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震央在高雄的美濃地震,為什麼台南災情最嚴重?問問超級電腦吧

研之有物│中央研究院_96
・2017/07/26 ・4382字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 531 ・七年級

為什麼要用電腦模擬地震?

臺灣數值地震模型 (TNEM) 由中研院地球所李憲忠副研究員開發,可以精確且快速分析出地震發生的過程,了解歷史地震、現今地震及未來的情境地震,為防災帶來重要的貢獻。

1999 年 9 月 21 日凌晨,集集大地震在臺灣人睡夢中突襲而來,許多人至今仍心有餘悸。那時,李憲忠正好在博士班第一年,踏入地震學研究不久就受到巨大的震撼。他體認到,臺灣需要更多地震研究的人力,假使當初把車籠埔斷層研究更透徹,也許災情就不會那麼慘重。

2016 年 2 月 6 日凌晨,又是一場眾人熟睡時的地震,在台南造成嚴重傷亡。這時,李憲忠利用他開發的臺灣數值地震模型 (TNEM) ,在電腦中解開這場地震之謎。這套數值模型,利用強大的電腦運算技術,能為未來的地震防災帶來不少貢獻。

中研院地球所李憲忠副研究員,利用超級電腦研究臺灣過去、現在和未來的地震。圖/By 張語辰

美濃地震,為何臺南災情最嚴重?

2016 年這場地震,有個現象令人十分困惑──震央明明是在高雄美濃,為什麼災情最嚴重的區域反而在臺南?單純以氣象局的觀測資料不容易解答這個問題,因為它只能提供「震源位置、規模、震度」等數值,無法告訴我們地底下實際上發生了什麼事情。

李憲忠的電腦數值模擬,則還原了地底下斷層面錯動量的分布,看穿地震發生的特性。

如下圖,李憲忠針對這次美濃地震,計算出斷層面上的錯動量分布。由此可看出一個非常重要的現象──斷層面破裂最嚴重的地方,其實不是在震源 (紅色星星) 附近,而是在震央偏西北方,有兩個明顯的「錯動集中區 (Asperity) 」,亦即兩個紅圈處。

2016 年 2 月 6 日在美濃發生規模 6.6 地震,由臺灣數值地震模型之分析可知,震央(紅色星星)偏西北方有兩個錯動集中區 (Asperity,紅圈處) ,使得主要災害出現在震央西北方的臺南地區。圖/李憲忠

這次的破裂從震源開始之後,朝著西北向延伸,於是指向了臺南地區,這個效應稱為「破裂方向性 (Directivity) 」。

破裂的方向不一定是斷層的方向,由於每個地震的特性不同,必須利用觀測資料結合電腦來逆推,才能知道地底下的斷層面上發生了什麼事。

李憲忠表示,還有其他因素,影響美濃地震的破裂過程與地震波傳播。其中一個因素是「場址效應」,由於嘉南平原是沖積層,土質比較鬆軟容易造成振幅放大,且能量會在鬆散的物質裡持續震盪,造成較長時間的搖晃。

這部影片是李憲忠根據 2016 年 2 月 6 日美濃地震的資料,以臺灣數值地震模型模擬三維地震波傳遞的動畫。

從中可看到,由於「場址效應」,嘉南平原區的震動比山區來得嚴重。此外,震源本身還有「震源輻射效應」,並非震源的每個方向的震動都一樣,而是有輻射狀的分布,而這次的美濃地震,震源輻射放大的區域正好位在震央的西側。

以上種種因素加起來,使得美濃地震災情最嚴重的區域出現在臺南。

「臺灣數值地震模型 TNEM 」是何方神聖?

李憲忠的團隊能夠還原地底下發生的事情,利用的是他們自己開發的強大武器──「臺灣數值地震模型 (TNEM) 」。

這是一套整合性的模型,目標是以電腦來模擬與重建臺灣的中大規模地震,分析震源破裂與三維地震波傳遞的過程。

震源破裂的模擬,採取「逆推」的方法,藉由遠場(全球世界網的資料)、近場(臺灣本身的地震紀錄)與 GPS 的同震位移紀錄等觀測資料,透過電腦回推出斷層面上錯動量的時間─空間分布。接著利用建立好的震源破裂模型,加上三維地下構造數值模型,便可模擬地震波在複雜構造中的傳遞。

除此之外,這套模型還開發了一個重要的系統,就是即時計算地震學地震報告。

只要 2 秒,超級電腦就可分析完全臺灣 40 萬個格點,找到震源的位置以及所有的震源參數。透過電腦的技術,並在 2 分鐘內把「發震時間、位置、規模、震源機制」全部求解出來,特別是「震源機制」其分析速度,比傳統地震報告系統更快。

黑色線條為台灣各地測站的實際地震觀測數值,紅色線條為電腦模型模擬的地震數值。當兩者高度疊合時,表示該地發生地震,網站會即時顯示震央位置、地震參數等資料。圖/By 即時地震監測系統網站

平常所看到的波形是背景雜訊,但只要地震發生, 2 分鐘後就有完整的地震資訊顯示出來。李憲忠很有信心地說,這套系統在全世界絕對是數一數二的。即時地震監測系統網站每 2 秒就會更新一次資料,民眾皆可上網查詢。

為什麼臺灣能夠辦到?李憲忠說明,由於幅員較小,且政府支持相關研究,臺灣的地震觀測網可能是全世界密度最高的。更重要的是,他們開發了一套完善的軟體來分析地震,並利用中研院地球所內的 256 顆 CPU 進行連續長期監測。

