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我們為什麼需要強震即時警報?預警系統真正的用處你知道嗎?

震識:那些你想知道的震事_96
・2017/10/10 ・3567字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 538 ・八年級

文/阿樹|震識:那些你想知道的震事副總編輯

這篇文章的發想是來自於今年(2017)四川地震後一篇文章:提前 71 秒為成都發出九寨溝地震預警,這套中國研發的預警系統真的很厲害,這些文章帶出了一些大眾對強震警達的不當相像和迷思,也藉此談談「強震警報」(以下會以「地震預警」來作為代稱)對我們的重要性和實用性。但阿樹在這先說明一下,前述的文章內容並不糟糕,也有提及實用的觀點,但或許為了更吸引讀者,在下標題時卻忽略了地震基本的科學極限,所以才特別需要澄清一下!

二種不同思維的地震預警

修改一下藥廠廣告的台詞,用在地震預警上就會是「平平是地震預警,原理不同,用途效果也不同!」過去像本站介紹過氣象局的地震預警系統,以及日本的緊急地震速報,甚至前文中國大陸使用的 ICL 地震預警系統,大致的原理都是建構在基本的地震定位與決定規模的方式,進一步的利用電腦與程試判斷等手段,盡可能縮短時效,並且以規模計算的結果評估震度,目前上述「區域型地震預警」的技術大約可以縮短在 20 秒之內。

國家級警報(PWS 簡訊截圖)。圖Toppy368 @ Wikimedia commons
另一種則是「現地型地震預警系統」,這種系統就會跳過地震定位的步驟,直接針對先收到的 P 波進行分析,而透過大量分析過去的地震波形資料特徵,便能從最初的 P 波(僅需前 3 秒的波形)分辨出地震的規模是大是小,進而估算後續震波的活動,這樣一來就可以更快得到資料,這種方式在國內包括國家地震工程中心、前些日子接受本站邀稿的吳逸民教授皆有相關的研究與衍生產品。

不過有一好就沒有兩好,現地型的系統時效快,但畢竟僅靠預先設計好的演算方式,準確度就比不上利用較多測站解算完成的區域型地震預警系統,反過來說區域型的技術由於需要花上較多的時間,最嚴重的震央區或斷層沿線一帶,可能都算是「盲區」,就算收得到區域型的預警簡訊,地震也早就過了。除非我們能把這兩種摻在一起…當然,我想得到,你想得到,科學家也想得到!目前上述所提到的開發單位都在嘗試如何把這兩種方式結合搭配運用以達到最佳效益,好在這些研究已經近在咫尺了!

說到「效益」,該怎麼評估?越多秒越好嗎?

因為地震預警是種「提前告警」的警報,習慣上或許看到 71 秒會有「這系統很厲害RRRR」的感覺,但這真的就很厲害嗎?接下來我們用簡單的數學來解析,內文有提到它是對「成都市」的預警,成都市和震央的距離關係有多遠、震度有多大呢?筆者沒有官方資料,先拿 USGS 的報告截圖來看:

震央所在以等震度線分布圖。圖/USGS 網頁。

若將上圖中震央(星星)地區與震央直接拉線,相隔大約 280 公里多,S 波的波速若以 3.5 km/s 來算會是 80 秒、以 3 km/s 則是 93 秒,如果我們取個中間值估個 87 秒好了,減去 71 秒就會是 16 秒,代表的意思就是震後約 16 秒我們就收到地震簡訊了,還記得前面提到區域型預警技術一般解算情況都會壓在 20 秒內嗎?就這次的案例而言,16 秒的時間做好解算及發布到用戶端,的確算是很好的時效,尤其是簡訊端發送的部分!

但是,如果要直接把「我們多了 71 秒可以防災」來作為結論,卻言之過早,因為上圖的成都市旁邊也顯示了當地的震度,以MMI 震度階畫分的話是震度 IV 級,對於到中央氣象局大約是 1~2 級左右的震度,這樣程度的晃動小到幾乎不會造成災害,真要考慮也僅有極精密的儀器之類的會受影響吧?

那麼到底預警可以用在多遠的範圍?

