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內地核是固態還是液態?何不問問地震波!——幫地球照一張 X 光(2)

震識:那些你想知道的震事_96
・2017/09/26 ・2653字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 527 ・七年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

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)。

編按:在前篇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)一文中,提到人們開始利用地震儀探索地球內部構造,在這數十年的歲月中,又有哪些突破性的進展呢?讓我們繼~~續~~看~~下~~去!

圖/BY Apollo 17 @ wikimedia commons

「消失」的震波

如果我們將地震儀繞著地球一圈擺放,便可發現,在震央距(註 1) 某些範圍沒有 S 波訊號,僅有微弱的 P 波通過,而且震波抵達的時間比預期慢(圖ㄧ)。這便引起地震學家的注意了,畢竟如果地球內部若是均勻一致,S 波又怎麼會消失?到時(波傳到的時間)又怎麼會變慢?

對科學家而言,往往最感興趣的就是調查「不合理」的事物。1914 年,古騰堡(Beno Gutenberg)從這樣的觀測結果,推測地球內部應該有個「地核」(就如同蛋的蛋黃般)存在,使震波紀錄在地函-地核交界處出現不連續(命名為古氏不連續面,以紀念古騰堡,註 2)。從下方圖一右邊的震波走時曲線(詳見上篇介紹)可以清楚看到這個不連續的位置,筆者以紅色箭頭標示出這個異常位置,可以發現在震央距 143˚~180 ˚ 位置抵達的 P 波到時比預期晚,而且 S 波消失了,這意味著震波通過了另一個構造(事實上就是穿過了地核,當時古騰堡用 P’ 來表示)。遲到的 P 波,代表的是通過地核時「波速變慢」嗎?從觀測結果來說似乎是對的,但也不完全正確,因為介質的變化太大了,事情其實頗為複雜。

圖一、若將地震儀繞地球一圈放,在各地的震波紀錄,可以清楚看到P波及S波傳遞的情形,其中在103˚~143˚圖中灰色範圍)直達的 波和 波都消失(綠色波)。圖/作者修改自IRIS

至於「S 波消失」這件事,很明顯的外核(當時認為是地核)是種「S 波無法穿透的物質」。從震央距 103˚ 開始,P 波和 S 波就會打到地核,S 波無法穿過地核而無法被接收;此外根據物理定律,P 波也因為入射角/出射角的偏離而無法被清楚記錄。直到143˚ 出現穿越地球而過的 P 波,我們稱這段範圍為陰影帶(沒有直接傳遞的 P 和 S 波),只會有些許的繞射波(註 2)被記錄到(圖三)。根據古騰堡當時的估算,這個核的深度大概是 2,900 公里,這與現代認為的 2,889 公里,僅有些微的差距。

圖二、左:若按照過去的液態地核模型,則在 103˚~143˚會出現所謂『陰影帶』,地震波無法到達這個位置。右:萊曼發現的幾個出現在陰影帶內的反射波(紅色箭頭),暗示應該有一個介面在地球深處,把震波彈回地表(Lehmann, 1936)。

「漏看」的震波

接著,在發現地核後,一直到 1930 年代前,科學家們認為有著一層地殼、地函、和液態地核。然而,進一步的發現則要等到約30 年後的 1929 年,紐西蘭的強震說起。當另一端南半球的震波穿越地球到達歐洲,丹麥地震學家萊曼(Inge Lehmann)發現到另一種不同的波相,她推測這個這個波是從震源一路穿過地球核心而來,且震波速度又與古騰堡發現的P’不盡相同。這個波相過去被視為是繞射波,然而從頻率、震幅等幾個特性暗示它與繞射波有所不同(萊曼因此稱為 P3’)。

此外,從記錄中看到在 103˚~143˚ 這段陰影帶內,其實藏著清楚的反射波,這暗示有一個介面,把震波從地核彈回地表(圖三),然而這在古騰堡發表的走時圖中並未加以討論。萊曼試著解釋這個波相,她曾在這篇 1936 年經典的文獻中寫道:

An explanation o f the P 3 ‘ wave is required, since now it can hardly be considered probable that it is due to diffraction. A hypothesis will be here suggested which seems to hold some probability, although it cannot be proved from the data at hand. We take it . . . that inside the core there is an inner core in which the velocity is larger than the outer core.

