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要怎麼知道地球的內部構造?何不問問神奇地震波!——幫地球照一張 X 光(1)

震識:那些你想知道的震事_96
・2017/09/26 ・2719字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 538 ・八年級

  • 文/洪瑞駿|國立中央大學地球科學學系-地球物理研究所碩士,對地球科學充滿好奇與想像的南部仔,因為 2006 屏東雙主震搖起對地震學的熱誠,目前在地震源與構造實驗室當個快樂的研究助理,夢想是當科學家(菸)。
地球構造圖。source:wikipedia

現在只要在 google 上搜尋地球構造,立刻就有上百張地球內部構造的圖片,這些圖片描述著地球有著地殼,包覆著厚厚的地函,然後中間有顆熾熱的地核,如下圖。乍看之下,地球就像是一顆雞蛋:薄薄的外殼、蛋白地函、以及圓潤的蛋黃地核。然而,真實的地球半徑大概是 6,400 公里,即便是那「薄薄的殼」都有 10~30 公里厚。這是如何知道的呢?

source:里約奧運直播截圖

有些人會說為何不直接鑽一口井直達地心就好?眼見為憑是最直接的方式! 雖然 2016 年里約奧運閉幕影片上,安倍首相藉著哆啦A夢的道具從日本鑽井穿越地球到巴西,但以現實來說,鑽井遇到的極端壓力及超高溫度,要直達地心仍是不可能(目前最好的鑽井技術大概只能剛好穿破地殼而已)。因此,也只有仰賴非侵入式的探勘了!

又不是帶地球看醫生,怎用「非侵入式探勘」?

當我們照一張 X 光時,部分的 X 光波會穿越身體並顯影出來,然而,如果 X 光碰到骨骼等硬物時便會反射,在影像上便無法呈現而留下空白(這也就是為什麼照 X 光時,醫護人員都會提醒項鍊要拿掉,你應該不希望項鍊亂湊一腳吧?),雖然我們無法直接拿醫療用的 X 光穿透地心,但卻可以運用同樣的原理探勘地球內部。如果我們能製造出穿過地心的波動,地球構造也可以像拍 X 光一樣來得到才對,答案很接近了! 所以,我們缺乏的關鍵就是:要如何製造巨大的波動源? 最好還要傳得夠遠、能穿進地球深處。

地球的內部構造以及現今廣為接受的地球內部震波速度。圖/作者提供

 

故事要先回到 1889 年 4 月 17 日,德國天文學家瑞布爾帕西維茲(Ernst von Rebeur-Paschwitz)一如往常地走到他在波茨坦電報山(Telegraph Hill)的重力觀測站查看天文引力(因為天體造成引力的變化)留下的重力紀錄。那天,不同於往常圓滑的波動,一個短暫而劇烈震盪的訊號被記錄下,如下圖,起初他十分困惑,不知道該如何解釋這個古怪的訊號。

不久,有消息表示,日本遭受了一場大地震,時間正是它觀測到這個訊號前的幾個小時,他立刻意識到原來這是遠自日本的地震波紀錄! 這是世界上第一張遠震紀錄,地震波穿越了 1/4 個地球,搖晃了將近 9,000 公里外的儀器。至此,我們理解了地震發生時,震波其實是可以擾動整個地球的。完美的波動源找到了—地震!人體雖感受不到來自遠方的振動,但靈敏的儀器卻有辦法接受到。

最早的遠震波形。證明地震波並非僅在震央附近傳遞,而是可以抵達很遠的距離(於波茨坦重力儀量到之日本地震波,1889)。圖/作者提供

偵測細微震波的最佳利器:地震儀

前面提到,天然地震提供了強大的震源能量,最好的接收器莫過於地震儀。

世界上第一台地震儀是 1755 年由義大利人所發明; 19 世紀起,高精度的地震儀開始量產,其中包括、威赫式地震儀、米爾恩-格雷地震儀等。這些儀器被安置在世界各地(但還不普及),開始了地震的科學觀測。1906 年舊金山發生規模 7.8 的地震,在克羅埃西亞札格瑞布天文台的地震儀也劃下這場地震的波動,當時的著名地震學家莫霍洛維奇(Andrija Mohorovičić )很快就意識到,若要有更好的紀錄,必須要申請經費添購更多、精度更高的地震儀。