這套地震模型,另有一個領先世界的關鍵:完全採用的「三維」的地下構造來計算。李憲忠說,國外許多研究團隊,都是假設地底下為「均質」或「一維」的構造。雖然這種假設能比較快求出地震大致的模式,但真實自然界並非此種簡單的構造,所以很容易發生誤判或產生較大誤差。

李憲忠則希望利用高精度的地震模型,將模擬結果建立數值資料庫,拿來作為長期的科學研究與防災應用,因此越精確越好。

自然界是一個複雜的三維環境,不是簡單的一維。除非那邊的地下構造很單純──但是我想,容易發生地震的地方,通常構造都很複雜。隨著現在電腦技術漸漸發達,計算三維速度構造的影響,將會變成是個必要且常規的工作。

還原歷史地震現場:1935 年新竹─台中地震

臺灣數值地震模型,不但能精確分析最近發生的地震,還能重建過去的歷史地震,以及探討未來可能發生的地震情境。

歷史地震雖然是過去的事情了,但是透過了解過去地震的發生過程與特性,對未來的防災非常重要。由於斷層面的能量累積到相當程度,可能重新釋放能量,假如我們可以了解它的回復週期與破裂特性,則可更清楚知道如何防範下一次的大地震。

1935 年發生新竹─台中地震,造成的傷亡比 921 集集大地震更加慘重。現在的觀光景點魚藤坪斷橋,就是那次地震所造成的結果。

魚藤坪斷橋,於 1935 年新竹─臺中地震被震毀,造就此一斷橋之景象, 1999 年之 921 大地震又造成第四號橋墩上半部被震毀崩落。圖/臺灣寫真帖第一集王崎 @ wikipedia commons

由於當時還沒有進入數位時代,因此地震資料不易取得,主要是日本氣象廳的紀錄。當時的地震紀錄是類比式的,用一隻紀錄筆在煙燻紙上描繪出振動的過程。而震度的紀錄,大都是藉由當地人的口述,以人的感受或房屋傾倒毀損的情況判斷,因此可能存在很大的落差。

現在有了數值地震模型,可以模擬重建當時的情形,對於了解歷史地震有很大的幫助。

1935 年發生新竹─台中地震,由震央往南北兩方向破裂,往北是獅潭斷層,往南是屯子腳斷層。圖/By 李憲忠

1935 年的地震,由震央往南北兩方向破裂出去,北段是獅潭斷層,南段是屯子腳斷層。臺灣西部為逆衝褶皺構造,有許多南北向的斷層排列著。此次地震就是一條斷層破裂後,觸發其他的斷層,就像骨牌效應,因而破裂範圍拉很長。

這次地震的破裂方向性可以從模擬結果中清楚看到,北邊的震度比南邊大,強烈振動的範圍也比較廣泛。確實,1935 年的災情,震央北邊新竹─苗栗一帶比南台灣嚴重,模擬結果大抵與當時的記載一致。圖/By 李憲忠

未來可能發生的情境地震

李憲忠說,身為地震學家,常被身邊的親朋好友問到:「到底地震能不能預測啊?」坊間也有很多能人異士,號稱能夠預測地震。李憲忠說明,要能真正稱為「地震預測」,「時間、位置、規模」三者都要能明確講出來。然而,這樣的地震預測,現在的科學還無法做到。

雖然無法預測地震,數值模擬能夠分析不同的情境,也就是在某種形式的地震發生之前,就知道可能的災情分布。如此,也能達到防災的目的。

假想的琉球海溝發生規模 M8 以上的大型逆衝地震之模擬結果,包括「地震波的地表速度波長」與「海嘯的波高」二者的模擬。圖/By 李憲忠

上圖是李憲忠模擬最危險的情境地震。臺灣東部外海有個「琉球海溝」,是菲律賓海板塊向北隱沒到歐亞板塊的界線,這個構造一路延伸到日本。在這種隱沒帶深處發生的大型逆衝地震,規模通常都非常大,可能超過 M8 。他說:

日本地震防災已經做得很好,然而 311 東日本大震災他們當時推估那邊只有規模八點多的地震,沒想到自然界就是出乎意料來個九點多的,讓他們措手不及。所以我們要料敵從嚴,用電腦去模擬這種極端的情境。

若在琉球海溝發生大型隱沒帶的地震,災害來源不只是地震波,還有海嘯。海嘯的模擬相當重要,因為海嘯傳播速度比地震波慢得多。地震波波速每秒 6 至 8 公里,海嘯只有每秒 0.2 到 0.3 公里。地震發生後三、四分鐘地震波就已經傳遍臺灣島,但是海嘯則需要兩、三小時。因此,海嘯確實可以預警,在地震發生後應可以有較足夠撤離人員的時間。

數值模擬如何提供防災準則?