(譯)既然了解不太可能是繞射效應造成,我們便需要解釋 P3’ 波。在此提出了一個假說,雖然現在尚缺乏有力的資料證明,但我們認為…在地球核心裡面還從在一個速度更快的內核。

萊曼大膽假設,如果這個核裡面還有一個內核的話,就可以解釋她看到的現象,她假設地函 10 km/s 每秒以及地外核 8 km/s,再放入一個速度較快的內地核(圖三)。當時她僅利用直線與三角函數來計算,卻已經可以完美解釋大部分的現象!她於 1936 年發表了內地核的看法。不過,當這樣的假設通過驗證後,萊曼並沒有近一步推算更多參數(例如確切的地內核速度、大小、組成等)。後來在 1938 年當古騰堡與芮克特重新檢驗這個模型後,基本上也同意內地核的想法。

接著經過幾年的驗證與討論後,越來越多的地震學者支持這樣的模型,1939 年傑佛瑞斯和布林提出了地球速度模型時(著名的 Jeffreys-Bullen Velocity Table),也將固態內地核列入考慮。

圖三、萊曼所提出的包含地內核的地球模型,能解釋陰影帶內(灰色區域)出現的反射波以及P3’(紅色箭頭)。修改自Lehmann, 1936。

由於儀器進步、日益廣泛運用,以及科學家們的細心觀察,加上時有大膽的假設與嚴謹求證。短短數十年的光景,人類已經逐漸「摸透」地球內部的主要構造。然而,並非所有研究發展都如此順遂。回溯到 1910 年代左右的時間點,除了地震學的發展外,還有個剛起步萌芽的假說:韋格納(Alfred Lothar Wegener)提出大陸會移動的想法。可惜當時人們無法解釋驅動大陸運動的成因,他的假說便被束之高閣,等到二次世界大戰後,海洋探勘的興起才能將這塊拼圖湊齊,加上地震學對於地球內部的掌握,進一步發展起板塊學說(Tectonics)以及地體動力學(Geodynamics),以至於現代,我們才能對地球有個初步的認識。

註解

  1. 震央距係指從震央開始為起點計算與測站的距離。由於地球很大,我們改用圓周角度來表示。因此通常將地球圓周分為360˚來表示距離(類似經度的概念)。
  2. 最早將此介面命名為「古氏不連續面」的典故雖已不得而知。一般在學術界也多以「核-函邊界」予以稱呼。考慮到此為科普文章,且台灣的地科教科書也多以古氏不連續面作為介紹,故本文還是用此稱呼來表示核函邊界(可參考龔慧貞老師在科學月刊 552 期的說明)。

參考文獻

  • Bolt, B. A. (1987) 50 years of studies on the inner core. EOS., Vol. 68, 6.
  • Bolt, B. A. & E. Hjortenberg (1994) Memorial Essay Inge Lehmann (1888-1993) Bull. Seismol. Soc. Am. Vol. 84, 1.
  • Lehmann, I. (1936) P’, Publ. Bur. Cent. Seismol. Int. Trav. Sci. Ser. A, 14, 87.
  • Lehmann, I. (1987) Seismology in the days of old. EOS., Vol. 68,3.
  • 龔慧貞,2015。談談「古氏」與「雷氏」不連續面。科學月刊 552 期。

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 (II)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。

文章難易度
震識:那些你想知道的震事_96
38 篇文章 ・ 8 位粉絲
《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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為了讓地球科學更好,快去下載吧!氣象局把所有珍貴的地震資料都放在那裡了!——臺灣地震與地球物理資料管理系統
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/08/22 ・3186字 ・閱讀時間約 6 分鐘

  • 文/陳儀珈

臺灣是全世界地震測站密度最高的地方,然後呢?

臺灣位於歐亞板塊與菲律賓海板塊交界處,古往今來,從 1935 年新竹-臺中地震、1999 年集集大地震到 2016 年的高雄美濃地震,這座島嶼挺過無數次強震的襲擊,更催化出驚人的地震測報實力與研究能量。

自日治時期設置了全臺第一座地震儀至今(2022 年),在 120 多年內,現在的臺灣已經擁有全世界地震測站密度最高的地震觀測網:共超過 700 座測站,平均不到 10 公里就有 1 座,一年平均可偵測到超過 3 萬次的地震!

