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風聲、手臂聲、地震聲?洞察號在火星上聽到的震波訊號代表了什麼?

Whyjay
・2019/07/25 ・2459字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 482 ・五年級

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美國國家太空總署 (NASA) 的洞察號 (InSight) 火星探測器,在今年的4月6號 (2019/4/6) 擷取到了有史以來第一個可能是「火星震」的訊號1

這是人類在繼地球與月球之後,第三個發現的具有地震活動的天體。然而,不管是火星也好月球也好,與板塊運動活躍的地球相比都顯得死寂許多,縱使存在一些斷層、火山、峽谷 (例如火星上的水手谷),也都是非常古老的地形。可想而知,在這些不同星球上,地震的來源應該也會有所不同。

洞察號 (InSight) 火星探測器圖解。那個放在地上有圓頂的東西就是偵測地震波的儀器,叫做 SEIS。影像來源:NASA

地震波的可能來源

當物質透過振動來釋放或轉移能量時,就會形成地震波。這點與聲波非常相似──當你送氣振動你的聲帶時,就會產生聲音。

在地表附近傳輸的地震波 (振動) 被人類偵測到時,就被稱為地震。因此,任何能讓地表產生振動的方法,都是地震波的可能來源。

地球:走路、打球、山崩、斷層錯動等等

在地球上,有太多的方法可以產生地震,差別只在於規模的大小。

極微小的振動例子像是走路、打球、開車、瀑布流水等等,儀器可以檢測出由這些來源發出的地震波,但是人類自己無法感知也不會花太多心力去注意。中等程度的地震可以由諸如隧道工程、大樓爆破、山崩、火山活動、胖虎唱歌等等規模的地表振動產生,如果你身處這些事件發生地點的附近,你或許可以感受到地表輕微的震動。

而在地球上的大地震,除了少數是出自於核試驗2或火山活動之外,大部分都是斷層錯動所引起的。斷層錯動所需要的能量來自板塊之間的相互運動,而板塊運動所需的能量則來自地球內部的熱對流。

有個可以在家做的小實驗,可以讓你體會一下熱對流是怎麼驅動板塊的:只需要裝一碗豆漿,放在爐子上加熱,你就會看到豆漿表面出現的薄膜會開始受到下層液體對流的影響,不停的移動、撕裂跟聚合。(為什麼熱豆漿表面會有薄膜?請看這裡3。)

月球:隕石撞擊、熱脹冷縮、地球引力?

月震是在 1969-1972 年間,被阿波羅計畫的太空船擺放在月球上的地震儀首度發現,而且還為數不少4。除了由登月艇自身造成的人為振動外,月球上可說是缺少一切我們之前提到過的地震來源。

然而,因為月球缺乏大氣層的關係,我們可以預期有比較多的隕石撞擊事件,而每一個撞擊事件都會伴隨著地震。除此之外,科學家還提出了其他比較炫,但是物理上說得通的原因:

  • 其一是月球因沒有大氣層的關係,日夜熱漲冷縮的情形會比較劇烈,反覆膨脹收縮的結果可能會讓月球表面破裂,釋放地震波能量;
  • 其二是地球的潮汐力會把月球拉伸 (就像海洋被月球拉走形成潮汐一樣),雖然月球是固體,但累積下來的潮汐能量可能會在月球內部透過振動的形式釋放,形成地震 5,6
阿波羅任務的太空人 Buzz Aldrin 正在安裝月球上的地震儀。影像來源:NASA

火星:風聲、手臂聲、地震聲?

我們對於火星上地震來源的了解就少得多了。在 NASA 的新聞中1,你可以看到整段震波訊號被解釋成三個來源,分別是風聲、地表或地下某處傳過來的振動、與機器手臂操作時製造的振動。 en.natashaescort.com

科學家對那個「某處傳過來的振動」特別在意,原因是火星和月球與地球都不同,前面列出來的地震來源在火星上可能很罕見,但也不能完全確定不可能。會是探測器附近發生了山崩嗎?或是在某處有個小隕石撞擊?是行星冷卻時物質擠在一起發出的碰撞聲,還是火星內部還有餘熱讓物質運動並產生地震波?目前都還沒有人知道。

影片說明:第一個火星震的波形圖。地震波依照來源的不同而被分成三個區段:風聲、火星震,以及機器手臂操作時的震動訊號。 via NASA1

所以,我們如何能確定火星震的來源?