地震的數值模擬,可以提供不少防災的資訊。在地震發生前,就可以分析,一旦這樣的地震情境發生,會有怎樣的災情,這對於災害防制的評估很有幫助。針對特定孕震地區,可以研究活動斷層以及地底下的盲斷層走向、容易產生的破裂方向性、以及場址效應等。這些結果,都可以應用到基礎建設的耐震設計,以及落實到建築法規上。

另外,地震發生當下,則可以透過即時地震監測系統,迅速釐清地震的各種參數。就震源而言,可以很快得到震源機制,推估該地震可能與哪條斷層有關,評估是否會影響到鄰近的斷層。如果斷層的能量可能還沒釋放完畢,就必須特別關注是否有餘震或更大地震的發生。

此外,即時線上地震模擬可以迅速計算出地震波的傳播與震度分佈,推知那些地方災情會比較嚴重,據此來調度救災人力。

臺灣數值地震模型得到的結果,是有物理基礎存在的數值模擬,可以比較接近「未來自然界可能發生的真實情況」。

現在防災單位亦有一套完整的地震應變流程,目前的系統主要是從「統計」的角度出發,利用「規模、震度、人口稠密度」等,建立邏輯樹,來評估災情。待後續臺灣數值地震模型開發得更完整,將能補足強化現行的地震災害評估與應用。

延伸閱讀

採訪編輯|歐柏昇  美術編輯|張語辰
CC 4.0

本著作由研之有物製作,以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

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大家都知道「地球在動」,但你怎麼知道?
賴昭正_96
・2023/06/19 ・6380字 ・閱讀時間約 13 分鐘

  • 賴昭正/前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

在第一本書中,我將描述球體的所有位置,以及我歸因於地球的運動,因此本書可以說是包含宇宙的一般結構。 在剩餘的書中,我將其它恆星和所有球體之運動與地球的移動性聯繫起來,這樣就可以確定如果歸因於地球的運動,它們的運動和外觀可以保存到什麼程度。

-哥白尼(Nicolaus Copernicus,1473 – 1543)

隨便找個國中生問:「地球是宇宙的中心嗎?」相信他們都會回答說:「不是。地球除了自轉外,還在繞著太陽公轉。」可是如果你緊接著問:「你怎麼知道它在動呢?」相信大部分的國中生(甚至大學生)可能就不知道怎麼回答了:「嗯⋯這?⋯那?⋯??」

這事實上是一個非常難以回答的問題,因此雖然早在公元前 250 年希臘天文數學家阿里斯塔克斯(Aristarchus ,公元前 310 – 230)就曾經提出地球繞日說,但這一理論不但不為大眾所接受,還給他帶來了一生的嘲笑。

而希臘數學家蛇床子(Eudoxus of Cnidus,公元前 410 – 347)於公元前 380 年左右提出以不動之地球為中心的宇宙模型則幾乎統領了以後 2000 年的宇宙觀!

你該如何證明地球自轉?圖/envatoelements

1543 年,波蘭哥白尼基於在數學上處理起來比較簡潔,在德國紐倫堡出版六本題為《De Revolutionibus Orbium Coelestium》(論天體運轉)之書,提出日心系統,謂地球不在宇宙中心之特別位置,而是與其它行星一起在圍繞太陽的圓形軌道上運動。

此後經伽利略(Galileo Galilei,1564 – 1642)、開普勒(Johannes Kepler 1571 – 1630)、及牛頓(Isaac Newton,1643 – 1727)等天文數學家的發展,地球繞日說不但慢慢地為天文學家所接受,也漸漸成為主流的宇宙觀。但這些發展似乎都是紙上談兵而已,並不是真正的觀察實驗結果。

有什麼方法可以證明地球是在動的呢?

加速度運動

相信大部分的讀者都有下面的經驗,那就是坐在平穩(等速)直線行駛的車廂內不會覺得火車在動;如果那個時候旁邊也有一輛類似的火車經過,我們根本無法知道到底是誰在動。

事實上不止不會覺得火車在動,伽利略早在四百多年前就告訴我們:不管在車廂裡做任何實驗都沒有辦法偵測出火車在動的(相對論)。但是如果火車突然加速,我們便可立即警覺到火車在動。

如果坐在等速前進的火車中你不會感受到火車在動。圖/envatoelements

圓周運動因為運動方向一直在改變,所以不是直線運動,而是一種加速度運動。坐遊樂場所裡的旋轉木馬之所以有被往外甩的感覺便是因為加速度造成的。地球的自轉及公轉都是圓周運動,我們不是也應該有被往外甩的感覺嗎?

高中物理告訴我們圓周運動的加速度 a 為

上式中的 v 為圓周上物體的運動速度,r 為圓半徑。地球自轉運動最厲害的地方在赤道上, 將其值及地球半徑代入上式,得地球自轉在赤道上的加速度為 0.033 m/s2,只有重力加速度 9.8 m/s2 的 300 分之 1 而已。

這加速度需要 14 分鐘才能將車子或火車從零加速到時速 100 公里(「高性能」車子大約只需十秒鐘),我們能感覺出來嗎?此一往外甩的慣性力【常被稱為「離心力」(centrifugal force)與重力方向相反,因此如果有非常精確的體重機,原則上可以讓我們測出赤道上重量減輕,證明地球在自轉的。

將地球公轉的平均速度及半徑代入上式,則得地球公轉的加速度為 0.006 m/s2,與重力加速度一比更是微乎其微。所以想靠地球自轉及公轉的加速度來偵測地球在動顯然是相當困難的。

恆星視差

坐火車的人都有這一經驗:窗外比較近的東西從眼前飛過,越遠的東西就越不動。所以如果火車是從左往右,當你比較圖一中遠近不同之 A、B 兩點的相對位置時,你將發現中非常遠的 A 點不動;但是比較近的 B 點則會從 A 之右邊 B’ 移到 A 之左邊 B”。事實上這視差與火車動不動無關,而是因 A、B、及觀察者三者的相對位置而異。

