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跨年夜的捷運改變了地球磁場?那真是比萬磁王還要狂啊!

阿樹_96
・2017/11/07 ・2860字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 489 ・五年級

source:新聞畫面截圖。

又看到了讓人白眼翻過後腦到後背的蘋果「獨家」新聞報導【獨家】300萬人瘋跨年倒數 讓研究團隊發現北捷影響地磁場雖然早就見怪不怪了,但就是忍不住要抱怨一下。別再說什麼認真就輸了、去看相關報導底下網民對研究的酸言酸語或是錯誤理解(譬如說研究很無聊、北捷會害大屯火山爆發嗎?為什麼北捷會影響全球磁場…等等),就知道這不認真不行啊!

先說一件最重要的事:

並不是研究有問題,是新聞的論述有問題!
並不是研究有問題,是下標的方式太奇怪!
並不是研究有問題,是腦補的報導太過頭!

更不用說後來的自由時報蝦米?北捷竟能造成地球磁場異常UDN創全球之先重大發現 跨年夜北捷載量大改變地球磁場》以及其它各式各樣的延伸報導(這裡的民視新聞的影音內還有小動畫。)

source:民視新聞截圖《什麼! 北捷竟造成地球磁場異常》

這些報導至少都犯了二個錯誤,其中第一個大問題都出現在標題,讓我們看一下幾個標題:

  • 300萬人瘋跨年倒數 讓研究團隊發現北捷影響地磁場
  • 蝦米?北捷竟能造成地球磁場異常
  • 創全球之先重大發現 跨年夜北捷載量大改變地球磁場

地球磁場可以被人為改變嗎?不行!這也是最根本的錯誤,因為目前依「 自激磁學說」(Self-excitingdynamo)所認知的地磁場成因,是受外地核的液態金屬運動產生,地表的擾動對其影響太小。而地球磁場的量測所量到的資料僅僅就是「總磁場強度」,詳細方法請見此連結,因此眾多報導犯的很大一個錯誤,便是「地球磁場」和「量測地球磁場」的差異傻傻分不清楚。

而這之間的差異究竟在哪呢?磁力儀量測地球磁場的時候,不僅僅會量到地球本身的磁場,還會量到各式各樣的訊號,包括太陽輻射、太陽磁爆、地層中的金屬礦物、地震或火山的前兆(目前還不能百分百確定,這也是此研究布設儀器的研究目的),以及這篇報導提到的其他人為來源

除了地面以外,海上、空中(如圖用直升機)也能作磁力觀測。圖片來源:wikimedia

為量測只會知道總結值,無法知道是各別的來源貢獻,科學上最直接的方法就是用多台儀器、多地設置的方式,用各種交叉比對的方式來推估,所以這篇報導的研究,就拿了台北的幾個測站和花蓮的測站相比,試圖找出原因。

我們現在知道「捷運」可能會影響這個量測值所以會覺得很容易,但問題是正在進行研究的時候是不會先知道這是個影響因素,加上國外在之前也沒有前例指出捷運系統導致會影響量測值,因此「跨年的加班營運」就成了最重要的關鍵。這個「額外」的營運等於幫研究作了實驗,成了在沒有延駛的狀態在這樣的情況下成為對照組。

所以回過頭來,我們只能說研究能告訴我們的是:捷運造成的磁場變化影響地磁場觀測結果

如果嫌這個標題不吸引人、不會有人看,不然起碼也把地球磁場後加上「觀測」二字,這樣起碼不會錯這麼大。畢竟「影響地磁場」是一個極為強烈的因果句,很容易誤會成它影響了地球本身磁場這件事,但它其實只是影響了觀測結果而已!

當然啦,用嚴苛的角度來看,把跨年人多跟影響地磁場串連在一起的方向仍然是有點問題的。因為造成磁場變化的原因其實跟人多、載運量大一點關係都沒有,不然人人都萬磁王了好嗎?實際上問題是聚焦在車子運行時的電流影響,所以車班多、營運時間才是關鍵。

圖片來源:Pat Loika@flickr

至於這樣的研究最大的貢獻在哪,阿樹覺得絕對不僅止於是上述舉出的報導中所強調的「捷運產生雜散電流」、「磁場對人體影響」諸如此類的問題。可以先想一下,我們每天坐捷運多久?離軌道多近?以及最重要的「2萬 nT 的磁場強度是多大?」話說,文中寫的2萬nT=0.02mT,其實電冰箱的 5mT 比這個值多了250倍,要擔心電車不如先擔心電冰箱吧?真要擔心的話,恐怕也不能待在地球上了,因為背景地球磁場也是介於2萬5~6萬多nT 的哦!

但是,不提捷運電流和磁場對人影響,這研究對「一般人」有什麼相關呢?其實我們只要問一個簡單的問題就好:「為什麼要觀測這個」

多數報導文中其實都有提到,這幾台磁力儀是用來「監測大屯火山活動」而已設立的,前面也提到了觀測值中有balabala的一堆,所以實際上我們把「火山和地震的前兆當成觀測目的」,其它所有的值都是要濾除的雜訊,要濾除就要先弄懂所有雜訊的來源;而捷運行駛影響是影響觀測的因素之一,是因為目前在國際上還沒有太多人將其定義出來。

