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為什麼本來是主震,一下又變成前震?餘震有可能會比主震規模大嗎?——《震識》

震識:那些你想知道的震事_96
・2017/12/24 ・3102字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 547 ・八年級

文/阿樹  《震識:那些你想知道的震事》副總編輯

身在地震頻繁的臺灣,相信在地震後若常關心報導,對「前震」、「主震」、「餘震」等名詞應該不陌生;這些名詞從字面上看來就簡單易懂,所以媒體報導也總是朗朗上口。但熟悉這些名詞並不代表理解這些詞的意涵的用法,雖然這件事情過往的文章如《斷層上的短暫瞬間:動與不動之處(下)》一文中也曾簡單提過。不過因為常有看到誤用的情況,還是忍不住再寫一篇說明白!

source:marcellomigliosi1956 @pixabay

地震序列中操作型定義的分類

很多時候我們習慣從「前因後果」來了解事物,不過這些名詞的使用,時間卻早於了解它的前因後果之前。舉個例來說,日本地震學之父大森房吉在提出餘震時間分布的關係式的文獻是在1864年發表[1],但關於地震成因為斷層的彈性回跳理論的文獻,則是到了1910年才問世[2]。也就是說這些詞的發名與知道它的成因無關,而是以直接觀察的角度來作分類。

這時我們再來看定義:發生在相近時間、空間(不單是地表,地底下的深度也鄰近)上的一連串地震,可以稱為「地震序列」,而地震序列中的地震,依照發生次序可分為前震、主震和餘震,難以判別主震的地震序列稱之為群震[3]。這時我們可以思考幾個問題:

問題1:某地發生了一次規模4.5的地震,幾個小時內又發生了一個5.0的地震,接著幾分鐘後又來了一次規模4.7的地震,那誰是主震?

這個問題比較簡單一點,依照前述的定義,第一次的規模4.5為前震、規模5.0的為主震、最後一個規模4.7的為餘震。

問題2:承上,在介於規模4.5地震和5.0主震的那段時間,地震學家有可能知道規模4.5的地震是個「前震」嗎?

以目前我們對地震的了解,這還是很難做到的事,要是能知道的話,那等於是臨震尺度的地震預測了!因此我們可以發現,某個地震是屬於前震、主震還是餘震,是有可能隨時間變化的。某個地震過後發生了更大的地震,那時間上較早發生的那次地震就會變成前震,而下圖的報導截圖,便是混淆了分類定義的例子。

餘震比主震大?這一定是有什麼誤會!圖/截圖自新聞

所以這些分類很重要嗎? 

先說結論:它在過去很重要,現在看起來應該還是很重要。

之所以重要的理由,在於我們在建構一門科學論點的時候,最需要的就是觀測並找尋規律。我們應該也都會同意,某個大地震的地震序列中,規模最大、釋放能量最多的那一次地震,是我們最需要關注的,因此稱之為「主震」,頗為合理,而在主震前的小地震就稱為前震、之後的地震則稱為餘震。而在地震儀問世後,隨著足夠的資料累積,我們才有辦法探求其規律。

「餘震」在這部分研究發展較為完整,因為其規律較為顯著。在此先貼心小提醒,接下來的內容涉及數學公式,如果您有看了數學式子會頭昏的症狀,可以跳過此段到最末段;那就開始囉。

早在1894年大森房吉就提出了大森法則(Omori’s law),說明餘震會有衰減的規律,而且可以用數學式表示:

大森法則(Omori’s law)。圖/作者提供。

其中N(t)是主震後的餘震數量,t是時間,K、c為常數,代表餘震是直接和時間接近反比的關係。大森房吉當時以為數不多(相較現在的地震資料非常少)的資料下,分析出餘震的規律性,著實不易,是很重要的科學進展。

