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海嘯石辨認指南:颱風都能搬大石頭了,還需要海嘯嗎?

阿樹_96
・2016/11/05 ・5281字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 530 ・七年級

2016 年 9 月莫蘭蒂颱風橫掃台灣南部,甚至將屏東佳樂水風景區多顆以「噸」計的巨石都搬上了岸。這讓人不禁懷疑:

「既然颱風有這種力量,會不會地質學家口中的海嘯石,未必是真的海嘯石?」

雖然我不是海嘯系的,但身為一個地科科普作者,不免俗的發揮鍵盤科南的精神,請教台大地質系「表面功夫實驗室」的掌門徐澔德副教授,解答疑惑,寫成一篇認真專業文。

至於為什麼會叫「表面工夫實驗室」呢?顧名思義,徐澔德副教授的主要研究領域就是地表地形與地質作用的相關研究,雖是研究「表面」,卻是「深入了解」。或許大家還有點「下雨地震說」的印象,當時這個地表的侵蝕作用與地震的相關研究曾被拿來「救援」,也是此研究團隊的重要成果。所以,千萬可別輕忽「表面工夫」可以見微知著的威力啊!

表面功夫實驗室,在此必須強調,也是有不愛喝酒的地質學家(咦?)圖/作者提供
表面功夫實驗室。雖然有個啤酒旗,但在此必須強調,也是有不愛喝酒的地質學家(咦?)圖/作者提供

沒事幹嘛研究海嘯石?這很重要嗎?

海嘯石是地質學家用來研究古海嘯的證據之一,但要是沒經過「專業鑑定」,真的很難斷定海邊的巨石就是海嘯石啊!就像是你在空中看到不明光點時,如果直接說:「啊!那一定是外星人的飛船!」,那可不是科學,而是唬爛不打草稿的「神邏輯」。就算排除各種人工飛行物的可能性,它充其量也只能被當作「不明飛行物」,同樣的邏輯運用到海嘯石上,我們首要的任務就是要「排除各種可能性」。

回到正題,今年拜訪臺灣的幾個大颱風,留下了不少破紀錄的風速紀錄,但它有辦法做到和海嘯一樣帶動大石頭的效果嗎?讓我繼續看下去……

為什麼會有「海嘯石」?有沒有實際觀察例子?

海嘯石=海嘯從海底帶上來的石頭,在大海嘯過後,難免會有些東西從海中被打上來。雖然海嘯石不常見,但或許在颱風爆多的臺灣經常看到,每當颱風過後,海邊總會出現一些珊瑚礁岩……既然颱風會帶些石頭上岸,就更不用說海嘯了,光是這世紀數一數二的日本 311 海嘯,就打上了不少海嘯石。

311 東日本大地震後發現的海嘯石,距離當地河口海岸處約 600 公尺遠。圖/由台大地質系特聘講座教授太田陽子提供
311 東日本大地震後發現的海嘯石,距離當地河口海岸處約 600 公尺遠。圖/由台大地質系特聘講座教授太田陽子提供

不過利用海嘯石來研究「古海嘯」,那又是另一層意義了。要是我們已經直接「看」到海嘯打上岸的樣子,自然就不需要海嘯石來間接告訴我們海嘯多大,。只是,我們現在討論的那些古海嘯缺乏目擊證人,只留下海嘯石這間接證據,要想了解古海嘯有多囂張,我們就要懂得推理。反而是地質學家該利用這些近期發生的海嘯,以及它們帶起的海嘯石,試著來了解「多大的海嘯能帶起多大的石頭」。講白了海嘯石在此,就是利用「現今」來「鑑古」的研究素材。