圖/作者提供

同樣的道理,因為地球繞太陽公轉,我們可以在兩個不同的軌跡點(例如夏至及冬至兩點)看到這「恆星視差」(stellar parallax)現象(圖一)。1838 年,德國天文學家貝塞爾(Friedrich Bessel)成功測量了天鵝座(Cygni)61 號恆星的視差,證明地球並不是一年四季都在同一個位置。當然,不在同一個位置表示「動過」,所以間接地證明了地球在動。

星光像差

站在大雨筆直而下的大街上時,你只需將雨傘直接舉過頭頂即可保持乾爽。可是當你開始走路時,你便必須將雨傘朝行走方向傾斜以免被淋濕,走得越快,傾斜度就需要越大。如果不知道雨是垂直而下(對地球而言),你將誤以為雨是從前方傾斜而至(對你而言)。

(左)在雨中靜止不動;(右)在雨中往右跑。 圖/作者提供

同樣的道理。當地球繞太陽公轉運動時,我們也可以檢測到與運動速度有關之入射星光的「傾斜」(見圖二)——在天文學上稱為「星光像差」(stellar aberration)。因為地球一年四季的運動速度不同,所以「像差」也將因之而異。。

1725 年起,英國天文學家布拉德利(James Bradley)及同事一直在努力想測量天龍座伽馬(Gamma Draconis)的視差;他們雖然沒有找到預期的現象,但卻發現天龍座伽馬在三天內往「錯誤」的方向移動了驚人的弧度。在同事去世後不久,布拉德利終於意識到這無法用視差來解釋的現象是:因地球在恆星方向運動速率不同之「光像差」(light aberration)和光速有限所引起的。

布拉德利於 1729 年元月向英國皇家學會宣布此一首次確鑿證明地球在「動」的發現,提供了阿里斯塔克斯、哥白尼、和開普勒理論正確性的觀察證據。巴黎天文台台長德蘭布爾(Jean Delambre)認為這是「(18 世紀)最輝煌、最有用的發現」;在其 1821 年所出版之《18 世紀天文學史》中謂:「正是由於布拉德利的這⋯發現,我們才有了現代天文學的準確性。」 

圖/作者提供

傅科

最能夠直接證明地球每日自轉的實驗是「傅科擺」(Foucault pendulum)。法國人傅科(Léon Foucault,1819 – 1868) 小時候對學校功課沒興趣,喜歡自己在家建造玩具和機器。1839 年進入巴黎醫學院,看到血就昏暈,因此只好放棄從醫。但指導教授多內(Alfred Donné)慧眼識英雄,把他留聘為助手從事研究,兩人於 1845 年合作出版了《顯微鏡課程》(A Course of Microscopy)。

傅科與多內的合作開啟他作為科學傳播者的職業生涯:多內退休後,傅科成為具有影響力之《辯論雜誌》(Journal de Débats ) 的科學編輯,接替了多內向公眾報導最新科學領域發展的角色。透過每週生動地報導巴黎科學院會議,傅科很快引起了公眾和科學精英的注意,包括了法國具有影響力的數學家和政治家阿拉戈(François Arago)。

圖/作者提供

1850 年傅科突發出奇想:如果能夠設計出一個鐘擺,其頂點雖可以隨地球上的支架移動,但能完全自由轉動(也就是與支架間的旋轉摩擦力為零);那麼鐘擺一旦開始擺動,因為不會跟著地球旋轉,地球將在其下方旋轉——但對地球上觀察者來說,將是擺動平面在旋轉。1851 年元月,傅科在家中地下室成功地建造了這樣一個鐘擺後,阿拉戈要求他在巴黎天文台也裝置一個。

不久後,巴黎的每一位科學家都收到了前往巴黎天文台參觀鐘擺的邀請。在天文台進行實驗證明地球確實在旋轉的 1851 年 2 月 3 日,阿拉戈也向科學院宣讀了現在稱為「傅科擺」的論文。幾週後,傅科在巴黎萬神殿(Panthéon)的圓頂上用一根 67 米長的金屬絲懸掛了一個重 28 公斤的黃銅塗層鉛擺,又復製了一個「傅科擺」(圖三,註 1)。

傅科擺的物理

台灣早期科教館曾經展示過「傅科擺」,現在已經找不到了。但相信許多讀者都曾在世界其它各地(如北京或廣州)看過。如果在北極的正上方掛一個「傅科擺」,我們很容易直覺地了解地球將在其下方以 24 小時的週期旋轉。將鐘擺掛在赤道上某一點的正上方,則它只受到地球自轉的前進推力(見後),筆者還可以了解(看出)地球在其下方不會旋轉;但筆者很難想像掛在台北的上空時,地球如何在其下方旋轉?

在忘寢廢食之苦思後,筆者終於領悟到伽利略 1630 年用來錯誤地「證明」地球在動的例子,事實上正是解釋 1851 年「傅科擺」的最佳工具。一個往東方前進之逆時針方向旋轉輪子,在任何一瞬間,對「一位靜止不動的旁觀者 A」來說(圖四左),最上方那一點的速度應該比中間點慢,最下方那一點則比中間點快(註 2)。

但是對於與輪子同時前進、但不旋轉之中間觀察者 B 來說(圖四中),兩個向量相減的結果,上方那一點的速度將是往左,下方那一點的速度則是往右,這正是為什麼他只看到輪子在逆時針方向旋轉的原因。對一位隨輪子旋轉及前進之中間觀察者 C 來說,則輪子不轉不動:如果觀察者 B 不是一個數學點的話,將依順時針方向旋轉(圖四右,註 3)!

