Nach fünf Jahren „Alleinarbeit“ hat Zhang Heng-1 seine Fähigkeiten zur Wahrnehmung und Modellierung globaler geophysikalischer Felder und Weltraumumgebungen erweitert

Um die Lösung des wissenschaftlichen Problems der Erdbebenvorhersage voranzutreiben, organisierten die chinesische Erdbebenbehörde, die staatliche Verwaltung für Wissenschaft, Technologie und Industrie für die nationale Verteidigung, das Ministerium für Wissenschaft und Technologie, die chinesische Akademie der Wissenschaften und andere gemeinsam am 18. und 19. Februar 2003 die Xiangshan-Konferenz und starteten offiziell die Demonstrationsarbeiten des geophysikalischen Feldsatellitenprogramms meines Landes. Am 2. Februar 2018 wurde der elektromagnetische Überwachungstestsatellit Zhangheng-1, der erste Satellit des geophysikalischen Feldsatellitenprogramms meines Landes und die erste weltraumgestützte Plattform des seismischen stereoskopischen Beobachtungssystems, im Satellitenstartzentrum Jiuquan erfolgreich in die Umlaufbahn gebracht. Am 2. Februar 2023 hat der Satellit Zhangheng-1 seine geplante fünfjährige Lebensdauer erfolgreich abgeschlossen und wird auch über seine Lebensdauer hinaus seinen Dienst im Orbit verrichten.

Die wichtigsten wissenschaftlichen Ziele des Satelliten Zhangheng-1 sind: die Durchführung elektromagnetischer Informationsanalysen und Forschungen zu Erdbeben der Stärke 7 oder höher weltweit und der Stärke 6 oder höher in China auf der Grundlage einer Echtzeitüberwachung von Änderungen der elektromagnetischen Umgebung im Weltraum, die vorläufige Untersuchung der Informationseigenschaften und Mechanismen von Änderungen der Reaktion der Ionosphäre vor und nach Erdbeben, die Untersuchung der Wechselwirkung und Auswirkungen des Erdsystems, insbesondere der Ionosphäre, mit anderen verwandten Sphären und die Bereitstellung von Anwendungsdiensten zur Überwachung von Daten zur elektromagnetischen Umgebung im Weltraum für die nationale Sicherheit, die Luft- und Raumfahrt, die Navigation, die Kommunikation und andere verwandte Bereiche.

Was hat der Satellit Zhang Heng-1 in den letzten fünf Jahren geleistet?

Während sich Zhang Heng-1 im Orbit befand, konnte China erstmals erfolgreich zwei grundlegende Datensätze erwerben, die das globale Geomagnetfeld und das niederfrequente elektromagnetische Spektrum abdecken, und Informationen zu mehr als 500 starken Erdbeben der Stärke 6 und höher sowie fast 60 starken Erdbeben der Stärke 7 und höher auf der ganzen Welt vollständig aufzeichnen . Auf dieser Grundlage wurden erstmals zwei wissenschaftliche Modelle systematisch konstruiert: das globale Referenz-Geomagnetfeld und der Lithosphäre-Atmosphäre-Ionosphäre-Kopplungsmechanismus, die international führendes Niveau erreichten. Es wurden umfassende Fallanalysen und statistische Analysen bedeutender Erdbeben weltweit durchgeführt und ein vorläufiges Verständnis der raumzeitlichen statistischen Gesetze elektromagnetischer und ionosphärischer Vorläufer von Erdbeben gewonnen. Gleichzeitig wurden Analysen und Forschungen zu Weltraumwetterkatastrophen, den Auswirkungen von Vulkanausbrüchen usw. durchgeführt, die einen positiven Beitrag zur weiteren Förderung der wissenschaftlichen Erforschung der Erdbebenvorhersage und -überwachung sowie der Frühwarnung vor Katastrophenketten mit mehreren Gefahren leisteten.

1. Die globale Datenerfassung zum Geomagnetfeld und zum niederfrequenten elektromagnetischen Spektrum füllt die nationale Lücke

Seit seinem Start hat der Satellit das globale geomagnetische Feld und das niederfrequente elektromagnetische Spektrum vom ULF- bis zum HF-Band aufgezeichnet. Auf der Grundlage der von Satelliten beobachteten Daten des niederfrequenten elektromagnetischen Spektrums kann ein autonomes, kontrollierbares, präzises und zeitlich veränderliches Hintergrundfeld niederfrequenter elektromagnetischer Strahlung erstellt werden (Abbildung 1). Außerdem können Störungen durch niederfrequente elektromagnetische Strahlung dynamisch erfasst werden, wodurch die Überwachung der ionosphärischen Umwelt und die Frühwarnfunktionen wirksam verbessert werden. Die beobachteten elektromagnetischen Schwankungen liegen im DC-3,5-MHz-Frequenzband und umfassen Signale in mehreren Frequenzbändern wie ULF, ELF, VLF und HF, darunter starke Schwankungen wie Pfeifwellen, Zischgeräusche und quasiperiodische diskrete Schwankungen. Einige dieser elektromagnetischen Schwankungen führen durch den Welle-Teilchen-Wechselwirkungsmechanismus auch zur Beschleunigung und Sedimentation hochenergetischer Teilchen. Die Erfassung dieser Daten zum Geomagnetfeld und zum niederfrequenten elektromagnetischen Spektrum schließt die Lücke im Inland und spielt eine wichtige Rolle bei der Forschung zur Georaumphysik und der Prävention und Kontrolle von Naturkatastrophen in meinem Land.