而且監測大屯火山本來也就是件對民生十分重要的事(延伸閱讀:大屯火山是有岩漿庫的活火山,我們該擔心嗎?),弄清楚如何更能濾除非地震的訊號,不也是很重要的成果貢獻嗎?實際上地震或是火山活動的許多監測方式,都是在找「異常事件」,但異常事件還得要排除各種可能,才能聚焦在地震或火山的因素上。所以要找這種前兆是辛苦的工作,並不是加減乘除就可以解決的!科學家的五年功,全都在這邊,一瞬間的報導若是偏了,也就弱化了他們的貢獻。

如果被我一講後,你覺得這個似乎研究跑到了遙不可及的象牙塔中,不妨一想:

或許你會發現,跨年倒數的時光,可能貢獻了你最在乎的情感交流;但你不一定會知道,當天末班延駛捷運,正在放出科學家最在意的微小電流。

謹以這有點超展開的結尾來提醒大家,在新聞報導上看到驚世研究時,請多想幾秒鐘、世界可以很不一樣(誤)。大眾多數希望研究成果可以很簡單的告訴我們結論,但通常的科學觀測和研究上有意義的結論,都會比想像中的複雜一點,所以阿樹才立志於轉譯這些事情並分享啊!

圖片來源:Subscriptshoe9@wikimedia

最後附上研究文獻的全文連結:《Artificial magnetic disturbance from the mass rapid transit system in Taiwan

本文授權轉載自阿樹的地球故事書,原文《跨個年就能改變地磁場?那真的比萬磁王還要狂!》經編修後刊登。

延伸閱讀:

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阿樹_96
73 篇文章 ・ 19 位粉絲
地球科學的科普專門家,白天在需要低調的單位上班,地球人如果有需要科普時時會跑到《震識:那些你想知道的震事》擔任副總編輯撰寫地震科普與故事,並同時在《地球故事書》、《泛科學》、《國語日報》等專欄分享地科大小事。著有親子天下出版《地震100問》。

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鑑識故事系列:卡西酮類毒品,在跨年之後⋯⋯
胡中行_96
・2022/12/26 ・2115字 ・閱讀時間約 4 分鐘

歐洲難得暖冬,[1]卻無減她心中寒意。短效及長效的止痛劑嗎啡(morphine)、抗精神病藥物氟哌啶醇(haloperidol),還有抗憂鬱劑阿米曲替林(amitriptyline)等藥品,[註]全在屋裡唾手可得。2014 年,憂鬱、酗酒,自殺未遂。到了跨年夜,情緒仍深陷泥沼。29 歲的波蘭女子與伴侶爭執後,憤而離家。2015 元旦凌晨 00:30,她渾身酒氣歸來,坐下,從口袋取出一包白粉。食用 2 茶匙,然後起身去泡澡。[2]

不久,浴室傳來呼救聲。[2]

葉門男子咀嚼巧茶葉片。圖/Ferdinand Reus on Wikimedia Commons(CC BY-SA 2.0)

卡西酮類毒品

東非與阿拉伯半島東北,有咀嚼巧茶(khat,學名Catha edulis)葉片的傳統文化。巧茶中的生物鹼卡西酮(cathinone),因其化學結構的雷同,被視為「天然安非他命」。人工合成的醫療用卡西酮類藥物,在 20 世紀初問世;但直到 2000 年前後,成為娛樂性用藥,才廣受關注。相關產品以白色或有色粉末的形式流通,調和多種卡西酮類成份與其他物質,好比咖啡因(caffeine),以及麻醉劑利多卡因(lidocaine或lignocaine)和苯唑卡因(benzocaine)等。[3]

這些商品被冠上「浴鹽」(bath salts)、「喵喵」(Meow Meow)、「植物營養劑」(plant nutrients)、「研究用化學品」(research chemicals)、「水蛭剋星」(conquerors of leeches)、「行車平安符」(driver’s charms)、「細沙添加物」(additives to sand)和「洗屁噴頭」(bidet refreshers,見下方影片及配圖)等光怪陸離的外文名號,[3, 4]臺灣也使用最前面兩個的中文翻譯。[5]

「bidet refresher」或許原指 01:43 那個「Hygiene Refresher – Personal Bidet」之類的東西。影/DormCoVideo on YouTube
歐洲廁所裡,長得像無蓋馬桶,用來盥洗的「bidet」。圖/amanda kelso on Flickr(CC BY-ND 2.0)

人工合成的卡西酮類毒品,能輕易穿過血腦屏障(blood-brain barrier),影響中樞神經系統。依照它們抑制多巴胺(dopamine)、正腎上腺素(noradrenaline)和血清素(serotonin)再吸收;還有釋放這些化合物的能力,可分為三大類:[3]

  1. 古柯鹼 MDMA 混合卡西酮(cocaine-MDMA-mixed cathinone):顧名思義其作用機制,與古柯鹼以及MDMA相似,包括mephedrone(俗稱「喵喵」[5])、methylone、ethylone、butylone和naphyrone。[3]
  2. 類甲基安非他命卡西酮(methamphetamine-like cathinones):猶如甲基安非他命的卡西酮類毒品,像是methcathinone、flephedrone與 clephedrone。[3]
  3. 焦二異丁基酮-卡西酮(pyrovalerone-cathinones):神似焦二異丁基酮的類型,例如:MDPV(俗稱「浴鹽」[5])和 MDPBP。[3]

卡西酮類毒品的效果,因使用者的年紀、性別、健康狀況、用藥習慣以及物質濫用情形而異。不過,大致上都會令人開放外向,極致欣快,並且自信、性慾與同理心暴增。同時,其副作用的效力有過之,而無不及:頭疼、暈眩、盜汗、嘔吐、失憶、恐慌、幻覺、憂鬱、自殺念頭,還有貧血、心跳過速、心律不整、血壓升高、低血鈉症、體溫過高、肌肉顫抖,以及橫紋肌溶解等。[3]

