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第一條海底電纜|科學史上的今天:11/13

張瑞棋_96
・2015/11/13 ・860字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 534 ・七年級

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1839年,惠斯登(Charles Wheatstone)和庫克(William F. Cooke)在英國建造了世界上第一條商用電報線路;約莫同時,美國的摩斯(Samuel Morse)也和維爾(Alfred Vail)發表其電報系統。自此以後,歐洲與美國各地紛紛沿著現成的鐵路,在城市與城市間架起線路。陸上的電報網迅速成形,但海洋卻是一大阻礙。

北大西洋海底電纜計劃圖。圖片來源:distantwriting

約過了十年,「盎格魯-法國電報公司」(Anglo-French Telegraph Company)總算在1850年8月拉了一條電線橫越英吉利海峽。不過這不算是第一條海底電纜,因為他們想得太天真了,竟然只用一般的漆包線,完全沒有外殼保護,因此沒幾天就損壞了。1851年11月13日,世界第一條海底電纜才終於鋪設完成,穿越英吉利海峽將英國與法國連接起來。兩年後更多海纜從英國拉往愛爾蘭、比利時與荷蘭。

橫越大西洋的洲際海底電纜則困難許多。1858年的第一條海纜也是不到一個月就毀損,直到1866年才克服技術問題,成功鋪設連接倫敦與紐約的電纜。至於台灣的第一條海底電纜,是劉銘傳以「孤懸海外,往來文報,屢阻風濤」為由,奏請清廷鋪設獲准,而於1887年鋪設了淡水至福州的海底電纜,這也成了中國第一條海底電纜。

電報內容力求簡短,因此不過是兩條銅線的電纜已足以應付,但要拿來講電話卻不適合,因為一人佔線,其他人就不能用了。第一條電話專用的洲際海底電纜直到1956年才完工,連接蘇格蘭與加拿大,可同時容納36通電話。自1980年代實用的光纖發明以後,海底光纜逐漸取代海底電纜,提供更大的國際頻寬,也才有如今網際網路的普及。

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海底電纜從最初的發送電報之用,只能傳送文字;到讓地球兩端的人可以講國際電話;再進化到現在,各種型態的資訊內容經由海底光纜串起世界各個角落,每個階段都發揮了大幅縮短世界距離的功能。如今海底光纜已經是全球網路不可或缺的重要骨幹,默默的隱藏在大海底下,繼續盡責的撐起這個網路時代。

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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臺灣會發生海嘯嗎?東部海域的地震「烽火台」海纜觀測系統
科學月刊_96
・2019/09/25 ・4045字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 548 ・八年級

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  • 林祖慰/中央氣象局地震測報中心。

海嘯,是一種具有強大破壞力的海浪。當地震發生於海底,因震波動力而引起海水劇烈起伏,形成強大波浪向前推進,進而將淹沒沿海地帶。因著海底及海岸地形的不同,所引發的海嘯也有所不同,所以,檢視地形、地理位置與海底觀測,便成防範海嘯一重要課題。

臺灣地處菲律賓海板塊與歐亞大陸板塊碰撞擠壓交界區域,地震活動頻繁且常造成社會大眾生命財產的威脅,其中芮氏規模 6 以上的中大規模地震,有將近 70%分布於東部海域(下圖)。

臺灣地區1900~2018年芮氏規模6以上地震分布圖。source:作者提供

東部海域的地震不僅威脅臺灣的安全,過去也曾發生數起宜蘭、花蓮雖未致災,卻在臺北盆地發生傷亡災情的地震事件,例如 1986 年 11 月 15 日芮氏規模 6.8 的地震,造成當時臺北縣中和市華陽市場坍塌、2002 年 3 月 31 日芮氏規模 6.8 的地震,造成當時正在興建中的台北101(TAIPEI 101)大樓頂樓大型塔式起重機吊臂斷裂砸落等案例。

臺灣會發生海嘯嗎?

