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挖個從美國通到中國的洞,然後跳下去會怎樣?──《然後你就死了》

臉譜出版_96
・2019/02/18 ・2872字 ・閱讀時間約 5 分鐘

你在長大過程中(應該是小時候),或許曾心血來潮,想挖個從美國通到中國的洞。你甚至可能動手過,在海灘挖了差不多一公尺。

現在你年紀增長,更有毅力了。假設你下次到了海邊,完成童年時的未竟志業,挖了個穿過地球、深達八千哩(約一萬兩千八百公里)的洞,然後一股腦跳下去。

接下來會怎樣?

如果你從美國大陸開始挖,最後會溺斃在印度洋。若想在美國挖洞,最後在乾燥的陸地上冒出,得從夏威夷海灘上開始挖,最後你會在波札那的狩獵保護區冒出來。圖/pixabay

問題一:起點很重要

首先,得看你從哪裡開始挖。你的確切起點很重要。別以為中國就在美國的對面。這是錯誤的觀念。事實上,如果你從美國大陸開始挖,最後會溺斃在印度洋。若想在美國挖洞,最後在乾燥的陸地上冒出,得從夏威夷海灘上開始挖,最後你會在波札那的狩獵保護區冒出來。

問題二:摩擦摩擦,直到你剩一攤爛泥

但從夏威夷開始挖也有問題。地球外殼的旋轉速度比內部要快得多,和旋轉木馬一樣。你站在夏威夷海灘上,會比地球核心的移動速度每小時快八百哩(約一千兩百八十七公里)。因此,當你跳進洞裡之後,會一路摩擦著岩壁往下,而朝著另一頭往上時,背部也會摩擦岩壁。

要是摩擦速度慢,你只會輕微擦傷。但高速墜落時,持續擦傷會把你的皮膚與骨頭磨光,直到你只剩一攤爛泥。

地球外殼的旋轉速度比內部要快得多,和旋轉木馬一樣。高速墜落時,一路摩擦岩壁會把你的皮膚與骨頭磨光,直到你只剩一攤爛泥。圖/wikimedia

要避免摩擦致死,最聰明的方法是從南極或北極開始挖,這裡地表的旋轉速度與核心的旋轉速度差不多。

這是第一步驟。不過,跳進穿過地球的洞穴,風險可不只擦傷致死而已。

人體在海平面以屈體墜落時,終端速度約為時速兩百哩(約三百二十公里)。以這種速度墜落八千哩需要四十小時。換言之,你大可以照一般的方式訂機票,中間經過轉機幾次的折騰後,便能抵達波札那。但假設你不趕時間,花四十小時也無妨。只是,你仍舊不可能通過地球。

問題三:重量減少、空氣密度增加,讓你「漂」在半途

你在幾秒鐘之後,速度就會慢下來。原因有二。

首先,接近地球中央時,就沒有那麼多的地球重力把你往下拉,這表示你的重量會減少 ,墜落速度也跟著變慢。但第二個原因則比較危險:空氣變厚重。

海拔八千八百四十八公尺的聖母峰是地球最高點,那高度沒有太多大氣來壓縮空氣,因此地表的空氣會比較稀薄,只有受過良好訓練的登山者才可能生存。

你往反方向前進時,則會發生相反的情況。

由於上方的大氣增加,你墜落過程的空氣也會越來越受壓縮。你才僅僅墜落六十哩(不到全程的一%,約九十七公里),空氣的密度已和水一樣。你會下沉一會兒,但後來就達到平衡狀態,屆時空氣和你的密度一樣。因此,你永遠會「漂」在地球裡。

屆時空氣和你的密度一樣。因此,你永遠會「漂」在地球裡。圖/pxhere

由於大氣壓力會擠壓你的氣室,因此你在地球內部的密度也會比目前還高,並且沉得比你預期得深。但你還是到不了地球的另一端。

顯然,這個沙坑需要重新設計一下。要解決空氣密度的問題,就是抽光隧道中的空氣再封起,使之成為長長的真空管。這就解決了漂浮與移動速度太慢的問題,你現在會以時速一萬八千哩的速度(約兩萬九千公里),尖叫著通過地球中心,而非卡在半途。