Abbildung 1 Globaler elektromagnetischer Hintergrund im ULF-Band, bereitgestellt vom Satelliten Zhang Heng

2. Bahnbrechende Fortschritte wurden bei der Anwendung elektromagnetischer Satellitendaten erzielt

Eine systematische Untersuchung der weltweiten Erdbebenereignisse während der Zeit, in der sich der Satellit im Orbit befand, hat vorläufige Schlussfolgerungen ergeben, dass Erdbeben der Stärke 6 oder höher wahrscheinlich von elektromagnetischen und ionosphärischen Anomalien vorausgehen. Am 17. Februar 2018 erschütterte ein starkes Erdbeben der Stärke 7,1 Mexiko. Am 15. und 16. Februar zeichnete der Satellit Zhang Heng-1 vor dem Erdbeben kontinuierlich das Phänomen niederfrequenter elektromagnetischer Strahlung auf. Dies war zugleich das erste Erdbebenphänomen der Stärke 7 oder höher, das vom Satelliten Zhang Heng-1 aufgezeichnet wurde. Am 6. Februar 2023 ereignete sich in der Türkei ein Doppelbeben der Stärke 7,8. Bei der Analyse der Daten des Satelliten Zhang Heng-1 wurden etwa 20 Tage vor den Erdbeben außerdem zeitweise abnormale elektromagnetische Wellen und Plasmavorläufer festgestellt. Die Ergebnisse der Erdbebenfallanalyse und umfassende Statistiken deuten vorläufig darauf hin, dass während der Entstehung eines Erdbebens der Stärke 6 oder höher eine hohe Wahrscheinlichkeit besteht, dass einige Tage vor dem Erdbeben und in einem Umkreis von Hunderten von Kilometern um das Epizentrum deutliche Anomalien der elektromagnetischen Strahlung und der Ionosphäre auftreten. Unter anderem hängt die Abweichung der Nachbeben an der ungewöhnlichen Stelle mit der geomagnetischen Länge und Breite zusammen. Die Wahrscheinlichkeit, dass vor Erdbeben der Stärke 6 oder höher Vorläufer niederfrequenter elektromagnetischer Strahlung und ionosphärischer Störungen auftreten, liegt bei über 60 %.

Abbildung 2 Zusammensetzung des Satelliten Zhangheng-1

Der Satellit Zhangheng-1 verfügt über gute Reaktionsfähigkeiten auf verschiedene Naturkatastrophen. Heutzutage sind Weltraumwetterkatastrophen zu einem wichtigen Faktor geworden, der die Sozialökonomie beeinflusst. Während seiner Zeit im Orbit zeichnete der Satellit Zhangheng-1 die räumlich-zeitliche Entwicklung mehrerer Weltraumwetterkatastrophen vollständig auf. Während des großen magnetischen Sturms im August 2018 wurden beispielsweise bei verschiedenen Nutzlasten wie elektromagnetischen Feldern, Plasma und energiereichen Partikeln Störungen der geophysikalischen Feldparameter und ihrer globalen Verteilungseigenschaften während der Anfangs-, Haupt- und Erholungsphase des magnetischen Sturms beobachtet (Abbildung 3).

Abbildung 3: Reaktion des Satelliten Zhangheng-1 auf den starken magnetischen Sturm am 26. August 2018

Der Solar-Röntgenmonitor an Bord des Satelliten Zhangheng-1 beobachtete auch die Verstärkung der Röntgenstrahlen und das Auftreten von Sonnenprotonenereignissen während Sonneneruptionen und koronalen Massenauswürfen . Diese Beobachtungen der Sonnenaktivität stimmen gut mit denen von NOAA-Satelliten und GOES-Satelliten überein. Der Satellit Zhang Heng-1 beobachtete im Orbit auch Veränderungen der Ionosphäre sowie starke Störungen in der Kommunikations- und Navigationsumgebung vor und nach dem Vulkanausbruch auf Tonga.