位於沖繩宮古島的東平安名岬的海嘯石遺跡。圖/作者提供
位於沖繩宮古島的東平安名岬的海嘯石遺跡。圖/徐澔德副教授提供

不過說起來容易做起來難,即使發現海嘯石的地方過去有海嘯紀錄,兩者卻未必對得的起來。舉個例來說,1771 年琉球八重山地震造成宮古、石垣等地小受大海嘯侵襲,而現今在宮古島的東平安名岬、佐和田之濱等地也有過去的海嘯石。但實際研究卻發現,真要找到海嘯石所對應的古海嘯,定年的結果並不易支持,有許多岩石年齡遠比 200 多年還老得多,也可能是更早的海嘯帶來的(參見維基百科「津波石」)。畢竟缺乏「歷史本文」,我們需要整理的資訊就相對的片段不完全。

位於宮古下地島的海嘯石(不一定是1771年海嘯帶來的),與前方1771年海嘯紀錄的「歷史本文」。圖/By Paipateroma - Own work, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=9054092
位於宮古下地島的海嘯石(不一定是 1771 年海嘯帶來的),與前方 1771 年海嘯紀錄的「歷史本文」。圖/By Paipateroma – Own work, CC BY 3.0, wikimedia commons.

如果「沒有歷史本文」輔助怎辦呢?

以臺灣來說,我們一樣缺乏古海嘯的文獻紀錄,海嘯研究總是困難重重,但好在這些事都發生在地表,也會因走過而留下痕跡,這時就得靠地質人的「真.表面功夫!」來研究這些事。

功夫一:有效率的找石頭

先簡單聊一下找石頭的方法,拜科技所賜,現在地質學家不再需要為了找石頭,一步一腳印踏遍全台灣,因為可以當海嘯石的石頭通常很大,高解析的衛星或空拍就能拍到了!畢竟「要找就要找最有可能的」,那些等級還沒練到的海嘯石就先不管。(但不用勞煩各位去 Google Earth上找了,因為研究團隊都找完一輪了,結論是可能會是海嘯石的東西,在台灣真的很少!)

功夫二:人工過濾石頭系統

這其實是最重要的一件事,我們都知道海嘯能帶起很大的東西,尺寸要夠大、形狀要「夠不圓」,這樣石頭才能過這關。

用尺寸大小來篩選的用意,就是分辨是颱風帶來的石頭還是海嘯帶來的(Goto, et al. 2010)。海浪雖然也能很大,但 10 公尺高的海浪 vs 10 公尺高的海嘯,完全是 D 級怪和 S 級怪的差距。海浪波長了不起數公尺,但海嘯的波長是數百公尺到公里級,從水體的體積來看,差了有 100 倍!能舉起 100 倍的海水,能量非同小可,故海嘯能舉起的石頭應該遠遠大於颱風風浪能舉起的石頭。至於颱風另一個因素「暴潮」或者是颱風來時正好初一、十五大潮的情況,在機制上仍與海嘯有差;畢竟暴潮或潮汐引發海面上升速度是以數小時來計,而海嘯在數秒至數分鐘就能使海水升到最高點。

海嘯與海浪的差異。圖/作者提供。
海嘯與海浪的差異。圖/作者提供。

以今年的莫蘭蒂颱風為例,它算是近年來風速最強的颱風,在屏東佳樂水掀起了巨石,但我們循著記者們幫我們找的照片來看,最大的尺寸好像不到 1 立方公尺(最大邊長不到 1 公尺)啊!一般海嘯石會先過濾掉粒徑(長軸長)大致小於 2 公尺的岩石,甚至會拿更大的來當作典型海嘯石,動輒數 10 立方公尺以上。別小看這數字差異,1 立方公尺約莫 3 噸,到了 10 立方公尺就有 30 噸。如果一顆巨石達數十噸至上百噸,那颱風能長距離搬動巨石的可能性就大輻降低了。

海嘯與海浪搬運能力的差異。圖/作者提供。
海嘯與海浪搬運能力的差異。圖/作者提供。
莫蘭蒂颱風過境後,於小琉所攝,可見「中部粽」消波塊被大浪擊落。圖/由鍾令和博士提供。
莫蘭蒂颱風過境後,於小琉所攝,可見「中部粽」消波塊被大浪擊落。圖/鍾令和博士提供。

至於形狀,則是另一個「以防萬一」的參數。試想如果風浪很大,大到都能推動「中部粽」了(莫蘭蒂在小琉球的傑作),那麼要巨大的石頭推一把也不無可能,假如石頭又是圓形或柱形這種好滾動的形狀,經過多次大型颱風的推動……哎呀這可就業障重分不清楚真假了!

