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強震警報的原理是什麼?真的能發揮防災效果嗎?——《震識》

文/阿樹

請先試想一下這個情景:

某天的午夜12點左右,某處發生了一起規模6.7,深度僅15公里的地震,兩個離震央不遠處發生的事……

                   地點一:離震央有點距離,但震度達5級,大約有12秒的預警時間

地震發生時,手機跳出警報的示意(無時間預估)

小正住在一棟大廈的7樓,正準備煮泡麵當宵夜時,手機突然響起強震警報,顯示預估震度達5級。他反射性關掉正在燒水的爐火和一旁的瓦斯開關,快速一瞥手機,發現剩大約10秒鐘地震波就要來了,就迅速打開大門,趕在開始搖晃的前一刻躲到桌下。

搖晃了好一陣子,小正預估大概有十幾秒吧!當搖晃漸歇,小正從桌下走出,檢視一下家裡的狀況。由於櫃子幾乎都固定在牆上,僅掉落了幾本書和一些小物品,爐上的水濺出不少,好在小正先關上了瓦斯,免除了熄火外洩等問題。

                   地點二:離震央十分接近,震度達7級,幾乎沒有預警的時間

小市住在一棟屋齡35年街屋的3樓,當強震警報驚醒他時,也開始搖晃,小市知道這個地震一定很驚人,馬上先翻下床到靠近房門一側的床邊,利用枕頭就地掩避。雖然房間有衣櫃,但由於是拉門式衣櫃並固定在牆上,即使晃的很大,房間內仍未有任何掉落物。

更重要的是,雖然屋齡超過30年,但小市先前就知道,他住的地方附近未來發生大地震的機率算偏高的,便在3年前曾請人評估耐震程度並加以補強,所以在這次地震來襲時,房屋的結構並未受損,僅僅家中有些未固定的櫥櫃傾倒。

搖晃快結束時,忽然間小市家停電了!不過還好他手上還拿著手機,待搖晃結束後,小市利用手機的手電筒找到他先前準備的地震包和家中鑰匙。他擔心還會有些餘震,便背著地震包的東西出門看看自己房子的狀況和鄰近的災情。好在雖然震度很大,但附近多數房子都未受到太嚴重的損壞,可說是不幸中的大幸了。

source:ariel jatib

故事中的「強震警報」是什麼?

強震警報不是用來預測地震的方式,而是像火警感應器一樣,只是偵測的東西從「火災」換成「地震」。目前無論是國內的「強震即時警報」或是日本的「緊急地震速報」都是以「通訊的電磁波遠快過地震波」的原理來實現提前警報的效果。

日本的緊急地震速報。source:PROTatsuo Yamashita

上述這些「強震警報」的方式,是將我們原有的地震定位和估算規模方式延伸應用的技術,所以在談這技術前要先談談更基本的事:地震「波」是什麼?

我們感受到「地震來了」的時間點,並非是那一刻在腳下發生地震,而是「地震波」剛好來到腳下那一刻,才讓我們感受到搖晃,所以真正發生地震的時間點就需要再往前推。

如果我們在各地擺放許多地震儀,離震央越近的地震儀,就會越早偵測到地震波,而當我們很多地震測站都收到地震波時,就可以利用記錄到的時間差、地震波速回推震央、算出規模。至於震度是指搖晃程度,因此得用「測」的才會知道,地震過後,上網看到地震報告上面有個地完整的震度資訊,所以氣象局發布地震報告時,早就結束搖晃了!

所以要讓地震測報發揮防災效果,而不會只是馬後炮,就得要做一件有點矛盾的事情:「盡可能用最少地震儀的資料就算出夠準確的震央和規模。」為什麼說這事情矛盾?雖然理論上只要有一個地震測站的資料就能決定地震規模,如果有四個測站都收到地震波就可以決定地震的震央,但實際的地球才不會像我們想的這麼單純,除了儀器本身的誤差,地震波傳到地表前會經過好幾公里的岩層,這些岩層就像是名偵探柯南用的變聲器一般,某程度已失真,要解決這問題,就得要靠更多的地震儀(測站)來輔助支援。

