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台灣面臨海嘯威脅時,該如何應對?專訪海嘯專家吳祚任

活躍星系核_96
・2019/06/19 ・3717字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 560 ・八年級

 2018 年印尼發生兩起海嘯重創當地; 2004 年南亞海嘯與 2011 年東日本海嘯亦造成當地嚴重災情。近十年鄰近地區發生數次致命海嘯,它們為何如此致命?台灣百年歷史亦有多起海嘯紀錄,台灣面臨海嘯威脅時,又該如何應對?

本文專訪中央大學水文與海洋科學研究所副教授吳祚任,分享海嘯專業知識,及台灣如何運用世界領先技術預警自救。

中央大學水文與海洋科學研究所副教授吳祚任。攝影/古國廷。

為什麼海嘯比一般巨浪更致命,造成災害更嚴重?

A:回答這問題,要從它們的特性開始說起。

海嘯跟一般海浪都是波浪,波浪又可以分成長波短波。長波的波長很長,幾乎看不到也感覺不到;短波的波長短,可以明顯看到它的波動起伏。

如果波浪的波長非常長,遠比它的水深還要長,則稱之為淺水波;反之則稱為深水波。海嘯就是一種淺水波,例如 2004 年的南亞海嘯來說,它的波長大概 200 公里以上,但印度洋水深才 4 至 5 公里。

這樣子的淺水波有一個特性,就是這些水分子的運動非常一致,就好像團結做事有效率的公司,沒有速度的差異也沒有摩擦阻力。

因此海嘯在行進間能量的消耗很少,到岸邊時幾乎保留地震或火山山崩垂直擾動的能量。

再來,海嘯的波長很長,代表它很「厚實」;一般海浪波長較短,相對較「單薄」。因此同樣抵達岸邊,一般波浪就像潑水一樣,潑出去就結束了;而海嘯就像一長串高鐵列車往岸上衝。以 2011 年東日本海嘯為例,它的波長大概 200 公里,就像從台北到雲林這麼長的高鐵往岸上衝。

這樣保有當初地震或火山山崩垂直擾動的能量,且「厚度」很厚的海嘯往岸上衝,不僅衝擊陸地上各種設施的結構,也掏刷它們的地基。加上海嘯移動時也夾帶碎石和樹幹等等各種沖刷過的物體,讓人們尚未溺斃前就可能被這些物質撞擊而失去求生能力。

簡單來說,海嘯來臨時,逃生的方法就是不要把身體弄濕了。因為一旦被海嘯捲入,就很少有活命的機會。

 2011 東日本海嘯和 2018 印尼兩起海嘯有甚麼不同?

2011 年東日本海嘯是地震引起的。2018 年 9 月印尼蘇拉威西海嘯,目前判斷比較可能是地震引發海底山崩所致;而 2018 年 12 月印尼喀拉喀托之子海嘯則幾乎可以認定是火山山崩造成。

在這邊先給大家一個簡單的概念,要造成海嘯最直接有效率的方法,就是讓海水受到垂直方向擾動,像是地殼垂直抬升或陷落所造成的地震型海嘯。

火山也是造成海嘯的成因之一。

山崩也會造成海嘯,就像你從岸邊滾落到游泳池產生大浪。這種山崩型海嘯又分成兩種機制,一種是地震造成陸地或海底的山崩,另一種是火山造成的山崩。

火山噴發時又有兩種方式驅使山崩,一種是火山震動使火山邊壁崩落一大塊;另一種是火山一直噴發,結果火山裡面的結構空掉了,使火山承受不住水壓而往內下陷,使海水產生向下垂直運動引發海嘯。

雖然沒有經過很仔細的統計,但一般來說 90 %以上的海嘯是地震引起,剩下有一些是海底山崩造成的,少數是由火山噴發造成。

地震型海嘯與山崩型海嘯有甚麼不同?