但如果大石頭是「扁橢球」的形狀,反能較能排除這樣的可能性,畢竟要讓這種形狀的巨石搬動,比較有可能的機制是海水整個把它「抬」起來往岸上「放」的型式。

上圖為巨石的不同形狀分類,越不容易滾動(扁橢球形),合理解釋為海嘯石的可能性就越高。圖/作者提供。
上圖為巨石的不同形狀分類,越不容易滾動(扁橢球形),合理解釋為海嘯石的可能性就越高。圖/作者提供。

功夫三:真相只有一個,巨石的「不在場證明」!

好啦!第三個就是更進階版的地質訓練了,地質系念這麼久都是在學這些啊!這時我們要找的就是巨石的「不在場證明」,這裡指的是要先證明巨石是別處來的,才比較有可能是海嘯石。

首先從辦認石頭開始,如果是砂岩,那我們就把它擱一旁先不考慮,畢竟砂岩可是台灣沿岸最常見的岩石之一,而且也很難保它有可能是從鄰近的山上滾下來的……(前幾年基隆才發生一次巨石崩落啊!)。

但如果是「珊瑚礁岩」,那整個不在場證明的強度就提高了。因為礁岩多半是在某個海水深度才會開始形成的產物,如果要在陸地上見到礁岩,除了抬升作用外,就只剩風暴岩或海嘯石了!所以在海嘯石的案發現場,我們要先看看周遭有沒有含珊瑚礁岩層的高位海階(就是位置比海嘯石高的地方)。要是有的話,拍謝!那顆巨石的不在場證明又沒了,因為就和前面那張「中部粽」的照片一樣,無法排除從旁邊掉下來的可能性。總而言之,就是要排除它是被板塊運動、地殼抬升等作用先離開海面才被侵蝕的因素。

考量各種可能性來判定是否為海嘯石的方法。圖/作者提供。
考量各種可能性來判定是否為海嘯石的方法。圖/作者提供。

證明可能是海嘯石,然後呢?

其實經過上述歷程層層篩選,還是沒有辦法 100% 說明某個巨石是海嘯石,因為唯有親眼見過,才是真的~~~~

然而這樣的篩選卻能夠將可能性大幅提高,以目前可觀察的自然的機制來說,除非有比莫蘭蒂的風浪再大上數十倍的超級颱風(可能目前也沒看過),不然要達到舉起上百噸的巨石,好像目前也只剩海嘯這個可能性比較大(起碼看過幾次了),這也是比較合乎科學邏輯的推論。

2012年天秤颱風在蘭嶼捲上岸的巨石,相對海嘯石而言小了許多。圖/由台大地質徐澔德教授提供
2012 年天秤颱風在蘭嶼捲上岸的巨石,相對海嘯石而言小了許多。圖/徐澔德副教授提供。

用再白話一點的說法是,科學家才不會說「這就是海嘯石」,而會說「這很有可能是海嘯石」。但即使如此,可信度仍是很高的,只是我們需要有幾分證據說幾分話

照理說故事應該到此就可以 End,至少我們清楚論述了海嘯和颱風對於帶動巨石的可能性,還有科學家利用哪些原則來落實海嘯石研究。只是,難道你不會好奇,「台灣有沒有海嘯」嗎?都教了怎麼煮菜,不如就把它煮好來吃了吧!

台灣的海嘯石在哪?最近的一次海嘯發生在何時?