圖/作者提供

地球自轉造成台北 101 大樓往右的旋轉推力;大樓南方因為旋轉圈子比正上方的中間點大,速度因之比中間點快;反之,大樓北方則因為旋轉圈子較小,速度應比中間點慢(圖五白色箭頭)。所以對旁觀者 A 來說, 101 大樓中間點及南、北方兩點之表面速度如圖四左所示;圖四中則為觀察者 B 所看到的:整個台北(地球表面)在圍他逆時針方向旋轉。

住在地球上的我們當然是隨著台北地球表面旋轉的觀察者 C:整個台北不轉不動,B 在順時針方向旋轉;如果 B 是「傅科擺」(記得掛它的條件嗎?),則是鐘擺平面在順時針方向旋轉!同樣的原理我們可以推論到:「傅科擺面」在北極會順時針方向旋轉(週期 24 小時);在赤道上不旋轉(因南、北方兩點之速度一樣);越北的「傅科擺」週期越短(因南、北方兩點之速度差別越大,註 5)。

結論

在「加速度運動」一節裡,我們談到了地球的自轉及公轉所產生的效應在日常物體的運動中,因與其它力相比太小了,很難偵測到。但在長距離和長時間的大規模運動中(如大氣中之空氣或海洋中之水),它還是可能脫穎而出變得很明顯的,例如海邊高(低)潮之所以每天出現兩次,正是因為地球自轉的關係(註 2)。

又如時常發生在台灣之熱帶氣旋(颶風)的形成,事實上也正是因地球自轉之故:在北半球產生逆時針的氣旋(註四),在南半球將產生順時針的氣旋。但赤道附近因旋轉太小,不會有颱風的。

除傅科擺外,要證明地球在動的原理似乎都很容易理解,但不容易執行;反之,傅科擺似乎容易製作,卻不容易理解。怪不得雖然早有人懷疑地球在動,但卻必須等了兩千年才能觀測到。即使在科技突飛猛進的今天,要證明地球在動似乎也不是幾個字就可以解釋清楚的,怪不得國中生(甚至大學生)只能支吾以對了。

*************** 猜猜看:旁觀者 A 是誰 ***************

我們在圖四及文中提到了「一位靜止不動的旁觀者 A」;不知讀者是否曾在心中質問「他是誰呢?」牛頓也曾想過這個問題:這位靜止不動的旁觀者在他心中是「絕對空間」——一個永遠存在那裡靜止不動的宇宙背景。

但是與他同時代的德國哲學家、科學家和數學家萊布尼茲(Gottfried Leibniz,1646 -1716)卻認為根本沒有這種空間,空間只是一種幻覺。對愛因斯坦發展廣義相對論有巨大啟發的馬赫(Ernst Mach,1838 -1916,奧地利物理學家兼哲學家)是一位十足的實證派人物,他認為任何可觀察到的現象都是相對於遙遠的恆星(或宇宙中所有的物體),因此從這裡得出地球在旋轉的結論是不合理的:我們怎麼知道不是恆星在旋轉呢?當太空沒有任何物體時,地球是否還在自轉呢?

德國哲學家、科學家兼數學家,萊布尼茲(Gottfried Leibniz,1646 -1716) 圖/wikimedia
奧地利物理學家與哲學家,馬赫(Ernst Mach,1838 -1916) 圖/wikimedia

他認為如果沒有其它物體比較,地球與靜止無異,旋轉沒有任何意義。因此對馬赫來說,加速不是絕對的、也是相對的!所以地球的自旋是相對於這「一位靜止不動的旁觀者」(遙遠的恆星)而言的,是它造成的!讀者相信馬赫的觀點嗎?或者根本沒有這個人(萊布尼茲幻覺空間)?或者還是比較相信牛頓的絕對空間? ⋯⋯甚或是因為我去看它,所以地球才在旋轉的近代量子物理觀?對這些爭論有興趣的讀者請參考《我愛科學》。

註解

  1. 原來之擺錘在 2010 年 4 月 6 日因電纜斷裂損壞無法修復,現在的鉛擺為複製品。
  2. 伽利略錯誤地認為這一快一慢的(地球)速度變化正是造成潮汐現象的原因;依照他這一個理論,海邊高(低)潮每天只出現一次,但事實上我們知道因為地球自轉的關係,高(低)潮每天出現兩次。牛頓正確地解釋了潮汐現象主要是因月球引力造成的。
  3. 如果 B 或 C 向前丟出去一顆石子,則 B 將看到該石子直線前進;但是因為「科氏力」(Coriolis force )的關係,C 將看到該顆石子沿右彎的曲線前進;詳見『「 離心力 」真的存在嗎?』。所以「科氏力」可用來解釋「傅科擺」在地球表面的軌跡(與地點緯度、從什麼地方啟動鐘擺、及鐘擺長度有關;加上鍾擺頂點雖然不隨地面旋轉,但並不是「絕對」靜止不動,而是隨地球自轉及公轉,因此細節上是很複雜的,以至於在網路上可以看到許多不同或不完全正確的軌跡圖)。
  4. 因為註 3 之「科氏力」。在網絡上可以看到不少用同樣的原理來解釋水槽、浴缸、或抽水馬桶排水時,在北半球的水流將是逆時針方向旋轉。筆者家中兩個抽水馬桶排水時都是逆時針旋轉,不知讀者府上是否也是一樣?但筆者覺得像加速度一樣,我們不可能偵測到地球自轉對這麼小之水體影響的,有興趣的讀者可參考英文《科學美國人》 2001 年的『有人終於以解決了「水流下排水管的方向是否會因您所在的半球而異」這個爭論?如果有,為什麼?』。
  5. 我們可以利用微積分來計算圖四中之旋轉速度。如果地球的半徑為 R,該中心點是地球表面緯度 Φ 上的一點,則其地球旋轉半徑應該是 Rcos(Φ),將它乘以地球自轉速率 ė,即得在該點的直線速度。其上下兩點的直線速度微差 dėRcos(Φ) 造成對該點的旋轉(圖四中),將它除以旋轉微半徑 RdΦ 則得附近表面對該點的旋轉速率: 。鐘擺的週期與之成反比;台北的緯度為 25°N,故「傅科擺」的週期為 56.8小時[=(24小時)/sin (25°)]