新竹站的地震儀,可以 24 小時監測並記錄地動情形。圖/地球物理資料管理系統

從預算籌措、技術研發、測站建置、通訊與電力接通、儀器維護到資料處理與信號監控等,每一座地震觀測站的背後,都耗費了無數地球科學家們的心力和血汗,他們辛勤地上山、下海、鑽井、拉線,投入大量的人力、時間和資金,就是為了挖掘更多地球的秘密。

每一分、每一秒,都有可觀的訊號湧入中央氣象局的儀器,然而,人們到底要怎麼做,才可以讓這些得來不易的寶貴資料發揮最大的效益呢?

中央氣象局的做法是——將它們全、數、公、開!把臺灣地震與地球物理的觀測資料,無償開放給全世界下載使用!

2008 年初試啼聲、2020 年脫胎換骨!

自 2005 年起,中央氣象局地震測報中心開始規劃這個整合型地震相關資料的開放平台計畫,並在 2008 年 8 月正式上線,命名為「地球物理資料管理系統(GDMS)」。

舊版地球物理資料管理系統(GDMS)的網站畫面。圖/截圖自地球物理資料管理系統

可惜的是,當年 GDMS 採取「會員制」,使用者需線上申請,經過審核方可啟用帳號,也限定僅有「國內」的相關學術人員才能成為會員。

此外,隨著上線時間一長,原系統的功能及資料服務已無法滿足所有使用者的需求,例如資料並未使用國際通用格式、更新不夠即時、儀器參數不完整等等問題。

有鑑於此,中央氣象局和中研院地球所攜手合作,建置了全新一代的「臺灣地震與地球物理資料管理系統(GDMS-2020)」,取消原先僅開放國內學術人員下載的限制,轉型為向全世界開放,所有人都能在此下載地震和地球物理的觀測資料。

新版的 GDMS 也針對資料管理進行全面優化,設計了標準化的流程,讓整體資料典藏變得更穩定更即時,資料品質更有保障。新增的詮釋資料(metadata)也讓使用者得以從原始資料(raw data)分析出更真實的物理量。

走向國際化的地震資料中心!

在地球科學界中,美國 IRIS、歐盟 ORFEUS、日本 NIED 是公認的三大資料服務中心,負責提供即時、高品質的地震與地物資料。

無論是資料格式,還是系統管理,臺灣的 GDMS 也向這幾個單位看齊,藉由向全球研究人員開放地震與地球物理資料,不僅能夠促進整體地球科學的發展,也讓臺灣在地球科學界的能見度更高,展現我國在地震領域的研究和技術能量。​

現在,無論你是地球科學的學術人員,或是對地球科學研究有熱情的愛好者,只要進入這個網頁註冊帳號,就能取得即時又完整的地震與地球物理資料。​

新一代地球物理資料管理系統(GDMS-2020)的網站畫面。圖/截圖自地球物理資料管理系統

完整性、通用性:最全面、最沒有門檻的研究資料

根據中央氣象局的介紹,GDMS 提供的資料大約分為三個類型:地震資料、地球物理資料,以及儀器的詮釋資料,提供連續的觀測紀錄,擁有資料上的「完整性」。

其中,地震資料來自各式各樣的地震儀,例如短週期地震儀、強震儀、寬頻地震儀、井下地震儀所記錄的震動波形,取樣率每秒 100 點;地球物理資料包含全球導航衛星系統(GNSS)所記錄的地表變形、水位計的地下水位、磁力儀的地磁強度,取樣率每秒 1 點;​詮釋資料則記錄了​儀器管理相關的資訊,包含測站位置、營運歷史、維護紀錄、儀器響應(instrument response)等內容,讓研究人員得到地動訊號真實的物理量,在分析資料的過程中扮演關鍵性的意義。

臺灣的地震資料,全世界都可以用!​圖/報地震 – 中央氣象局

為了讓研究人員下載地震和地物資料更便利,GDMS 參考了其他國際地震中心的做法,從資料查詢、瀏覽與下載的介面,到符合國際標準的資料格式,具備資料上的「通用性」。

觀測資料的格式如下:

  • 地震波形資料:miniSEED、SAC 和文件檔格式
  • GNSS 資料:RINEX 格式
  • 地磁資料:  IAGA2002 格式
  • 地下水位: 純文字檔​

詮釋資料的格式為:

  • 地震儀:管理上採用 dataless SEED 以及 StationXML 兩種格式,使用上另提供 Poles and Zeros 檔案
  • GNSS、水位計和磁力儀:純文字、試算表或資料表等方式儲存,同時相關資訊亦全部轉入資料庫線上管理。​

即時性、國際性:幾乎即時的更新頻率,開放給全球學術界!