真要用科學的角度來看,實在很難給個門檻範圍,因為呢,地震大小不同,衰減的程度不同,當然我們會得到的預警時間也都不同。這樣講很難懂對吧?我們舉出一種情境,看看地表震度分布和 S 波從發震之後到達不同地方的時間關係示意圖:

情境 1:僅考慮震度衰減的效應,S 波的行進波速以 3.5 km/s 來估計。黃色為震央位置示意,實際上震度分布會因斷層破裂型態而有所變化。圖/作者繪製提供。

從上圖的情境來看,大於六級震度的地方幾乎都在預警盲區內,五震震度區或許可以仰賴現地型預警技術,而四級震度區或許可以藉由區域型地震預警得到更多的預警時間。

為什麼上圖的 S 波到達時間只畫到四級震度區?因為三級以下的震度對於多數建物並不會造成太大危害,而現在台灣收到的地震簡訊大致也是以所在地震度四級為標準。(不過,曾聽過朋友有在震度三級的情況收到簡訊,個人猜想或許是考量正負一級的誤差吧?)

至於更小的震度區呢?當然因為離的更遠,理所當然的就有更多的預警時間,只是它並不能達到真正減災的效果,大概是減少恐慌吧?

接下來,如果我們把地震規模改變一下,將上面那張不同震度區的邊緣和 S 波到時的關係表格化,做成不同規模情境時的情況如下圖:

將不同規模、地表加速度範圍與 S 波到時所繪的圖,地表加速度 25、80、250 gal 分別是 4、5、6 級震度的最低門檻值。不同顏色長條圖代表規模不同時,最遠可測得的加速度值,並用白色長條圖顯示其對應的 S 波(波速以 3.5 km/s 推估)從發震到達該位置時的時間。本圖為模擬所得之圖,不代表實際地震時的情況。圖/洪瑞峻繪製提供。

所以我們可以大略估出不同距離、震度與可預警的時間差異,可以發現當規模越大時,震災範圍將會較大,當然,需要預警的地方(震度 4 級、25 gal 以上區域)就會變大,此時再來談「得到多少預警時間」才有實質意義。預警技術所考量的地方應該是搖晃較大的地方,若是針對震度極小的地方,看起來就只是一個倒數計時展示器的概念而已。

不過,離震央較遠的地方也不一定安全

看了前面的圖表資料,或許有人會得到「遠的地方比較安全,所以也用不著預警」的結論,不過我必須說這是個迷思觀念。因為震度的分布不會等距均勻分布,還會受到斷層本身和地質的影響,我們從 921 集集地震的等震度圖,就能略窺一二:

921 集集地震的等震度分布圖,星號為震央所在,圖/中央氣象局地震百問

先看震度 6 以上的部分,可以發現圖上的震度分布是長形的,向北延伸到新竹,向南延伸到嘉義,絕大部分因素在於南北向的斷層型貌,以及斷層錯動的情況。斷層向南可延伸到南投和雲林交界,而向北則可到苗栗南端,而錯動的初始點雖在震央區,但斷層錯動量最大的地方要再更偏北方一點(見在動與不動之處,那些斷層面上的複雜事(下)--《震識》一文)。所以雖然有些 7 級的震度區離震央稍遠,但震度一樣很大、很危險。

接著看 5 級震度的地區,最明顯的就是在北部地區有一塊淺綠色,雖然搖晃不若 6 級強烈,但也足以造成一些損害,此時預警系統就可發揮用處,如下圖所呈現的概念:

情境 2:在情境 1 的基礎上,多了一塊震度因地質情況而產生放大效應的部分(橘色橢圓範圍),提前預警將對此區域發揮更好的效果!圖/作者繪製提供。

預警系統「真正的用處」

在此舉出兩例近代歷史地震案例,分別是 1986 年與 2002 年在花蓮外海發生的地震,前者震毀了當時台北縣(現新北市)中和的華陽市場,而後者則造成施工中的台北 101 大樓起重機吊臂震落的傷亡。

預警系統並不能改變震毀的市場或震落的吊臂,尤其是當時的華陽市場經改建後耐震能力已較差(這也是事後調查才知道),讓我們的建物更加堅固耐震,一直都是抗震的重要做為,與預警系統本身是不同的事,然而像是施工中的吊臂,或是當年在市場一樓的人們,若是多了十秒至二十秒的時間應對,是否能再降低傷亡人數呢?