此外,地震伴隨著海嘯的發生,2004 年南亞大海嘯與 2011 年東日本大地震海嘯均造成嚴重傷亡與財產損失。而臺灣所在的環太平洋「火環帶(Ring of fire)」,是全球 90% 地震的發生地,過去也有文獻記載,臺灣及附近區域疑似因大規模地震或海底山崩引發海嘯衝擊,例如 1867 年臺灣北部基隆地區海嘯災害、1771 年鄰近的日本石垣島發生 85 公尺高海嘯災害,都顯示臺灣近海地區有災害性海嘯發生的可能性。

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海嘯具有不容忽視的衝擊力。source:pixabay

因此,科技部也曾針對臺灣鄰近地區的海溝型大地震引發海嘯侵襲的可能情境進行模擬分析,顯示臺灣西南方馬尼拉海溝(Manila Trench)、太平洋中的亞普海溝與花蓮外海(琉球海溝)是引發高海嘯災害潛勢的可能地震源。因此,如何防範東部海域大規模地震與可能的海嘯威脅,成為臺灣所需面臨的重要課題。

海上沒有地震測站

地震海嘯防災工作的最重要基石是地震速報系統,而速報作業的主要關鍵包括測站分布、即時傳輸與維運管理。在 2011 年之前,交通部中央氣象局地震觀測網的測站均設置在本島與離島陸地範圍,對於發生於周圍海域的地震,偵測能力與計算精度都受到限制。

如果能在臺灣東部海域設置地震海嘯海纜觀測系統,就能將海域地震納入臺灣地震網觀測範圍之內,既彌補陸上地震測站的不足,也能有效改善海域和近岸的地震定位問題。如此一來,也能強化氣象局地震觀測網強震即時警報系統的正確性和可信度,提供更準確的即時防救災資訊。

地震海嘯海纜觀測系統能提供更準確的即時防救災資訊。source:pixabay

以同樣處於環太平洋地震帶的日本為例,日本的東部與南部海域也面臨地震海嘯的威脅,為此日本政府耗費鉅資建造「地球號」鑽井船,於日本南海海槽(Naikai Trough)作深部地殼鑽探,研究板塊聚合帶巨大地震的孕震機制。

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同時,日本於周圍海域也建立 10 餘條海纜系統,裝置數十座地震與海嘯觀測站,嚴密監測海域的地震活動。2011 年 3 月 11 日芮氏規模 9.1 東日本大地震發生後,更投入超過日圓 230 億日圓,於日本東部海域建置全長超過 5600 公里的海纜觀測系統,並設置 150 座以上的地震海嘯觀測站。

海底的地震警報烽火台

在政府預算經費的支持下,氣象局於 2007 年起開始進行東部海纜觀測系統的設置,將地震海嘯監測的衛哨由陸域向外拓展到東部海域。這個海纜觀測系統就像是古代示警的烽火,在偵測到地震、海嘯時能迅速將資訊傳進地震偵測網。每個即時觀測站就是一座烽火台,由一個能抵抗海水壓力的長條型圓柱桶構成,內部封裝著各式偵測儀器,包含加速度型地震儀、速度型地震儀、傾斜儀、海嘯壓力計與水下聽音計等儀器。

這些儀器就像烽火台上拿著火把的衛兵,一看情況不對就點燃烽火台,將警告訊息傳遞出去。而一個個圓柱桶會被橫放於海床上,並透過光纖海底電纜纜線進行電力供應與觀測資料傳輸。由於海纜系統資料傳輸速度近乎即時,結合氣象局既有陸上地震監測網測站進行海陸聯合觀測,面對臺灣東部海域中大型災害地震與海嘯的威脅,預期將可縮短強震即時警報系統的偵測時間,也能提高預警的效益。

氣象局東部海纜觀測系統即時觀測站外觀圖。觀測站外觀為橫放的長條形耐水壓外殼圓柱桶,長度約2.26公尺,透過海底纜線供電與傳輸資料,配置觀測儀器包括加速度型地震儀、速度型地震儀、傾斜儀、海嘯壓力計與水下聽音計。source:作者提供