​標榜「即時性」的 GDMS ,更新資料的速度到底有多快?

為了讓研究人員在強震後能夠立刻進行分析,所有地震波形資料會持續開放至此時此刻的前 15 分鐘。而地球物理資料每日產製 1 個檔案,也就是說,今天可以拿到最新的資料是前一天的檔案。

規模超過 6 的地震發生後,GDMS 會自動擷取所有對應的地震波形,在一個小時內放在首頁供所有人瀏覽及下載,避免在地震過後湧入過多的索取而影響網站的服務效能。

登入新版 GDMS 後可在首頁瀏覽規模 6 以上的地震所自動擷取的地震走時波形,此例為 2022-06-20 M6.0 花蓮地區地震的 TSMIP 加速度波形,橫軸為震央距,縱軸為走時。圖/地球物理資料管理系統

此外,GDMS 也保存了從 1991 年 1 月 1 日至今的「地震目錄」。

由於地震觀測站收到的原始訊號是不停的連續波形,一般研究人員若要進行地震研究,需要耗費極大的人力和時間成本,土法煉鋼地從波形中挑出地震的波形。

地震目錄在 GDMS 網站上所呈現的樣貌。​圖/地球物理資料管理系統

GDMS 所提供的地震目錄,是由地震定位專業的夥伴們,從連續的波形中一一挑選而成,不論是在學術或災害研究上,都是非常珍貴的資料。目前系統中最新的地震目錄可提供到當下的前 1 個月,地震目錄跨越的時間超過 30 年,累積地震數超過 75 萬筆,毫無疑問是地震相關研究的一份瑰寶。

透過中研院梁文宗博士,向全球地震學界宣布新一代的 GDMS 正式啟用!​圖/截圖自 IRIS

為了讓 GDMS 在國際上更有能見度,日前中央氣象局已正式向國際數位地震觀測網聯盟(International Federation of Digital Seismograph Networks,簡稱 FDSN)申請註冊數位物件識別碼(Digital Object Identifier,簡稱 DOI),進一步強化 GDMS 的服務品質。

未來,GDMS 不會停下進化的腳步,在中央氣象局與中央研究院的合作下,除了測站數量將不斷擴大、進行儀器的汰舊換新,還預計開發一套新儀器維護與參數連動機制,確保觀測資料與詮釋資料的可靠性,並隨時關注和參考使用者的回饋與需求,進行滾動式的修正,持續擴充 GDMS 的功能。

參考資料

  1. ​中央氣象局臺灣地震與地球物理資料管理系統​
  2. Thread: Taiwan CWB Seismological and Geophysical Data is officially OPEN from the new GDMS​
  3. 地震測報中心蕭乃祺、甘志文、莊雅婷。〈建置國際化的地震資料中心〉。
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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不只地震,更肩負了火山、海嘯測報的使命!推開地震中心大門後的甘苦與祕密
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/08/15 ・5154字 ・閱讀時間約 10 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

本文由 交通部氣象局 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

經過中學地科課程的薰陶,大部分的人都知道臺灣位於環太平洋地震帶上,是菲律賓海板塊與歐亞板塊的碰撞交界處,因此地震非常、非常地頻繁。

然而,這個頻繁到底是多頻繁呢?

據統計,臺灣每年偵測到的地震平均達 3 萬多次,每天平均約發生 100 多次地震,約 2 天多出現 1 次規模 4.0 ~ 5.0 的地震,規模 5.0 至 6.0 的週期大約是 2 個星期左右,每年平均出現 3 次規模 6.0 以上的地震。

每一秒 180 天,帶你看見臺灣的地震活動頻率有多麼驚人!圖/中央氣象局臺灣地震與地球物理資料管理系統

影片說明:

每一天都有這麼多地震在這塊島嶼底下悄然發動,什麼時候又會有如 921 般的大地震突然重創臺灣?