增設地震儀乃先見之明之舉,因為在稍後的 1909 年,札格瑞布南方 40 公里便發生強烈地震,他安置的幾部地震儀清楚記下完整的震波紀錄,根據不同位置的波動紀錄,他將地震儀相對於震央距離排開,並對齊地震發生時間作圖(走時圖,下圖,參考註1)。

如果波速完全固定、地底構造完全一致,則震波的走時曲線應該僅是單一的排列,但他發現有些震波到一定距離過後,其走時曲線出現明顯的不同(地震波傳遞速度突然加快)。由於地震站離震央越遠,震波掃過的深度就越深,他便理解到這表示在地底較深處有另一個構造,由於震波速度非常不同,它與淺部的地質材料組成應該非常不一樣(當時還未知其組成)。

這個邊界,正是區分地殼與地函(蛋殼與蛋白)的位置。後人為了紀念他的發現,便以他的名字命名,稱莫氏不連續面(或稱莫荷面),其中不連續的意思是指速度在此出現不連續,有突然加快的特徵。

莫霍洛維奇的走時圖手稿。圖/作者提供

是什麼讓地震波「加速」?

當地震發生後,震波在地球內部傳遞,一開始的波在地殼裡傳遞(以 Pg 波/Sg 波稱呼)。由於波傳遞越遠,震波掃過的深度會增加,當掃到莫荷面時,會出現反彈波以及沿著莫荷面前進的波(稱 Pn 波/Sn 波),這個波以較快的速度前進,因此在走時圖上便會看到另一條行進較快的波相(下圖)「超車」了,而藉由簡單的運算(距離÷時間)就可以算出波經過該介質的速度。

然而,在真實的自然界中,地球構造的複雜性,讓地震波更加複雜,而隨儀器逐漸精巧進步,也讓地震學家發現更多的波相,仔細再分可能地球內部還有好多不同的分層,自此往後幾年內,地球深部構造的探勘似乎成了熱門的議題。

所以接下來的另一篇文章,我們將隨著過去的科學家如何找尋深入地球核心的地震波,解釋地震學家是如何找到地球的蛋黃。敬請期待下回分曉!

左:利用模擬所得到的 Sg 波(地殼中的 波,黑線)以及 Sn 波(在莫荷面上的 波,藍線),模型設定的地殼波速為 2km/s、地函為 6km/s。模擬出的走時圖中,Sg 和 Sn 便分別為 2.1 km/s  6km/s 的速度前進。右: Sg 波與 Sn 波在地球中傳遞的方式,由於 Sn 波是以地函的速度前進,因此有可能比 Sg 快。圖/作者提供

註解

  1. 走時圖指將地震波紀錄對齊某一個時間(通常是地震發生時間),並依照震央距離排開,地震學家可以藉由分析不同震波傳遞的過程來判斷震波經過的地底構造特徵(如上圖)。

參考文獻

  • Herak, D. and M. Herak (2007) Andrija Mohorovičić (1857-1936)—On the occasion of the 150th anniversary of his birth. Seismol. Res.Lett. Vol. 78, 6.
  • Shearer, M. P. (2009) Introduction to Seismology. Second Edition, Cambridge Univ. Press. New York.
  • Zhu, L., Luis A. Rivera (2002) A note on the dynamic and static displacements from a point source in multilayered media. Geophys. J. Int. Vol. 148,3.

本文轉載自震識:那些你想知道的震事,原文為《幫地球照一張X光 (I)地震學家如何用地震波了解地球構造?》,也歡迎追蹤粉絲頁震識:那些你想知道的震事了解更多地震事。


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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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