——记电磁监测试验卫星计划首席科学家申旭辉及他的空间地球物理“中国方案”

蔡巧玉  户 万

1976年7月28日拂晓，河北唐山。一场“没有任何征兆”的灾难袭击了这里，强度高达里氏7.8级的大地震瞬间让这座曾经充满生机的城市变成了满目疮痍的废墟，24万多条鲜活的生命葬身瓦砾之中。这场灾难，连同20世纪接踵而至的重大地震事件，推进了地震预测科学的发展， “地震能否预测？”成为国际科学界面临的主要难题之一。

“君子以思患而豫防之。”数千年前，人类即开始记录地震的现象，并逐步展开对地震成因、特征等方面的研究总结。然而面对“威力巨大”的地震，如何在灾难发生前有效预警、最大限度地降低地震带来的损失，一直是一个世界性的科学难题。时间进入20世纪，随着“弹性回跳”“板块构造”学说的兴起，地震预测理论和实践都收获了一些成果，1975年中国海城地震的成功预报更是给予了学界极大的信心。然而很快，1976年唐山大地震的不期而至，又给了学术界当头一棒。随后一系列地震“突如其来”的情况更让地震预测的相关研究陷入迷茫。1997年，国际地震学界爆发了一张著名的论战：罗伯特·盖勒（Robert J. Geller）等4名地震学者联名在《科学》杂志发表了《地震无法被预测》的论文。很快，同样发表于《科学》的一篇名为《地震无法被预测吗？》的文章，与其打起了“对台”。就此，相关研究的核心问题回到了“地震是否能被预测”。而对于这个根本性问题，陈运泰院士撰文表态：“慎言不可能。昨日之梦想，今日有希望，明日变现实。”他认为，虽然地震预报现在还有难度，但未来是“可有作为”的领域，应该继续去探索。许绍燮院士也认为：“地震应可预测。”

2018年，电磁监测试验卫星“张衡一号”发射升空，打开了飞到天上“看”地震的地震监测新思路，这也让我国成为世界上少数拥有在轨运行高精度地球物理场探测卫星的国家之一。这颗“星”背后，沉淀着电磁监测试验卫星计划首席科学家、工程副总设计师申旭辉二十年如一日的研究时光和辛勤汗水。回首来时路，申旭辉常说：“人生，挺得住，才精彩。”为此，他带领团队“白手起家”，将研究从“地下”搬到了“天上”。而如今闪耀于太空的“张衡一号”，亦成为他“昨日之梦想，今日有希望，明日变现实”的最佳注脚。

昨日之梦想：从零开始的新世界

2003年，世界范围内有关地震预测的论战仍在持续，国内学界即已抱定“更进一步”的念头，不断探索地震预测研究发展的新方向。当年2月，中国地震局、科技部、国家国防科工局等有关部委联合在北京召开香山会议，而“震星”一词则成为这场学术大会当之无愧的主题词。

统计震例太少、机理认识不清、观测能力有限且标准不一，是地震预测亟须解决的主要难点问题，而震例太少更是让相关研究陷入“巧妇难为无米之炊”窘境的最主要原因。“我们可用于研究的数据太少。实际的情况是，我们多年来一直围着十分有限的破坏性震例做研究，缺乏对地震机制的普适性认知和了解。”申旭辉解释道。如何突破一时一地的研究限制？就在此时，可提供大范围、高动态、多参数、不受地面条件限制观测且可执行全球统一标准的“空间对地观测技术”进入专家的视野。

以卫星作为观测媒介，将观测范围拓宽至全球尺度，并克服地面环境条件所带来的影响，关注地震发生的全过程并将地震全程数据完整地收集起来，统一全球观测数据标准，是空间对地观测技术的优势所在。据统计，中国每3年有2次7级以上地震、每年有4次6级以上地震；而全球每年则有18次7级以上地震。从震例观测、收集的角度来讲，“天上一年，等于地面二三十年”，借由空间对地观测技术，地震预测研究有望实现跨越式发展，这也是香山会议与会院士殷切呼唤“中国震星”的原因所在。而打造这颗“中国震星”的任务，就交到了致力于中国地震立体观测系统建立和发展、时任中国地震局分析预报中心科技处处长申旭辉手上。