為了更了解這塊土地和潛在的危機,中央氣象局地震測報中心(以下簡稱地震中心)一肩擔起監測臺灣地震的重任,不斷提升地震測報的效能,努力降低未來可能的地震災害。

1989 年 7 月 1 日,中央氣象局將原有之地球物理科,升格為地震測報中心。圖/中央氣象局

33 年內,進化了 5 次的「強地動觀測」計畫

自日本政府在臺北測候所設置了臺灣史上第一座地震儀至今,已經有 125 年的歷史了。這麼多年來,臺灣的地震儀和地震觀測網,有了哪些翻天覆地的變化呢?

1897 年 12 月 19 日,臺北測候所設置了全臺第一座地震儀:​格雷.米爾恩式(Gray Milne)地震儀,開啟了臺灣地震觀測科學化的偉大時代。圖/中央氣象局臺灣地區地震儀沿革網

國民政府接手臺灣後,改由中央氣象局負責臺灣的地球科學相關測報業務,並在 1989 年成立了「地震測報中心」,擴大編制,走上地震觀測現代化之路。

自成立至今,地震中心投入了巨大的資源和心力在「加強地震測報建立地震觀測網計畫」和「強地動觀測」的長程計畫中,其中強地動觀測每 6 年一期,致力於建置地震觀測資料的蒐集與應用,目前已完成共 5 期的計畫。

經過地震中心 33 年來的努力,從都會區到山區、從陸地到海上、從地表到井下、從 16 位元到 24 位元,地震測站的儀器越來越好,也漸漸拓展至臺灣各個地方。

截至 2022 年 7 月為止,包含中央氣象局地震觀測網(CWBSN)和臺灣強地動觀測網(TSMIP)在內,全臺已經建置了超過 700 個地震測站,是全世界測站密度最高的地震觀測網,平均不到 10 公里就有 1 個地震站!

小小的臺灣、全世界密度最高的地震站!圖/中央氣象局臺灣地震與地球物理資料管理系統-測站介紹

蒐集了震波資料,然後呢?

除了監測地震活動之外,這些測站蒐集到的強震資料,不僅可以成為學術研究的養分,讓地震學家更了解這塊土地下的構造和祕密,在民生防災上,更有著極為關鍵的貢獻!

「地震」,是臺灣人自出生以來就與之共存,甚至習以為常的自然災害。不過,地震到底有多可怕?

對於成年人們來說,傷痛與恐懼可能會被逐漸淡忘,而對於那些沒有經歷過 921 集集大地震、1999 年以後出生的孩子們,更是毫無具體的想像和實際感受。

臺灣史上傷亡最慘重的1935年新竹-臺中(關刀山附近)地震,帶走了約 3000 人的生命;2018 年 2 月的花蓮地震,震毀了 4 棟大樓;日本 311 大地震和海嘯,奪去了 1.5 萬條生魂;震撼半個亞洲的中國汶川大地震,有將近 7 萬人罹難,受災人口高達 4600 萬多人。

1935年新竹-臺中地震不僅震毀了魚藤坪橋(後改名為龍騰斷橋),也是臺灣目前史上傷亡最慘重的地震。圖/報地震 – 中央氣象局 FB 粉專

因此,對於地震中心來說,如何「應用」這些地震資料,發展出更先進的預警系統,協助制定建築物耐震設計規範,以及配合其他政府單位規劃救災計畫,更是中心業務的一大重點。

30 秒→10秒→5秒!越來越強大的強震即時警報

「建置強震速報系統」是強地動觀測第 2 期計畫的主要目標,致力於提升地震測報的計算能力、縮短向其他單位通報的時間。

在 921 地震期間,雖然當時的地震速報系統只是雛形,卻成功在地震後 102 秒對外發布地震報告,這樣的速度,備受國際重視與肯定。

到了第 3 期計畫,「強震即時警報系統」已經可以在 30 秒內自動推估出初步的地震規模與震央位置,搶在破壞性地震波(S波、表面波)抵達前,將地震的訊息傳達給防災、救災相關單位。

除了大家最熟悉的、會讓手機響起震耳欲聾警報聲的災防告警系統(PWS)外,地震中心也和各防救災單位、公共設施、各級學校以及電視臺合作,一旦強震即時警報偵測到符合條件的地震,就會馬上傳遞地震消息,讓各單位進行緊急應變。

時至 2020 年 4 月,隨著地震觀測網的擴大和更新,以及不斷進步的通訊技術,地震中心已經可以在地震後約 10 秒內發出地震預警訊息,為國人爭取更多避難的黃金時間。

下一步,地震中心將投入前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,除了持續擴建井下地震觀測網、發客製化地震預警系統作業模組之外,也預計在 4 年內,讓都會區可以在 7 秒內收到地震預警。

在更久遠的未來,地震中心期許可以順利的應用 AI 技術,建置新一代的地震預警作業系統,進一步將發布時間縮短到 5 秒以內!