參考資料

賴昭正_96
38 篇文章 ・ 45 位粉絲
成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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為什麼土耳其大地震的災情慘重?反思臺灣的防災意識——《科學月刊》
科學月刊_96
・2023/05/14 ・2726字 ・閱讀時間約 5 分鐘

  • 潘昌志/科普作家,著有《地震 100 問》、《海洋 100 問》。

Take Home Message

  • 土耳其位於被斷層包圍的歐亞地震帶,因此飽受地震威脅。
  • 年初在土耳其與敘利亞交界發生兩次大地震,因為地上建物多為古老、不耐震建築,導致災情嚴重。
  • 借鏡土耳其地震,臺灣的防災議題中除了討論傳統的防災建議,更要著重檢討老舊建物的補強問題。

今(2023)年 2 月 6 日,土耳其東南部與敘利亞交界處發生了兩次大地震,分別在當地上午 4 點 17 分(Mw = 7.8)和下午 1 點 24 分(Mw = 7.5)1。兩次強震與後續餘震造成相當慘重的傷亡,根據國際救援組織 Humanity First 截至 3 月 11 日的統計,已造成至少約 5 萬人死亡、13 萬人受傷,如此嚴重災害也引起國際社會關注。本文將介紹此次地震,並反思這次災害對臺灣地震防災的啟示。

地震發生的原因

土耳其位於歐亞地震帶上,附近的地體構造包括較大的歐亞板塊與非洲板塊,還有較小的阿拉伯板塊與安納托利亞板塊。

土耳其境內主要的斷層系統落在安納托利亞板塊與其他板塊的邊界,北側為與歐亞板塊相鄰的北安納托利亞斷層(North Anatolian Fault);東部的東安納托利亞斷層(East Anatolian Fault)則是安納托利亞板塊與阿拉伯板塊的交界,此交界再往東延伸便與比特利斯-札格洛斯褶皺逆衝帶(Bitlis–Zagros Fold and Thrust Belt)相鄰;南端則與死海轉形斷層(Dead Sea Transform)相連。

另外,地中海的塞普勒斯隱沒帶(Cyprus subduction zone)南方也是非洲板塊向北隱沒至安納托利亞板塊的交界,土耳其可說是被斷層包圍、充滿地震威脅的國度(圖一)。

圖一|土耳其附近板塊構造與本次地震震央示意圖。圖/科學月刊。

土耳其東南部與敘利亞交界處發生了兩次大地震,震央分別在圖上★的位置。

這兩次地震主要坐落在東安納托利亞斷層系統的破裂帶上,兩次地震規模相當,加上震央位置與斷層機制不同,以及餘震的空間各自獨立分布,一般會將兩次地震視為兩個不同破裂面上的事件。

但像這樣接連兩次的地震,有些單位或學者也會將規模較小的第二次事件視為餘震,就像是去(2022)年在臺灣的關山、池上接連發生的地震一樣,自然界中偶爾會看到兩次地震規模相近、又可能是同一斷層或相鄰斷層系統的地震事件案例。

歐亞地震帶上的地震好像都特別嚴重?

「歐亞地震帶」大致的分布範圍可以從印尼延伸到中國、印度、尼泊爾、中亞、土耳其、希臘,甚至遠到義大利。不過這裡的地震頻率不如環太平洋地震帶頻繁,所以人們對於歐亞地震帶上的強震較為陌生,或許還可能有此區地震總特別嚴重的印象。

不過災情之所以慘重,主要是由於歐亞地震帶涵蓋了希臘、羅馬、波斯、印度等蓬勃發展的古文明國度,這些國家的古老建築多半難以扺抗強烈震度。

即使現代工程技術已能扺抗強烈的振動,但這些地區的耐震補強更新不一定能趕在大地震來襲之前完成。過去如2009年義大利拉奎拉市(L’Aquila)地震、2015 年尼泊爾地震、2016 年義大利中部地震、2017 年伊朗-伊拉克邊界地震,致災原因皆為劇烈震度與當地建物的不耐震。

進一步探討今年土耳其的災情狀況,與 1999 年 921 集集地震的規模(Mw = 7.6)相比,這兩次地震的能量釋放已經相當接近,而地震的震源深度又分別只有 18 公里和 10 公里,MMI 震度達到 9 級2。淺源地震造成強烈震度,再加上當地的建物耐震能力較差,致使慘情慘重。從部分新聞提供災區照片,也可以看出低樓層結構軟弱、柱子不夠粗、缺乏抵抗剪力強度的老舊建物受到嚴重損壞。