万事开头难，对于当时的申旭辉来说尤为如此。“20年前，中国第一次做这类卫星。我们不光‘没吃过猪肉’，甚至‘没见过猪跑’。对外要在国际上大量学习，对内要解释‘震星’的重要性和必要性，确实走过了一段非常艰难的时光。”申旭辉回忆道。甚至由于涉及领域众多，很多人不能理解“地震是地下的事情，为什么要到天上去搞？”一次又一次地解释地震前兆的表现形式、阐释空间电磁扰动与地震发生具有明显的相关性，成了申旭辉初始的重要工作内容之一。对于他个人来说，这同样是一场极大的挑战，空间对地观测技术是典型的跨学科交叉融合技术，“恶补知识”也成了申旭辉的常态：“我首先要从地质学去了解地球物理学，还需要了解空间物理学、航天工程和等离子体物理。再加上团队的管理、调度等一系列工作，我有时开玩笑说，这十多年把自己熬成了一个‘老弱病残’。”不过，当问及这段“造星”前的艰苦时光，科学、技术、管理3个岗位一肩挑，有过积劳成疾甚至在手术后不到一周就坐着轮椅主持评审会议经历的申旭辉仍然无悔地表示，这一切都是值得的。“在项目预研的过程中，我们又经历了一场极为惨烈的大地震。2008年的汶川地震让我和团队更加意识到地震预测研究的紧迫性，与法国、俄罗斯、意大利、日本等国展开积极的国际合作也顺势被加入整个项目的进程中。”

经过几番周折沉浮，在中国地震局、国家国防科工局、发展改革委等部门的大力支持下，申旭辉团队及其合作单位经过10年沉淀深耕，终于在2013年7月30日早上收获了好消息：“那天我还在病休中，科工局的朋友给我打电话说，国务院已经批准了中国电磁监测试验卫星工程项目。”回想当初得知项目通过的瞬间，申旭辉仍然难掩激动：“这10年花了国家很多钱，有一大批人在里边奉献，终于上了一个台阶。我觉得我已经很坚强了，但当时还是控制不住大哭了一场。”

兴奋的心情还未散去，申旭辉团队就紧锣密鼓地走入了下一个5年——从2013年下半年开始的卫星研制阶段。作为一颗承载着重要使命的卫星，中国电磁监测试验卫星从立项之初就设定了两个目标：其一，要直接面对地震预测这一科学难题，借助卫星提高地震孕育发生规律的研究和认识，积累地震震例，探索地震短临预测新方法；其二，越来越多的研究表明自然灾害的孕育不是孤立存在的，要以探索地震的多圈层前兆扰动为契机，系统观测和研究地球岩石层-大气层-电离层等多圈层、多物理场相互作用。基于这一情况，申旭辉团队将使用卫星探测及获取地球地磁场、电磁波、电离层等离子体原位和结构信息列入“目标清单”。“司南、指南针，这都是很早的人类利用地球磁场性质进行‘导航’的例子。当然，地球磁场的作用远不止于此。”申旭辉依旧深入浅出地解释道，“它既可以是指引方向的天然导航基准，也可以是了解地球的一把钥匙。”据了解，对地球磁场及受到地球磁场和日地相互作用强烈约束的地球电离层的观测，是人类系统认识地球内部结构、探索地球圈层耦合过程、探查地球资源、解析灾害环境变化的重要手段。然而当时，全球地磁场、电离层建模以欧美国家为主，其所提供共享的全球地球物理场空间模型分辨率“很差”，“电离层模型在部分地区大概有60%的误差，这样产生的数据实际上是没有太大实际应用价值的”。“关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的”，面对“外来数据不好用”的状况，申旭辉及其团队下定决心，要通过自己正在研制的这颗电磁监测卫星，获取全球地磁场和电离层环境并建立覆盖全球的高精度、高分辨率、自主可控的地球物理场模型，进而研究空间天气活动及地球岩石层-大气层-电离层耦合机制，为我国相关领域科学研究提供精准可靠的数据服务。

确定了目标，便只顾风雨兼程。尽管“造星”过程中涉及众多科学问题、技术问题和工艺问题，走过了“国际合作—国内研制—再国内研制—再国际合作”的曲折过程，申旭辉仍保持着自己的科研初心和坚定信心。在他看来，不断向前思考、勇于探索未知，是自然科学领域研究者的使命所在。“在我看来，地震预测归根结底是自然科学问题，而自然科学问题必然有解。回到最初的问题，地震是否能被预测？我认为地震预测是有可能实现突破的，但现在还没有突破。这就需要新技术、新方法的‘加持’。”而凝结了他多年研究心血和团队努力成果的中国电磁监测试验卫星，即将以“新技术、新方法”结合体的形式，开启中国看世界的全新历程。