哪怕是在搖晃之前能盡可能的避開危險,都能多爭取一些生存機會,當然,這都得建置在我們知道怎麼運用科學、科技來幫助自己。歷史無法重來,但未來可以改變,看似消極作為的各項地震研究或防震建議,實質上也是一種積極求生之道。

延伸閱讀

註解

  • 集集地震的車籠埔斷層,請見下圖中央地調所之台灣活動斷層分布圖:

 

本文轉載自震識:那些你想知道的震事,原文為《我們為什麼需要「強震即時警報」?警報時間越長就越有效嗎?》,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
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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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推開地獄之門?冰島開挖全球首座「火山岩漿井」,開啟地球科學新篇章!

安比西林_96
・2021/10/20 ・2720字 ・閱讀時間約 5 分鐘

水井、石油井和天然氣井大家都知道,但你有聽過「岩漿井」嗎?最近,冰島著手開挖全球第一座「火山岩漿井」。這似乎是一個瘋狂的主意,滾燙的岩漿可高達攝氏上千度,還可能伴隨著可怕的火山災害。不過這個前所未有的大膽計劃,不僅具備新興可再生能源的巨大潛能,更有望開啓地球科學的新篇章!

冰與火之地——冰島,100% 依靠可再生能源的國家

落在北極圈邊緣的冰島(Iceland),擁有壯闊冰川與絢麗極光,同時也是地球上火山活動最頻繁的地區之一,可謂名副其實的「冰與火的國度」。這座大約 1500 萬年前才因火山活動形成的年輕島嶼,因位在大西洋中洋脊[註1]之上,受到歐亞大陸板塊與北美洲板塊往各自方向的拉扯,而有著 32 個活躍的火山系統,且平均每 4 年就會發生噴發。

圖/wikimedia

除了令人屏息的天然極地美景,冰島更是全球綠能國家中的模範生。得天獨厚的地理條件,讓冰島超過 99% 的電力都是依靠可再生能源,其中 73% 的電力源自水力發電,另 26.8% 則來自地熱能。在可再生能源,尤其是地熱能的開發應用技術上領先世界的冰島,在地發電厰不單是觀光旅游的賣點之一,更吸引了不少國外的投資入駐,以降低企業的碳足跡。

延伸閲讀:利用地球的熱情發電吧:深層地熱發電

通往「地獄」之門,也是推開科學新研究的大門

地熱能開發技術純熟的冰島,在 2009 年的一次鑽探中,卻遇到了意想不到的變故:原本想開挖深達 4500 公尺下的熱水,沒想到卻在 2100 公尺處挖到了一個岩漿庫[註2]!這此的開挖位於冰島北部的 Krafla 火山口附近,一個較小火山口 Víti (冰島語中正是「地獄」之意)邊上。

大量的蒸汽與玻璃從鑽孔中噴湧而出,在鑽探套管報廢之前,還觀測到破紀錄的 900°C 高溫。原先的計劃被迫喊停,但科學家卻從中看到進行地科研究的大好機會。

2009 年時,原先要鑽探地熱井的冰島團隊,卻意外挖到了一口岩漿井。圖/science.org

這起事故,促成了克拉夫拉岩漿試驗臺( Krafla Magma Testbed,簡稱 KMT)研究計劃的誕生。時隔多年籌備,這個備受矚目與期待的計劃,在國際大陸科學鑽探計劃(International Continental Scientific Drilling Program)與多個科研機構的支持資助下,終於於今年展開。這一次,科學家們帶著更堅實的鑽探工具,與明確的鑽研目標,要來敲開通往「地獄」的大門。

「我們曾去過火星,也到過金星,但我們從未觀測過地表下的岩漿。」意大利國家地理物理與火山學的研究主任 Paolo Papale 如是説道。

過去火山學家一直缺乏直接觀測地底岩漿的機會,只能仰賴地震儀、GPS 感測系統和雷達衛星,來推測岩漿的運動。儘管他們可以調查噴發到地表的熔岩,但這些已固化的樣本,早已失去大部分原本所含有的氣體。這些氣體是驅動火山噴發,影響岩漿原始溫度、壓力與成分的關鍵。