2015 年波蘭的新年裝置「我⏰華沙」。圖/Thomas Quine on Flickr(CC BY 2.0)

元旦凌晨的急救

倚仗血液中巨量的酒精加持,卡西酮類毒品於波蘭女子的體內恣意發揮。其伴侶聽聞呼救聲,衝進浴室。女子抱怨感覺不到雙腿,無法行走;然後只見她一陣抽搐,便失去意識,倒地。求援電話趕緊撥通,心肺復甦術也執行了。警察與救護人員先後抵達,依序接手急救。凌晨 02:40,醫師仍宣告女子不治死亡。[2]

事後法醫驗屍,發現波蘭女子的腦、肺都水腫,多重內臟鬱血,並判定其死因為急性呼吸窘迫(acute respiratory distress)。她的腦、肝、腎、血液,以及眼球裡的液體,含有相當高濃度的卡西酮類毒品;與警方在現場搜到的那包白粉,主成份相符。[2]

  

延伸閱讀

鑑識故事系列:芬蘭浴「桑拿」與毒品的致命極樂

備註

西藥一般有學名和商品名,前者是標準化的稱呼,後者則看各廠商如何命名。比方說,警方在案發現場搜到的嗎啡,學名為「morphine」,商品名「Sevredol TM」。未照原個案報告兩者混雜,本文統一採用學名。

參考資料

  1. Annual 2014 Global Climate Report’. (JAN 2015) U.S. National Centers for Environmental Information.
  2. Majchrzak M, Celiński R, Kowalska T, et al. (2018) ‘Fatal case of poisoning with a new cathinone derivative: α-propylaminopentiophenone (N-PP)’. Forensic Toxicology, 36, 525–533.
  3. Majchrzak M, Celiński R, Kuś P, et al. (2018) ‘The newest cathinone derivatives as designer drugs: an analytical and toxicological review’. Forensic Toxicology, 36, 33–50.
  4.  ‘Mephedrone’. (12 OCT 2020) Drug Info. State Library of NSW, Australia.
  5. 濫用藥物尿液檢驗中心」台灣尖端先進生技醫藥股份有限公司(Accessed on 13 DEC 2022)
胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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「捷」出的一拆,搭捷運也能這樣省?!|2021 數感盃|高中專題|優選
數感實驗室_96
・2021/12/25 ・4357字 ・閱讀時間約 9 分鐘

  • 作者:陳曦、蘇禹安 / 台北市立大同高級中學

數感盃青少年寫作競賽」提供國中、高中職學生在培養數學素養後,一個絕佳的發揮舞台。本競賽鼓勵學生跨領域學習,運用數學知識,培養及展現邏輯思考與文字撰寫的能力,盼提升臺灣青少年科普寫作的風氣以及對數學的興趣。
本文為 2021 數感盃青少年寫作競賽/高中組專題報導類佳作之作品,為盡量完整呈現學生之作品樣貌,本文除首圖及標點符號、錯字之外並未進行其他大幅度編修。

圖/Subscriptshoe9, CC BY-SA 4.0

上高中後,搭乘捷運成為日常生活的一部分,某月初進站時發現悠遊卡多了一百多元, 剛開始以為自己記錯卡片的餘額。但到了下個月初又多了一筆錢,所以去加值卡機查詢儲值紀錄,發現原來是捷運卡的回饋金。 

查了台北捷運公司官網資料,現金回饋比例是由上個月累計搭乘次數根據下圖(圖一)的對應方式決定,而回饋金為累積搭乘金額再乘上現金回饋比例,在每個月初會回饋到捷運乘客的悠遊卡。

(圖一)捷運回饋金規則。圖/台北捷運官網

某個月的月底,放學搭捷運回家,進站時我發現這個月恰好乘坐捷運 50 次,差一次就可以在下個月拿到 30% 的現金回饋比例,於是我在途中先出站,再進站搭乘捷運。果不其然,下個月的回饋金就是上個月搭乘金額的三成。 

因此我好奇,如果不考慮進出站與等車的時間成本,單純以花費考量,

把單趟車程分段搭乘來累加搭乘次數,以此獲得更多的現金回饋比例,如此一來我是否能省下搭乘的花費?

哪些分段方式可以省下通車費用、哪些則不行呢?於是,我們開始了以下研究。

捷運地圖如下圖(圖二),事實上可以分段搭乘的路線不勝枚舉,我們無法一條一條去計算比較哪些路線分段搭乘比較划算。關於如何分段搭乘比較省錢,我們會從「(問題一)拆成幾段搭乘?」、「(問題二)每月搭乘幾次?」、「(問題三)乘坐多少里程數?」等三方面去討論,再利用所學的不等式運算,找出分段搭乘比較省錢的方法,以此判斷哪些路線可以分段搭乘。 

首先,我們先探討分段搭乘的票價至少會貴出多少錢? 