A:地震造成的海嘯,大部分都是很強烈的地震才會造成海嘯。

雖然不敢說全部,但一般來說要造成致災型的海嘯,地震矩規模( Moment magnitude scale , Mw )通常要大於 7.5 ,且震源深度大多離地表 35 公里以內。地震矩規模超過 8 海嘯就很嚴重,規模超過 9 就是毀滅型的海嘯,像是造成南亞海嘯的地震就是這樣的規模。

若造成這樣大規模的地震,比較高的機會是海溝型地震,也就是板塊之間碰撞及隱沒。這種板塊破裂的長度很長, 2004 年南亞地震的板塊破裂長度大約 1,200 公里,大概 4 個台灣這麼長; 2011 年日本地震板塊破裂長度也有 500 公里。

這樣大面積的抬升,導致地震型海嘯的影響範圍非常寬廣,海嘯的寬度可以接近板塊破裂的長度。以 2011 東日本海嘯為例,寬度大約 500 公里;而它的波長也很長,以日本海嘯來說可以到 200 公里。

2011 東日本海嘯襲擊福島縣磐城市的災後景象。圖/維基百科 ryuki_a_g攝影

這樣規模是甚麼概念呢?假設高鐵列車的寬度是 5 公尺,那 2011 年東日本海嘯就像從台北到雲林這樣長的高鐵,以 10 萬台併排的規模往岸上衝。不過地震型海嘯高度相較起來不會太高,以日本海嘯來說波高大概 10 到 30 公尺,但已經是毀滅級的海溝型海嘯了。

而山崩型的海嘯就很不一樣了,它的波高可以很高。同樣的崩落量,陸上的山崩其崩落的高度越高,海嘯就越高;海底的山崩越接近水面,海嘯就越高。而山崩崩落的體積與質量越大,其海嘯高度就越大。但範圍就不像地震那麼廣,山崩海嘯的初始寬度大概就是它崩落範圍。

整體來說,地震引起的海嘯影響範圍寬廣但波高相對不高;山崩造成的海嘯影響程度很強但範圍很窄。

台灣較容易受到哪種海嘯威脅?很不幸的,都有可能。

台灣東部外海有琉球島弧,發生大規模地震時海嘯會影響東海岸;台灣西南部外海有一整段叫馬尼拉海溝,大規模地震產生的海嘯對墾丁到台南一帶影響比較嚴重。在帛琉附近的亞普海溝雖然離我們比較遠,但因為地形關係,地震發生海嘯時,台灣北部蘇澳一帶、東部以及高雄至台南沿海都會受到影響。

而台灣北部金山一直到三貂角,雖然不是那麼肯定,但因為地形關係,可能會有海底山崩造成的海嘯,且過去有類似的事件發生。 1867 年基隆發生規模 7 的地震。照理說海嘯高度應該不高,但卻發生 7 至 12 公尺的海嘯,這是地震規模 8 左右才會產生的海嘯高度。目前我們推估很有可能 10 %是地震造成, 90 %是山崩造成的,但這數據只能說是推估。

台灣西南岸也有海底斜坡地形,其海底山崩威脅也不容忽視。另外台灣的火山大部分分布在東北海域,雖然說目前看到都不大,但也很難說什麼時候會影響到,只能盡量預警。

Q:台灣要如何預警海嘯的發生?

A:我以前是用情境分析了解海嘯如何影響台灣。

情境分析就是判斷可能造成海嘯的來源,例如說哪個斷層或海溝地震會產生海嘯?它如何影響台灣?但就如上述提到,有很多造成海嘯的原因,像是地震、海底山崩或火山,很多可能性,算都算不完。於是我們發展出海嘯影響強度評估法( Impact Intensity Analysis Method ),簡稱 IIA 法

它的原理像是醫生想要知道你身體哪個地方感覺特別疼痛,就在每個部位都敲敲看,敲這個地方沒感覺再換下一個地方,當敲到某個地方你特別痛,代表同樣的力道發生在這個地方對你衝擊特別大。

吳祚任與研究團隊用海嘯影響強度評估法分析金山地區。圖/吳祚任副教授。

而所謂 IIA 法就像這樣,針對要研究的特定地區或基礎建設,在其周邊海域都模擬同樣力道的水體擾動,運用水動力學搭配海底地形,去檢視哪個地方水體擾動形成的海嘯威脅最大。像是上圖這個例子是研究基隆金山一帶,紅色地區發生海嘯的威脅程度較大,發生在其他淡藍色區域就比較不用擔心。

如此我們就可以先排除淡藍色區域,針對紅色區域聚焦做情境分析,研究這個海域地形如何,有甚麼原因可能引發海嘯,會如何影響沿岸地區或基礎建設等等。

而 IIA 法,可以再進一步製作成地震–海嘯關係圖( Seismic Tsunami Relation ),白話來說就是「不用電的海嘯預警圖」,不需要靠電力運作,就能在地震時知道海嘯會不會威脅到所在地區。它是針對沿海每個村里,繪製外海各個方位發生多大的地震規模時,其產生的海嘯會影響到該社區。所以當地震發生,村里長可以快速用地震發生方位和規模這兩個最簡單的資訊,自主判斷是否可能有海嘯威脅。

海嘯發生時要如何自救?