地震前兆:有辦法抓住強震前的蛛絲馬跡,然後「預測」嗎?

由於地震是在板塊彼此的作用之下,岩層不斷累積應變能量後斷裂錯動而成,不斷累積能量的同時,地底的岩石有可能會產生許多微小的裂隙和變形,並間接影響其他環境參數,改變地下水位、地球磁場、大地電場的數據。

以 921 大地震為例,在車籠埔斷層附近,地球科學家就曾經觀察到地下水水位出現了「同震」的變化!

地球科學家推測,有可能是當地的岩層受到應力的影響後,產生了許多微小的裂隙,因此改變了岩層的孔隙率、滲透率,進而產生地下水位的變化。

如果每一次大地震之前,地球科學家都可以掌握到這些細微的現象,就有可能發展出成熟的地震前兆研究和技術,甚至走上「地震預測」之路。

因此,地震中心除了建置地震站的觀測網之外,也大力推動地震前兆的研究,自 921 大地震後開始設置「臺灣地球物理觀測網」(TGNS):

圖說:地球物理測站的外觀。圖/中央氣象局地震測報中心提供
  • 「全球導航衛星系統」(GNSS)可以進行大地測量,建立臺灣大地變形的資料庫,藉此監測斷層、火山活動,以及地層下陷或滑動等現象。
  • 「地下水」測站能夠連續記錄大氣壓力、雨量與地下水位的相關性。
  • 「地球磁場」測站用以監測地球磁場擾動的現象。
  • 「大地電場」測站可以蒐集大地電場的觀測資料,並推估與大地震之間的關係。
地球物理觀測網分布圖,包含了 163 個 GNSS、6個地下水位、12個地球磁場以及 20 個大地電場觀測站。圖/中央氣象局臺灣地震與地球物理資料管理系統

可惜的是,雖然地球物理的資料和分析已經逐漸制度化,但在地震前兆的研究上,成功案例仍然遠遠不足!

不僅是臺灣在地震前兆上遭受挫折,其他國家在這個領域的研究也長路漫漫。地球科學家還沒有辦法歸納出地震前的行為並取得共識,更別說是地震預測這個更遙遠的夢想了。

幸好,現有的難關無法阻擋地球科學家的好奇心,中央氣象局地震中心也持續投注心力在地震前兆研究中,期許未來有破解祕密的一天!

起死回生的火山、仍然未知的海嘯威脅,地震中心也緊盯不放!

根據噴發紀錄和火山地震波等證據,在中央研究院林正洪研究員的努力下,中研院於 2016 年提出大屯火山群岩漿庫存在的證據,同時也在龜山島附近發現同樣的現象。

隨著地球科學家不斷提出新的證據,經濟部中央地質調查所蒐集相關的研究成果後,在 2019 年 9 月 24 日召開了「火山活動專家諮詢會議」。在各方學者的討論下,讓大屯火山群「起死回生」,將原本公認是死火山的大屯火山群和龜山島,重新被認定為「活火山」。

面對這個反轉,全臺如臨大敵,畢竟人口眾多的天母、北投與士林就在大屯火山群的山腳下,不但核電廠鄰近,總統府和 101 大樓也都距離它不到 20 公里!

大屯火山監測網分布圖,以及核電廠、總統府和臺北 101 等重要地標之相對位置(黑色三角形為地表的地震站,紅色三角形為井下地震站,YM01 到 YM12 測站由大屯火山觀測站維護)。圖/中央氣象局地震測報中心三十周年專刊

我們對這些火山的了解和掌控,又到了哪一步呢?