氣象局於 2011 年 11 月完成第 1 期海纜系統,由宜蘭頭城陸上站往東南外海舖設 45 公里海纜,尾端設置 1 座即時觀測站。又在 2017 年 10 月完成第 2 期海纜系統擴建,將海纜長度延長 70 公里,總長 115 公里,並增設 2 座即時觀測站,將監測範圍擴展至和平海盆與南澳海盆鄰近區域。

氣象局目前正在辦理第 3 期海纜系統的建置作業,規劃由第 2 期海纜系統尾端,向東南方穿過耶雅瑪海脊至加瓜海脊西側,再往西穿過呂宋島弧,轉向南邊繞經恆春半島外海至屏東枋山登陸,第 3 期計畫預計增建海纜 580 公里及新增 6 座即時觀測站,規劃於 2020 年底完成。

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氣象局東部海纜觀測系統路線圖。底圖為科技部自然司海洋學門資料庫的臺灣周圍海域海底地形圖,圖中實心綠線為2011年完成的第1期海纜路線,實心黃線為2017年完成的第2期海纜路線,紅色虛線為正在執行的第3期海纜預定延長路線。海纜最終在屏東枋山陸上站登陸,連同原有宜蘭頭城陸上站形成雙邊登陸的完整地震觀測網;黃色圓點為現有3座即時地震海嘯觀測站位置,紅色圓點為第3期規劃設置6座觀測站位置。source:作者提供

海纜系統怎麼維護?

過去所架設的海底電纜,最大的困境是遭外力破壞損毀。舉例來說,在海底坡度較陡之處,可能會因地震或颱風等因素而發生海底山崩。2006 年 12 月 26 日芮氏規模 6.7 的恆春地震,就曾造成臺灣南方多條國際電信電纜斷裂,而嚴重影響亞洲網路傳輸。除此之外,因漁業活動致電纜損壞而中斷網路傳輸的例子,也時有所聞。

海底電纜經層層保護,以降低自然因素或人為外力造成斷纜的風險。source:wikimedia

針對上述情況,海底電纜本身可考量鋪設沿線的地質狀況,選擇不同類型鎧甲防護纜線,以降低自然因素或人為外力造成斷纜的風險。自然環境條件可藉由海底地形與地質調查分析、鑽井岩心採樣與洋流觀測資料,協助判斷最適宜的鋪設路線。

海纜觀測系統主要有嵌入式(in-line)與節點式(Node)兩種架構系統,嵌入式是將纜線與內含觀測儀器的即時觀測站採一體成型方式製作,其優點是體型相對較小且可掩埋,較不易受外力損毀,缺點是個別觀測站儀器不能擴充;節點式系統則透過纜線連接節點,再由節點連接觀測儀器設備,其優點是可以自由擴充與更新儀器設備,但缺點為即時觀測站體稍大且因設置於海床上而較易受外力損毀。

因此,在第 2 期海纜系統擴建時,便選用嵌入式的即時觀測站型態,同時也盡可能將站體設置於較深水域,分別為945、1114 與 2732 公尺,且系統沿線水深淺於 600 公尺的海纜需掩埋 1.5 公尺,以降低天然與人為破壞。

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本鯊才沒這麼無聊,要怪去怪海底山崩。source:pixabay

除了前述提到的即時觀測站及電纜纜線,海纜觀測系統中還有一個位於陸地的陸上監控站。其所扮演的角色是海纜傳輸訊號「登陸」的機電與通訊控制端。在海纜觀測系統出現故障時,首先會透過陸上監控站來嘗試排除故障,當狀況無法解除,就只有海上作業一途。如果要維修水下的線路與站體,就需要利用特殊船隻與儀器協助,例如透過無人水下載具(remotely operated vehicle, ROV)進行攝影巡視,查看海纜觀測系統的情況,排除可能威脅,降低海纜故障風險。