(圖二)台北捷運路線圖。圖/台北捷運官網
台北捷運系統票價表。圖/台北捷運官網

上圖(圖三)是台北捷運公司官網公告的捷運車票計價方式,是根據起/終點的行車距離計算票價,我們將乘車距離對應的票價整理在下表(表一)。 

若今天我們出門需乘坐 24 公里的車程,則票價為 55 元,如果分成兩段 12 公里乘坐的話,票價就變成 35+35=70 元,所以分段搭乘貴了15 元。然而,也可以拆成 5+19 公里來乘坐,則此費用變為 20+45=65 元,僅貴了 10 元。 

所以,各個階段的票價,會因為分段搭乘的方式不同而有不同的費用。事實上,我們經過各種拆法的嘗試,在 55 元的票價之下,拆兩段的總票價至少會多出 10 元。上表(表一)是我們整理出來各個票價之下,分拆成兩段與三段搭乘時,要多支付的最小差價以及其分段乘坐的方法。從此表我們可以得出:

  1. 分成兩段搭乘的話,票價至少要多花 10 元。  
  2. 分成三段搭乘的話,票價至少要多花 20 元。

接下來,將比較分兩段/三段搭乘的現金回饋比例與單趟搭乘的現金回饋比例之間的差異。 

根據捷運公司公佈的搭乘次數回饋金比例資料(圖一),我們整理出單趟搭乘與分段搭乘的比較表格,如下表所示:(表二)為拆三段搭乘的比較;(表三)為兩段搭乘的比較。

由下表二、三可知,當每月搭乘次數為 17~20 次時,分拆成三段搭乘與單趟搭乘的現金回饋比例差距最多,高達 20%;而當每月搭乘次數為 26~30 次時,分拆成兩段搭乘與單趟搭乘的現金回饋比例差距最多,最多到 15%。 

根據(表二)的結果,我們先討論第一個問題:「在搭捷運時,拆成幾段搭乘可以節省車費?」 

假設我們這個月份以 A 票價搭乘 X 次,所累計的現金回饋比例為 α%,則我們可以算出本月的回饋金為 αAX 元,扣除回饋金,本月實際花費為未分段搭乘的花費 = (1 − α)AX 元 

若將 X 次的搭乘,每次都分拆成三段來乘坐,每段票價分別為 B、C、D 元,則累計搭乘次數增加為 3X 次,所累計的回饋金比例為 β%,因此本月的回饋金為 β(B + C + D) 元,而且本月實際花費即為分三段搭乘的花費 = (1 − β)(B + C + D)X 元

我們把「未分段搭乘的花費」減去「分三段搭的花費」即是分三段搭乘可省下的錢,然後再除以搭乘次數 X 得:(1 − α)A − (1 − β)(B + C + D) 元,即是「平均每一趟乘搭乘可以省下的花費」。

因為拆三段搭乘票價會至少貴 20 元,即 B + C + D ≥ 20 + A,因此 

(1−α)A − (1−β)(B+C+D) ≤ (1−α)A − (1−β)(20+A) = A(β − α) − 20 + 20β

因為票費 A 最多 65 元,回饋金的差 (β-α) 最多為 20%,拆三段的回饋金比例 β 最多為 30%, 所以分三段搭乘平均每趟可省下的錢不會超過下式: 

(1 − α)A − (1 − β)(B + C + D) ≤ 65 × 0.2 − 20 + 20 × 0.3 = −1 < 0

可發現分三段省下的金額是負數,即是不管如何拆三段搭乘都不划算。而拆四段以上搭乘的話,每趟會增加更多票價,所以會更加不划算。因此,我們得到第一個小結論, 

結論一:「若分成三段以上搭乘,則總花費一定比不分段搭乘的花費更多。」  

因為拆三段以上搭乘一定不划算之下,我們考慮是否可以拆兩段乘搭。如同前段的分析, 將 X 次的搭乘,每次都分拆成兩段來搭乘,每段的票價分別為 B、C 元,則累計搭乘次數增加為 2X 次,所累計的回饋金比例為 β%,因此本月的回饋金為 β(B + C) 元,而且本月實際花費即為分兩段搭乘的花費 = (1 − β)(B + C)X 元 

把「未分段的花費」減去「分兩段的花費」後再除以搭乘次數 X 可得,分兩段乘坐之下, 平均每一趟乘搭乘可以省下的花費為 (1 − α)A − (1 − β)(B + C) 元 

我們先考慮,如果分兩段搭乘的票價會比原來多 15 元以上的情況,即是B + C ≥ 15 + A,則上式可以整理成:

(1 − α)A − (1 − β)(B + C) ≤ (1 − α)A − (1 − β)(15 + A) ≤ A(β − α) − 15 + 15β

同理,因為票價 A ≤ 65 元,回饋金的差 (β-α) ≤ 15%,拆兩段的回饋金比例 β≤30%,所以,如果拆兩段的票價貴 15 元以上的話,兩段搭乘平均每趟可省下的錢不會超過下式:

(1 − α)A − (1 − β)(B + C) ≤ 65 × 0.15 − 15 + 15 × 0.3 = −0.75 < 0 

因此,在此情況下,分兩段搭乘也不會划算。所以,我們的第二個小結論:

結論二:「若分兩段搭乘的票價比原本貴 15 元以上,則分段搭乘一定不划算。」 

我們的第二個問題:「若分段搭乘,每個月要乘坐幾次才能節省車費?」 

根據(表一)所示,拆兩段搭乘票價至少貴 10 元,由上述結論可知,若分段搭乘能夠省下交通費用的路線,則必須選擇拆兩段的票價只貴 10 元的路線,即是 B + C = 10 + A。因此,平均每一趟乘搭乘可以省下的花費,可以改寫成 