巨浪來襲時該如何逃生?圖/pixabay

A:事發當下,如果是地震引發的海嘯,台灣目前技術能夠在地震發生以後,結合中央氣象局的地震速報,將其轉成海嘯源去模擬各地海嘯高度,過程只需要 1.5 分鐘。以近海海嘯抵達台灣最快 15 分鐘來說,這樣的預警時間算是足夠。

但這樣的海嘯預警需要地震來當作 Enter 鍵,如果海底山崩沒有地震,就等於沒人按下 Enter 鍵,所以山崩型海嘯又稱之為「沉默的海嘯」,我們還在規劃如何預警它。

一般民眾在海嘯來臨的時候,記得要向上逃生垂直逃生。海岸邊大多都是透天厝而且三層樓以上,所以發生時就逃到頂樓。不要跑到路上,因為會塞車。如果是開車或在機車上,就趕快下車借民宅逃到頂樓。如果開車時不幸海嘯已經衝過來,留在車內時不要開門開窗,等海嘯退去,趕快逃往民宅頂樓。

至於平常的時候,沿海的重要基礎建設要知道 IIA 的結果,知道哪個地方來的海嘯影響特別大,北部的設施和南部的設施要注意的海嘯來源絕對不同。當知道哪個地方來的海嘯衝擊特別嚴重,再進一步做情境分析,了解海嘯如何衝擊這些基礎建設,然後判斷是用工程抵擋或是放棄這個設施。國家災害防救科技中心也有海嘯災害潛勢圖,可以事前知道最大情境海嘯會淹到什麼地方。

其實就台灣三四百年歷史,紀錄到的海嘯次數不少,歷史上已經有教訓了,老天都給我們那麼多機會,真的要多注意一下才行。

※本文亦刊載於環境資訊中心,原作者Medium

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia


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地球在20年間「亮度」變低了!——地球暖化讓陽光反照率直直落

Mia_96
・2021/10/23 ・2757字 ・閱讀時間約 5 分鐘

地球暖化會造成溫度升高?不稀奇!地球暖化會造成人類生活環境越來越嚴峻?也不稀奇!但你有聽過,因為地球暖化,讓我們的亮度竟然逐年遞減,地球變得越來越暗嗎?

地球亮度的改變並不是近期才出現的新興議題,關於地球亮度的變化,科學家早在 1990 年代前後便提出一種現象「全球黯化」(global dimming)去解釋為何地表獲得的太陽光能量越來越低。

當時透過資料指出,進到地球的太陽能量大幅降低,從 1950 到 1990 年入射至地表的太陽光能量,竟然平均減少 4%! 也就是身處在地球上的人類會覺得地表的亮度似乎逐漸地降低。

但入射地表能量降低的原因並非是太陽發出能量的變化,而是因為近幾年我們最常耳聞的,空污現象! (圖/pixabay

當人類使用石油、煤炭等非再生能源發電時,會在環境中產生許多氣膠微粒,而這些氣膠微粒進入大氣,微粒可以吸收、反射入射到地球的太陽光,使太陽之能量無法進到地球表面,進而造成地球亮度降低。

而全球黯化同時也影響著人們過去對於全球暖化的理解,當全球黯化造成入射到地表的太陽光減少時,代表著地球所獲得的能量並不如過往我們所想像的這麼多。換句話說,全球黯化所造成的冷卻效應竟比不上人們所造成的暖化速度!

知曉地球改變亮度的方法——地照!

近期最新研究更是顯示,1998 年到 2017 年近十年內,地球的反照率逐年下降!除全球黯化造成地表獲得太陽能量減少外,當從外太空看著地球時,地球竟然也越來越暗了!

反照率是一種常用於亮度表示的方式之一,其指的是太陽電磁波段入射至地表的總量質,除以被地表反射的量值所得出的數字。不同的地表特性即有不一樣的反射量質。因此,透過反照率的升降,科學家也可以推估氣候變遷對環境所產生的變化與影響。

計算反照率的方式十分特別,在科學中我們將其稱為「地照」!

