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地震大小誰說了算?Part I:課本沒教的芮氏規模

文/潘昌志|「你地質系的?」不,但我待過地質所,而且還是海研所的碩士。無論在氣象局、小牛頓…都一樣熱愛地科與科普。現在從事試題研發工作,並持續在《地球故事書》、《泛科學》、《國語日報》等專欄分享地科的各種知識,想以科普寫作喚醒人們對地球的愛。

「這次地震是幾級?有比九二一大嗎?」

如果有人這樣問我,我得要先揣測他到底是在問我震度還是規模?當然,如果對方有提到九二一集集地震是「7.3 級」,或許可以猜想他說的是「規模」。但這背後卻還有另一個問題,那就是「他到底分得出震度和規模嗎?我要怎麼樣才能精準的回答他的問題?」

花點時間,聽聽「地震規模是怎麼來的故事」,或許我們可以更清楚明白它是什麼、以及正確運用它的方式。

你也常常「規模」和「震度」傻傻分不清楚嗎?

不是科學家龜毛執著,而是它們背後的意義實在大不相同。「震度」是一種單純描述地表振動幅度的量值,通常都會是一個量表,它和地震本身釋放能量的大小並沒有直接關係,用它來描述地震的「大小」,就會有「各自表述」的困境。距離震央近一些的人覺得震度大、離震央遠一點的人就會覺得震度小,等於我們很難量出地震真正的大小。

在地震規模問世以前,已經有「震度」可以用來描述地震,如果可以用個統一的震度階畫成等震度圖,那麼其實某程度就能用來「比大小」,但代誌絕對沒有這麼簡單!要是每個地震都這麼搞,那可就曠日費時了!試想,要是地震發生在杳無人煙處,可能連有發生地震都沒人知道。加上早期的震度估計並不是直接用地震紀錄來估算,而是藉人對搖晃的感受、房屋受損程度等定性的描述,這種方式連「誤差」都不知道怎麼給了!因此,將震度作為科學方法估算地震「大小」是非常困難的。

震度的描述可以看出人對搖晃的感受、房屋受損程度等,但並不是估算地震的科學方法。(點擊看大圖)圖/國研院國震中心,資料參考中央氣象局

更標準的「芮氏規模」竟不是芮先生一人的功勞?

地震學家芮克特(Charles Francis Richter)和古騰堡(Beno Gutenberg)兩位美國加州理工學院的地震學家,想出了一個方式來解決量測方式的問題。既然離震源越遠,振幅會越小,那其實只要製定一個標準距離、震幅的「標準地震」,只要將測量到的震波跟這個標準相比,就可以比較出地震大小了。

最好的方式,還是做出一套量度地震大小的物理量,最好是儀器可以直接測得的東西。所以還是以儀器作為準則是最客觀且可重覆使用驗證的,但是不管怎麼擺放地震儀,都會有一個問題:那就是每次地震發生的地方與地震儀測的距離都不會一樣,地震是被動的測量,不是主動的觀測啊!

地震學家芮克特。圖/en:Caltech photograph, wikimedia commons.

至於那個「標準地震」,指的是「以伍德-安德森扭力式地震儀量測距離 100 公里處發生的地震產生的最大震幅為 0.001mm 的地震,其規模為 0。」看不懂沒關係,反正就是任何方式測量到的最大震幅,只要用數學方法轉換成可以和標準地震相比的數值,就可以計算出規模。用更簡單一點的話來說,就是只要地震儀能測到某個地震,並且知道震源位置,就可以訂出規模了。

或許有人會覺得奇怪,這不是兩個人定的嗎?怎麼只有取芮克特的名字,古騰堡呢?或許是一開始沒有人特別注意到古騰堡的貢獻,又或者是當初大多時候向媒體發言的經常是芮克特 [1],久而久之就習慣講芮氏規模了。

振幅與規模關係,筆者修改自 Ansfield, V.J.,1992.[3]

芮氏規模代表的是什麼?是能量嗎?