回到正題,以目前台灣的研究來說,有上述研究方式並加上科學期刊「認證」的海嘯石位於兩處:分別在屏東的九棚沿海以及蘭嶼北岸

台灣和日本的地質學者在九棚沿海一共發現了三顆海嘯石(Matta et al. 2013),由於定年的結果顯示它的年代與下方的低位珊瑚礁海階接近,所以研究團隊的想法是,這三顆海嘯石可能是下方的珊瑚礁海階被破壞後,隨海嘯往岸側帶(不過不一定是海嘯破壞的,也有可能是長期侵蝕斷裂掉入海底,之後才隨海嘯帶上來)。而以這個故事來看,如果真有海嘯,其確切的發生時間,仍然不得而知。

位於屏東九棚的海嘯石。圖/由台大地質系教授徐澔德提供。
位於屏東九棚的海嘯石。圖/徐澔德副教授提供。

至於蘭嶼北岸的故事(Ota et al. 2015),就相對更精彩了!台灣本島因為地質與地形因素,所以很多時候一些海嘯石就先被前述地質學家的「功夫」給排除了,但在相對好判斷的蘭嶼,一下子就找到了 14 顆疑似海嘯石的巨石。理所當然的是要拿來定年一下。

蘭嶼北岸的海嘯石。圖/Ota et al. 2015
蘭嶼北岸的海嘯石。圖/Ota et al. 2015

蘭嶼這邊和九棚的碳 14 定年結果不太一樣,有差不多年代的(約 5 千年前上下)、有更老一點的(7 千年前上下),也有較晚的(距今 500 年前或更近的時間)的石頭。當然,實際上定出珊瑚礁岩的年代和海嘯發生的時間是兩回事,所以即使有這些資訊也還不足以確認海嘯年代。不過值得一提的是這邊幾個礁岩都經過更進一步的鈾釷定年法測定(沈川洲,2015),其結果發現,比較老的石頭還是很老,但較年輕的那些石頭(500~600 年以內的),其重定後的年代約莫為 150 ~200 多年前左右,如果要對應到現有的海嘯紀錄,似乎可以對應到先前提到的 1771 年八重山地震引發的海嘯,只是當初的海嘯波到了蘭嶼還有沒有能力帶起海嘯石,又是另一個值得討論的事。

這樣的結果告訴我們「蘭嶼曾被海嘯侵襲過的機會很大,且最近一次事件有可能距今不到 200 年!」雖然看起來還有一堆細節無法確定,但或許這也暗示我們未來仍不能輕忽海嘯的威脅!

參考資料與文獻

  1. 加藤祐三,八重山地震津波 (1771) の遡上高 地震 第2輯,1987。 Vol.40, No.3 P377-381
  2. 沈川洲,搭乘鈾釷時光機 重返遠古世界,2015,科學人雜誌157期,遠流出版社。
  3. Goto, K., Miyagi, K., Kawamata, H., Imamura, F., 2010. Discrimination of boulders deposited by tsunamis and storm waves at Ishigaki Island, Japan. Marine Geology, 269, 34-45.
  4. Matta, N., Y. Ota, W. S. Chen, Y. Nishikawa, M. Ando, and L. H. Chung, 2013. Finding of probable tsunami boulders on Jiupeng coast in southeastern Taiwan. Terr. Atmos. Ocean., 24, 159-163.
  5. Ota, Y., Shyu, J.B.H., Wang, C.-C., Lee, H.-C., Chung, L.-H., Shen, C.-C., 2015. Coral boulders along the coast of the Lanyu Island, offshore southeastern Taiwan, as potential paleotsunami records. J. Asian Earth, 114, Part 3, 588-600.
  6. 維基百科:津波石(日文) 條目

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阿樹_96
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地球科學的科普專門家,白天在需要低調的單位上班,地球人如果有需要科普時時會跑到《震識:那些你想知道的震事》擔任副總編輯撰寫地震科普與故事,並同時在《地球故事書》、《泛科學》、《國語日報》等專欄分享地科大小事。著有親子天下出版《地震100問》。


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你聞過下雨的味道嗎?讓我們一同探究它是怎麼產生的吧!