今日之希望：天基测震显神通

2018年2月2日15时51分，中国在酒泉卫星发射中心用“长征二号丁”运载火箭成功将“张衡一号”电磁监测试验卫星发射升空。这颗以候风地动仪发明者张衡命名的卫星，承载着汗水与梦想，正式打开了我国“从空间看地震”的新视野。“这是中国地震立体观测体系的首发星，也是中国地球物理场探测卫星计划的第一颗卫星。进入太空后，它的表现将会怎样？那时候的我很忐忑。”申旭辉回忆，“2018年2月17日，‘张衡一号’卫星在轨开机工作3天后，就成功记录到墨西哥7.1级地震。这是个特别好的信号，它证明了我们走的技术路线是对的。收到这条记录，我才放下心来，觉得这个卫星不会太差，对得起国家对我们研究工作的持续支持和投入。”

“张衡一号”01卫星带来的惊喜远不止于此。基于“张衡一号”卫星数据，我国成功建立了首个全球参考地磁场模型CGGM 2020.0。模型经国际地磁与高空物理联合会评估，符合全球地磁参考场IGRF建模精度要求，达到国际同期水平并入选新一代IGRF模型IGRF-13。曾经，中国在IGRF建模领域有长达一个多世纪的“缺位”，而CGGM 2020.0则是IGRF一个多世纪以来唯一由中国科学家牵头，且唯一完全采用中国数据制作的全球参考地磁场模型。

CGGM 2020.0的建立，同样是一个醒目的里程碑。它标志我国已经全面掌握全球地磁场建模关键技术，填补了我国在全球地磁场战略信息资源获取领域的能力空白，具有重大战略意义。通过融合多种数据、构建高分辨率高精度全球和区域地磁场模型，申旭辉及其团队正在为应急组合导航、全球资源探查、国家安全，以及“一带一路”倡议和人类命运共同体建设提供重要的战略信息资源保障。

回归到“看地震”的层面，经由“张衡一号”01卫星的海量观测数据和由此开展的大量数学物理模拟，申旭辉团队构建了基于全波方法的低频电磁波跨圈层传播模型，系统证实地下低频电磁波能够穿透岩石层、大气层和电离层到达卫星高度，精细仿真了低频电磁波传播渗透特征，修正了前人关于地球岩石层-大气层-电离层间电磁波传播问题“高频波出不来，低频波上不去”的认识局限，发展了低频电磁波跨电离层传播渗透模型。“地表或地下的电磁辐射经过层层‘折损’，到达电离层的电磁波能量可能仅有原始能量的5%，最多不超过10%。这样微小的能量，在过去的研究中经常被忽略。而现在我们通过卫星的帮助，可以将原本大家都忽略的东西‘抓出来’研究，这就成为我们的特色和优势，从而获取一些我们独有的成果。”申旭辉解释道。目前，相关成果在理论上将空间对地观测能力从地表拓展到地下，为发展天基隐伏地物高分辨率探测技术、规划发展下一代地球物理场探测卫星、完善地球系统科学理论奠定了科学基础。

此外，“张衡一号”01卫星还初步证实地震电磁辐射能够到达电离层高度被卫星接收到，为地震预测科学探索提供了新的途径。除了在轨工作3天即记录下墨西哥7.1级地震的“首功”，在随后近5年的时间里，“张衡一号”01卫星也兢兢业业地记录着世界范围内地震的各项数据。截至目前，“张衡一号”01卫星共记录到全球7级以上地震50多次、6级以上地震500多次。根据这些震例的跟踪研究及统计分析，申旭辉团队初步认为对于大部分强地震，“张衡一号”卫星均记录到了与其相关的电磁波和等离子体异常扰动现象，6级以上地震的可探测概率达到60%以上；且随着发震时刻临近，可能检测到的概率也明显提高。地震预测作为一个世界性科学难题，其主要原因之一在于大地震的小概率特性。而“张衡一号”01卫星凭借其全球观测能力，得以有效捕捉到比地面观测系统多得多的观测震例，从而为探索地震预测科学理论和方法，提供了全新的数据和可能。