總而言之,這種依靠多個儀器資訊來運作的地震預警,就是盡可能的在時效和準確率上面找到平衡點。目前中央氣象局公告的資訊來說,大約可以做到震度誤差在正負一級內的前提下,有95%的準確率,簡單來說絕大多數的情況下,如果警報告知即將有震度四級的地震波來到,那麼最終結果無論是三、四、五級都算是準確的。

可是震度6級和7級搖晃程度不是差很多?怎麼還有這種誤差?其實從地震規模再轉成各地震度,並不是很簡單的事。前面已經提到了,地震波通過岩層後會「失真」。所以當我們提出預警,告訴大家地震波將會到的地方震度有幾級時,就必需考量地震波穿過的各種岩層構造後的變化。

談到這裡我們可以發現一件事:強震警報的理論上並不是很難的數學或電腦處理問題,計算震度、芮氏規模早二十年前的技術都十分成熟,瓶頸多半是卡在觀測與科技未達到能處理問題的程度,尤其我們對「地表下樣貌」的了解,其實並沒有比我們對宇宙的了解多啊!

為什麼強震警報幾乎對小市派不上用場?

回到正題,或許有人會發現,小市根本用不上強震警報啊!的確,警報也不能視為防災萬靈丹,因為我們「等著地震波到達前幾個地震測站」和處理地震資料的時間少說會花上十幾秒。很多時候震央周圍50公里內不是完全沒時間預警,就是只剩兩、三秒時間可以應變。不過,小市卻能從「從警報知道大略震度」資訊,就能夠用來作「瞬間的反應」。或許大家遇到地震來襲,更常有以下的這樣的情況:

                啊!有地震,這個會是大地震嗎?還是小的?好像越來越大……

會有這種情況,是人的「本性」,但這樣的行為無不利於地震防災,因為如果真的是大地震,在想地震大不大時就秏掉了不少時間,等於零準備、零應變。因此即使只是一秒,只要足以做好即時躲避的動作,還是有幫助的。

更重要的是,小市在「平時」做了足夠的防災準備,無論是耐震補強、固定櫃體甚至準備地震包,這些看似平常完全派不上用場的作為,就如同「養兵千日,用在一時」一般,更重要的是平時的作為,不過「為什麼要有這些作為」,背後還是有一些道理,這就是我們為什麼要讓各位讀者理解這些科學最主要的原因。

強震即時警報的原理示意,由先達的P波求得地震參數判斷是否有需要發布警報的強震。第三張圖中的離震央最近紅色民房就是盲區,無法提前警戒。

有沒有注意到文中「未來發生的地震機率」呢?那是什麼?

其實這是地震學家用科學的方式評估,針對台灣各地發震構造未來可能發生大地震的機率,以及各地未來50年可能的超過10%機率最大震度的值,並繪製成圖。或許你會問:啊這東西要怎麼看?怎麼一下說50年、一下說超過10%?簡單來說就是較暖色系部分是風險較高的地方,至於這資料怎麼算怎麼研究出來的、要怎麼拿它來看待未來可能發生的地震,我們將會另闢專文說明,敬請期待囉!

未來50年內,機率10%以上的振動強度的分布圖。可用於長期的防災規畫評估參考。資料來源:台灣地震科學中心

我們期盼的未來是什麼?

如果可以,誰不希望能預測地震?不過從科學角度來看,「能夠派得上用場」的地震預測仍未問世(這個我們未來將在另篇文章討論),而最「保險」的做法,當然就是用強震即時警報。即使如此,我們還有很多許多事可以做,小正小市的作為,不單單只有「如何正確利用地震警報」這麼簡單,還有許多的小細節,是在大地震可能還離我們非常遙遠時,就該先做好準備。另外,地震的防災要做到「極致防護」,不單是光靠政府,也不是光靠科學家就能做到的,地震來襲時的時、地、人、事、物甚至「背景知識」都是關鍵,故本文在此只是起個頭,未來還會有更多地震與防災知識,或許你會想「哎呀怎麼這麼麻煩,沒有SOP嗎?」

自然界是很複雜而渾沌的,如果我們只想用「一種最簡單的方式解決問題」,反而永無法理解自然。

多數時間自然界的問題都是「複合性」的問題,可能有很深奧的知識,也可能是很多簡單知識的總合,地震防災最該做的SOP,就是從現在開始,好好認識地震,知己知彼,才能百戰百勝。

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