藉由氣體、溫度、地表變形和地震波等資料,地球科學家可以判斷出大屯火山是否瀕臨爆發的狀態,而早在 2011 年,內政部與國家科學及技術委員會成立大屯火山觀測站 (TVO),並整合中央地質調查所、中央氣象局、中央研究院及國內各大學分析研究成果,建立多項火山監測系統及平台,同步監測大屯火山活動並進行研究。

除了來自大屯火山觀測站的 10 個地震站之外,也包含氣象局設置在北部的地震站,藉此協助研究人員獲得幾乎即時的火山地震資訊。

大屯火山地區的即時地動訊號,紅色矩形為地震訊號。圖/中央氣象局地震測報中心三十周年專刊

當前我國政府已在 2018 年5 月 25 日正式將火山災害列管於「災害防救法」,隔年中央氣象局也制定了火山活動等級與預警發布機制,後於 2020 年 9 月 14 日公布「火山噴發訊息發布作業要點」,一旦大屯火山有任何不對勁,就會立即啟動火山預警發布機制!

氣象局將「火山活動等級」分為 3 級,適情況召開火山專家諮詢小組會議和發布通報。圖/交通部中央氣象局火山噴發訊息發布作業要點

除了來自大屯火山的威脅外,地震中心也負責海嘯的監測和警報發布,並在短短的幾分鐘內,就能解算出海嘯的抵達時間、預估浪高。

倘若太平洋海嘯警報中心(PTWC)預估海嘯可能在 3 小時內到達臺灣,或是臺灣近海發生規模 7 以上、震源深度小於 35 公里的地震時,地震中心即會發布海嘯警報,籲請沿岸居民因應海嘯侵襲。

臺灣的地震防災教育,地震中心也當仁不讓!

除了地震、火山和海嘯測報等核心業務之外,地震中心也致力於地震和防災教育,提供無數科普資源,讓社會大眾學習和運用。

在網路上,有中央氣象局建置的「中央氣象局數位科普網」、回答你關於地震大大小小疑惑的「地震百問」、地震中心官方 Facebook 粉絲專頁「報地震-中央氣象局」等等,各式各樣的線上科普內容。

在實體場域,中央氣象局也設置了幾個展示空間:中央氣象局本部、臺灣南區氣象中心、田中氣象站、竹子湖氣象站-火山監測教育展示室等地(目前因疫情暫停開放),讓有興趣的民眾或學校機關,都可以實際前往觀摩,親眼見證地球科學家和氣象局人員的工作場域和聆聽解說。

畢竟,若想達成真正意義上的「防災」,單單只是完善測報工作、防災工程與避難措施並不足夠。更重要的是,必須讓所有臺灣人都有正確的防災觀念,才能有效提升整體社會的抗災能力。

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運用高中物理,你也能做出美國設計的AS-1 地震儀
震識:那些你想知道的震事_96
・2019/03/21 ・2117字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 592 ・九年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!
  • 文/林欽仁 (中央研究院地球科學研究所 研究助技師)

地震儀是地震學家了解地震波傳遞過程所仰賴的工具,而地震儀的發明也帶動了地震科學的發展。

為推廣地震科學教育,讓大眾了解地震儀器的原理,美國地震學研究聯合會 (Incorporated Research Institutions for Seismology, IRIS) 提出 AS-1 地震儀的機構設計,並撰寫地震資料軟體 Amaseis,期許大眾透過 DIY 實作了解地震儀器的運作,筆者的工作環境再加上身為 TEC 的一員,認為此地震儀相當符合教育推廣的需求,遂與同仁打造出中央研究院地球科學研究所版本的 AS-1,提供給高中及大學作為地科課程的教材。

質量塊、彈簧,再加點阻尼,於是地震儀就誕生了

首先來談談「如何觀測地震」,如果要測量地震造成的震動,我們需要一個作為相對於地面的參考點觀測,最理想的方式便是從空中來觀測地面的起伏變化。然而實務上此想法不容易達成,於是科學家想到另一個方法:利用質量塊、彈簧阻尼製作出地震儀,這也是組成地震儀的三要素。

這裡直接以 AS-1 地震儀的結構設計為例,詳述地震儀的運作原理。

地震儀利用彈簧拉起質量塊(也就是圖中的磁鐵),當地面震動的頻率大於彈簧頻率時,透過彈簧所懸吊的磁鐵會近似於靜止不動,這是利用牛頓運動定律中的「慣性」。因此地面的震動,也就是圖中的線圈,便與磁鐵有了相對運動,如此一來線圈的兩端產生了與地面震動速度成正比的電壓,運用的便是法拉第感應電壓原理

