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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

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。


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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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