椀濘_96
・2022/05/04 ・3083字 ・閱讀時間約 6 分鐘

夏日雨季來臨,下雨前及正在下雨時,總能聞到一股特殊的氣味,濕濕的又有點清新,但大多時候卻不太喜歡,聞起來反而像霉味,甚至臭臭的,而我們總說那是「雨味」。

你是否也曾好奇過,這個形容不出、抽象的「下雨的味道」,究竟是怎麼產生的呢?

夏日雨季來臨總能聞到一股特殊的氣味,我們總說那是「雨味」。圖/Pixabay

最美的的英文單字 —— Petrichor 的由來

在經過漫長的乾旱季後,雨水落在乾燥土壤上時,混雜新鮮泥土與青草的氣味,這股聞起來令人愉悅舒爽的初雨清香,就叫 —— Petrichor。

撇除這樣優美浪漫的文學意涵,Petrichor 本身是個術語,專指下雨的氣味。

Petrichor 一詞首次出現在 1964 年的《自然》(Nature)期刊中,由兩位澳洲的 CSIRO(聯邦科學與工業研究組織)研究人員 Isabel Joy Bear 和 Richard G. Thomas 所創造。

該單字是由兩個希臘字「petra」以及「ichor」所組成;其中 petra 為岩石、石頭,而 ichor 則為希臘神話中神的血液。(聽起來就超厲害的!)

「岩石的血液」實際上是被大地吸收的植物油脂

而在該篇論文中,Bear 與 Thomas 揭露了令世人好奇許久「雨味」的來歷。顧名思義,Petrichor 一詞表明了此氣味來自於岩石內的液體,源自於兩人在實驗中證實,這個味道就是植物在乾旱期間分泌出的油,隨後這些油則被泥土、岩石吸收了。在乾旱時,油脂與泥土、岩石表面的其他化學物質相互發生作用,等到雨季來臨時,多種組合物的氣味被釋放出來。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。中文則將 Petrichor 譯為「潮土油」。

然而礙於當時技術尚未發展成熟,兩人尚未分解出該植物油脂的組成成分。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。圖/Pixabay

隔年(1965 年)Bear 與 Thomas 在《自然》上發表了另一篇關於 Petrichor 與植物生長的論文。

在長期處於乾旱或沙漠條件的地區迎來降雨時,植物種子萌發的反應會較迅速。因此兩人以此觀點帶入假設:該氣候條件普遍有利於 Petrichor 的累積,並從黏土(有黏性的泥土,內含多種礦物與金屬元素)和其他矽酸鹽礦物中釋放,兩者作為土壤的成分,似乎有可能伴隨著 Petrichor 內的一些物質,其可能對種子萌芽產生有利的影響。

然而,根據兩人實驗觀察,發現並非如此。

根據實驗結果所示,從礦物中提煉出的 Petrichor 顯著延遲了水芹、芥菜等種子的發芽和生長。此外,發現播種在濕潤後、原先為暴露在溫暖乾燥大氣條件下之材料的種子,與播種在未暴露或使用前已先經蒸氣蒸餾和烘乾之材料上的種子相比,發芽需要更長的時間、生長的速度更慢。

雨的味道其實細菌也有出一份力

在 Petrichor 一詞還未出現時,當時人們把下雨的味道形容為「泥質的氣味」( argillaceous odour) ,以表達下雨時所散發出的味道是來自土壤。

泥土中除了植物分泌的油外,還有細菌,也為「雨味」做了貢獻。

在土壤中的放線菌(Actinomyces)和鏈黴菌(Streptomyces),他們的代謝副產物——二甲基-9-烷醇(Dimethyl-9-decalol),該化學物質存在於孢子表層,並帶有泥土氣味,稱為土霉味(geosmin)或土臭素。那麼我們又是怎麼聞到土霉味的呢?

