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為什麼地震預測這麼難?——《震識》

震識:那些你想知道的震事_96
・2017/06/13 ・2475字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 536 ・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。

之前我們聊到「拉奎拉的悲劇」時,曾提到當地政府因為短時間內小地震過於頻繁,又加上民間預測專家提出了預測,因此特別出面開記者會因應。為什麼多數地震學家對預測地震這件事這麼「敏感」?又為什麼會這麼不信任地震預測的研究?這是件從根本上就很難解的問題……。

過去筆者在地震預測的主題上已撰寫過兩篇文章,在我們離「預測地震」還有多遠?一文中,概述了目前主要地震前兆研究的相關科學進展與難處。而在地震預測,是真有其事還是危言聳聽?難道不能寧可信其有嗎?一文中,則是在探討「如果地震預測的科學還未成熟,任意就粗糙的研究結果發布預測警告,是件多麼危險的事!」

發布地震預測警報的困境,最理想的狀況是左上(有警報且發震)和右下(沒警報沒地震)。沒警報卻發生嚴重地震(左下)或是發布警報卻沒發生地震(右上),都會造成比未提供預報還多的損失。所以如果沒有成熟且誤報率極低的技術,貿然發布不止是兩難的困境,還可能造成不必要的損失。圖/By J. Johnson – Own work, CC0, wikimedia commons

但話說回來,為什麼地震預測這麼難?又為什麼很多個人的研究,很難被學者們認同是有科學根據的預測?這並非是研究上的爭議,而是科學方法和科學精神上若不夠嚴謹,這才是學者們更在意的地方。

無論是「地震的成因是因為板塊錯動?事情沒有那麼簡單!」一文中的歷史脈絡,或是其它科學史故事,都呈現出一種特性:科學知識非但不是一成不變,還會隨著時間流逝不斷「修正」。

我之所以特別用「修正」而非「推翻」的詞彙來詮釋,是因為科學並不是「誰說了算」,而是當更新的證據出現時,除了需要重新檢視我們過去的看法,還得以同樣嚴謹的角度去檢驗新的證據,所以不管是什麼科學上的新發現或看法,都需要蠻常一段時間去蘊釀,如果這些新看法與當代的科學知識相衝突時,就更需要時間讓觀念融合,又或者是新的觀念本身也存在著缺陷。像是哥白尼的日心說在當時難以被接受,最大的問題就是他將行星公轉軌道假設為正圓形,顯然於觀測事實不符,即使日心說較地心說更接近真實情況,那也是在他之後的克卜勒、牛頓等人的貢獻了。

回到正題,如果今天某某人聲稱他可以「用某種你沒聽過的觀測手段精準預測地震」,那到底是真還是假?是胡扯嗎?還是跨時代的觀念?

如果用這樣的角度或過去的例子來支持這類理論,那就完全錯誤理解科學方法的中心精神。許多科學史上的「修正」,多數要花上數十年以上的時間重覆驗證,而在漫長且嚴苛的驗證過程中,淘汰掉的未必是舊的論點,也可能是新的想法出現瑕疵而被自然消滅。我們現在看到的科學史脈絡,其實也已經是簡化過的故事,它能說明的只是科學的「可否證性」,簡單來說,就是有一個可以否定原來某個理論的鐵證,那舊的理論就該放棄了!

科學知識永遠不會是唯一真理,因為科學只是用來幫助我們「解釋自然現象」、「理解這世界的運作方式」而已。雖然我們學習科學時,一定會學一堆要「背」的知識,如加減乘除開根號、如牛頓運動定律……等等,但這些知識並非教條,而是代表它在長時間的檢驗及淬鍊之下,已經很難被否證了。而這些知識會變成根基,他就像你在打電動破關一樣,當你得到了裡面已經經歷過事件或是已經破過的關卡存檔資歷時,就不用再重新破關一樣。

科學之所以可以日新月異,也是拜這樣實事求是的精神所賜,並不是無法檢討過去的基礎理論,而是如果沒有比基礎理論更好的解釋,那就無法取代。

可是,如果你問我:「我不具地震學背景,又懶得重新了解,那該怎麼分辨是非對錯?」

在回答這個問題時,我想先說明一件事:當所謂的「某某地震預測理論」告訴你,他們能做出多精準、多好的預測時,真正的科學家不會著眼於他們提出的事證,也就是成功預測的結果,而是這項理論有沒有限制、規範和例外,或是有沒有辦法提出一道合乎基礎的科學定理(以地震而言,起碼就牽涉了物理學)。更重要的是,這個「理論」能不能禁得起重覆驗證、能不能「每個人來做都能得到同樣的結果」、所有的事是否都攤在陽光下供任何人檢驗。

有很多人都在作這樣的檢驗,像是由專業學者審查的學術期刊、世界各地的學術單位、政府防災單位等等。假如是個實用且有成效的理論,世界各地的學者皆沒有道理反對。

所以結論就變得很簡單,科學發展至此,可以說已有很完整的方法和檢驗架構,能解釋較多事實的理論就會留下,而不好的理論也就自然淘汰。我們也不太能為此操心什麼。把握好自己能掌握的事,或許更加實際吧!

至於什麼是「能掌握的事」?對一般大眾而言,包括像是了解住家的耐震情況、怎麼運用緊急地震速報等知識,都是一種掌握災害的方法。至於科學部分,雖然從我們前面的論述,可以體會到要建立地震預測的新理論難度很高、限制重重,但路難行並非不可行,只是會走得慢,因為需要走的更嚴謹。

舉個例來說,下面有張在日本高速公路休息區中拍攝到的照片,日本對於許多斷層都作了地震潛勢的研究,除了估算出地震的潛勢,也會評估發生地震時的最大搖晃的「地震動預估」,這種以科學為立基的模擬,多少可以增加對災害發生時的情境想像,或許也是一種可以用來面對未知災害時,增加準備的方式。

或許我們無法預測地震何時到來,但對於一定會來的地震,還是不能掉以輕心。

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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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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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