(1 − α)A − (1 − β)(B + C) = (1 − α)A − (1 − β)(10 + A) = A(β − α) − 10 + 10β

因為票價A ≤ 65元,回饋金的差 (β-α) ≤15%,若回饋金的差 (β-α) 在 10% 以內的話,則拆兩段搭乘平均每趟可省下的錢不會超過下式: 

A(β − α) − 10 + 10β ≤ 65 × 0.1 − 10 + 10 × 0.3 = −0.5 < 0 

因此如(表三)所示,每月乘坐太少或太多次都讓回饋金的差 (β-α) ≤10%,則拆兩段搭乘不會省下車票花費。唯有在回饋金的差 (β-α) 在最高的 15% 時,也就是每月乘坐次數在 26 次到 30 次之間,拆兩段搭乘的方式才能節省費用。所以,我們的第三個小結論:

結論三:「若拆兩段搭乘的花費能比較少,則每月乘坐次數需介於 26 到 30 次之間。」 

最後,我們要討論:「至少乘坐多遠的距離,拆兩段搭乘才能節省費用?」 

因為每個月乘坐次數是介於 26 次到 30 次之間,所以單趟搭乘的現金回饋比例為 15%(α=0.15);而拆成兩段搭乘的次數增加為 52 次到 60 次之間,所以回饋比例為 30%(β=0.3)。 由(結論二)可知,拆兩段的路線必須是只能比單趟搭乘多 10 元票價 (B + C = 10 + A),因此平均每一趟乘搭乘可以省下的花費可以表示如下: 

(1 − α)A − (1 − β)(B + C)元 = 0.15A − 7 元 

如果分段搭乘的方式可以省下費用,則上式要大於零, 

0.15A − 7 > 0 → A > 46.6666 … 

因此,若拆兩段搭乘能省下費用,則單趟乘坐的票價A要超過 46 元,即是票價 A 為 50、55、 60、65 元。所以,若從里程數來看,我們的第四個小結論: 

結論四:「搭乘超過 20 公里的路線,拆成兩段乘坐,才能省下費用。」  

因此「什麼路線可以分段搭乘呢?」總結上述討論的四個小結論如下:

  1. 若分成三段以上搭乘,則總花費一定比不分段搭乘的花費更多。
  2. 若分成兩段搭乘的票價比原本貴 15 元以上,則分段搭乘一定不划算。
  3. 若拆成兩段搭乘的花費能比原花費少,則每月乘坐次數須介於 26-30 次之間。
  4. 搭乘超過 20 公里的路線,拆成兩段乘坐,才能省下費用。

當每個月搭乘次數為 26 到 30 次時,我們歸納出下面此種路線,拆成兩段乘坐可以省下費用: 

「該路線票價大於或等於 50 元,並且拆兩段總票價只會多 10 元。」

因此,我們考慮每個月乘坐 30 次,即可算出不同票之下,分段搭乘最多可以省下多少錢,見下表(表四)。所以,在不考慮時間成本下,我們推論出,分段搭乘的方法最多能省下 82.5 元。雖然省下的金額不多,但是推論的過程中,我們發現到有些路線分段搭乘確實比較划算。

最後,根據我們的研究所找到路線選擇的條件,整理出下表這些符合條件的路線以及分段方式,並分成兩種方式呈現。(表五)為淡水信義線範圍內之路線、(表六)是以淡水為目的站之路線,由於數量龐大未能全部列出。不過,下次乘坐捷運時,如果起終點符合上述的條件,不妨試試拆兩段乘坐看看,或許可以幫你在下月獲得更多的回饋金。 

資料來源

  1. 票價查詢:台北大眾捷運股份有限公司-票價查詢 
  2. 票價查詢:工具邦-台北捷運路線圖 
  3. 回饋金資料:台北大眾捷運股份有限公司-常客優惠方案 
  4. 捷運路網圖:台北大眾捷運股份有限公司-路網圖 
數感實驗室_96
60 篇文章 ・ 39 位粉絲
數感實驗室的宗旨是讓社會大眾「看見數學」。 數感實驗室於 2016 年 4 月成立 Facebook 粉絲頁,迄今超過 44,000 位粉絲追蹤。每天發布一則數學文章,內容包括介紹數學新知、生活中的數學應用、或是數學和文學、藝術等跨領域結合的議題。 詳見網站:http://numeracy.club/ 粉絲專頁:https://www.facebook.com/pg/numeracylab/

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利用震波幫大屯火山拍「X光照」!找出埋在地下 8 公里的「岩漿牛奶罐」
研之有物│中央研究院_96
・2021/11/22 ・6289字 ・閱讀時間約 13 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文│陳儀珈
  • 美術設計│林洵安

解析大屯火山群的岩漿庫

天哪!原來我家旁邊住了一座活火山?位於臺灣北部的大屯火山群,近年已被地球科學家推斷為活火山,繁華的天母、北投與士林就在它的山腳,距離臺北 101 大樓甚至只有 15 公里。為了評估災害風險,發現活火山還不夠,我們還必須深入了解岩漿庫。「研之有物」專訪中央研究院地球科學研究所黃信樺副研究員,看他如何將地震波當作 X 光,解析大屯火山群的岩漿庫構造。

用震波,幫大屯山拍一張「X 光」照片吧!

自中央研究院於 2016 年證實大屯火山群為活火山以來,科學家不斷試圖了解更多大屯山岩漿庫的資訊,以評估大屯火山群對大臺北地區的災害風險。

今年,中研院地球所黃信樺副研究員利用震波資料,進一步找出宛若圓柱牛奶罐、位於地下 8 公里的岩漿庫,其直徑約 8 公里、高度約 12 公里,論文已於 2021 年 3 月初發表於《科學報告》(Scientific Reports)。

這個藏在地底下 8 公里的岩漿牛奶罐,是怎麼被黃信樺找出來的?

