山災(zāi)害效應(yīng)等的分析研究為進(jìn)一步推進(jìn)地震預(yù)測(cè)科學(xué)探索和多災(zāi)種災(zāi)害鏈監(jiān)測(cè)預(yù)警提供了正面支持。

1.全球地磁場(chǎng)和低頻電磁頻譜數(shù)據(jù)采集填補(bǔ)國內(nèi)空白

自發(fā)射以來，衛(wèi)星記錄了全球地磁場(chǎng)和從ULF到HF頻段的低頻電磁頻譜?；谛l(wèi)星觀測(cè)的低頻電磁頻譜數(shù)據(jù)可以建立一個(gè)自主可控的、精細(xì)的、時(shí)變的低頻電磁輻射背景場(chǎng)（圖1），并動(dòng)態(tài)感知低頻電磁輻射擾動(dòng)，有效提高電離層環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警能力。觀測(cè)的電磁波動(dòng)在DC-3.5MHz頻段，涵蓋了ULF、ELF、VLF、HF多頻段的信號(hào)，包括哨聲波、嘶聲、準(zhǔn)周期離散波動(dòng)等豐富的波動(dòng)。其中一些電磁波動(dòng)還通過波粒相互作用機(jī)制導(dǎo)致了高能粒子加速和沉降現(xiàn)象。這些地磁場(chǎng)和低頻電磁頻譜數(shù)據(jù)的采集填補(bǔ)了國內(nèi)空白，在我國地球空間物理和自然災(zāi)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(yīng)用研究取得突破性進(jìn)展

系統(tǒng)研究了衛(wèi)星在軌期間全球震例，初步結(jié)論認(rèn)為6級(jí)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(jí)強(qiáng)烈地震。2月15日和16日，張衡一號(hào)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(hào)衛(wèi)星記錄到的首個(gè)7級(jí)以上地震現(xiàn)象。2023年2月6日土耳其7.8級(jí)雙震，張衡一號(hào)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(jì)結(jié)果初步表明:6級(jí)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(nèi)出現(xiàn)明顯的電磁輻射和電離層擾動(dòng)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(guān)，6級(jí)以上地震前出現(xiàn)低頻電磁射和電離層擾動(dòng)前兆的概率在60%以上。

圖2“張衡一號(hào)”衛(wèi)星的組成

張衡一號(hào)衛(wèi)星對(duì)多種自然災(zāi)害事件具備良好的響應(yīng)能力。當(dāng)前，空間天氣災(zāi)害已經(jīng)成為影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)的重要因素。張衡一號(hào)衛(wèi)星在軌期間，完整記錄了多次空間天氣災(zāi)害事件的時(shí)空發(fā)展過程。如2018年8月發(fā)生的大磁暴，電磁場(chǎng)、等離子體、能量粒子等各類載荷都觀測(cè)到了磁暴初相、主相和恢復(fù)相期間地球物理場(chǎng)參量的擾動(dòng)及其全球分布特征（圖3）。

圖3 張衡一號(hào)衛(wèi)星對(duì)2018年8月26日強(qiáng)磁暴期的響應(yīng)情況

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

成功構(gòu)建我國首個(gè)全球參考地磁場(chǎng)模型，達(dá)到國際領(lǐng)先水平?；趶埡庖惶?hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，建立了全球參考地磁場(chǎng)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(huì)（IAGA）評(píng)估，符合國際全球地磁參考場(chǎng)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(gè)多世紀(jì)以來唯一的中國模型，標(biāo)志著我國已經(jīng)全面掌握全球地磁場(chǎng)建模的關(guān)鍵技術(shù)，填補(bǔ)了我國在全球地磁場(chǎng)戰(zhàn)略信息資源獲取領(lǐng)域的能力空白。

圖4 張衡一號(hào)衛(wèi)星全球參考地磁場(chǎng)模型CGGM 2020.0

目前，正在融合多種數(shù)據(jù)，構(gòu)建高分辨率高精度全球和區(qū)域地磁場(chǎng)模型，為應(yīng)急組合導(dǎo)航、全球資源探查、國家安全以及“一帶一路”和人類命運(yùn)共同體建設(shè)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(xué)發(fā)展理論基礎(chǔ)

基于張衡一號(hào)衛(wèi)星海量觀測(cè)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(jié)論認(rèn)為：低頻電磁波的部分波模、部分能量能夠到達(dá)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(jī)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(dá)和相關(guān)衛(wèi)星觀測(cè)信號(hào)驗(yàn)證了模型的科學(xué)性和可靠性，證實(shí)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(dá)張衡一號(hào)衛(wèi)星高度，從而被衛(wèi)星觀測(cè)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(dǎo)中的衰減

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

對(duì)標(biāo)國家戰(zhàn)略需求和國際科學(xué)前沿，張衡一號(hào)衛(wèi)星和地球物理場(chǎng)衛(wèi)星計(jì)劃的發(fā)展尚屬起步，在系統(tǒng)發(fā)展光學(xué)、微波技術(shù)基礎(chǔ)上，加快發(fā)展地球物理場(chǎng)衛(wèi)星計(jì)劃、構(gòu)建自主的高分辨率高精度地球物理場(chǎng)動(dòng)態(tài)模型，打造全球自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警、極端條件通信導(dǎo)航環(huán)境管理及宜居地球可持續(xù)發(fā)展支撐能力。