掃描 QRcode,可見土耳其的港口城市伊斯肯德倫(Iskenderun)某建物地震前後對比圖。大面積的窗戶側缺乏強力的柱子支撐,加上樓層較高,遇上大地震其實很難撐住剪力的破壞。

「生命三角」有用?重點還是耐震問題

也因為樓房倒塌狀況相當慘重,人們生還機率渺茫,因此有部分報告也提及,在樓板瓦礫中發現了躲在家具間縫隙的「生命三角」空間而生還的例子,讓這個一般「不建議」的防災概念又再次被討論。然而,生命三角適用的「整片樓板震毀落下」的情況,根本原因是來自於建物的脆弱。

防災單位之所以建議「趴下、掩護、穩住」而非「生命三角」,乃是因為絕大多數地震對人身的威脅,遠大於生命三角所適用的情況。像這樣因缺乏耐震建物的狀況下,比起討論何種防災建議恰當,更重要的是檢討老舊建物的補強問題。

危老住宅、防災都更進展緩慢的問題不僅在臺灣可見,在土耳其更加嚴重。近年來,當地北方大城市如安卡拉、伊斯坦堡的房價已達到一年成長破 100% 以上的程度。再加上近幾次大地震後,土耳其的防災與建築專家也不斷倡儀政府應重視建物耐震議題,希望可以在下次大地震來臨前先做好準備。

然而大地震不會等人們慢慢重整旗鼓,我們也該藉此反思,即使 921 集集地震後建物法規的修訂與落實逐漸被正視,但國內仍有大量連耐震評估都未辦理的老舊建物,實為一大潛在威脅。

未來地震防災應該關注的重點

殺人的不是地震,而是建築。或許人們會認為,蓋好房子總要花大錢,但其實提升耐震並不是只有重蓋房屋一途,還可以利用耐震補強來落實(圖二)。近年內政部營建署與國家地震工程中心的「私有建築物耐震弱層補強」措施已提供民眾補助的方案和金額,然而強化房屋涉及房產的所有權人,必然需要透過如「區分所有權人會議」讓公寓大廈內的住戶取得一定共識才能實施。

因此真的要提升住宅的耐震安全,靠的不是政府或科學家,而是人們應有「居安思維」的意識,願意從認識地震來思考如何在地震頻繁的臺灣安全生活,將社區的基金用在修繕補強耐震上、將管理費撥一點用於防災演練或是設備添購。地震防災要有效深耕,不該只是準備地震包、演練趴下掩護穩住,而是要將防災視為一件重要的事,並作為日常的習慣。

圖二|住宅耐震補強的申請步驟。圖/科學月刊。

耐震補強的補助條件

  1. 耐震能力初步評估結果危險度總分大於 30 分者。
  2. 耐震能力詳細評估結果為須補強或重建者。
  3. 經依「災害後危險建築物緊急評估辦法」第六條規定緊急評估有危險之虞,並已於建築物主要出入口及損害區域適當位置,張貼危險標誌者。
  4. 經執行機關認定有補強必要者。

註解

  • 〔註 1〕Mw 是地震矩規模,為其中一種地震規模表示法。
  • 〔註 2〕MMI 震度 9 級對照到中央氣象局的震度分級約是 6~7 級的程度。
科學月刊_96
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板塊與斷層並不相同,從土耳其敘利亞大地震了解大地之母
PanSci_96
・2023/03/12 ・2981字 ・閱讀時間約 6 分鐘

今年 2 月 6 日,土耳其大地震的影像,透過國際媒體、社群網路不斷轉發,讓世人再次感受到大自然的無情,也讓身處地震帶上的台灣,重燃關於地震的防災意識。

而同樣身處地震帶上的我們,對於地震又理解多少呢?

這次土耳其的地震規模有多大?

今年2月 6 號,土耳其當地時間凌晨四點,發生了地震矩規模(Mw) 7.8 的強震(美國地質調查局 USGS 的測定數據);震央位於土耳其南部與敘利亞接壤,有著 170 萬人口的加濟安泰普省,震源深度僅僅只有 17.9 公里,屬於極淺層地震。

不幸的是,大約 9 小時之後,距離震央東北方不到 100 公里的地方,再度發生規模 7.5 的地震,深度甚至只有 10 公里,最大震度甚至高達麥卡利震度的 X 度,相當於台灣的 7 級地震。

光是在土耳其境內,強震造成四萬一千多人死亡、十萬多人受傷,是土耳其百多年來死亡人數最多的地震。

土耳其為什麼會發生大地震?

為土耳其百多年來,死亡人數最多的地震。圖/維基百科

地球表面包含地殼和一小部分的地函質地剛硬的地方,被稱為「岩石圈」,它並不是完整的一塊,而是分裂許多個「板塊」。中洋脊新生的海洋地殼會推著兩側的板塊不斷向外擴,最終在海溝下沉回到地函,完成循環。

然而,這些板塊彼此運動的速度和方向並不一致,彼此之間會有碰撞、擠壓、摩擦、分離等等的相對運動,形成相互碰撞的「聚合型板塊邊界」、相互分離的「分離型板塊邊界」以及水平錯動的「轉形型板塊邊界」(Transformation Fault,臺灣中學課本常翻作「錯動型板塊邊界」)。

實際攤開地圖,土耳其大部分區域都位在高原上;但在腳底下,土耳其的土地正不偏不倚的落在四個板塊的交界處:北邊的歐亞板塊、南方有阿拉伯板塊、西南方是非洲板塊,大部分國土則位於安納托利亞板塊上。