蛋糕只要一刀切開,就可以把內餡看得一清二楚;然而礙於技術和成本,面對腳下的土地,我們不能像切蛋糕一樣,一下就看清楚地底結構。那科學家是怎麼分析火山的「內餡」呢?

聰明的地球科學家,搬出了「地震波」這個媲美 X 光的好工具!

地球每天都會發生成千上萬的地震,當地震波傳過重重地層、抵達地表測站後,就像是替地底做了一次完整掃瞄,而地球科學家只要蒐集這些地震波,就可以破譯出藏在震波中的地質訊息。

由於地震波可以穿透地底,因此地震波就像是地球科學家的「X 光」,只要蒐集這些地震波,就有機會破解地層下的秘密。受到地質構造與折射的影響,其中 P 波經過液體的內地核會減速,而 S 波無法直接通過液體的內地核。目前我們熟知的地殼、地函、內外地核等分層,也都是藉由這些原理得出的研究成果。圖│報地震-中央氣象局
由於地震波可以穿透地底,因此地震波就像是地球科學家的「X 光」,只要蒐集這些地震波,就有機會破解地層下的秘密。受到地質構造與折射的影響,其中 P 波經過液體的內地核會減速,而 S 波無法直接通過液體的內地核。目前我們熟知的地殼、地函、內外地核等分層,也都是藉由這些原理得出的研究成果。圖/報地震-中央氣象局

對地球科學家來說,每一個地震,就像一個個 X 光的發射器,而發射出的地震波就是 X 光,因此,用地震波去理解地底構造,就像是用 X 光去拍地底的 X 光照片。

這個技術,就是大名鼎鼎的震波層析成像(Seismic Tomography)。

當地震波經過不同地質條件的地層時,會改變地震波傳遞的速度和性質,例如 P 波經過液體時,速度會下降,而 S 波因為穿不過液體,會直接不見。因此,當地球科學家只要收集到來自四面八方的地震波後,就可以推估出地底構造的幾何形貌。

從黃石公園的超級火山,到「死而復生」的大屯火山群

為什麼一直到了 2021 年,地球科學家才順利解析大屯火山群的岩漿庫?這是因為有了震波層析成像技術還不夠,還要有工具和震波資料才行。

2014 年時,黃信樺正在美國猶他大學進行研究,機緣巧合之下,他參與了黃石公園的計劃,使用震波層析成像技術,在原本已知的大型岩漿庫底下,找到了一個更深、更巨大的岩漿庫。如此意想之外的研究發現,也讓黃信樺的論文成功登上《科學》期刊(Science)。

黃石公園岩漿庫之模型示意圖。2014 年時,在原本已知的流紋岩岩漿庫之下,大約地下 20 公里至 45 公里處,黃信樺找到了另一個更巨大的玄武岩岩漿庫,登上《科學》期刊。圖│黃信樺
黃石公園岩漿庫之模型示意圖。2014 年時,在原本已知的流紋岩岩漿庫之下,大約地下 20 公里至 45 公里處,黃信樺找到了另一個更巨大的玄武岩岩漿庫,登上《科學》期刊。圖/黃信樺

反觀臺灣,因為不像美國一樣擁有密集、均勻的地震測站,不足以讓學者對大屯火山群做完整的「X 光掃描」,因此在 2014 年時,臺灣學者對於大屯火山的岩漿庫仍然是一知半解。

直到 2016 年,中央研究院林正洪研究員成功找到了大屯火山的岩漿庫,並證實為活火山後,臺灣才開始大力推動進一步的研究計畫,在北部地區逐步設置超高密度的寬頻觀測網——臺灣陣列(Formosa Array ),探索這位危險鄰居的秘密。

臺灣陣列地震站分布圖,圖中約有 140 個測站,安裝有寬頻地震儀並即時蒐集傳送地震資料,此計畫由中央研究院地球科學研究所(IES)與大屯火山觀測站(TVO)共同執行。圖│Formosa Array 臺灣陣列
臺灣陣列地震站分布圖,圖中約有 140 個測站,安裝有寬頻地震儀並即時蒐集傳送地震資料,此計畫由中央研究院地球科學研究所(IES)與大屯火山觀測站(TVO)共同執行。圖/Formosa Array 臺灣陣列

臺灣陣列的地震測站有多密?從 2018 年開始,每間隔 5 公里,研究人員就會設立一個地震測站,站點橫跨山區,目前在臺灣北部設立了相當均勻的測站分布。

無論是遠方的地震,還是臺灣的地震,我全都要!

有了技術,又有了密集的測站,摩拳擦掌的地球科學家,終於可以來一窺岩漿庫的秘密了。

黃信樺學成歸國後,受到了計畫主持人林正洪的邀請,帶著黃石公園的研究經驗,正式加入了大屯山岩漿庫的研究中,他藉由臺灣陣列取得了遠震震波資料(teleseismic data),並利用氣象局與中研院原有的地震觀測網獲取近震震波資料(local earthquake data),最終為臺灣地球科學界描繪出了大屯火山群岩漿庫的模樣:一個牛奶罐。

為什麼要特別同時使用來自遠方的「遠震」和附近的「近震」資料呢?事實上,這跟解析度也脫不了關係!