与此同时，“张衡一号”01卫星服役以来，也成为空间天气活动的精准记录者，支撑形成空间天气灾害监测预警能力，为我国通信导航环境管理和重大带电生命线工程安全运行提供保障。申旭辉强调：“‘张衡一号’是一个新理论、新技术、新工艺、新仪器的集合体，其搭载的很多仪器和技术都属于国内首例，‘全面突破’是‘张衡一号’不折不扣的主题词。”具体来讲，“张衡一号”卫星各个载荷具备了对空间天气灾害事件的精准响应能力，例如2018年8月发生的大磁暴是“张衡一号”卫星发射以来遇到的最大的磁暴，卫星各个载荷观测到了磁暴初始相、主相和恢复相的各个阶段全球多种地球物理场物理参量的扰动，是全时空尺度观测和理解空间天气活动的重要手段。除此之外，卫星在轨期间，发生的火山、日食、海啸、风暴潮、南大西洋磁异常活动及多种空间电磁波活动也被“张衡一号”01卫星逐一精准记录，显示出其在空间天气灾害、极端天气灾害和火山活动监测预警方面的良好应用前景。

提及空间天气灾害监控记录的重要性，申旭辉为记者介绍了许多“前车之鉴”：1989年冬季加拿大魁北克600万人停电、2011年日本3.11地震后GPS导航信号中断46个小时、2017年北美太阳风暴-飓风-地震复合灾害期间应急通信系统失效……这些都是空间天气灾害影响现代技术系统稳定运行和社会经济可持续发展的实证。在这一领域，“张衡一号”01卫星的作用也十分明确：它将形成生命线工程的空间天气灾害效应和极端条件下应急通信导航环境监测预警能力，密切配合国家战略和国家安全需要，为我国“两个一百年目标”的实现，以及现代技术系统稳定运行提供强大推力。

尽管是我国地球物理领域的“首星”，“厚积薄发”的“张衡一号”01卫星依然凭借其优异表现获得了国内外的一致赞誉。卫星入轨以来，“张衡一号”卫星团队联合国内外科研机构，开展了系统的科学研究和广泛的国际合作，取得丰硕研究成果。2018年2月2日和2019年3月23日，习近平总书记两次高度评价“张衡一号”01卫星研制和合作成果；荣获2019年度中国国际科技合作奖的意大利空间局前局长罗伯托·巴蒂斯通教授盛赞“中国科学家是可靠的合作伙伴”；国际大地测量学和地球物理学联合会地震与火山电磁学跨协会工作组前后两任主席均表示“热切期待与‘张衡一号’卫星的合作”。申旭辉不无感慨地说：“现在国际上对中国电磁星的评价很高，说数据非常好。‘张衡一号’卫星也被国际学界称为‘未来10年地球电磁学研究领域国际合作之桥’。20年圆梦，还能收获这样的认可，对于我和我的团队来说，这既是动力，同样也是鞭策。除了地震研究，我们还在不断思考，‘张衡一号’卫星可以参与到哪些其他的应用中？如何让其在交叉领域发光发热？想到这些，我们就得继续前行，一步也不能松懈。”

明日变现实：幸运和勇敢缺一不可

申旭辉常常说，自己是个很幸运的人。“我家有6个兄弟姊妹，生活条件很艰苦，叔伯们也经常劝父母让我们务农。”然而，中小学教师出身的父亲却并未因此放弃让孩子们读书看世界的追求。待到申旭辉上初中时，因他要去远在10公里外的学校就读，忙于工作的父亲特意匀出时间，每天求学路的半程之处，便成了父亲接送他的“渡口”。

辰星与晚霞的交替中，3年倏忽而过，申旭辉凭借自身的努力把崎岖的山路走成了坦途，以优异的成绩进入湖南省重点中学——新民中学。在这里，申旭辉遇见了一大批学识渊博、远见卓识的老师，而这些老师也给求知若渴的申旭辉打下了坚实的基础。后来，他虽然在高考中失利，但母校河北地质学院（今河北地质大学）给予了这个成绩优异的年轻人极大的自由——因为被允许不计考勤分，申旭辉将大量的时间投注到相关书籍的阅读中。“学校老师甚至给了我一把图书馆的钥匙，我可以随时进去看书。那时候我几乎天天泡在图书馆，从地质学开始不断学习新的知识。地质学涉及很多基础理论，我也在这个过程中不断‘查漏补缺’。数学、物理学的著作，还有一些跟地学有关的经典著作，我基本都在大学4年的时间里看完了。可以说，高中为我打好了底子，大学给了我一个开放的环境，这才成就了后来的我。”

随后在中国地震局攻读硕士和博士期间，导师汪一鹏研究员和丁国瑜院士言传身教，给予了申旭辉触摸地质专业前沿研究的机会，并在实践操作中敢于让他“放手一搏”，承担起地质研究与数理模型相结合、地质研究与遥感技术相结合等多项重要项目。“在这个过程中，我得以接触到不同的研究领域，也获得了大型项目管理的经验。”申旭辉回忆道。申旭辉个人的丰富积累、导师的有力引导，以及扎实的科研成果，也成为他被推选为“张衡一号”卫星计划牵头人的主要原因——“年轻、有一定学术水平、有交叉学科研发背景和重大项目管理经验”，这正是当时申旭辉的真实写照。