問題四:超高溫將你全身汽化

可惜,這條隧道還是不能安全使用。俄羅斯人曾挖掘過世界上最大的沙坑,他們證實:地球中心太熱了。

俄羅斯的沙坑稱為「科拉超深鑽孔」(Kola Superdeep Borehole),是一項從一九七○年開始、為期二十二年的龐大計畫,目的只是想了解他們能挖得多深。蘇聯在一九八九年已經挖到四萬呎(十二.四公里),後來因為鑽頭焊接處遇到高溫熔化,計畫才告終。即使他們才挖了地球不到○.一%的深度,溫度即已上升到一百八十度。

根據經驗法則,從地表往下每挖一百呎(約三十公尺),溫度就會上升攝氏約零.五六度,也就是墜落兩秒,你大概就會覺得變暖○.五六度。沒什麼大不了。但你在新真空管中,會加速得非常快。

三秒後,隧道中的溫度會提高一.五度,三十秒後,就和烤箱一樣暖。這可不舒服,但你卻能存活超長一段時間。十八世紀,英國科學家查爾斯.布萊格登爵士(Sir Charles Blagden)把一間房間加熱到一百零五度,在裡頭坐了十五分鐘,毫髮無傷地走出來。不過,布萊格登爵士所在的房間不像你的隧道那樣越來越熱。三十秒後,你或許還活著,但這個洞會繼續變熱。再過三十秒,你前進十三哩(約二十一公里),溫度已經抵達五百三十八度。若你帶了加熱即食的披薩,這時已可以吃了,當然你自己也已經熟了。

你在新真空管中三秒後,隧道中的溫度會提高一.五度,三十秒後,就和烤箱一樣暖。再過一分鐘,若你帶了加熱即食的披薩,這時已可以吃了,當然你自己也已經熟了。圖/pxhere

但情況越來越糟。你仍無法抵達地球另一端。

地球中心的溫度高達六千一百度,比太陽表面還燙。在那溫度下,你的身體會立刻汽化,電子遭撕碎,剩餘部分也將變成零碎的電漿。

所以,我們又得繼續更改你的隧道設計。

如果我們把這隧道的隔熱功能做得非常、非常好(當然不可能做到)。你能順利抵達嗎?

問題五:能量守恆,小心變成地球版盪鞦韆

設沒有撞到隧道的岩壁,且排除了導致速度變慢、抵達另一端時身體東缺一塊西缺一塊的因素,那麼你在時速一萬八千哩的情況下,只要十九分鐘即可來到地球中心。一旦你通過中心,速度又會開始變慢,因為地球會開始把你拉回。但就像遊樂場的鞦韆,你的動能會把你推回一開始的高度──在這情況下,就是地球的另一邊。

假設排除了上述所有問題,只要十九分鐘即可來到地球中心。但就像遊樂場的鞦韆,你的動能會把你推回一開始的高度──就是地球的另一邊。圖/pxhere

如果忽略目前科技無法在地球核心的極端溫度與壓力下挖掘的問題,你可能抵達地球另一端嗎?可以!大約三十八分十一秒,即可抵達地球另一端。到時候要扶好彼端的地面。

要是沒扶好,你就得重來一遍了。

 

 

本文摘自《然後你就死了:被隕石擊中、被鯨魚吃掉、被磁鐵吸住等45種離奇死法的科學詳解》,2018 年 5 月,臉譜出版。

文章難易度
臉譜出版_96
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臉譜出版有著多種樣貌—商業。文學。人文。科普。藝術。生活。希望每個人都能找到他要的書,每本書都能找到讀它的人,讀書可以僅是一種樂趣,甚或一個最尋常的生活習慣。

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地震規模越大,晃得越厲害?

