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強震警報的原理是什麼?真的能發揮防災效果嗎?——《震識》

震識:那些你想知道的震事_96
・2017/05/01 ・3684字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 528 ・七年級

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。

請先試想一下這個情景:

某天的午夜12點左右,某處發生了一起規模6.7,深度僅15公里的地震,兩個離震央不遠處發生的事……

                   地點一:離震央有點距離,但震度達5級,大約有12秒的預警時間

地震發生時,手機跳出警報的示意(無時間預估)

小正住在一棟大廈的7樓,正準備煮泡麵當宵夜時,手機突然響起強震警報,顯示預估震度達5級。他反射性關掉正在燒水的爐火和一旁的瓦斯開關,快速一瞥手機,發現剩大約10秒鐘地震波就要來了,就迅速打開大門,趕在開始搖晃的前一刻躲到桌下。

搖晃了好一陣子,小正預估大概有十幾秒吧!當搖晃漸歇,小正從桌下走出,檢視一下家裡的狀況。由於櫃子幾乎都固定在牆上,僅掉落了幾本書和一些小物品,爐上的水濺出不少,好在小正先關上了瓦斯,免除了熄火外洩等問題。

                   地點二:離震央十分接近,震度達7級,幾乎沒有預警的時間

小市住在一棟屋齡35年街屋的3樓,當強震警報驚醒他時,也開始搖晃,小市知道這個地震一定很驚人,馬上先翻下床到靠近房門一側的床邊,利用枕頭就地掩避。雖然房間有衣櫃,但由於是拉門式衣櫃並固定在牆上,即使晃的很大,房間內仍未有任何掉落物。

更重要的是,雖然屋齡超過30年,但小市先前就知道,他住的地方附近未來發生大地震的機率算偏高的,便在3年前曾請人評估耐震程度並加以補強,所以在這次地震來襲時,房屋的結構並未受損,僅僅家中有些未固定的櫥櫃傾倒。

搖晃快結束時,忽然間小市家停電了!不過還好他手上還拿著手機,待搖晃結束後,小市利用手機的手電筒找到他先前準備的地震包和家中鑰匙。他擔心還會有些餘震,便背著地震包的東西出門看看自己房子的狀況和鄰近的災情。好在雖然震度很大,但附近多數房子都未受到太嚴重的損壞,可說是不幸中的大幸了。

source:ariel jatib

故事中的「強震警報」是什麼?

強震警報不是用來預測地震的方式,而是像火警感應器一樣,只是偵測的東西從「火災」換成「地震」。目前無論是國內的「強震即時警報」或是日本的「緊急地震速報」都是以「通訊的電磁波遠快過地震波」的原理來實現提前警報的效果。

日本的緊急地震速報。source:PROTatsuo Yamashita

上述這些「強震警報」的方式,是將我們原有的地震定位和估算規模方式延伸應用的技術,所以在談這技術前要先談談更基本的事:地震「波」是什麼?

我們感受到「地震來了」的時間點,並非是那一刻在腳下發生地震,而是「地震波」剛好來到腳下那一刻,才讓我們感受到搖晃,所以真正發生地震的時間點就需要再往前推。

如果我們在各地擺放許多地震儀,離震央越近的地震儀,就會越早偵測到地震波,而當我們很多地震測站都收到地震波時,就可以利用記錄到的時間差、地震波速回推震央、算出規模。至於震度是指搖晃程度,因此得用「測」的才會知道,地震過後,上網看到地震報告上面有個地完整的震度資訊,所以氣象局發布地震報告時,早就結束搖晃了!