自 2009 年與這口岩漿井打交道以來,科學家確認它的脾氣相當溫和,並無噴發的太大風險,加上位處偏僻無人居住之地,因此非常適合進行研究。未來若從 KMT 取得新鮮熱辣的岩漿樣本,將可用來驗證過去科學家對於岩漿的認知是否屬實。

地底下的岩漿,揭開大陸形成的秘密

地球大部分海床,都是由玄武質熔岩[註3]構成,冰島也不例外 。然而組成大陸地殼的花崗岩,卻是由另一種更粘稠、富有二氧化矽的流紋質岩漿而來,而 KMT 岩漿井底下的就是流紋質岩漿。

為什麽構成海床與大陸地殼的熔岩種類有所差異?科學家相信,探究以玄武岩為主要構成的冰島上的流紋質岩漿樣本,將揭秘這個地質科學中很基本,卻未解決的問題。

要長期監測岩漿井的溫度、氣壓、化學成分等參數,實實在在地挑戰人類科技的極限,因為靠近岩漿處的溫度可是超過攝氏一千度。鑽探團隊正測試各種能耐高溫及膨脹的器械,而科學家也在研發各種可抵抗高溫高壓的新型偵測器。

這些研究成果不僅能用於地球科學,有朝一日更可能造福太空探索,如被運用在登陸太陽系中環境最惡劣的金星上。

水手 10 號拍攝的金星,由可見光與紫外光影像疊合而成,可見其表面被一層厚厚的硫酸雲遮蓋。圖/維基百科

一口岩漿井,將成為世界重要的火山學中心

KMT 引領科技的創新,也為冰島的地熱能產業帶來突破的機會。越靠近熾熱的岩漿,利用地熱能發電的效率便會增倍,這麽一來便可減少為了滿足能源需求而開挖的地熱井數量,降低對周圍環境造成的衝擊。光是在 2009 年意外挖掘的這一口岩漿井,就具備可以供應一整個小鎮電力的潛能。

開挖岩漿井時,需要注入大量的水來冷卻與潤滑鑽頭,這個對火山系統進行擾動的過程,也提供科學家一個瞭解火山運動的絕佳觀測機會。進行鑽探後,地震波速度發生的改變,也可透露岩漿流動的範圍。透過探究這些細微的火山運動變化,科學家能更好預測火山的噴發,讓我們能建立更整全的火山預警系統。

「十年後,這裏將可能成為火山學的中心。」冰島地熱研究中心科學主管 Ottó Elíasson 這麽認為。觀察地底下流動的岩漿,就像在瞭解地球的脈動,可以告訴人類更多關於這顆星球的故事,更能帶領我們走向更多科學新的可能性。

註釋

  1. 大西洋中洋脊(Mid – Atlantic Ridge,又稱中大西洋帶),是橫跨大西洋及北冰洋、大部分地區位於海底的山脈。
  2. 岩漿庫(Magma chamber,又稱岩漿房),是地球表面下一至十公里處由熔岩和火山灰氣體形成聚集之處。由於其內的岩漿密度比周圍的母岩來得低,因此會產生使岩漿往上移動的浮力。如果出現可讓岩漿通往地表的管道,便會造成火山噴發。
  3. 玄武岩(basalt),由基性岩漿噴發凝結而成,主要成分是矽鋁酸鈉或矽鋁酸鈣,是一種細粒緻密的黑色火成岩。玄武岩質熔漿被認為源自地球的上部地函。

延伸閱讀

參考資料

  1. Forget oil or water. In Iceland, well diggers seek to tap a volcano’s magma
  2. VisitIceland – Geography of Iceland
  3. VisitIceland – Renewable energy
  4. Magma chamber
  5. Krafla Magma Testbed
  6. Rhyolite
  7. Basalt

安比西林_96
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本職為生態環境領域的可撥煙酒生。 不定時掉落科普文章。 大家一起嗑科科(❍ᴥ❍ʋ)
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