而海纜與漁業活動如何和平共存,還需要更多的溝通與互信體諒。第 1、2 期海纜系統建置完成後,氣象局均彙整海纜路由點位資訊,請海軍大氣海洋局協助進行長期航船布告。而第 3 期海纜系統擴建,也在作業開始前拜會相關漁會進行說明,並請漁會協助向漁民宣導,以降低施工風險。

作業期間,於每航次亦將事先備妥舖設作業區域圖、作業期程、作業船舶及人員名冊等資訊,請內政部、行政院農業委員會漁業署和相關漁會等機關單位協助宣導與溝通;另備妥舖設作業區域圖請海軍大氣海洋局協助發布航船布告,提醒航行作業船隻注意避讓。以上作為,皆是為了盡可能減少對漁業活動影響的措施。

氣象局海纜觀測系統已納入實際地震海嘯監測作業,2017 年 10 月 18 日至 2018 年 10 月 17 日這1年間,就在宜花海域監測 73 個芮氏規模 3 以上的地震事件。如果把海纜系統的監測結果納入強震即時警報自動定位的案例進行分析,發現這 3 座海底即時觀測站平均可提升地震定位準確度約 8.59%,相當於水平與深度綜合定位誤差由 12.45 降低至 11.38 公里。另外,也能增加預警時效約 7.9%,相當於預警報告產製時間由 20.52 秒降低至 18.90 秒。由於氣象局在發布強震即時警報或海嘯警報時,皆須依據震央位置與地震規模推估各地的S波到時與預估震度大小,因此提升震源參數的準確性後,可以增加警報的可靠性。

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地震海嘯海纜觀測系統持續建置中

臺灣四周環海,不僅地震與海嘯的防災作業非常重要,其他海域資源有關民生經濟的發展,亦需仰賴前瞻性的探勘研究與水下技術,因此需要海洋領域人才的培育與經費的投入。以海纜觀測系統建置為例,相關專業知識與技術門檻實屬困難,目前臺灣水下技術尚在起步發展階段,專業人才仍屬不足,短期內須仰賴國外專業廠商協助,所幸已有國家級海洋研究機構與部分民間業者投入人力物資開發研究,期待將來能累積更多實務經驗,厚植海洋科技發展。而氣象局仍將持續推動與建置地震海嘯海纜觀測系統,結合強震即時警報系統,發揮地震測報與災防預警效能。


 

本文摘自《科學月刊 09 月號/2019 第 597 期:正視震知識》科學月刊社出版

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夏普誕辰|科學史上的今天:12/25
張瑞棋_96
・2015/12/25 ・970字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 494 ・六年級

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如果你來到十九世紀初的巴黎郊外,很有可能看到有如宮崎駿電影中機械時代的奇景:原野上一幢孤立的建築物上豎起高高的柱子,頂端一根4.5米長的橫樑,橫樑兩端各有一支2米長的懸臂。突然兩支懸臂動了起來,各自慢慢轉到特定角度後才停下來。隨後十公里外一座類似的高塔立即模仿它的動作,接著更遠的一座也如法泡製,如此一路下去。像是站崗的機械巨人平舉手臂,用擺動小臂來傳遞訊息。

夏普所發明的「電報」-傳訊塔。圖/wikipedia

沒錯,這正是法國發明家夏普發明的傳訊塔,在電報還沒發明之前,就能迅速將訊息傳送到遠方,是史上第一個實現遠距傳訊的通訊系統。事實上,電報 (telegraph) 這個字就是他此時所創,代表遠距 (tele) 書寫 (graph) 之意。

夏普。圖/wikimedia

雖然自古即有狼煙,但狼煙只能傳達幾個事先約定好的暗號,效用相當有限。傳訊塔的懸臂可以像時鐘指針那樣旋轉,夏普平均劃分成八種角度,各相隔45度。因其中一個角度會被橫樑遮住,所以每個懸臂有七種角度,再加上橫樑本身可以左上右下或右上左下,所以一共有98種不同組合(7 x 7 x 2)。你可能會覺得奇怪:字母加上數字也不沒這麼多個啊?這是因為當時傳訊塔只有軍事用途,總不能讓每個人都能輕易看出軍事情報的內容吧!因此夏普賦予它們不同代碼,再對照代碼表查閱所代表的意義。

