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震度與地震大小無關?怎麼讓「震 知道了」?那些關於震度的二三事

震識:那些你想知道的震事_96
・2017/06/23 ・2799字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 546 ・八年級
  • 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。

「震度」不是拿來比較地震大小的!地震規模才是。

「震度」不是拿來比較地震大小的!地震規模才是。

相信這大概是每個地科老師會跟學生講到嘴都快爛掉的事,但是當事過境遷、畢業之後,記憶難免慢慢褪色,漸漸的「這次地震有 6 級到底是震度 6 級還是規模 6.0」,也變得不顯眼了。

或許是震度和規模都是描述地震的名詞,也大多用個位數的數量級來表示,常會令人混淆困惑。不過說真的,這兩件事情會混淆搞不好就是一種「宿命中的迷思概念」。因為在漫長的人類歷史中,有好長一段時間人們一直把震度當作判斷地震大小的標準,直到芮克特和古騰堡發明芮氏規模為止。

京城銀行新化分行在2016年高雄美濃地震引發的雙主震之後,受災後拆除的情形。By koika (Own work) [CC0], via Wikimedia Commons

最簡單的工具:水桶

我們先不管現今科學上的震度定義,光從歷史文獻,就可以看到無數的史書記載地震的情境。在此先岔個題,今年受邀為《課本沒教的天災日本史》撰寫推薦序時,書中有一段故事讓我對「古人怎麼看震度」很有感覺!

約莫在1700年左右,當時日本的史書上已有記載用「天水桶」(盛接雨水用來防火災的露天水桶)來看震度情形,一般來說平常桶子是滿水的,而地震來襲時晃出來的水量,便是當時用來判斷震度情形的參考。這的確是個客觀定量的好方法,只是,要是下個地震來襲前,水還沒有補滿就無法使用了,而且桶子大小不一也是個問題,只是以當時的科學技術而言,這種方式已經具備有點量化的想法,只是沒有適切的工具和物理量可以用。

水桶示意圖。圖/bambe1964@Flickr

最早的震度階

在 19 世紀的西方世界,則發明了用另一種方式嘗試量化地震的搖晃:將描述到地震造成的房屋危害、人體感受的情形加以分類,大略的定義出地震來時各地的搖晃程度。

1870 至 80 年代期間,義大利的 Michele Stefano Conte de Rossi 和瑞士的 François-Alphonse Forel 一同建置了一套震度階:羅西-福瑞震度階(Rossi-Forel scale),這是目前阿樹可查到最早有系統的制定出震度階紀錄)[1],一共分為 10 級,雖然當時早已有地震儀,但在震度分級上似乎不太能派上用場,只能幫忙定出最低一級的震度(差不多是無感的程度),接下來幾乎是描述性的分級,所以除了有羅馬數字之外,還會有代表的名詞,譬如 VII 級的代表名詞是” Strong shock ”,說明包括了會動的東西會翻落、掉落,教堂中的鐘聲會晃到響起(畢竟西方國家教堂比較普遍),建物沒有損毀。這時我們再來看看氣象局的震度表,除了震度分級和加速度值之外,還有人體的感受、建物的受損情形等定性描述。

羅西-福瑞震度階(Rossi-Forel scale),摘自BSSA網頁[1]
中央氣象局公布的震度表(截圖自氣象局官網)

百年多來的演進,加上地震儀器的發展,震度的概念從「定性描述」變成可「定量測出」的值,最主流的方式就是測「最大地動加速度」(peak ground acceleration, 一般簡稱PGA),所以在地震學看到PGA不要想到高爾夫球公開賽,它是一個單位,和加速度一樣都是 cm/s2,之所以用這個物理量,是因為它可以連結到「力」的概念。工程上要計算耐震程度,無非就是用作用力來作為計算參考,或許大家熟知國中教的牛頓第二定律的F=ma,m是質量,乘上加速度就是力。

這時就不得不提一下「重力加速度」這個值,它的單位和 PGA 一樣,我們常算自由落體重力加速度為1 g,其值約為981 Gal (cm/s2) ,而國內地震站測到的 PGA 第一名,就是在921集集地震時,日月潭測到東西向的 989 Gal [2],試想一下如果你被這樣的地動加速度甩開的那一瞬間,感覺就像以自由落體的加速度在水平運動啊!

各國各地的建築、地質的特性不盡相同,也發展出了不同設計的震度階的公式,有的不僅考量加速度值,甚至也考量到速度質,或者選擇適合自己的震度階,所以當聽到國外公告的震度時,得先看一下他們的震度是什麼意思才能比較。

等震度圖,讓防災、救災更有效率

震度階如何發揮用處?只要有足夠的震度時,人們自然就會發現一件事:「各地的震度不同」。而這時有一個「標準化的震度階」就能發揮用處,將所有相同震度的地方都畫上相同的顏色,不同震度用不同顏色表示,我們就能得到一張「等震度圖」,假設地質狀況與房子的建築方式一樣,震度越高處可能就會有較嚴重的災害損失,如果震後很快的產製出這個資訊,就能讓防救災更有效率。

阿樹以前在氣象局服研發替代役時,偶爾震後會有民眾來電說:「明明地震搖的就很大,為什麼我這邊震度只有 3 級?」實際上在測量震度時,儀器測到的只是「測站所在地」的資訊,測站一般都是空曠的平面,樓房型式、樓層高度甚至地質條件都會影響到搖晃的情況,當然無法盡善盡美。

921集集地震的等震度分布圖,摘自氣象局地震百問[3]
在國內,我們的地震站的密度其實已十分密集,多半人們感受的震度誤差來自於建物差異為主,但如果是在國土更大的地方,可能就會得到較為粗糙的等震度圖。除非,我們可以回歸原來震度定義的方式--定性描述,像美國地質調查(USGS)所有一個問卷回報網頁:”Did You Feel It?” [4], USGS 會發布世界各地的地震資訊,但沒有測站的情況下只能用經驗公式來推測,但如果大家將真實的感受和災情依照震度表中的描述回饋給他們,就能讓震度表是「真實」的情況。但我必須要說,在訴諸科學的前提下,有儀器的資料當然還是最好,描述也僅是補足資訊。

”Did You Feel It?”網頁的震度問卷表截圖。

但震度描述還是很有用,尤其是如果我們可以考量不同型式的建物對震度的反應時,對於歷史地震的研究甚至還大有用處!利用歷史文獻,我們可以知道以前地震時的搖晃描述,若能將其對應到震度資料,並且畫出「古代的等震度圖」,便能將它和現今的地震震度與規模關係作比較,接著推估地震的規模、震央與震源深度,雖然這麼做一定存在誤差,但總比什麼都沒有來得好。科學方法有很多種,雖然震度很難直接拿來比較地震的大小,但它還是能處理無法測出地震大小時的問題!

參考資料:

[1] Rossi-Forel scale震度階BY BSSA網頁
[2]中央氣象局地震度原始資料
[3]氣象局地震百問:何謂震度

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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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喜歡探索浪漫的事物; 比如宇宙、生命、文字, 還有你。(嘿嘿 _ 每天都過著甜甜的小日子♡(*’ー’*)