地照現象指的為當太陽光照射到地表,地表會反射部分太陽光,而當地表反射太陽光至月球未被太陽照到的地方時,月球又會將地表所反射至月面的光線反射回地球。

看似應該沒有被太陽光照射到的月球表面,其實也會因為地球反射之陽光而產生微弱的光。而最適合觀測地照的時間通常為弦月時分。 (圖/Wikipedia

地照的變化與地表的改變息息相關。例如冰雪的反射率較高,當地表溫度較低,累積較多冰雪時,地照數據便可能會上升;而洋面的反照率較低,當地表溫度較高,造成冰雪融化成海洋,則地照數據便可能會下降。

透過地照反射的光線強弱,可以推測地球反照率的變化,進而推測地表本身變化。 (圖/Wikipedia

除了利用地照觀測地球反照率外,為使觀測更加精確,科學家利用於 2000 年發射的 CERES 儀器(Clouds and the Earth’s Radiant Energy System)觀測大氣至地表的太陽光輻射與地表放出之輻射,並進一步分析對影響地球溫度的重要因子──雲,和太陽輻射的交互關係。

CERES 主要希望可以解答雲在氣候變遷中所扮演的角色與造成的影響,是美國國家航空暨太空總署地球觀測系統(EOS)計畫中的一部分。 圖/Wikipedia

研究結果分析發現,從 2000 年到 2015 年,地球反照率曲線一直維持接近平坦的狀態,但近年,地球反照率的衰退卻日益明顯,如下圖表示:

(圖/參考資料 1

橫軸座標為年度,縱軸座標為地照反照率之異常改變(單位為每瓦/平方公尺),黑色為地照異常之數據,藍色為 CERES 觀測到異常之數據,而灰色陰影區域則為誤差範圍。從圖中可以看出,地照反照率在這幾年下降約 0.5 W/m2,而 CERES 之數據則是下降約 1.5 W/m2

十年一變──太平洋年季震盪

科學家推測,改變反照率的原因,是週期性發生在太平洋的氣候變化──太平洋年季震盪。

太平洋年季震盪指的為太平洋的海水溫度會以十年為週期尺度產生變化:當北太平洋和熱帶太平洋間的海水溫度較高時,稱作暖相位;而當北太平洋和熱帶太平洋間海水溫度較低時,稱作冷相位。

而地球亮度改變的原因,正是因為太平洋年季震盪到了暖相位,造成海面低雲減少,反照率降低!

低雲較為溫暖,其主要成分是由水滴組成,當太陽輻射照射水滴時,較多太陽反射至太空,地球的反照率較高,也造成地表溫度降低;而高雲主要成分由冰晶組成,透光性較佳,再加上高雲通常體積較低雲薄,故太陽輻射可以順利進入地表,地球反照率相對降低。

當北太平洋與熱帶太平洋間海水溫度升高時,洋面上空氣需達到飽和的水氣量相對增加,氣塊達到飽和條件較高,低層雲較難生成。(其實背後原因極其複雜,作者僅是以最簡單的方式嘗試解釋。)當低層雲減少時,反射率降低,造成較少太陽輻射至太空,地球亮度因此變得越來越暗。

雲在地球輻射能量中一直扮演著重要的角色,低雲反射太陽輻射的能力較強,高雲吸收地球輻射的能力較強,因此較多的低雲往往造成地表降溫,而較多的高雲則會造成地表增溫。 (圖/pixabay

交織纏繞的反饋機制

看完整篇文章也別急著下結論!其實地球上的現象不僅環環相扣,影響因素更是族繁不及備載,從海溫改變的原因、高低雲量多寡的變化、反照率升降的主因……,我們都很難用單純或是絕對的一段話去完整解釋自然界的現象。

科學家所能做到的,是透過原因推導、盡力的去解釋現象,所以關於地球反照率下降的趨勢原因,除了太平洋年季震盪、海溫升高、低雲變化等,或許也還有科學家尚未清楚的其他可能性。

但同時,令科學家擔心的事情是,因全球暖化造成地表的反照率降低,代表地表接收到的能量、進到地表之能量相對增加,而吸收的能量又加速全球暖化的速度,地球或許會因為這樣的回饋機制持續升溫,造成更加嚴重的溫室效應。如何去因應溫度上升造成的種種問題,也將會是我們需要不斷去思考問題。

參考資料

  1. AGU AdvancesEarth’s Albedo 1998–2017 as Measured From Earthshine
  2. science alert,《Two Decades of Data Show That Earth Is ‘Dimming’ as The Planet Warms Up
  3. Wikipedia,《Clouds and the Earth’s Radiant Energy System
  4. Wikipedia,《行星照

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Mia_96
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喜歡教育又喜歡地科,最後變成文理科混雜出生的地科老師
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