所以要讓地震測報發揮防災效果,而不會只是馬後炮,就得要做一件有點矛盾的事情:「盡可能用最少地震儀的資料就算出夠準確的震央和規模。」為什麼說這事情矛盾?雖然理論上只要有一個地震測站的資料就能決定地震規模,如果有四個測站都收到地震波就可以決定地震的震央,但實際的地球才不會像我們想的這麼單純,除了儀器本身的誤差,地震波傳到地表前會經過好幾公里的岩層,這些岩層就像是名偵探柯南用的變聲器一般,某程度已失真,要解決這問題,就得要靠更多的地震儀(測站)來輔助支援。

總而言之,這種依靠多個儀器資訊來運作的地震預警,就是盡可能的在時效和準確率上面找到平衡點。目前中央氣象局公告的資訊來說,大約可以做到震度誤差在正負一級內的前提下,有95%的準確率,簡單來說絕大多數的情況下,如果警報告知即將有震度四級的地震波來到,那麼最終結果無論是三、四、五級都算是準確的。

可是震度6級和7級搖晃程度不是差很多?怎麼還有這種誤差?其實從地震規模再轉成各地震度,並不是很簡單的事。前面已經提到了,地震波通過岩層後會「失真」。所以當我們提出預警,告訴大家地震波將會到的地方震度有幾級時,就必需考量地震波穿過的各種岩層構造後的變化。

談到這裡我們可以發現一件事:強震警報的理論上並不是很難的數學或電腦處理問題,計算震度、芮氏規模早二十年前的技術都十分成熟,瓶頸多半是卡在觀測與科技未達到能處理問題的程度,尤其我們對「地表下樣貌」的了解,其實並沒有比我們對宇宙的了解多啊!

為什麼強震警報幾乎對小市派不上用場?

回到正題,或許有人會發現,小市根本用不上強震警報啊!的確,警報也不能視為防災萬靈丹,因為我們「等著地震波到達前幾個地震測站」和處理地震資料的時間少說會花上十幾秒。很多時候震央周圍50公里內不是完全沒時間預警,就是只剩兩、三秒時間可以應變。不過,小市卻能從「從警報知道大略震度」資訊,就能夠用來作「瞬間的反應」。或許大家遇到地震來襲,更常有以下的這樣的情況:

                啊!有地震,這個會是大地震嗎?還是小的?好像越來越大……

會有這種情況,是人的「本性」,但這樣的行為無不利於地震防災,因為如果真的是大地震,在想地震大不大時就秏掉了不少時間,等於零準備、零應變。因此即使只是一秒,只要足以做好即時躲避的動作,還是有幫助的。

更重要的是,小市在「平時」做了足夠的防災準備,無論是耐震補強、固定櫃體甚至準備地震包,這些看似平常完全派不上用場的作為,就如同「養兵千日,用在一時」一般,更重要的是平時的作為,不過「為什麼要有這些作為」,背後還是有一些道理,這就是我們為什麼要讓各位讀者理解這些科學最主要的原因。

強震即時警報的原理示意,由先達的P波求得地震參數判斷是否有需要發布警報的強震。第三張圖中的離震央最近紅色民房就是盲區,無法提前警戒。

有沒有注意到文中「未來發生的地震機率」呢?那是什麼?

其實這是地震學家用科學的方式評估,針對台灣各地發震構造未來可能發生大地震的機率,以及各地未來50年可能的超過10%機率最大震度的值,並繪製成圖。或許你會問:啊這東西要怎麼看?怎麼一下說50年、一下說超過10%?簡單來說就是較暖色系部分是風險較高的地方,至於這資料怎麼算怎麼研究出來的、要怎麼拿它來看待未來可能發生的地震,我們將會另闢專文說明,敬請期待囉!

未來50年內,機率10%以上的振動強度的分布圖。可用於長期的防災規畫評估參考。資料來源:台灣地震科學中心

我們期盼的未來是什麼?