每種不同的振動來源都會產生具有不一樣波形的地震波。以斷層錯動造成的地震波和山崩造成的地震波為例,前者的最大震幅 (最大搖晃程度) 會在一瞬間忽然抵達,而且持續時間比較短暫;而山崩的地震則是漸進式的,地表會慢慢搖晃至最大程度,再慢慢地消退。

因此,地震波的紀錄相當於地震來源的「指紋」,只要累積了足夠的數據,我們就能大致推敲出比較可能的成因。

洞察號探測器只在火星上工作了短短幾個月就已經偵測到數個可能的地震,再過些時日,我們就能有更多資料,比對指紋得出火星震的可能來源。希望不是火星人在地底下蓋軍事基地的訊號!

地震波的「長相」隨著來源的不同而不同。在圖中,藍色區段的地震波是土石流所引起,而棕色區段的地震波則是典型因斷層錯動引發的地震。上下兩行波形代表在不同週期下的振動形式。via  Colin Stark & Göran Ekström 7,8

參考資料/延伸閱讀

  1. NASA’s InSight Detects First Likely ‘Quake’ on Mars
  2. 2017年北韓核武試驗
  3. 不要丟了!其實豆漿和牛奶表面薄膜超重要
  4.  Goins, N. R.; et al. (1981). Lunar seismology – The internal structure of the moon. Journal of Geophysical Research. 86:5061.
  5.  Latham, G.; et al. (1972). Moonquakes and lunar tectonis”. The Moon. 4 (3–4): 373–382.
  6.  Duennebier, F. & Sutton, G. H. (1974). Thermal moonquakes. Journal of Geophysical Research. 79 (29): 4351–4363.
  7.  Stark, C. P., Ekstrom, G., Hibert, C. Landslide dynamics from seismology: new results. Presented during AGU Fall Meeting 2015/12/14-18, EP51D-08
  8.  Detecting Landslides from a Few Seismic Wiggles. 
  9. 「洞察號」成功登陸火星,NASA 展開深度探索

___________
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透過我的眼睛、鏡頭的眼睛、還有衛星的眼睛看世界的地球科學研究者。期望與你分享冰川下封存的秘密或是火山上隱藏的故事;夜晚,我們更可以遙望皎潔的明月,更遠的木星與冰衛星,甚至更遠更遠──某顆系外行星上的生命,或許也正拿望遠鏡看著我們討論人類最終的歸宿。推特:https://twitter.com/WhyjayZ (英文)

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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在完成環球航行之前,人類是如何計算出地球周長的?——《數學就是這樣用:找出生活問題的最佳解》
天下文化_96
・2022/12/03 ・1906字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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十六世紀初的環球航行

既然史上第一次環球航行到十六世紀初才完成,埃拉托斯特尼在公元前 240 年又是用什麼方法,這麼準確估算出地球周長呢?他顯然不可能用捲尺繞地球一圈。他的替代做法是先測量地球表面上的一小段距離,再利用一些巧妙的數學運算,省去必須測量整段長度的麻煩。

埃拉托斯特尼在公元前 240 年又是用什麼方法,這麼準確估算出地球周長呢?圖/pexels

埃拉托斯特尼掌管古代最好的亞歷山卓圖書館,在幾個科學領域都有極有趣的貢獻,包括數學、天文學、地理學、音樂等等。不過,儘管他有新穎的工作成果,同時代的人卻瞧不起他的能力,還給他「第二名」(Beta)這個綽號,暗示他不是第一流的思想家。

質數表的誕生

他提出的聰明想法之一是,用有系統的方式產生一系列質數。為了找出從 1 到 100 之間的所有質數,埃拉托斯特尼提出以下的程序。從 2 這個數開始,刪掉隨後所有 2 的倍數,只要在數字表中刪除每走 2 步遇到的整數就行了。接著走到 2 以後還沒刪掉的下一個整數,顯然是 3,現在要有系統的刪除每走 3 步遇到的所有數字,就刪掉了 3 的所有倍數。這個方法在此刻開始顯出自己的本領。整數表中還沒有刪掉的下一個數是 5,重複我們在前面兩個數所用的方法,把每走 5 步遇到的數字全部淘汰掉。