1791年3月2日,夏普兄弟在政府官員面前成功用傳訊塔傳遞了一則訊息。此時被法國大革命趕下台的皇室得到鄰國出兵支持,國會為了打贏戰爭,指派夏普趕緊建造。於是夏普自1792年夏天開始建造,先從羅浮宮到里爾 (Lille),二百公里的距離布署了15座塔。雖然第二年法軍即打敗普奧聯軍(當然是由傳訊塔率先傳回勝利的消息),政府仍繼續擴建通訊網路,最後建了556個站,總長度達四千八百公里。歐洲各國也紛紛仿效。

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不過夏普沒能看到這樣的榮景,他在1805年就投井自殺,據說是因為被指抄襲軍隊原來就有的旗語而想不開。他發明的傳訊塔也沒存活太久,到了一八四○年代電報興起後,就完全被取代而荒廢了。

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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史上首度測量電流速度 │ 科學史上的今天:06/19
張瑞棋_96
・2015/06/19 ・1058字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 539 ・八年級

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十九世紀初,倫敦一家樂器行走出來一位十幾歲的學徒,他握著剛領到的工資,興奮地又來到附近的舊書攤買書。這一次他的目光被一本描述伏打(Alessandro Volta)所作電學實驗的書給吸引住,但他身上的錢不夠,而且這是本法文書,他還得再買本辭典才能看得懂。他還是下定決心將手中的錢給老闆當訂金,並在之後攢夠錢時將書與辭典買回家。

研讀之後,他找了哥哥一起打造書中所述的伏打電池,但只剩零錢不夠買所需的銅片。他靈光一閃,根本不用買,就拿手上的便士銅板取代就行啦!這就是惠斯登(Charles Wheatstone, 1802-1875),從小就努力追求新知,並展露發明的天份。

1834 年的今天,就在他受聘至倫敦國王學院講授實驗物理沒多久後,惠斯登發表論文,這是史上首度有人想出測量電流速度的方法,距離萊頓瓶發明已八十八年,伏打堆問世也已三十四年。這麼久的時間,沒有人知道電流的速度,因為它實在太快了!

惠斯登將八百公尺長的電線從中切開,一端接上萊頓瓶(奇怪為什麼不是用伏打堆?莫非惠斯登仍拮据到買不起銅片?),再用快速旋轉的鏡子觀測跳過電線缺口的火花相較於電線兩端的火花有多少延遲,而估算出電流的速度。雖然他得出的數值比真正的電流速度快了 50%,但在方法學上卻是正確無誤的。他所發明的旋轉鏡後來也成為物理學家測量光速所用的關鍵工具。

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惠斯登繼續在電磁學上做出貢獻。1837 年,他和庫克(William F. Cooke)共同發明電報,不但成為最早的發明者之一,並且在兩年後沿著鐵路建造了世界上第一條商用電報線路。1843 年,他改良別人的設計而發明的「惠斯登電橋」(Wheatstone bridge)至今仍被廣泛用來測量電阻。他還是最先在發電機中用電磁鐵取代永久磁鐵,而成為能產生大電流的工業用發電機的發明人之一。

惠斯登的發明與發現橫跨不同領域。除了在自己的老本行上發明六角形手風琴、研究聲波,他還是全世界最先發明 3D 圖片顯示裝置的人──他讓左右兩眼同時各自觀看 45度角的反射鏡,而產生立體效果。他發現不同的金屬放電時產生的火花,透過稜鏡會呈現各自特有的光譜,為光譜學開啟了先河。他還發明一種矩陣加密法(Playfair cipher),廣被軍隊採用,直到第二次世界大戰初期仍被部分英軍使用。

憑藉著熱情與努力,惠斯登從一個樂器行的學徒成為英國皇家學會的一員,如願成為科學家與發明家,可說是事在人為的最佳例證。

 

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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