如果可以,誰不希望能預測地震?不過從科學角度來看,「能夠派得上用場」的地震預測仍未問世(這個我們未來將在另篇文章討論),而最「保險」的做法,當然就是用強震即時警報。即使如此,我們還有很多許多事可以做,小正小市的作為,不單單只有「如何正確利用地震警報」這麼簡單,還有許多的小細節,是在大地震可能還離我們非常遙遠時,就該先做好準備。另外,地震的防災要做到「極致防護」,不單是光靠政府,也不是光靠科學家就能做到的,地震來襲時的時、地、人、事、物甚至「背景知識」都是關鍵,故本文在此只是起個頭,未來還會有更多地震與防災知識,或許你會想「哎呀怎麼這麼麻煩,沒有SOP嗎?」

自然界是很複雜而渾沌的,如果我們只想用「一種最簡單的方式解決問題」,反而永無法理解自然。

多數時間自然界的問題都是「複合性」的問題,可能有很深奧的知識,也可能是很多簡單知識的總合,地震防災最該做的SOP,就是從現在開始,好好認識地震,知己知彼,才能百戰百勝。

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震識:那些你想知道的震事_96
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《震識:那些你想知道的震事》由中央大學馬國鳳教授與科普作家潘昌志(阿樹)共同成立的地震知識部落格。我們希望透過淺顯易懂的文字,讓地震知識走入日常生活中,同時也會藉由分享各種地震的歷史或生活故事,讓地震知識也充滿人文的溫度。


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就是想知道十萬個植物的為什麼!解開植物生長之謎的駭客兼翻譯——蔡宜芳專訪

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/04/06 ・3848字 ・閱讀時間約 8 分鐘

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。

2018 年「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第十一屆傑出獎得主

  • 中研院分子生物研究所特聘研究員蔡宜芳,畢業自台灣大學植物系,在美國卡內基美隆大學(Carnegie Mellon University, CMU)取得博士,後於加州大學聖地牙哥分校(University of California, San Diego, UCSD)進行博士後研究,研究專長為植物分子生物學。主要從事細胞膜蛋白的功能研究,在硝酸鹽轉運蛋白研究領域有卓越貢獻。2021 年蔡宜芳特聘研究員榮獲美國國家科學院(National Academy of Sciences, NAS)外籍院士(international members)。

如果妳撿到蔡宜芳掉的手機,可能很難立即知道失主是誰,甚至有點摸不著頭緒:因為她手機裡超過 80% 的照片,都是植物。為何會選擇植物作為研究領域?身為中研院分子生物研究所特聘研究員,在植物分子生物學領域貢獻卓著的她卻說,這個決定其實「不太科學」,因為起心動念是自己「真的很喜歡植物」。

因為喜歡所以好奇,因為好奇而想要知道更多:許多 love story 都是這樣開始的,而研究領域的開展又何嘗不是一場超浪漫故事呢?也因為一般人都不夠認識植物,聽不懂植物的細語呢喃,更需要蔡宜芳這般熱愛植物的科學家,擔任植物駭客兼翻譯,讓不辨菽麥者也能偷聽花開的聲音。

故事,從一株異變的阿拉伯芥開始說起。

植物對於氮肥的攝取機制與調控方法正是蔡宜芳的研究主題。圖/劉志恒攝影

分子生物學突破:發現植物吸收硝酸鹽的關鍵蛋白 CHL1

上世紀 50 年代起的「綠色革命」,大幅提升了糧食生產量,餵飽了激增的地球人口,「氮肥」在其中功不可沒。它對植物開花結果至關重要,然而植物透過什麼機制攝取氮肥?如何調控才能更有效地吸收?蔡宜芳研究的正是其中的分子機制。

氮,是生物存活的重要元素;從推動光合作用的葉綠素、各種代謝反應的酵素,到與遺傳相關的核酸中,都有氮的存在。但對植物來說,要取得氮元素卻出乎意料地困難;大氣的組成中近五分之四為氮氣,但是除了藉由少數有固氮能力的微生物以外,植物只能使用在土壤中非常少量的氮源,吸收的型態有「氨鹽」與「硝酸鹽」,其中又以硝酸鹽為主。