到此為止地震儀已經有了觀測地面震動的能力,但其系統響應[註1]並非理想,因為當地面以低於或接近於彈簧頻率來震動時,懸掛於彈簧上的磁鐵便也跟著地面晃動,在缺乏阻尼(可想像成是如摩擦力的阻力)的作用下,彈簧本身將產生自然振盪,也就是當地震的搖晃減小時,彈簧仍不住的搖晃,而這些非地震本身的運動,仍會反映於磁鐵線圈所產生的電壓變化,其紀錄的振幅甚至大於實際地面的震動訊號,影響了我們對地表震動的觀測。儘管彈簧造成的振動訊號可以透過儀器響應修正的方式來移除,卻也對分析地震資料的人來說造成不必要的困擾,為了克服此問題,地震儀需要加入阻尼的機制[註2]。

中央研究院地球科學研究所AS-1地震儀。圖/臺灣地震科學中心提供

有點晃又不能太晃,合適的阻尼如何設計?

AS-1 阻尼系統是由銅片及磁鐵組成,銅是良好的導電材料,但銅本身卻不會被磁鐵直接吸引。因此當銅片進、出磁鐵的磁場時,磁通量的變化會在銅片上產生感應電流,感應電流產生感應磁場,與磁鐵的磁場相互作用下可減緩銅片的運動速度,也就增加了地震儀的阻尼,這便是應用冷次定律來實現阻尼的結構。

地震儀在質量塊(磁鐵)、彈簧及阻尼三個元件的協調作用下,可達成觀測地面震動的工作。其實地震儀的運作原理與我們平常搭乘車子的懸吊系統類似,避震器之彈簧的功能在於避免路面的坑洞產生的不適,而避震器之阻尼在於減緩彈簧的自然振動,避免過多的振動影響汽車的操縱性。

其實地震儀的運作原理與車子的避震器有些相似。圖/pixabay

目前的 AS-1 地震儀僅能觀測地面垂直向的運動,水平向的觀測需仰賴不同的懸吊設計,但原理大致接近。此外,由於磁鐵質量塊的擺動為圓周運動,當擺動較大時其擺角將不可視為與地面垂直運動維持線性關係(d=l*sin(θ)≠l*θ; d為磁鐵圓周運動位移軌跡,l為旋轉半徑,θ為擺角),此時地震儀的系統方程式將會略加複雜。

為了解決這些問題,現代化的地震儀使用迴授控制技術[註3],控制質量塊之位置使其與地面震動無相對位移,此時控制的力量即與地面震動加速度成正比,此方式可以增加地震儀的頻寬,卻不增加其體積(譬如不需更大的質量塊),又可保持地震動觀測之線性度[註4],此技術已成為現代地震儀之基石。

設置於地球所大廳之AS-1地震儀所觀測之2017.11.11南投地震

最後,筆者希望透過組裝及運用 AS-1 地震儀的經驗,讓更多有興趣的人瞭解地震觀測儀器的原理,進而成立討論社群。期許 AS-1 地震儀的推廣教育,也能對地震的防救災有所貢獻!

備註

  • [註1]:簡單來說,系統響應是指地震儀器相對於真實地震情況的感應和記錄的能力,包括地震波的振幅與相位與頻率的關係。
  • [註2]:在沒有阻尼的機制下,便無法阻止地震後彈簧和質量塊多餘的晃動,這些紀錄便干擾了地震波紀錄。
  • [註3]:迴授控制:相對於 AS-1 地震儀其磁鐵與彈簧懸吊可自由運動我們稱其為開迴路系統 (open-loop system),另外一種地震儀的設計透過感測器來監控磁鐵與線圈的相對位移,並提供額外電流於線圈,所產生的電磁場可以改變磁鐵的位置,最終目的在於讓磁鐵與線圈無相對位移,稱為閉迴路系統 (close-loop system),而此控制技術稱為迴授控制。
  • [註4]:數學上來說線性關係為輸入與輸出可用一階線性方程式來描述,簡單來說為地震儀觀測之輸入(地動)與輸出(電壓)維持常數倍率之關係。

本文轉載自震識:那些你想知道的震事,原文為《地震儀自己動手作:AS-1地震儀介紹》,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。

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。