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震度與地震大小無關?怎麼讓「震 知道了」?那些關於震度的二三事

  • 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。

「震度」不是拿來比較地震大小的!地震規模才是。

「震度」不是拿來比較地震大小的!地震規模才是。

相信這大概是每個地科老師會跟學生講到嘴都快爛掉的事,但是當事過境遷、畢業之後,記憶難免慢慢褪色,漸漸的「這次地震有 6 級到底是震度 6 級還是規模 6.0」,也變得不顯眼了。

或許是震度和規模都是描述地震的名詞,也大多用個位數的數量級來表示,常會令人混淆困惑。不過說真的,這兩件事情會混淆搞不好就是一種「宿命中的迷思概念」。因為在漫長的人類歷史中,有好長一段時間人們一直把震度當作判斷地震大小的標準,直到芮克特和古騰堡發明芮氏規模為止。

京城銀行新化分行在2016年高雄美濃地震引發的雙主震之後,受災後拆除的情形。By koika (Own work) [CC0], via Wikimedia Commons

最簡單的工具:水桶

我們先不管現今科學上的震度定義,光從歷史文獻,就可以看到無數的史書記載地震的情境。在此先岔個題,今年受邀為《課本沒教的天災日本史》撰寫推薦序時,書中有一段故事讓我對「古人怎麼看震度」很有感覺!

約莫在1700年左右,當時日本的史書上已有記載用「天水桶」(盛接雨水用來防火災的露天水桶)來看震度情形,一般來說平常桶子是滿水的,而地震來襲時晃出來的水量,便是當時用來判斷震度情形的參考。這的確是個客觀定量的好方法,只是,要是下個地震來襲前,水還沒有補滿就無法使用了,而且桶子大小不一也是個問題,只是以當時的科學技術而言,這種方式已經具備有點量化的想法,只是沒有適切的工具和物理量可以用。

水桶示意圖。圖/bambe1964@Flickr

最早的震度階

在 19 世紀的西方世界,則發明了用另一種方式嘗試量化地震的搖晃:將描述到地震造成的房屋危害、人體感受的情形加以分類,大略的定義出地震來時各地的搖晃程度。

1870 至 80 年代期間,義大利的 Michele Stefano Conte de Rossi 和瑞士的 François-Alphonse Forel 一同建置了一套震度階:羅西-福瑞震度階(Rossi-Forel scale),這是目前阿樹可查到最早有系統的制定出震度階紀錄)[1],一共分為 10 級,雖然當時早已有地震儀,但在震度分級上似乎不太能派上用場,只能幫忙定出最低一級的震度(差不多是無感的程度),接下來幾乎是描述性的分級,所以除了有羅馬數字之外,還會有代表的名詞,譬如 VII 級的代表名詞是" Strong shock ”,說明包括了會動的東西會翻落、掉落,教堂中的鐘聲會晃到響起(畢竟西方國家教堂比較普遍),建物沒有損毀。這時我們再來看看氣象局的震度表,除了震度分級和加速度值之外,還有人體的感受、建物的受損情形等定性描述。

羅西-福瑞震度階(Rossi-Forel scale),摘自BSSA網頁[1]

中央氣象局公布的震度表(截圖自氣象局官網)

百年多來的演進,加上地震儀器的發展,震度的概念從「定性描述」變成可「定量測出」的值,最主流的方式就是測「最大地動加速度」(peak ground acceleration, 一般簡稱PGA),所以在地震學看到PGA不要想到高爾夫球公開賽,它是一個單位,和加速度一樣都是 cm/s2,之所以用這個物理量,是因為它可以連結到「力」的概念。工程上要計算耐震程度,無非就是用作用力來作為計算參考,或許大家熟知國中教的牛頓第二定律的F=ma,m是質量,乘上加速度就是力。

這時就不得不提一下「重力加速度」這個值,它的單位和 PGA 一樣,我們常算自由落體重力加速度為1 g,其值約為981 Gal (cm/s2) ,而國內地震站測到的 PGA 第一名,就是在921集集地震時,日月潭測到東西向的 989 Gal [2],試想一下如果你被這樣的地動加速度甩開的那一瞬間,感覺就像以自由落體的加速度在水平運動啊!

各國各地的建築、地質的特性不盡相同,也發展出了不同設計的震度階的公式,有的不僅考量加速度值,甚至也考量到速度質,或者選擇適合自己的震度階,所以當聽到國外公告的震度時,得先看一下他們的震度是什麼意思才能比較。

等震度圖,讓防災、救災更有效率

震度階如何發揮用處?只要有足夠的震度時,人們自然就會發現一件事:「各地的震度不同」。而這時有一個「標準化的震度階」就能發揮用處,將所有相同震度的地方都畫上相同的顏色,不同震度用不同顏色表示,我們就能得到一張「等震度圖」,假設地質狀況與房子的建築方式一樣,震度越高處可能就會有較嚴重的災害損失,如果震後很快的產製出這個資訊,就能讓防救災更有效率。

阿樹以前在氣象局服研發替代役時,偶爾震後會有民眾來電說:「明明地震搖的就很大,為什麼我這邊震度只有 3 級?」實際上在測量震度時,儀器測到的只是「測站所在地」的資訊,測站一般都是空曠的平面,樓房型式、樓層高度甚至地質條件都會影響到搖晃的情況,當然無法盡善盡美。

921集集地震的等震度分布圖,摘自氣象局地震百問[3]

在國內,我們的地震站的密度其實已十分密集,多半人們感受的震度誤差來自於建物差異為主,但如果是在國土更大的地方,可能就會得到較為粗糙的等震度圖。除非,我們可以回歸原來震度定義的方式--定性描述,像美國地質調查(USGS)所有一個問卷回報網頁:”Did You Feel It?” [4], USGS 會發布世界各地的地震資訊,但沒有測站的情況下只能用經驗公式來推測,但如果大家將真實的感受和災情依照震度表中的描述回饋給他們,就能讓震度表是「真實」的情況。但我必須要說,在訴諸科學的前提下,有儀器的資料當然還是最好,描述也僅是補足資訊。

”Did You Feel It?”網頁的震度問卷表截圖。

但震度描述還是很有用,尤其是如果我們可以考量不同型式的建物對震度的反應時,對於歷史地震的研究甚至還大有用處!利用歷史文獻,我們可以知道以前地震時的搖晃描述,若能將其對應到震度資料,並且畫出「古代的等震度圖」,便能將它和現今的地震震度與規模關係作比較,接著推估地震的規模、震央與震源深度,雖然這麼做一定存在誤差,但總比什麼都沒有來得好。科學方法有很多種,雖然震度很難直接拿來比較地震的大小,但它還是能處理無法測出地震大小時的問題!

參考資料:

[1] Rossi-Forel scale震度階BY BSSA網頁
[2]中央氣象局地震度原始資料
[3]氣象局地震百問:何謂震度

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