但是,硝酸鹽是帶電離子,無法自行通過脂質構成的細胞膜,那到底植物如何利用硝酸鹽呢?為了解開這個長年來的謎題,蔡宜芳將目光投向一棵無法正常吸收硝酸鹽的阿拉伯芥突變株,並利用當時最新發展出來的分子生物技術,試圖找到出關鍵基因。蔡宜芳表示,這個無法正常吸收硝酸鹽的突變株,在她約 10 歲時就被荷蘭研究者發現,這麼多年來在傳統技術底下被研究得相當透徹;卻直到她開始進行博士後研究,伴隨植物分子生物相關技術發展,才有方法找到關鍵的轉運蛋白。

這樣的研究自然充滿了挑戰,因為新技術還不穩固,就連實驗室老闆都曾勸她放棄。不願投降的她,決定一邊持續研究氮代謝,一邊到其他研究室學細胞膜研究的新技術,1994 年,蔡宜芳從美國回到台灣,持續研究進一步發現, 位在植物細胞膜上的 CHL1 硝酸鹽轉運蛋白,除了作為硝酸鹽的「搬運工」,還有其他異想不到的功能。在你我的印象當中,植物是被動的吸收養分:但其實當土壤中的的硝酸鹽變化時,植物會主動改變硝酸鹽的運作模式,這就是蔡宜芳團隊在 2003 年的重大發現。運作模式的改變正來自於 CHL1 蛋白的磷酸化轉換,因此 CHL1 蛋白也具備作為「傳令兵」的功能。透過 CHL1,植物便能感應周圍的硝酸鹽濃度,幫助植物調控基因表現,以便能更有效率地利用硝酸鹽。

掌握硝酸鹽吸收的調控,在農業領域十分有發展潛力,蔡宜芳的研究進一步轉向,對接實際應用,期盼為農業的永續未來提供新解方。除了 CHL1硝酸鹽轉運蛋白的機制外,她也針對阿拉伯芥如何吸收與輸送硝酸鹽到不同組織的分子機制展開探索。近期更研究探討是否能以育種或基因調控的方式,增進植物吸收硝酸鹽的效率。由於硝酸鹽非常容易在環境中流失,因此多數的氮肥施放到田間後,植物也往往吸收不了;如果可以改善植物的吸收效率,就能減少施肥的浪費,連帶減少製造氮肥耗用的能源,也讓農作物長得更好。

好消息是,透過基因調控,蔡宜芳團隊已經在阿拉伯芥、菸草及水稻上實驗成功,並取得相關專利,期待未來將授權給生物科技公司進行下一步。

培養科學研究必備品:好奇心、科學思辯與毅力

蔡宜芳從事研究的初衷是因為對植物的喜愛與好奇心,對她來說和植物有關的十萬個為什麼,猶如始終永遠拼不完的大型拼圖,從小時候就在蔡宜芳的心中佔據了重要位子,於是她「追根究柢」(如字面上意義),想靠自己解開植物現象背後的秘密。

人們對自己不了解又無法回嘴的植物充滿了誤解,往往覺得植物跟動物一點也不同,然而在蔡宜芳看來絕非如此,她表示,已經有研究發現,當我們這些動物咬下蔬菜的瞬間,植物裡頭負責傳導的的鈣離子就會產生變化。「大家都覺得植物不會動不會叫,但其實植物是有感知的。」蔡宜芳表示,植物其實都知道,只是用我們不懂的方式在表達,要靠研究才能一句一句地破解植物的密語。

圖/劉志恒攝影

當然研究也不能自己埋頭苦幹,交流非常重要。蔡宜芳擔任植物學期刊 《Plant Physiology》 編輯多年,但回憶起剛建立獨立實驗室的階段,面對那麼多來自審稿人的刁鑽問題,當時的自己也難免生氣。一旦轉換身份成為審稿人,被審的經驗也讓她更明白審查論文時該注意的重點,一來一往的思辨與答辯,反而讓她覺得很好玩。

「我自己有個突破,是因為被質疑的時候很生氣,可是不能光氣,也要想辦法解決。就在生氣的時候,想出來的方法,最後變成我們實驗室很新的工具。」而她也認為自己在替《Nature》等重要期刊審稿時,認真地給出言之有物的評論,幫她累積了領域內的信譽,才讓期刊編輯的位置找到了她。

蔡宜芳曾擔任植物學期刊《Plant Physiology》編輯。圖/《Plant Physiology》網頁截圖

像投稿審稿這般來回思辨的訓練,對科學家的養成非常重要,然而蔡宜芳觀察,科學思辨在台灣教育裡比較缺乏。她舉例,在美國課堂上,老師會要學生先讀一篇論文,接下來整堂課則要學生批評論文有什麼問題。「我們在台灣被訓練的人,都會把 paper 當作傳世經書在讀,讀懂它就覺得很開心了——要去批評它,我們真的沒有習慣。」蔡宜芳坦言那過程對她來說曾經非常痛苦,但會痛就代表該變。

她就此改變了思路:面對知識,蔡宜芳要求自己不僅要讀懂,還要有餘力批評它,說出對、錯在哪裡。蔡宜芳認為,科學就是得永遠抱持著質疑的態度,在不疑處有疑,才能找到真正的答案。「在我自己的實驗室裡面,我也一直在逼學生要去思考」。

蔡宜芳在實驗室中,會不斷要求學生思考、批判。圖/劉志恒攝影

而除了好奇心及思辨能力之外,蔡宜芳認為「毅力」也是科學家在科學界持續前進的重要特質。經驗告訴她,在科學研究中遇見失敗比遇見成功的次數多太多了,革命十次稀鬆平常,如何二十次甚至三十次之後還能繼續往前走?那絕對需要強大的毅力來抗壓才行。

說到壓力,身為科學界的女性,蔡宜芳認為,自己的成長環境中,性別造成的影響並不大,以她所在的中研院分生所為例,研究人員性別比例很平均。但若深入細究,「無意識偏見」(unconscious bias)仍難以避免。她以自己帶過的學生為例,生科領域在大學時期男女比例大約是各半,但隨著碩士、博士一路往上,男性的比例逐漸多於女性。因為許多女學生在面臨職涯選擇的時候,往往會被迫以家庭或是男性伴侶的事業為優先,這種狀況回過頭來又讓部分老師覺得「教育女生有時會是浪費」,成為惡性循環。

榮獲過許多科學成就獎項的她,時常是唯一獲獎的女性,而就在接受採訪不久前,她又獲頒一個獎項,直到頒獎當天的照片寄回到所上,「一片黑西裝裡面,就我穿黃色!」她笑道。所上第五屆台灣女科學家傑出獎得主鍾邦柱老師看到照片時,也對她苦笑說:「哎,革命尚未成功,同志仍需努力。」

「先不要去想會有這個東西,做該做的事情。真正不平的時候,不要安靜不講。」儘管環境仍待改變,蔡宜芳建議女科學人自己先跨出一步,就如同她自己一路走來的態度。

一株莫名異變的阿拉伯芥,遇上一位不放棄的科學家兼植物迷,造就了改變農業、甚至是整體生態未來的契機。如果妳的手機也跟蔡宜芳一樣,裝的幾乎全是自己感興趣、想研究的東西的照片,請別質疑自己是不是怪怪的,或許妳也將靠著研究,改變世界,這是我能想到最浪漫的事了。

台灣傑出女科學家獎邁入第 15 年,台灣萊雅鼓勵女性追求科學夢想,讓科學領域能兩性均衡參與和貢獻。想成為科學家嗎?妳絕對可以!傑出學姊們在這裡跟妳說:YES!:https://towis.loreal.com.tw/Video.php

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