大森房吉在1984年在發表期刊上提出的大森法則,可看到fig.1漂亮的個數衰減趨勢線。圖/截圖自網路

而到了1960年代前後,宇津德治又稍作修正,加了個衰減指數p,讓這個公式更能適用在更多情況(名為修正-大森法則或大森-宇津法則)。

大森法則(Omori’s law)。圖/作者提供。

同時,在1954年,建置「芮氏規模」的芮克特(Charles Francis Richter)和古騰堡(Beno Gutenberg)也對於餘震的規模提出了古騰堡-芮克特法則(Gutenberg–Richter law),提出餘震除了數量上的變化,還有規模上的變化,這個變化規律就很複雜了:

大森法則(Omori’s law)。圖/作者提供。

式子中的N是發生規模M的餘震個數、a、b是常數。簡單來說就是餘震的規模「大致」上會隨時間變小,但要細究下去,其實應該是「規模越大的餘震,發生的機會會隨著時間過去而降低」。因為餘震並不是百分之百的衰減,而是有一定的趨勢性變化,因此這個公式等同是在餘震的統計分析上加上了規模的考量。

先有了觀察,才去推敲機制的科學發展

綜合上述的地震研究,加上我們對斷層行為了解的演進[3],現在我們已經了解,餘震是大地震後斷層上的應力重整的行為(不一定完全在斷層面上,也可能在鄰近區域)。所以實際上我們要判斷某個地震是否為前一個大地震的餘震,除了考量空間上是否有相關、是不是同個斷層的作用之外,還有上述的古騰堡-芮克特法則與修正-大森法則等作為科學上的依據。

接著我們繼續看下個問題。

問題3:再承前面提到的第2題,如果又過了3年,同個地方又發生了一次規模4.5的地震,又該如何分類這個地震?是5.0主震的餘震?還是下一次發生主震的地方?

要回答這問題,得要先了解現今對餘震產生機制的看法:

一般來說,如果當地震後的個數已恢復到接近大地震發生前的背景值(註),這時大概也可以算是一個地震序列已結束,但規模非常大的地震,就較難定義。像是規模9.0的311東日本大地震的五年後,仍有規模達7.4的餘震。聽起來或許會覺得「怎麼可能這麼久還有影響?」但試想一下前面提到的古騰堡-芮克特法則,其實就告訴我們餘震的規模並不一定是越來越小,而大地震後對鄰近地區岩層受力情況的影響也甚大,斷層的應力重整過程釋放的能量也相對較大,就像是不同劇烈程度的運動後乳酸堆積的程度也不同、恢復時間也可能隨著運動越劇烈而延長的概念。

所以,看似粗略的前震、主震、餘震分類,卻在漫長的科學研究中發現了不簡單的地方,至少在餘震的行為上,我們已有長足的認識。不過直至現在,這些地震的觀察與分析仍還尚未足夠,理想上,我們希望能從同一個斷層、不同次的大地震序列的地震資料統計尋找規律,便能藉此來預測下一次地震。但實際上許多大地震之前是沒有明顯前震的,這讓科學家很難找到前震的規律性,加上斷層滑動的行為經常也不單純,能量的釋放不一定完全反映在地震之上(如之前提過的「潛移斷層」),這樣一來斷層累積能量的程度便不易從地震活動評估。尋找地震前兆的方法或是觸發地震的成因,或許其實還在前震的資料中只是尚發掘,又或者還有更多的資料等待我們去收集,這也正是現代地震學家們的重要課題之一!

參考資料與延伸閱讀:

  • [1] Omori, F. (1894). On the aftershocks of earthquakes. Journal of the College of Science, Imperial University of Tokyo. 7: 111–200.
  • [2] Reid, H.F.(1910), The Mechanics of the Earthquake, The California Earthquake of April 18, 1906, Report of the State Investigation Commission, Vol.2, Carnegie Institution of Washington, Washington, D.C.
  • [3] 斷層上的短暫瞬間:動與不動之處(下)
  • [4] 斷層「動靜之間」的學問—關於「潛移斷層」  

本文轉載自震識:那些你想知道的震事,原文為《為什麼一下是主震,一下又變前震了呢?》,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》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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