放線菌在長時間的乾旱時,代謝活動的速度會較慢;而在乾燥的環境下,細菌則製造孢子以利生存。當下雨前空氣轉為潮濕,泥土也變得濕潤,這能讓放線菌的代謝活動加速,因此也產生更多土霉味;等到下雨的時候,孢子因雨滴彈到空氣中,潮濕的空氣攜帶孢子飄散,便使我們聞到了土霉味。

孢子落在潮濕的土中則會變成菌絲的形態,土壤乾燥後又形成孢子,下雨時又再一次發生上述的過程,如此循環。

2010 年,麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology , MIT)研究雨滴對土壤的影響時,也進一步分析出了 Petrichor 的產生機制 。實驗觀察後發現,當雨水落在土壤時會釋放被困在液體中的氣體——氣溶膠(aerosols)粒子,而這些粒子會與前面提及泥土中的放線菌等細菌、植物分泌的油相互作用,在雨滴衝擊下,進而迸發出我們所聞到的下雨的味道。

閃電分解氧氣形成臭氧也是其中一個味道來源

還有臭氧,也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。

閃電的高能量會將大氣中氧氣(O2)分解成獨立的氧原子(O),其中一些重組為一氧化氮,接著又與其他大氣中的化學物質發生反應,有時會產生由三個氧原子組成的分子——臭氧(O3)。因雷暴[1]的下沉氣流將臭氧從高處帶到接近地面的高度,使我們能聞到淡淡的、像是漂白水的臭氧氣味(也有人形容像青草味),預告著大雨來襲。

除此之外,弱酸性雨水和地面物質發生反應、雨後植物揮發的精油等,與雨滴、空氣相互作用後,都是產生氣味的來源。

閃電也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。圖/Pexels

雨的味道可能暗示著某些訊息嗎?

這些被天氣攪動所產生的氣味,都可能傳遞著某些訊息。

有微生物學家認為,土霉味可能可以幫助駱駝找到通往沙漠綠洲的路,而駱駝則作為放線菌孢子的載體,幫助其散播。

至於人類,昆士蘭大學的人類學家對澳洲西部沙漠中原住民的文化做了調查研究。在當地,夏季之前來的第一場雨相當重要,濕潤的空氣混合了潮濕的樹葉油脂、尤加利樹、動物糞便和灰塵的氣味,而雨水能為袋鼠、鴯鶓[2]等動物解渴,沙漠也增添了幾分綠意。對他們而言,雨的氣味與綠意、生機有關,被認為是保護和清潔,也將世人與祖先聯繫著;學者將此稱之為「文化聯覺」(cultural synesthesia)。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。心理學家觀察到,儘管人類似乎對這些氣味沒有天生的反應,但我們確實會將之與自身的經歷聯繫起來。大雨可能帶來了潮濕、發霉的回憶,便不太喜愛雨味;對另一部份的人而言是淨化和提神的,從炎熱的天氣中解脫,大地也因雨水洗滌而有了生機、煥然一新。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。圖/Pexels

下雨時的味道不單單只由一個事件構成,它很複雜、很多元,每個單獨氣味的背後都有著一套機制,說起來,不單單只有生物學,還搭配著物理學、化學、心理學等,在多方交織下而有了豐富的解釋和體驗。

待下次下雨時,你就可以和身旁的人問起:「你知道下雨的時候為什麼會有味道嗎?」

註解

註 1:雷暴指一種產生閃電及雷聲的天氣現象,通常伴隨著滂沱大雨。
註 2:鴯鶓(Dromaius novaehollandiae),別名為澳洲鴕鳥;是現存世上第二大的鳥類。僅分布於澳洲,為國徽上的動物之一。from wikipedia

參考資料

  1. 潮味、土味、青草味 有沒有聞到下雨的味道?——科學月刊
  2. Nature of Argillaceous Odour
  3. Petrichor and Plant Growth
  4. Aerosol generation by raindrop impact on soil
  5. Why you can smell rain
  6. Storm Scents: It’s True, You Can Smell Oncoming Summer Rain
  7. Why Does Rain Smell Good?
  8. 為什麼下過雨之後,地上會有個怪味?

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椀濘_96
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