受到地震波傳遞路徑的影響,近震的震波只會經過淺層地底,帶來淺層的地質資訊(灰色),而遠震可以帶來深層和淺層的訊息(淺橘色),聯合遠震跟近震就可以加強整體的解析度並得到更完整的訊息(深橘色)。圖│研之有物(資料來源:黃信樺)
受到地震波傳遞路徑的影響,近震的震波只會經過淺層地底,帶來淺層的地質資訊(灰色),而遠震可以帶來深層和淺層的訊息(淺橘色),聯合遠震跟近震就可以加強整體的解析度並得到更完整的訊息(深橘色)。圖/研之有物(資料來源:黃信樺)

從圖中我們可以發現,地震波在地球內部傳遞的路徑是弧線,其中近震的地震波只會經過比較淺層的地底構造(灰色),反之,若使用遠震震波,就會帶來地球深部的訊息(淺橘色),並再次加強淺部的資訊(深橘色)。

因此,如果地球科學家有辦法同時使用遠震、近震的資料來推算的話,就可以讓整體圖像的解析範圍延展到更深處,解析度也更上一層樓!

看圖說故事的功力,取決於你對這塊土地的了解

費盡千辛萬苦,有了技術、有了工具和震波資料後,地球科學家終於得到了地底「掃瞄圖」,但這一場大屯山岩漿庫探索之旅,仍然還沒有停歇!

比如說,當我們拿到一張涵蓋整張嘴巴的全口 X 光照片,一般人只看得懂黑色是軟組織、白色是硬組織,並猜測出骨頭和牙齒的位置。然而,對一位經過 6 年訓練、擁有專業醫學知識的牙醫師而言,卻可以一眼看出你的蛀牙、發炎、阻生齒、牙周病等等資訊。

P 波在臺灣北部不同地底深度的傳播速度分布。圖│黃信樺
P 波在臺灣北部不同地底深度的傳播速度分布。圖/黃信樺

震波層析成像也是如此!以上面這張論文中的圖片為例,P 波速度較低的紅色,代表該區的地質構造比較「軟」,反之波速高的藍色則為較「硬」的區域。

但,這到底代表什麼意思?啊岩漿庫又在哪裡?此時,地球科學家者對這塊土地的了解和專業知識,就派上用場了!

以 2 公里深為例(上圖 a),可以看到大面積的紅色、藍色對比,其中藍色代表中央山脈,也就是很硬的變質岩;而紅色是西部麓山帶,屬於較軟的沉積岩,並包含林口臺地(很厚的紅土層)、臺北盆地(沉積物)等明顯的地質構造特徵;東方小塊的紅色,則代表宜蘭平原的沉積物。

承上,圖 a 大屯火山群的位置為白色,沒有明顯特徵;然而到了 8 公里深(圖 b)和 16 公里深(圖 c)時,黃信樺卻發現,大屯火山群底下從白色變成紅橘色。

火山下方突然出現一塊軟軟的紅橘色,P 波的速度甚至降低到 19% 這麼多,這意味著什麼?主要有兩種可能:含水,或是有岩漿。然而,地底 8 公里深的壓力過大,地下水較難以滲透,「含水」這個理由並不可行,因此,黃信樺結合了地球化學、地質學的研究和數據後,認為目前最合理的解釋是:它就是大屯火山群的岩漿庫!

大屯火山群(綠色三角形)地貌剖面的 P 波波速變化。可看到從 8 公里深開始,隱約存在一個紅橘色的圓柱體,該區 P 波速度大幅下降,岩漿庫是最合理的解釋。其中:Topo為地表高度,Depth為地底深度,綠色三角形為大屯火山群的主要火山口與噴氣孔,紅色三角形為其他北臺灣火山位置。圖|黃信樺
大屯火山群(綠色三角形)地貌剖面的 P 波波速變化。可看到從 8 公里深開始,隱約存在一個紅橘色的圓柱體,該區 P 波速度大幅下降,岩漿庫是最合理的解釋。其中:Topo 為地表高度,Depth 為地底深度,綠色三角形為大屯火山群的主要火山口與噴氣孔,紅色三角形為其他北臺灣火山位置。圖/黃信樺

這個岩漿牛奶罐,究竟從何而來?

找到岩漿庫的位置後,黃信樺開始思索,這一個體積約 600 萬立方公里的岩漿庫從哪裡來?透過震波反演出的圖像中,我們也可以窺得一絲的線索。

北臺灣的 P 波波速(Vp)模擬結果,以 C-C’ 切面為例,圖 b 為 P 波速度擾動強度分布圖,而圖 c 為 P 波速度絕對值的分布。<br />圖│黃信樺
北臺灣的 P 波波速(Vp)模擬結果,以 C-C’ 切面為例,圖 b 為 P 波速度擾動強度分布圖,而圖 c 為 P 波速度絕對值的分布。圖/黃信樺

關於「岩漿」的由來,我們第一個想到的,或許就是因為板塊隱沒、部分熔融產生的岩漿。

而在上圖(b)中,我們可以從紫色的小圓圈的分布看出菲律賓板塊隱沒產生的地震帶,以及隱沒後出現的部分熔融區(紅橘色的 L2)。

然而黃信樺卻發現,在大屯火山岩漿庫(紅橘色的 L1)、板塊隱沒產生的部分熔融(紅橘色的 L2)之間,有著一大段很遠的距離,也沒有出現相連的通道,因此,黃信樺猜測,大屯火山岩漿庫應該與板塊隱沒帶沒有直接的關係。

不是板塊隱沒,那會是什麼呢?另外一種可能,就是後碰撞時期的弧後張裂。

目前臺灣東北部的地震,大多都是來自琉球島弧後方沖繩海槽(Okinawa Trough)的張裂環境,根據論文的反演結果,黃信樺也認為,大屯火山群、基隆火山群等北部火山,比較有可能是由此機制而生。

但請大家注意,以上對於大屯火山岩漿庫的成因的討論,僅僅還在「推論」的程度,我們尚且無法證實大屯火山就是由此而來,未來仍然需要更多相關研究的佐證。

「所以,它就像一個裝滿岩漿的牛奶罐嗎?