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2021/09/16 ・3706字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文由 交通部氣象局 委託,泛科學企劃執行。

某天,阿雲跟阿寶分享了一個通訊軟體上看到的資訊:

阿雲:「欸,你知道最近有個傳言說,花蓮有 7.7 級地震,如果發生的話台北會有 5.0 級的震度耶!」

阿寶:「蛤?那個傳言也太怪了吧,應該是把規模和震度搞混了!」

震度:量度地表搖晃的單位

確實常常有人把地震的規模跟震度搞混,實際上,因為規模指的是地震釋放的能量大小,所以當一個地震發生時,它的規模值已經決定了,只是會因為測量或計算的方式不同,會有些許的數字差異,而一般規模計算會到小數點後第一位,故常會有小數點在裡面。然而震度指的意思是地表搖晃的程度,度量表示方式通常都是以「分級」為主,比如國外常見、分了 12 級震度的麥卡利震度階,就是用 12 種不同分級來描述,而中央氣象局目前所使用的震度則共分十級,原先是從 0 級到 7 級,而自 2020 年起,在 5 級與 6 級又增了強、弱之分,也就是震度由小而大為 0-1-2-3-4-5弱-5強-6弱-6強-7 等分級,所以在表示上我們以整數 + 級或是強、弱等寫法,就可以區分規模和震度,不被混淆了!

而為什麼專家常需要強調震度和規模不一樣?那是因為震度的大小,是受到許多因素的影響。地震發生後,造成地表搖晃的主要原因是「地震波」傳來了大量能量,規模越大的地震,代表的就是地震釋放的能量越大,就像是你把擴音的音量不斷提高時,會有更大的聲音傳出一般。所以當其他的因素固定時,確實會因為規模越大、震度越大。

可是,地震波的能量在傳播過程中也會慢慢衰減,就像在演唱會的搖滾區時,在擴音器旁往往感覺聲音震耳欲聾,但隔了二、三十公尺之外,音量就會變得比較適中,但到了會場外,又會變得不是那麼清楚一樣。所以無論是地震的震源太深、或是震央離我們太遙遠,地震波的能量都會隨著距離衰減,一般來說震度都會變得比較小。

「所以,只要把那個謠言的台北規模 5.0 改為震度 5 弱,說法就比較合理了嗎?」阿雲說。

「可是,影響震度的因素還有很多,像是我們腳下的岩石性質,也是影響震度的重要因素。」阿寶說。

場址效應:像布丁一樣的軟弱岩層放大震波

原本我們都會覺得,如果地震釋放能量的方式就像是聲音或是爆炸一般,照理說等震度圖(地表的震度大小分布圖)上會呈現同心圓分布,但因為地質條件的差異,分布上會稍微不規則一些,只能大致看出震度會隨著離震央越遠而越小。地震學上有一個專有名詞叫做「埸址效應」,指的就是因為某些特殊的地質條件下,反而讓距離震央較遠的地方但震度被放大的地質條件。其中最常見的就是「軟弱岩層」和「盆地」兩種條件,而且這兩種還常常伴隨在一起出現,像是 1985 年的墨西哥城大地震,便是一個著名的例子。

影片:「場址效應」是什麼? 布丁演給你看

墨西哥城在人們開始在這邊發展之前,是個湖泊,湖泊中常有鬆軟的沉積物,而當湖泊乾掉之後,便成了易於居住與發展的盆地。雖然 1985 年發生的地震規模達 8.0,但震央距離墨西哥城中心有 400 公里,照理說這樣的距離足以讓地震波大幅衰減,而地震波傳到盆地外圍時,造成的加速度(PGA)大約只有 35gal,在臺灣大約是 4 級的震度,然而在盆地內的測站,卻觀測到 170gal 的 PGA 值,加速度放大了將近五倍,換算成震度,也可能多了一至二級的程度,也造成了相當程度的災情。盆地裡的沉積物,就像是裝在容器裡的布丁一樣,受到搖晃時,會有更加「Q 彈」的晃動!

1985 年墨西哥城大地震的等震度圖。圖/wikipedia

因此,在臺灣,雖然臺北都會區並沒有比其他區有更多更活躍的斷層,但地震風險仍不容小覷,因為臺北也正是一個過去曾為湖泊的盆地都市,仍有一定程度的地震風險,也需要小心來自稍遠的地震,除了建築需要有更強靭的抗震能力,強震警報能提供數秒至數十秒的預警,也多少讓人們能即時避災。

斷層的方向與震源破裂的瞬間,也決定了等震度圖的模樣

阿雲似懂非懂的接著問:「可是啊,為什麼有的時候大地震的等震度圖長得很奇怪,而且有些時候震度最大的地方都離震央好遠呢!也太巧合了吧?」

「這並不是巧合,因為震央下方的震源,指的其實是地震發生的起始點,並不是地震能量釋放最大的地方啊!」阿寶繼續解釋著。

「蛤!為什麼啊?」阿雲抓抓頭,一邊思考著。

地震是因為地下岩層破裂產生斷層滑動而造成的,雖然不是每個地震都會造成地表破裂,但目前科學家大多認為,地震的破裂只是藏在地底下,沒有延伸到地表而已,而且從地震的震度,也可以看出地底下斷層滑移的特性。

斷層在滑動時,主要的滑動和地震波傳出的地方,會集中在斷層面上某些特定的「地栓」(Asperity)之上,這些地栓又被認為「錯動集中區」,而通常透過傳統的地震定位求出來的震源,其實只是這些地栓中,最早開始錯動的地方。但實際上,整個斷層錯動最大的地方,往往都不會在那一開始錯動的地方,就像是我們跑步時,跑得最快的瞬間,不會發生在起跑的瞬間,而是在起跑後一小段的過程中,而錯動量最大的區域,才會是能量釋放最大的地方。而或許是小地震的地栓範圍小,震央幾乎就在最大滑移區的附近,因此也看不太出來,通常規模越大,震源的破裂行為會隨著時間傳遞,此效應才會越明顯。

震源與震央位置示意圖。圖/中央氣象局

那麼斷層上的地栓位置能否確認?這仍是科學上的難題,但近年來科學進展已經能讓我們透過地震波逆推斷層上的錯動集中區,至少可以透過地震波逆推斷層破裂滑移的型式,得以用來比對斷層破裂方向對震度分布的影響。以 2016 年臺南—美濃地震為例,最大錯動量的地區並不在震央所在的美濃附近,而是稍微偏西北方的臺南地區,也就是因為從地震資料逆推後,發現斷層在破裂時是向西北方向破裂。而更近一點的 2018 年花蓮地震,錯動量大、災害多的地方,也是與斷層破裂方向一致的西南方。

一張含有 地圖 的圖片  自動產生的描述
2016 年臺南美濃地震的等震度圖。圖/中央氣象局

透過更多的分析,現在也逐漸發現破裂方向性對於大地震震度分布的影響確實是重要議題。而雖然我們無法在地震發生之前就預知地栓的位置,但仍可從各種觀測資料作為基礎,針對目前已知的活動斷層進行模擬,就能做出「地震情境模擬」,並且由模擬結果找出可能有高危害度的地區,就能考慮對這些地區早先一步加強耐震或防災的準備工作。

多知道一點風險和危害度,多一份準備以減低災害

但是,直到目前為止,我們仍無法確知斷層何時會錯動、錯動是大是小。科學能給我們的解答,只能先評估出斷層未來的活動性中,哪個稍微大一些(機會小的不代表不會發生),或者像是斷層帶附近、特殊地質特性的場址附近,或許更要小心被意外「放大」的震度。而更重要的是,當地震來臨前,先確保自己的住家、公司或任何你所在的地方是安全還是危險,在室內要小心高處掉落物、在路上要小心掉落的招牌花盆壁磚、在鐵路捷運上要注意緊急煞車對你產生的慣性效應…多一些及早思考與演練,目的就是為了防範不知何時突然出現的大地震,在不恐慌的情況下保持適當警戒,會是對你我都很重要的防震守則!

【參考文獻】

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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