不是能量,也不是搖晃程度,它只是單純描述地震「大小」,它是從當時地震波波形紀錄中的「最大振幅」來的,而且因為振幅的大小差距過大,所以用對數的方式來呈現,可以讓數字不致於太大,大致可以落在 0~10 之間。如果用線性的方式來描述,會用上很多位的數字,譬如規模 4 會變成 10 的 4 次方、規模 6 就是 10 的 6 次方。如果用能量就更可怕了,規模加 1,就是多了 32 倍的能量、加 2 是多了 1000 倍、加 3 就是多了 3 萬 2 千多倍的能量。

所以,規模就是單純的「大小」,雖然它和能量大小也有關,但一般大眾要直接從數值差異來推估能量大小也很難,或許也因為如此,媒體在報導地震時,常會詢問氣象局後,報導「相當於幾顆原子彈」、「相當於幾次九二一地震」等描述。不過,其實拿規模來細究釋放的能量到底有多少,意義是有限的,因為規模不能完全代表搖晃程度,更不能代表災情。規模 7.0 的地震,發生在距地表 10 公里內和發生在 100 公里深處,其造成的震度相差可遠了!

附帶一提,當初芮克特和古騰堡用「規模」(magnitude)一詞,並不是原創的詞彙,而是參考天文學描述恆星亮度的「星等」(stellar magnitude)[2],而最早的芮氏規模又算是一種「近震規模」(local magnitude),因為它是發源於計算美國南加州的地震,一開始考量的地質特性也以南加州地區,規模太大、距離太遠的地震都不適用,不過它卻開創了人們計量地震大小的先河,也是故目前芮氏規模會以 M表示。

現在世界各地,會依他們所在的區域如南加州地區的方式訂定規模大小,所以世界各國針對他們自子區域地震網的地震,仍以芮氏規模表示,包括中央氣象局發布的地震報告。雖然隨著科學發展,現今地震規模的訂定的方式有許多種,依其所採用的記錄及訊號也具有不同的意義。

或許有人看過其它的規模訂法、又或許有人曾注意到,國內發布的地震規模種類和世界地震網使用的震矩規模不一樣,但使用芮氏規模其實是有必要性的,主要原因是在統計研究地震時,一致的規模才能有固定的標準,用以瞭解地震的活動特性,有助於了解歷史上的大地震,也能讓地震學家從更多的地震資料中看出值得研究的端倪。

以圖呈現規模差距與能量差距的關係。

為什麼我們需要知道地震的大小?

除了可以用來比大小、讓大家知道地震大小的概念之外,將地震的大小某程度的科學量化與統計,也是讓我們了解地震行為的最基本方式。現在,我們可以用統計的方式來慢慢的累積資料,也可以藉由規模來比較過往的歷史地震。

近年來甚至也開始有研究著眼於斷層累積能量與地震規模的統計關係,雖然沒有神奇到可以預測地震,但如果輔以物理模型、斷層特性、古地震等相關研究,多少能讓我們對於地震潛勢有更深入了解。要做系統化的研究,量化是最重要的基礎,用規模量度地震便是一例。

總之,「比較地震大小」在地震學家的眼中也是其中一件重要的事,所以也就不要太意外為什麼我們會在意大眾會誤會規模與震度的混淆。而今日所述的故事,僅僅是一部分規模的事,還有許多有趣又不為人知的故事,欲知詳情,請持續鎖定《震識》,以了解更多震事!

本文原發表於《震識:那些你想知道的震事》部落格,歡迎加入他們的粉絲專頁持續關注。將會得到最科學前緣的地震時事、最淺顯易懂的地震知識、還有最貼近人心的地震故事。

參考資料:

  • [1]地震與文明的糾纏,Roger Musson著,黃靜雅譯,天下文化出版
  • [2]Wikipedia:Charles Francis Richter
  • [3] Ansfield, V.J., 1992, A graphic representation of the Richter scale: Journal of    Geological Education, v.40, p.381-384.

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