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即使有一天能夠預測地震,也要一直懷抱著防災意識──《科學月刊》

科學月刊_96
・2018/01/07 ・3986字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 577 ・九年級
  • 文/潘昌志:臺大海洋研究所碩士,現為臺師大心測中心研究員。經營「震識:那些你想知道的震事」、「地球故事書」部落格。
    馬國鳳:科技部台灣地震模型(TEM)團隊主持人,研究地震機制及危害度分析。現任國立中央大學地球科學學系講座教授、教育部國家講座,專長為地震源力學及海嘯。
地震往往造成嚴重損害,因此如果能預測地震的發生,對於防災應該有一定的幫助。 圖/Angelo_Giordano@pixabay

2018 年地震開始變多?

去(2017)年的 10 月至 11 月初,Science 和《英國衛報》(The Guardian),皆刊登一則 2017 年美國地震學會(GSA)的科學演講《近五年全球地震危險預測》(A ­five year forecast for increased global seismic hazard),內容大致提到全球強震數量變化和地球自轉的相關性,並以此進一步研究分析,得到未來一年地震將更頻繁的結論。

其研究團隊的地質學家,主要為科羅拉多大學地質學家比爾漢姆(Roger Bilham)和蒙大拿大學地質學家本迪克(Rebecca Bendick),他們統計了1900 年至今全球地震的活動趨勢,除了強震的時間上有些規律外,其規律亦可對應自4 年前起地球自轉速度開始減慢的情況,故根據此統計趨勢,有可能明年開始,大地震將會更頻繁,且頻率將會從過去每年約15次,提升至20~30 次,尤以熱帶地區(研究標定為10° N~30° S 的區間)的地震數量變化更為顯著。

圖一:1900~1989 年的地震統計資料,上圖為規模7.0 以上的地震個數,下圖為各災害性地震造成死亡的人數。(資料來源:Lay & Wallace, 1995

年復一年,強震數量是否有改變

的確,綜觀全球歷史強震(規模 7.0 以上)的逐年變化統計,可發現某些年分區間地震確實較為密集,如上圖一為 1900~1989 年發生規模 7.0 以上地震的統計圖,圖中顯示平均每年約有 17 個規模大於 7.0 的地震,而其分佈的位置大略顯示其有某種週期關係。

與地球地震活動的時間尺度相比,統計時間還是相當短,難以論斷週期性行為,而筆者進一步將地震的分析統計推衍至 2017 年,如圖二,可見此規律到了近期趨勢似乎稍有變化,故筆者認為相關文章描述的地震活動與地球自轉變化之關係,從直觀的數據來看尚難以論斷,或許需以更精確的方式分析。

圖二:1900~2017 年規模大於 7 的地震逐年統計。(1900~1997 的資料來自 Austin & Strauss, 1999,1998~2017 的資料來自美國地質調查局,由作者統整資料重新繪製。)

本研究者受訪時也指出,造成地球自轉速度變化的原因,或許是自轉變化與地震活動的影響機制,有待後續研究。不過,比起許多漫無目的與缺乏科學方法的地震預測而言,此篇研究立基於科學觀測與推論,不失為創新的研究方向。

往例也告訴我們,如 1894 年日本地震學者大森房吉提出餘震衰減關係的大森法則(Omori’s law),亦是統計地震後的餘震個數所建立,因此透過地震觀測試圖找出規律的地震學研究,並非沒有前例,而此研究最大的挑戰為其觀測及推論能否符合理論模型,無論預測成功與否,都是帶動科學前進的動力,對於結合地震觀測及理論的發展與議題討論都別具意義。

「地震與地球自轉互相的影響」測量實證尚有困難

在地球自轉的變化裡,這則報導中所謂的「地球自轉速度變化」改變十分微小,一年僅累積數毫秒(1 毫秒=0.001 秒)的變化,儘管如此、隨著時間累積,或許這些微小變化會讓板塊運動的速率產生些微增減。然相較於每年移動數公分的板塊,兩種運動的尺度相比,自轉速度的微小變化在板塊運動上的貢獻程度似乎很小;換個度思考,是不是只要有這麼微小的變化,就能撼動某些位於臨界點上的孕震構造?當然,此想法目前仍難以證明。

另外,目前科學家也已經發現,大規模地震確實也會影響地球自轉的速率,並且讓自轉軸偏移,以最近一次 2011 年日本 311 地震為例,震後「加速」了自轉,讓一天的長度減慢了1.6 微秒(1 微秒=0.001 毫秒)。雖從數值可見其影響之小,然一旦考量經年累月的地震活動,會讓事情變得複雜:或許地震行為可能受地球自轉影響,又或許地震還可能影響地球自轉的行為。

地球自轉與地震間是否會互相影響,至今仍難以測量實證。 圖/piro4d@pixabay

只是,想探討的問題在空間、時間尺度上極大,且需測量的變動又相當細微,以目前的科學和科技,在測量上有所限制,要回答此機制問題還有一些挑戰。即便如此,其所延伸的科學議題──以地球的動力模式分析地球自轉速率變化,對板塊相對運動導致的應力變化分佈,是值得深究的。

