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穿越的地震波,怎麼會轉性了?

地震波PKJKP最近在pansci天天問中看到一個提問:「科學家是如測量S波在內地核的波速?」這個問題並不是我第一次聽到,而地球科學課本上會提供大家P波與S波波速的變化圖。只是就我們所知道,外地核是液態,S波無法穿透,而內地核又會有S波的波速,既然無法穿透,那為何又再度出現呢?的確,就文字邏輯上的判斷,是不容易理解的。身為一個鍵盤地球科學家,是有必要來認真回答一下。

其實,要認真的回答這個問題,我想最好先複習過往的國中理化,知道「波」的本質是什麼,就可以輕鬆的理解,為什麼S波會在內地核出現,而且還能知道S波傳遞的速度了。

P波與S波波速隨深度變化與地球的分層構造。圖片摘自維基百科,作者Brews ohare以Creative Commons3.0授權

猶記國中地科,我們學過兩種機械波的傳遞方式,那時是用聲音來舉例,分別為「縱波」與「橫波」,當時是以聲波作為縱波的例子,而橫波則用繩波來舉例。而有一點更重要的附註是「介質不隨波動傳播」,也就是不管波怎麼傳遞,往前跑的只有能量,沒有任何物質;我在這邊大喊,你在那邊接收到的只有我發出聲音的能量,並不是我這邊的空氣分子。

同樣的道理,地震波在地球內部傳遞時亦同時有P波和S波兩種,P波的傳遞方式類似聲波,S波則有點像是繩波一般,介質的運動和行進方向相垂直,這裡說的「介質」,其實就是你我腳下的地殼、岩石。

各種地震波的質點運動方式示意。圖片摘自中央氣象局地震百問

各種地震波的質點運動方式示意。圖片摘自中央氣象局地震百問

好的,接下來國中生們會上到的就是光的折射與反射,在此,無論是P波與S波,很幸運的和光線一樣,遵循著「司乃爾定律(Snell’s Law)」,入射角與折射角的關係,和介質的折射率有關,而對地殼中的岩石來說,岩石的種類就會影響波的速度,在界面上也會發生折射的現象。無論是P波和S波,從低速層到高速層時,就會偏離法線,反之則會偏向法線,從地殼到地核,除了軟流圈和外地核之外,大致上是越往內部密度越大,而波速也隨之增加,在經過地球剖面的各種地震波的波線,也是會呈現弧形的折射結果。

折射

司乃爾定律與多層折射的情形

接下來我們要一口氣切入問題的核心,從地函到外地核,一直到內地核,地震波究竟是怎麼樣傳播與變化的呢?

P波的陰影帶成因(圖片取自USGS http://earthquake.usgs.gov/learn/glossary/?termID=170&alpha=S)

P波的陰影帶成因(圖片取自USGS http://earthquake.usgs.gov/learn/glossary/?termID=170&alpha=S)

首先是從地函到外地核,一般會認為外地核為液態的主要原因有二:其一是因為S波在地函—地核介面會完全反射,無法穿透。而另一個原因是因為P波經過外地核時,先偏向法線折射,因而造成在104度至140度間存在一個陰影區,記錄不到地震波。這是高中地科課本會寫到的內容,但課本上並未再深究另一個事實,也就是在外地核—內地核介面上發生的「波相轉變」,P波在遇上各種不同的介面都會有一部分轉成SV波,然而在外地核—內地核的邊界上,這個轉換波變的更加重要!

「等等,怎麼突然冒出什麼SV波的?」想必大家一定會這麼問,在P波遇上不同物質介面的時候,如果不是以90度角直射,多少在介面上的質點都會產生與S波相同的運動行為,而這樣的S波,又會依其與介面的關係,分成垂直於介面的SV波,和平行於介面的SH波,其中SH波的質點運動在通過介面後不會有任何的變化,但SV波則會和P波在介面上發生質點互換的行為,造成會有P波轉SV波、SV波轉P波的現象。因此「理論上」,P波在進入內地核後,會有一小部分轉為SV波,而通過內地核的SV波,想要再回到外地核,也無法直接出去,唯有部分由SV轉換成P的波動再度被傳出去,最後再回到地表的測站,這樣特殊的波傳路徑,學術上以PKJKP(註1)來命名其波相(註3),然而從P轉SV再轉回P的能量衰減非常多,如何去量度與證明理論的正確性,仍然是地震學家們爭論的議題,從波動方程式與司乃爾定律上的推導,是可以證明這個波相存在,經由對大地震的分析,也有越來越多的資料能夠佐證(註2)。

P波轉換成SV波的示意

P波轉換成SV波的示意

PKJKP波的路徑(中間轉成SV波)

PKJKP波的路徑(中間轉成SV波)

最後,與大家再分享一個觀念,目前的鑽井技術,了不起10公里出頭而已,因此至今我們還沒有技術了解地底下數百至數千公里的實際狀況,僅能透過地震波來推測構造,以觀測到的隕石成份、實驗室裡進行高溫高壓的實驗來探討地球的內部情況,像是地核是鐵鎳等組成的也是經由對隕石分析、地球質量的估算、行星的成因、地球磁場的形成的眾多間接的證據拼湊而成,像最初提問「如何測出內地核中S波波速?」也是經過觀察波相、地震波的分析,並用已知的地球組成加以模擬,而得到的結果,這之中只要有一些新的研究出現,就有可能會改寫已知的教科書內容,相信許多編委教授前輩,或是在教學現場的老師們在編寫或設計課程也十分辛苦,要把以上這些知識加入高中地課的教材中,或許比在此撰寫這篇文章還要難的多!

 

本篇文章同時發布在作者部落格「地球故事書」。 歡迎大家來看看各種關於地球的故事。

 

參考資料與延伸閱讀:

 

註1:早期對PKJKP的相關文獻REVIEW

註2:PKJKP的觀察(by IRIS)

註3:關於波相的命名(摘自「地球物理學概論」,中國地球物理學會編印,1998): 震體波的傳播路徑可經由波線的方式來表示。若我們將穿過地球的波線加以分類,並給予每個波線一個適當的代碼,對應於每一類波線的體波即稱為一個波相(Wave phase),以該類對應之波線代碼命名。自震源往上傳遞的縱波和橫波,以p, s分別表示。在地函中往下而上傳遞的縱波和橫波分別以P和S表示;在外核中的縱波以K表示;在內核中的縱波和橫波分別以I和J來表示;在地函和外核之邊界上之反射點,以c表示;在內核和外核之邊界上之反射點,以i表示。

地球內部的各種波徑名稱 地球物理學概論 ,中國地球物理學會編印, 1998

地球內部的各種波徑名稱
地球物理學概論 ,中國地球物理學會編印, 1998

 

震央發生在地表的各種波相之走時圖 地球物理學概論 ,中國地球物理學會編印, 1998

震央發生在地表的各種波相之走時圖
地球物理學概論 ,中國地球物理學會編印, 1998

 

科技大觀園延伸閱讀:

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關於作者

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。