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地震觀測者的工作是什麼?--《震識》

震識:那些你想知道的震事_96
・2017/10/31 ・2282字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 542 ・八年級

文/張建興|前中央氣象局地震測報中心簡任技正

筆者過去在氣象局從事地震測報的工作。某日在地震宣導走廊遇到兩位氣象預報的同仁,她們正在爭論剛才是否發生地震,遂就近找了路過的我當裁判,我指了指走廊邊的震波類比記錄器,短暫解釋約在三分多鐘前於宜蘭近海處有發生地震,從紀錄可判斷該地震規模小,可能地表強震儀都只測量到 0 級的震度,因而未發佈有感地震報告,但當時在較高樓層辦公的她們其中一人,確實感覺到這起地震。

處理了這場爭議後,頗有日行一善的欣慰。事後想想,在以前還沒有發明地震儀能記錄地震波的年代,如果發生了此類爭端要如何解決?筊杯嗎?找許多人來投票嗎?再想想,雖然我長年生活在多震的環境,還好臺灣現在設置了許多的地震儀進行科學觀測,對於震動較敏感的我不用憂慮是否身體有異,還蠻幸福的。

關於地震儀的歷史與科學

中央氣象局地震測報中心外的震波類比紀錄器,潘昌志攝影。

Technology always comes from human nature. 如果地球上沒有板塊運動、不會發生地震的話,我猜人類發明地震儀捕捉地震波的動機與構想可能會延後(也許在核武發展之後)吧?當然,這樣一來我們對地球內部的了解程度可能遠比現在少多了。在小學時的教課書中讀到,西元 132 年張衡創製了人類第一部地震儀(註 1),雖然該部儀器未能記錄地震波動,概具有判知於遠域發生顯著地震的功能,但仍為全球地震科研者推崇,論述人類地震科學發展時多有著墨。十九世紀的幾位學者們運用牛頓定律,結合重錘慣性與擺的週期運動的原理,研製了最初的機械式地震儀,在地震發生大地萬物皆處振動當下,成功地記錄了觀測點的地震波動資料。

隨著觀測資料增長,地震學者於未有觀測紀錄之前發展的彈性波動理論(註 2)逐步獲得實證,從早期的定性觀察邁入定量研究,健全了地震學的研究根基。二十世紀人類科技日新月異,在基礎原理之上,機械式地震儀進化成電磁式地震儀,使用方式越加便利、資料紀錄品質更加精良。回顧地震儀的發展,這項工具乃地震科學發展史上的重要角色。

近代地震觀測儀器仍持續推陳出新,除廣泛佈置於陸地地表、深入地下,並拓展至海域,功能也益加強化,搭配數位通訊即時傳輸,匯集一定數量網絡型式的地震觀測站資料,接收後經由人工智慧軟體處理,可快速進行地震定位、規模計算、震度量測與訊息發報。有些地震儀的設計更是新潮,直接將智慧軟體植入為配件,在地震時鳴放警報音效,甚可操控穩固電梯與升降機等機具。人類文明自古對地震就多有描述,從揣測、觀測、監測到今日可預測震度即時發佈警報,最主要的環節端在研究地震波所獲得的知識幻化運用。

「解析地震波」所帶動的地震學發展

在地球的自然界中,地震波可謂最複雜的波動之一,由於天然地震的震源絕大多數以雙力偶(double couple)模式產生彈性波動(註 3),釋放的能量在體波(包括 Primary 與 Secondary waves)特殊的輻射形式(radiation pattern)下,經過非常多樣的地下介質乘載傳遞,到達地表後又產生表面波(包括 Love 與 Rayleigh waves)持續擴散,其內涵(頻率、速度、方向性等變化)可能超乎我們經常接觸到的光波、聲波與水波。地震波動紀錄除了是證實發生地震的最佳科學資料,同時也帶出許多我們無法親眼目睹的地下形貌與地質資訊。

地震能量從震源發出經傳遞路徑與場址為儀器蒐錄,地震學者分析波動紀錄,從中求取震源破裂的幾何形態、路徑上的衰減效應以及觀測位置的場址反應,讓地震研究內容十分豐富多元(註 4)。地震科學研究增進了我們對地體構造的了解,於具有震災潛在威脅區域,更能實質進行事先防範災害的相關作為,以我們所處的環境臺灣為例,非常能夠親身體驗地震科研與防震科技的發展。

臺灣發生地震的頻率還蠻高的,感受地震是臺灣人共有的生活經驗,若造成嚴重災情也會留下長久的記憶。早在十九世紀末,臺灣就設置了地震儀開始科學觀測,百來年的觀測歷史,過程中有學習、有創新,地震防災事務也在經驗中淬鍊成長,我們從921地震可以看到臺灣在事件前的各項努力,包括有建築抗震法規設計、活動斷層調查成果、建置地震訊息迅速發佈系統以及救災動員規劃(註 5)。不可諱言的,921 顯著的地震災情可能掩蓋了許多事前的努力,但我們還是必須在地震相關科學研究與防災事務持續加強,以因應此類必然再現的地震事件。

註解

  1. 根據文獻記載,張衡的「候風地動儀」嚴格來說僅是「測震儀」,因為其不具紀錄效果。
  2. 米契爾(John Michell)在 18 世紀中就提出地震是彈性波的想法,而到 1820 年代帕松(Simeon Poisson)和柯西(Augustin-Louis Cauchy)以數學的方式推導出彈性波的方程式,這些研究都遠早於機械式地震儀問世(1890 年之後,也驗證了彈性波的理論)。
  3. 天然地震若以斷層錯動型態發生時,會依錯動方向而形成不同形式(壓縮或伸張)的波動,其空間上相對應的關係如下圖所示。

    震源(focus, F)發生錯動瞬間造成波動的質點運動示意。圖取自維基百科 Focal mechanism 條目,圖片作者與來源:Mikenorton-Own work, CC BY-SA 3.0。
  4.  前述內容如震源破裂幾何、衰減效應、場址反應等研究題材,皆為來自地震資料的解析結果,這些均屬地震科學的「基礎研究」範疇。
  5. 在 1999 年之前,臺灣因過去國內的數次震災與其它國家的借鏡下(如 1995 日本阪神地震),已開始啟動多項與防災作為有關的科學研究。雖然地震災情嚴重,但許多觀測和研究也藉由九二一地震有更長足的發展,如當時剛起步的強震警報與強震儀的設置等等(詳見本站「臺灣發展地震預警的過往雲煙」一文)。

本文轉載自震識:那些你想知道的震事,原文為《地震觀測紀實:一個地震觀測工作者的故事》,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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喜歡探索浪漫的事物; 比如宇宙、生命、文字, 還有你。(嘿嘿 _ 每天都過著甜甜的小日子♡(*’ー’*)