這些板塊相互推擠,創造了土耳其豐富的高原地貌,也造就了頻繁的地震。

地震發生的原因不只是因為板塊碰撞

我們常以「板塊的碰撞」作為地震的原因,雖然板塊運動確實會伴隨地震發生,卻不能直接解釋地震發生的機制。

板塊新生及重回地函的地方,構成了板塊的交界,它可以是中洋脊、海溝,如果該二板塊交界處的兩側都是陸地,則可能擠壓形成山脈。

就像拿兩塊吐司互相擠壓,會變形的,不是只有接觸面而已,整塊吐司都會因為兩側施加的壓力,在各處形成變形、甚至破裂。而這個破裂面,就是斷層;斷層錯動的瞬間,就會引發地震。

因此,斷層不一定要位於板塊交界上,而是只要岩層有受力的地方,就有可能產生斷層,它可以位在板塊交界的「附近」,也可以是位在遠離板塊交界的地方。

當然,因板塊的相對運動容易讓應力累積在板塊交界處,在板塊交界附近的斷層數量也就比較多。

這次土耳其錯動的斷層是?

土耳其正落在四個板塊的交界處。圖/維基百科

前面提到,土耳其剛好就位於安納托利亞板塊、歐亞板塊阿拉伯板塊與非洲板塊的交界處。由於阿拉伯板塊長年向北運動,又受到北方歐亞板塊的阻擋,因此被迫轉向西北方推擠安納托利亞板塊,使得土耳其國土被逆時針擠出。

在四個板塊的相互推擠下,土耳其境內形成兩條較大的岩層破裂帶,一條是東南方的「東安納托利亞斷層系統(EAF)」,另一條則是橫貫整個國境北部「北安納托利亞斷層系統(NAF)」。

這次土耳其大地震的事發地「東安納托利亞斷層」,形成的主要原因正是阿拉伯板塊長年向西北推擠安納托利亞板塊所產生的應力,使得岩層沿著板塊邊界,以東北西南的方向破裂。除此之外,在這條斷層的北側也發展出好幾條東西方向延伸的破裂面,形成東安納托利亞斷層的分支,也是這次大地震第二次主震發生的位置。

根據美國地質調查所的紀錄,這些破裂面,已經超過一百年沒有明顯的地震發生,表示這附近的岩層,已經長期處在應力累積、沒有宣洩的狀態。在阿拉伯板塊持續向北推擠的形況下,岩層終究無法承受,並沿著「東安納托利亞斷層系統」的數條破裂面發生水平方向的錯動,造成了這次的地震。

根據歐洲的人造衛星影像結果,這次錯動的程度之驚人,第一次主震發生的地方,地層左右位移了六公尺,第二次主震更到達八公尺。

為何地震為何總是突然發生,
而不是緩慢的釋放應力?

現在最廣為人知的地震理論,是在 1906 年舊金山大地震時,美國的地質學家李德,觀察加州的畜牧農場的圍籬在地震後發生的錯位情形,並於 1911 年提出了「彈性回跳理論」;其認為斷層附近的岩層先是受到某種外力而發生變形,當斷層面的摩擦力最終無法抵抗外力時,岩層將沿著斷層面一口氣錯動、釋放累積的能量,就產生了地震。

有了這個理論,我們還能推測,已經存在的斷層因為本身就是岩層破裂的地方,結構較為脆弱,當岩層繼續受到外力擠壓變形,就容易再次沿著斷層方向錯動。就像是一片玻璃摔過之後,裡面產生微小的裂痕,雖然玻璃沒有碎掉,但可以預期,如果這塊玻璃再摔到一次,這些微小的裂痕可能就變成了破口,甚至徹底碎裂。

至於讓斷層附近的岩層變形的「外力」除了板塊運動外,地表的侵蝕作用、火山活動等,都是可能的原因。

火山活動亦為使岩層變形的外力之一。圖/Envato Elements

台灣為什麼有許多斷層?

回頭看,位於板塊交界帶上的台灣,在菲律賓海板塊與歐亞板塊的擠壓下,從北到南遍布了大大小小的斷層。根據經濟部地質調查所在 2021 年公佈的數據,台灣共有 36 條活動斷層。

至於板塊交界處則是在花東縱谷。菲律賓海板塊與歐亞板塊的邊界,從北方的琉球海溝劃過台灣的下方,向南延伸到馬尼拉海溝;在地表上,這條邊界一路從花蓮北端貫穿整個花東縱谷平原。

從一千五百萬年前開始,菲律賓海板塊就不斷地朝西北方向推擠,如今仍以每年 7~8 公分的速度,向著歐亞板塊邁進,海岸山脈也因此不斷衝向中央山脈。

我們可以將台灣岩盤的變形狀況想像成是推土機推雪:海岸山脈是推土機,中央山脈則是雪堆。當推土機推著雪堆向前行時,雪堆前、後和底部的變形最強烈。在海岸山脈的推擠下,變形量最高的地方集中在西部平原、花東縱谷以及中央山脈的底部。由於中央山脈底部岩層溫度過高,只會產生變形;而西部平原、花東縱谷則成為了斷層最密集、地震好發的地方。

和土耳其一樣身處地震帶的我們,除了讚嘆大自然的鬼斧神工之外,具備更健全的地震知識、學習如何與地震災害共處,並盡可能降低地震帶來的傷害,成了我們每個人的重要課題。

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PanSci_96
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