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地震觀測者的工作是什麼?--《震識》

2017/10/31 | | 標籤:

文/張建興|前中央氣象局地震測報中心簡任技正

筆者過去在氣象局從事地震測報的工作。某日在地震宣導走廊遇到兩位氣象預報的同仁,她們正在爭論剛才是否發生地震,遂就近找了路過的我當裁判,我指了指走廊邊的震波類比記錄器,短暫解釋約在三分多鐘前於宜蘭近海處有發生地震,從紀錄可判斷該地震規模小,可能地表強震儀都只測量到 0 級的震度,因而未發佈有感地震報告,但當時在較高樓層辦公的她們其中一人,確實感覺到這起地震。

處理了這場爭議後,頗有日行一善的欣慰。事後想想,在以前還沒有發明地震儀能記錄地震波的年代,如果發生了此類爭端要如何解決?筊杯嗎?找許多人來投票嗎?再想想,雖然我長年生活在多震的環境,還好臺灣現在設置了許多的地震儀進行科學觀測,對於震動較敏感的我不用憂慮是否身體有異,還蠻幸福的。

關於地震儀的歷史與科學

中央氣象局地震測報中心外的震波類比紀錄器,潘昌志攝影。

Technology always comes from human nature. 如果地球上沒有板塊運動、不會發生地震的話,我猜人類發明地震儀捕捉地震波的動機與構想可能會延後(也許在核武發展之後)吧?當然,這樣一來我們對地球內部的了解程度可能遠比現在少多了。在小學時的教課書中讀到,西元 132 年張衡創製了人類第一部地震儀(註 1),雖然該部儀器未能記錄地震波動,概具有判知於遠域發生顯著地震的功能,但仍為全球地震科研者推崇,論述人類地震科學發展時多有著墨。十九世紀的幾位學者們運用牛頓定律,結合重錘慣性與擺的週期運動的原理,研製了最初的機械式地震儀,在地震發生大地萬物皆處振動當下,成功地記錄了觀測點的地震波動資料。

隨著觀測資料增長,地震學者於未有觀測紀錄之前發展的彈性波動理論(註 2)逐步獲得實證,從早期的定性觀察邁入定量研究,健全了地震學的研究根基。二十世紀人類科技日新月異,在基礎原理之上,機械式地震儀進化成電磁式地震儀,使用方式越加便利、資料紀錄品質更加精良。回顧地震儀的發展,這項工具乃地震科學發展史上的重要角色。

近代地震觀測儀器仍持續推陳出新,除廣泛佈置於陸地地表、深入地下,並拓展至海域,功能也益加強化,搭配數位通訊即時傳輸,匯集一定數量網絡型式的地震觀測站資料,接收後經由人工智慧軟體處理,可快速進行地震定位、規模計算、震度量測與訊息發報。有些地震儀的設計更是新潮,直接將智慧軟體植入為配件,在地震時鳴放警報音效,甚可操控穩固電梯與升降機等機具。人類文明自古對地震就多有描述,從揣測、觀測、監測到今日可預測震度即時發佈警報,最主要的環節端在研究地震波所獲得的知識幻化運用。

「解析地震波」所帶動的地震學發展

在地球的自然界中,地震波可謂最複雜的波動之一,由於天然地震的震源絕大多數以雙力偶(double couple)模式產生彈性波動(註 3),釋放的能量在體波(包括 Primary 與 Secondary waves)特殊的輻射形式(radiation pattern)下,經過非常多樣的地下介質乘載傳遞,到達地表後又產生表面波(包括 Love 與 Rayleigh waves)持續擴散,其內涵(頻率、速度、方向性等變化)可能超乎我們經常接觸到的光波、聲波與水波。地震波動紀錄除了是證實發生地震的最佳科學資料,同時也帶出許多我們無法親眼目睹的地下形貌與地質資訊。

地震能量從震源發出經傳遞路徑與場址為儀器蒐錄,地震學者分析波動紀錄,從中求取震源破裂的幾何形態、路徑上的衰減效應以及觀測位置的場址反應,讓地震研究內容十分豐富多元(註 4)。地震科學研究增進了我們對地體構造的了解,於具有震災潛在威脅區域,更能實質進行事先防範災害的相關作為,以我們所處的環境臺灣為例,非常能夠親身體驗地震科研與防震科技的發展。

臺灣發生地震的頻率還蠻高的,感受地震是臺灣人共有的生活經驗,若造成嚴重災情也會留下長久的記憶。早在十九世紀末,臺灣就設置了地震儀開始科學觀測,百來年的觀測歷史,過程中有學習、有創新,地震防災事務也在經驗中淬鍊成長,我們從921地震可以看到臺灣在事件前的各項努力,包括有建築抗震法規設計、活動斷層調查成果、建置地震訊息迅速發佈系統以及救災動員規劃(註 5)。不可諱言的,921 顯著的地震災情可能掩蓋了許多事前的努力,但我們還是必須在地震相關科學研究與防災事務持續加強,以因應此類必然再現的地震事件。

註解

  1. 根據文獻記載,張衡的「候風地動儀」嚴格來說僅是「測震儀」,因為其不具紀錄效果。
  2. 米契爾(John Michell)在 18 世紀中就提出地震是彈性波的想法,而到 1820 年代帕松(Simeon Poisson)和柯西(Augustin-Louis Cauchy)以數學的方式推導出彈性波的方程式,這些研究都遠早於機械式地震儀問世(1890 年之後,也驗證了彈性波的理論)。
  3. 天然地震若以斷層錯動型態發生時,會依錯動方向而形成不同形式(壓縮或伸張)的波動,其空間上相對應的關係如下圖所示。

    震源(focus, F)發生錯動瞬間造成波動的質點運動示意。圖取自維基百科 Focal mechanism 條目,圖片作者與來源:Mikenorton-Own work, CC BY-SA 3.0。

  4.  前述內容如震源破裂幾何、衰減效應、場址反應等研究題材,皆為來自地震資料的解析結果,這些均屬地震科學的「基礎研究」範疇。
  5. 在 1999 年之前,臺灣因過去國內的數次震災與其它國家的借鏡下(如 1995 日本阪神地震),已開始啟動多項與防災作為有關的科學研究。雖然地震災情嚴重,但許多觀測和研究也藉由九二一地震有更長足的發展,如當時剛起步的強震警報與強震儀的設置等等(詳見本站「臺灣發展地震預警的過往雲煙」一文)。

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