大錯特錯啊!雖然前文都將這個岩漿庫形容像牛奶罐一樣,然而,如果你覺得它是一個裝了滿滿液體岩漿的牛奶罐,那可就不對了。

黃信樺笑著說,「如果它真的是一個空空的牛奶罐,我馬上就會搬家!不騙你啦!」。

事實上,岩漿庫更像是一個海綿,一個有孔隙、吸附著岩漿的海綿

海綿的孔隙率有多少、岩漿的性質是什麼、地震波會降多少速,都可以透過地震和地質資料算出來,例如論文中的「P 波波速下降 19%」,就是從已知的安山岩數據相互推論而來。

此外,雖然論文結果看起來是一個牛奶罐的形狀,但事實上圓柱狀的岩漿庫並不常見,反之,大部分的岩漿庫都和黃石公園一樣,是屬於扁平狀的,因此黃信樺認為背後可能仍然有解析度的問題。

這次黃信樺是用最容易取得、最精準的 P 波來反演,未來他可能就會用 S 波、雷利波、洛夫波等震波資料來彼此檢驗,找出更精確的岩漿庫訊息。

這次大屯火山的岩漿庫解析,黃信樺採用容易取得且精準的 P 波來反演,未來他將用 S 波、雷利波、洛夫波等其他震波資料交互檢驗,讓岩漿庫資訊更精確。圖│研之有物
這次大屯火山的岩漿庫解析,黃信樺採用容易取得且精準的 P 波來反演,未來他將用 S 波、雷利波、洛夫波等其他震波資料交互檢驗,讓岩漿庫資訊更精確。圖/研之有物

從「岩漿庫變淺 22 公里」,一窺大屯火山的研究展望

在 2016 年林正洪「起死回生」的大屯火山研究中,乃是透過兩個近震資料,保守的推算出岩漿庫的位置落在 30 公里深左右,這一次,黃信樺透過解析度更高的反演結果,推斷出岩漿庫的深度其實只有 8 公里。

五年內,岩漿庫的深度從 30 公里變成 8 公里,雖然變淺了很多,但黃信樺表示,一般火山岩漿庫的深度大都落在 5~15 公里之間,大屯火山的 8~20 公里其實已經相對比較深了。那些很活躍的、頻繁噴氣的火山岩漿庫,深度甚至只有 3~5 公里,例如黃石公園就在 4~12 公里的位置。因此,我們並不需要因為這 22 公里的差距而感到焦慮或慌張。

話雖如此,我們仍須正視大屯火山這個距離臺北 101 不到 20 公里的活火山,畢竟大臺北地區的居民數量超過 700 萬,旁邊甚至還有兩座核電廠,面對這一位風險不明的火山鄰居,我們絕對不能視而不見。

今年(2021 年)八月初,有一篇發表在《自然通訊》(Nature Communications)的評論指出,過去以來,人們都只關注那些大規模的火山噴發,卻忽視了即使是小規模的火山噴發,也有嚴重危害全球經濟的風險,並把臺灣大屯火山列入全世界 7 個最關鍵的要點之中。

評論的作者表示,臺灣是台積電(TSMC)的所在地,而台積電負責供應全球高達 90% 最先進的晶片和節點,也是全世界技術與汽車行業的主要供應商,一旦大屯火山爆發,嚴重的火山灰和沉積物將會破壞全球的科技業與金融市場,帶來驚人且可怕的連鎖反應。

面對大屯火山的眾多未解之謎與潛在風險,黃信樺認為,震波層析成像只能給我們空間的資訊,既然我們已經確認大屯火山底下擁有岩漿庫了,接下來,科學家必須更進一步認識這位熟悉又陌生的朋友,像是岩漿庫的特性、火山的定年、噴發週期、模擬噴發形式,甚至是防災的疏散方案與宣導,都是我們需要努力的未來。

延伸閱讀:

  • 古國廷(2019)。〈大屯火山群不可怕,可怕來自不懂它 — 專訪林正洪〉,《研之有物》。
  • Huang, H. H., Lin, F. C., Schmandt, B., Farrell, J., Smith, R. B., & Tsai, V. C. (2015). The Yellowstone magmatic system from the mantle plume to the upper crust. Science348(6236), 773-776.
  • Huang, H. H., Wu, E. S., Lin, C. H., Ko, J. T., Shih, M. H., & Koulakov, I. (2021). Unveiling Tatun volcanic plumbing structure induced by post-collisional extension of Taiwan mountain belt. Scientific reports11(1), 1-10.
  • Lin, C. H. (2016). Evidence for a magma reservoir beneath the Taipei metropolis of Taiwan from both S-wave shadows and P-wave delays. Scientific reports6(1), 1-9.
  • Mani, L., Tzachor, A., & Cole, P. (2021). Global catastrophic risk from lower magnitude volcanic eruptions. Nature Communications12(1), 1-5.
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook