5年間の「単独作業」を経て、張衡1号は地球物理場と宇宙環境の認識とモデリング能力を拡大した。

地震予知という科学的問題の解決を進めるため、中国地震局、国家国防科学技術工業局、科学技術部、中国科学院などが共同で2003年2月18日と19日に香山会議を開催し、我が国の地球物理分野衛星計画の実証作業を正式に開始した。 2018年2月2日、我が国の地球物理分野衛星計画の第一号衛星であり、地震立体観測システムの最初の宇宙プラットフォームである電磁気監視試験衛星「張衡1号」が、酒泉衛星発射センターから軌道上に無事に打ち上げられました。 2023年2月2日現在、張衡1号衛星は5年間の設計寿命を無事に完了し、寿命を超えて軌道上での運用を継続する予定です。

張衡1号衛星の主な科学目標は、宇宙電磁環境の変化をリアルタイムで監視し、全世界のマグニチュード7以上および中国のマグニチュード6以上の地震の電磁情報分析と研究を行うこと、地震前後の電離層応答変化の情報特性とメカニズムを予備的に探究すること、地球システム、特に電離層と他の関連領域との相互作用と影響を研究すること、国家安全保障、航空宇宙、航行、通信などの関連分野に宇宙電磁環境監視データ応用サービスを提供することである。

過去5年間で張衡1号衛星は何を達成したのでしょうか?

張恒1号が軌道に乗っていた期間中、中国は初めて全世界の地磁気と低周波電磁スペクトルをカバーする2つの基本データセットの取得に成功し、世界中のマグニチュード6以上の強い地震500回以上とマグニチュード7以上の強い地震60回近くの情報を完全に記録した。これを基に、地球基準地磁気モデルと岩石圏・大気・電離圏結合メカニズムという2つの科学モデルが初めて体系的に構築され、国際的にトップレベルに達した。世界的な重要地震の包括的な事例分析と統計分析が行われ、地震の電磁気的および電離層的前兆の時空間統計法則に関する予備的な理解が得られました。同時に、宇宙天気災害、火山災害の影響などに関する分析・研究も行われ、地震予知や多重災害連鎖の監視・早期警報に関する科学的探究のさらなる推進に積極的な支援を提供した。

1. 地球磁場と低周波電磁スペクトルのデータ収集が国内のギャップを埋める

衛星は打ち上げ以来、全球の地磁気とULFからHF帯までの低周波電磁スペクトルを記録してきました。衛星で観測された低周波電磁スペクトルデータに基づいて、自律的かつ制御可能で、正確で時間とともに変化する低周波電磁放射背景場を確立し（図1）、低周波電磁放射の乱れを動的に感知して、電離層環境の監視と早期警報機能を効果的に向上させることができます。観測された電磁変動は DC ～ 3.5MHz の周波数帯域にあり、ULF、ELF、VLF、HF などの複数の周波数帯域の信号をカバーし、ホイッスル波、シューという音、準周期的な離散変動などの豊富な変動が含まれています。これらの電磁気変動の一部は、波動粒子相互作用メカニズムを通じて高エネルギー粒子の加速と沈降にもつながります。これらの地磁気と低周波電磁スペクトルのデータの収集は、国内のギャップを埋め、我が国の地球宇宙物理学と自然災害の予防と制御の研究において重要な役割を果たします。

図1 張衡衛星によるULF帯全球電磁スペクトル背景

2. 衛星電磁気データの応用において画期的な進歩が遂げられた

衛星が軌道上にある間に起きた世界的な地震事例の体系的な研究により、マグニチュード6以上の地震の前には電磁気および電離層の異常が発生する可能性が高いという予備的な結論が得られた。 2018年2月17日、メキシコでマグニチュード7.1の強い地震が発生しました。 2月15日と16日、張恒1号衛星は地震前の低周波電磁放射現象を継続的に記録した。これは張恒1号衛星が記録したマグニチュード7以上の地震現象としては初めてのものだった。 2023年2月6日、トルコはマグニチュード7.8の二重地震に見舞われた。張恒1号衛星データの分析により、地震の約20日前に断続的に異常な電磁波とプラズマの前兆現象も発見された。地震事例分析と総合統計の結果から、マグニチュード6以上の地震の発生過程において、地震の数日前と震源地から数百キロメートル以内で、明らかな電磁放射と電離層擾乱の異常が現れる可能性が高いことが予備的に示されています。このうち、異常箇所における余震の偏りは地磁気経度と緯度に関係している。マグニチュード6以上の地震の前に、低周波電磁放射と電離層擾乱の前兆現象が現れる確率は60%以上です。

図2 張衡1号衛星の構成

張衡1号衛星は、さまざまな自然災害事象に対する優れた対応能力を備えています。現在、宇宙天気災害は社会経済に影響を与える重要な要因となっています。張衡1号衛星は軌道上で、複数の宇宙天気災害事象の時空間的展開を完全に記録しました。例えば、2018年8月に発生した大規模な磁気嵐の際には、電磁場、プラズマ、高エネルギー粒子などのさまざまなペイロードによって、磁気嵐の初期段階、主要段階、回復段階における地球物理学的場のパラメータとその全球分布特性の乱れが観測されました（図3）。

図3 2018年8月26日の強い磁気嵐に対する張衡1号衛星の反応

張衡1号衛星に搭載された太陽X線モニターは、太陽フレアやコロナ質量放出時のX線の増強と太陽陽子現象の発生も観測した。これらの太陽活動の観測結果は、NOAA 衛星や GOES 衛星による観測結果とよく一致しています。張衡1号衛星はまた、軌道上でトンガ火山の噴火の前後の電離層の変化と通信・航行環境の大きな混乱も観測した。

我が国初の地球規模の基準地磁気モデルの構築に成功し、国際的にトップレベルに達しました。張衡1号衛星データに基づいて、全球基準地磁気モデルCGGM 2020.0が構築されました（図4）。このモデルは、国際地磁気航空物理学会（IAGA）によって評価され、国際全球地磁気基準場IGRFのモデリング精度要件を満たしており、新世代のIGRFモデルIGRF2020.0として選定されました。これは、IGRF の更新が始まってから 1 世紀以上経ちますが、更新された唯一の中国モデルです。これは、我が国が地球の地磁気モデリングの主要技術を完全に習得し、地球の地磁気戦略情報資源の獲得能力のギャップを埋めたことを示しています。

図4 張衡1号地球基準地磁気モデルCGGM 2020.0

現在、さまざまなデータを統合して高解像度、高精度の地球および地域の地磁気モデルを構築しており、緊急統合航法、地球資源探査、国家安全保障、「一帯一路」と人類運命共同体の構築に重要な戦略的情報資源の保障を提供している。

3. 低周波電磁波の球面間伝播モデルを体系的に開発し、宇宙地球物理学の発展のための理論的基礎を築く

張衡1号衛星の大規模な観測制約に基づいて、地下/地表から大気圏および電離層への低周波電磁波の伝播と浸透の全波モデルが確立されました（図5）。低周波電磁波のいくつかの波動モードとエネルギーは電離層高度に到達し、衛星によって受信される可能性があると結論付けられました。このモデルシステムは、低周波電磁波の層間結合伝播メカニズムを突破し、地球の岩石圏-大気圏-電離圏結合モデルを革新的に開発し、地上の低周波通信、散乱レーダー、関連衛星観測信号の助けを借りてモデルの科学的性質と信頼性を検証し、地震によって発生した低周波電磁波が岩石圏、大気圏、電離圏を貫通して張恒1号衛星の高度に到達し、衛星によって観測されることを証明しました。

図 5. リソスフェアと電離層を横切る低周波電磁波の伝播と電離層導波管における減衰のモデル。

このモデルの確立により、地球の岩石圏、大気圏、電離圏の間の電磁波の伝播に関するこれまでの理解の限界が修正され、我が国が宇宙ベースの低周波電磁波を使用して、大規模な地球規模の自然災害の全プロセス監視と早期警報を開発し、地表近くの隠れた物体を高解像度で検出するための理論的サポートが提供されます。重大な自然災害の監視、地下資源開発、地下空間管理のための重要な基礎を築き、地球システム科学と地球の重要な領域に関する研究を科学的に拡大しました。

国家の戦略的ニーズや国際的な科学の最前線と比較すると、張恒1号衛星と地球物理分野の衛星計画の開発はまだ初期段階にあります。光学・マイクロ波技術の体系的な発展を基礎として、地球物理場衛星計画の発展を加速し、独立した高解像度・高精度の地球物理場動態モデルを構築し、地球規模の自然災害監視・早期警報、極限状況通信・航行環境管理、居住可能な地球の持続可能な発展を支える能力を創出します。