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！
「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。
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。
「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。
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
- 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）。
- 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。
Lin Tg