如此本文針對觀測之現象學上的分析,若以更嚴謹的科學角度評斷,或許也應保守看待,畢竟統計資料僅能告訴我們相關性,無法告訴我們因果關係。除了需要更多的物理機制解釋,也需要更多的「證明」,也就是實際上得等到明年過了、地震次數統計揭曉,才能了解這個研究的推論是否真能禁得起驗證,進而達到長期預測全球強震數量變化的成就。如前述大森法則,可以經過修正後持續使用至今,並非是當時研究本身特別突出,而是由於它能經過百年來的觀測重複驗證。

研究地震,「防災」比起「預測」更重要

地震本身就是對人類生命威脅甚大的自然現象,正所謂人命關天、這項研究的目的也並非要指出未來地震的確切位置,而是告訴我們,若依研究者的觀察與理論,明年的強震在某些地方將可能變得更頻繁。就如相關地震預測的研究,以科學角度來看,此相關議題皆值得持續分析研究。但我們真正面臨的挑戰不是地震預測、而是應對方式,因為就算成功預測地震,若無相關的防災意識、地震還是會帶來災害。

因此,地震防災研究與推廣是比地震預測更迫切且實際的一項工作,像是如何將科學數據,轉換成應用的成果。若地震預測無法具有效性,筆者認為以相關數據分析短、中、長期地震活動機率及其衝擊,會是更有效且重要的作法。試想,假如沒有這個研究報導,我們就不用擔心地震了嗎?實際上地震的風險時時刻刻都存在。秉持趨吉避凶的人性本能,既然地震威脅一直存在,無論這項研究結果是否真能被驗證、抑或提出 2018 年的地震之多寡,仍須有防災作為!

那何處最需要地震防災?那當然就是地震的好發處。將長期觀測到的大地震紀錄畫在世界地圖上,大多數孕震帶集中在板塊邊界附近,其中也有少部分強震位於某些特定陸塊的構造帶上(圖三),這些地帶都是未來可能發生大規模地震的區域。對居住在這些地區附近的人們來說,地震防災是極其重要的公民素養,而所謂防災素養並非僅指個人的地震包、居家防護等,許多基礎建設、救災體系甚至災後重建的經費規畫,都屬防災的一部分。

圖三:世界地震活動分布圖,圖中圓點為呈現2000~2008年規模5.0以上的地震震央。(資料來源:美國國家教育基金會,U.S National Education Foundation)

利用科學資料,防治災害與風險評估

位處環太平洋地震帶上的臺灣,自然也需與時俱進地提升防災作為,但要用什麼方式、運用什麼科學資訊才有助於地震防災?筆者將舉例輔助說明。雖然科學上還無法預測各地發生地震的時機點,但如前所述,現今的地震危害度分析,可以藉由過去的地震活動及孕震構造「評估」不同地區未來將遇上的震度情形。

臺灣地震模型組織利用地震及地質資料,以機率式地震危害度分析技術,將未來強地動發生之可能性量化,進而提供政府主管機關對重要場址(如:核電廠及學校校舍等)之安全評估(圖四)。也就是說,我們可以藉由科學資料作出評估,在合理的情況下提升建築耐震度,並依不同地區的風險分配資源。(延伸資料:《科學月刊》第562 期 《如何評估地震危害與風險?》)

圖四:臺灣未來50 年,最大地表加速度值達到0.23g(相對於氣象局震度5 級)及0.33g (相對於氣象局震度6 級)以上的發生機率,而機率則代表各地遇到該震度搖晃的「風險」。(資料來源:臺灣地震模型,Taiwan Earthquake Model)

此外,透過震源參數拆解分析,科學家可標定造成地震危害的主要震源。根據該震源特性,利用前項所說的地震波模擬技術,考量地震波傳遞過程的物理特性,估算該震源可能造成鄰近或目標地區的震度。若我們已經知道部分孕震構造發生時必然有嚴重結果,就能依據情境、事先預先投入一定資源,除了可在減災防震中有所作為,也能在預演或是救災規畫上有所本,而不至在實際發生時慌亂無章。

地震難以確知何時到來,但它必然會來。研究指出明年可能會有更頻繁的地震而需要加強準備的提醒,對提升大眾防災意識而言固然很好,然我們更加期盼的防災觀念是平時能有多一些對地震災害的警惕、並落實於生活中。為推廣地震科學及相關知識,筆者成立了「震識:那些你想知道的震識」部落格提供相關普及知識,並持續關注地震話題,也希望藉此讓大眾正視地震災害帶來的衝擊、瞭解其所在區域的風險。

參考資料:

  • Austin, S. A., & Strauss, M. L. (1999). Earthquakes and the End Times: A Geological and Biblical Perspective. Institute for Creation Research, unpublished manuscript of January14, 1999.
  • Lay, T., & Wallace, T. C. (1995). Modern global seismology (Vol. 58). Academic press.

 

 

 

〈本文選自《科學月刊》2018年1月號〉

什麼?!你還不知道《科學月刊》,我們48歲囉!

入不惑之年還是可以當個科青

 

 

 

 

 


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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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