而当申旭辉进入“张衡一号”卫星研发团队时，团队的有效协作成为他这一阶段前行的重要动力。“我们这个团队实际上工作压力蛮大的，待遇也并不丰厚，是对科学的热爱将我们凝聚在一起。现在回想起来，团队能够协同发展、并肩作战，一方面靠的是‘三力’——亲和力、执行力、创造力。在我看来，团队首先要有亲和力，没有亲和力就不是团队；其次团队一定要有执行力，这是我们研究工作能够顺利完成的根本保障；第三要有创造力，要有求新求变的魄力和胆量，也需试错认错从头再来的勇气。另一方面就要靠‘三度’，即厚度、宽度、高度。对于团队中的个人来说，不能人云亦云、随着大流走，个人也还要不断地积累厚度，这才是科学家该有的求真态度。如果想要走得远一些，还需要有一定的宽度，要不断拓展自己的知识范围，这也是我的切身体会。此外，还要不断提升高度，无论是科研水平，或是技术方法，都要有高度的要求。在‘三力’和‘三度’的基础上，我们分工明确、精诚合作，这也是我们最终能获得一些不错成果的根本原因。对于我个人而言，能够与这样的团队合作，是我最大的幸运。”

提及未来发展，申旭辉坦言，“张衡一号”就像自己的团队一样，从来不是一个孤立的点，其最终形态也将是一支“并肩作战、效率高、精度高、服务范围广的精锐之师”。目前，“张衡一号”01卫星已经顺利完成设计的5年在轨运行任务，并以其优良性能继续延寿运行，“张衡一号”02卫星及其姊妹星“澳科一号”科学卫星将于近期发射入轨，与“张衡一号”01卫星在轨接续并组网观测，以提升我国在全球地磁场和电离层环境获取建模的能力。考虑到我国空间地球物理技术发展趋势和全球地球物理场建模及其科学数据应用的需求，“张衡一号”卫星在高时空分辨率全球地磁场和电磁环境测量、基于量子原理的磁场梯度及梯度张量测量、地球物理场卫星系列发展及地球磁场重力场联合反演、地球系统科学与地球关键带灾害环境效应研究4个方面持续发力，面向全球地壳运动、全球变化、地球系统科学，以及资源调查、环境管理、灾害监测预警需求，大力发展地球全系统、多物理场联合精细反演技术，全面推进和支撑相关领域科技创新。

在2018年2月“张衡一号”卫星发射升空时，申旭辉这样概括自己的研究生涯：“十五载呕心沥血，读数据、穷机理、钻技术，百千同仁竭力铸造张衡星；五千天殚精竭虑，问名师、找外援、寻后生，几代学者联手共圆科学梦。”他很推崇伽利略的一句话——“追求科学，需要特殊的勇敢。”而他也正是这样，在数十年如一日的研究中，以自己的赤子之心，长久地践行着这句箴言。

（责编：唐一白）

专家简介

申旭辉，博士研究生导师，中国科学院国家空间科学中心二级研究员，国际宇航科学院院士，“张衡一号”电磁监测卫星计划首席科学家、工程副总设计师兼国际科学家委员会主席。兼任国家遥感技术标准化委员会委员、中国地震局科学技术委员会委员、中国地震学会空间对地观测专业委员会荣誉主任、中国地球物理学会航空航天地球物理专业委员会副主任、中国地球物理学会流体地球物理专业委员会副主任，中国科学院大学、北京航空航天大学、中南大学兼职教授;中法、中意、中欧航天合作电磁卫星联合工作组中方组长，中欧航天合作重力卫星联合工作组中方组长，国际地震火山电磁方法委员会—国际大地测量学与地球物理学联合会执委会委员，国际地磁和高空大气物理协会—国际大地测量学与地球物理学联合会中国委员会委员，地球观测组织中国委员会专家组成员，亚太空间合作组织（APSCO）专家委员会委员。他长期从事空间地球物理、灾害遥感及通导遥一体化技术集成研究，承担了国家重大科技计划、国家科技支撑计划、国家重点研发计划、国家民用航天科研计划重点项目，以及“973”、“863”和国际合作计划重点课题，公开发表各类科研论文200余篇，获省部级科技成果奖3项，发明专利十余项。