Wir haben erfolgreich das erste globale Referenzmodell für das Geomagnetfeld meines Landes erstellt und damit ein international führendes Niveau erreicht. Basierend auf den Daten des Satelliten Zhangheng-1 wurde das globale Referenzmodell des Geomagnetfelds CGGM 2020.0 erstellt (Abbildung 4). Das Modell wurde von der International Association of Geomagnetism and Aerophysics (IAGA) bewertet und erfüllt die Anforderungen an die Modellgenauigkeit des International Global Geomagnetic Reference Field IGRF und wurde als IGRF-Modell der neuen Generation IGRF2020.0 ausgewählt. Dies ist das einzige chinesische Modell, das seit Beginn der Aktualisierung des IGRF vor über einem Jahrhundert aktualisiert wurde. Dies zeigt, dass mein Land die Schlüsseltechnologien zur Modellierung globaler geomagnetischer Felder vollständig beherrscht und die Lücke in den Fähigkeiten meines Landes zur Beschaffung strategischer Informationsressourcen zum globalen geomagnetischen Feld geschlossen hat.

Abbildung 4 Zhangheng-1 Globales Referenzmodell des Geomagnetfelds CGGM 2020.0

Derzeit werden verschiedene Daten integriert, um hochauflösende und hochpräzise globale und regionale Geomagnetfeldmodelle zu erstellen, die wichtige strategische Informationsressourcen für die kombinierte Notfallnavigation, die globale Ressourcenerkundung, die nationale Sicherheit sowie den Aufbau der „Gürtel und Straße“ und einer Schicksalsgemeinschaft für die Menschheit bereitstellen.

3. Systematische Entwicklung eines Modells zur Ausbreitung niederfrequenter elektromagnetischer Wellen über die Kugel, um eine theoretische Grundlage für die Entwicklung der Weltraumgeophysik zu schaffen

Basierend auf den massiven Beobachtungseinschränkungen des Satelliten Zhang Heng-1 wurde ein Vollwellenmodell der Ausbreitung und Durchdringung niederfrequenter elektromagnetischer Wellen vom Untergrund/von der Oberfläche in die Atmosphäre und Ionosphäre erstellt (Abbildung 5). Man kam zu dem Schluss, dass einige Wellenmodi und Energien niederfrequenter elektromagnetischer Wellen die Höhe der Ionosphäre erreichen und vom Satelliten empfangen werden können . Dieses Modellsystem hat den Mechanismus der schichtübergreifenden gekoppelten Ausbreitung niederfrequenter elektromagnetischer Wellen durchbrochen, das Kopplungsmodell für die Lithosphäre, Atmosphäre und Ionosphäre der Erde innovativ weiterentwickelt und die Wissenschaftlichkeit und Zuverlässigkeit des Modells mithilfe erdgestützter Niederfrequenzkommunikation, Streuradar und entsprechender Satellitenbeobachtungssignale verifiziert. Damit wurde bewiesen, dass durch Erdbeben erzeugte niederfrequente elektromagnetische Wellen die Lithosphäre, Atmosphäre und Ionosphäre durchdringen und die Höhe des Satelliten Zhang Heng-1 erreichen können, um somit vom Satelliten beobachtet zu werden.

Abbildung 5. Modell der Ausbreitung niederfrequenter elektromagnetischer Wellen über die Lithosphäre und Ionosphäre und ihrer Dämpfung im ionosphärischen Wellenleiter.

Die Erstellung dieses Modells behebt die Einschränkungen des bisherigen Verständnisses der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen zwischen der Lithosphäre, Atmosphäre und Ionosphäre der Erde und bietet meinem Land theoretische Unterstützung bei der Entwicklung einer umfassenden Prozessüberwachung und Frühwarnung vor großen globalen Naturkatastrophen sowie bei der hochauflösenden Erkennung verborgener oberflächennaher Objekte mithilfe weltraumgestützter elektromagnetischer Wellen niedriger Frequenz. Es hat eine wichtige Grundlage für die Überwachung schwerer Naturkatastrophen, die Erschließung unterirdischer Ressourcen und das Management unterirdischer Räume gelegt und die Forschung im Bereich der Erdsystemwissenschaften und der wichtigsten Sphären der Erde wissenschaftlich erweitert.

Im Vergleich zu den strategischen Erfordernissen des Landes und den internationalen wissenschaftlichen Grenzen steckt die Entwicklung des Satelliten Zhang Heng-1 und des geophysikalischen Feldsatellitenprogramms noch in den Kinderschuhen. Auf der Grundlage der systematischen Entwicklung optischer und Mikrowellentechnologien werden wir die Entwicklung eines geophysikalischen Satellitenprogramms beschleunigen, ein unabhängiges hochauflösendes und hochpräzises dynamisches Modell geophysikalischer Felder erstellen, ein globales Überwachungs- und Frühwarnsystem für Naturkatastrophen, ein Umweltmanagement für Kommunikation und Navigation unter extremen Bedingungen sowie Unterstützungskapazitäten für die nachhaltige Entwicklung einer bewohnbaren Erde schaffen.