這個程序的要訣是:移到下一個還保留著的數字,然後往後面刪掉這個新數字的所有倍數。如果你做得很有系統,把 7 的倍數都淘汰之後,就會產生一個小於 100 的質數表。

埃拉托斯特尼篩法是個找出在一特定整數以下的所有質數之簡單演算法。圖/wikipedia

這個程序極為聰明,省去了必須考慮很多的麻煩,非常適合電腦執行,但若要大量產生質數,它的問題是很快就會變得效率低落。它是思考的捷徑,可以讓你像機器般產生質數表,但這不是我想在本書裡頌揚的那種捷徑。我想要的是發掘質數的聰明策略。

利用太陽的位置計算地球周長

不過,我要給埃拉托斯特尼的地球周長計算工作打高分,因為太巧妙了。他聽說斯溫尼特(Swenet)城裡有一口井,太陽每年會有一天在它的天頂。太陽在夏至正午直射井底,不會在井邊投下任何影子。斯溫尼特就是今天的亞斯文(Aswan),離北回歸線不遠,北回歸線位於北緯 23.4 度,是我們發現太陽能夠從頭頂直射的最遠位置。

太陽在夏至正午直射井底,不會在井邊投下任何影子。圖/pexels

埃拉托斯特尼知道可以利用這個和太陽位置有關的資訊,在夏至這天進行實驗,讓他算出地球的周長。雖然這樣他就不必用捲尺繞地球一圈,但這項實驗還是需要走走路。他相信亞歷山卓位於斯溫尼特的正北方,於是在夏至那天,他在亞歷山卓豎起一根竿子。兩地的經度實際上差了 2 度,雖然沒有百分之百準確,不過我要為他的實驗精神鼓掌。

那天,太陽直射斯溫尼特,沒在那口井投下影子,但卻讓亞歷山卓的竿子產生一道影子。埃拉托斯特尼測量了影子長度和竿子長度,就能畫出一個具同樣比例的三角形,然後量出角度,這會告訴他亞歷山卓在地球周長上與斯溫尼特距離多遠。他量出的角度是 7.2 度,也就是一整個圓的 1/50,現在他只須知道亞歷山卓到斯溫尼特的實際距離。

他沒有親自走到斯溫尼特,而是雇了一位專門丈量距離的人員,稱為測距員(bematist),他們會在兩座城鎮之間走直線,當中只要有任何偏差都會把估算搞砸。丈量結果會用更大的計量單位來記錄:斯塔德。結果,亞歷山卓在斯溫尼特以北 5,000 斯塔德,倘若這是繞地球一整圈的 1/50,那麼地球的周長就會等於 250,000 斯塔德。

今天我們並不確定,埃拉托斯特尼所雇的測量員到底是用多少步來計量他的斯塔德,但就如我在前面解釋過的,這個丈量結果好極了。用一點幾何學,他就省去了雇人走地球一圈的需求。

用一點幾何學,他就省去了雇人走地球一圈的需求。圖/pexels

幾何學的英文字 geometry 正源自這個實驗,因為拆解之後,它是意指「丈量地球」的希臘文:geo=地球,metry=丈量。

——本文摘自《數學就是這樣用:找出生活問題的最佳解》,2022 年 11 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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【2022 年搞笑諾貝爾工程學獎】旋鈕大小與手指數之間的完美關係:轉動音量鈕需要用到幾根手指?
linjunJR_96
・2022/09/29 ・1644字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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旋鈕多大才好轉?誰知道啊!

有些問題是生活中不斷遇到,卻從來不會加以思索的。像是當你在開車時調整車上的冷氣溫度,還有聽音樂時調整藍芽音響的音量與音色。此時,指尖所操控的旋鈕該做多大,才是最好轉的呢?

「誰知道啊!」你心裡這麼想。

這種日常體驗的問題看似微不足道,但其實就是產品設計和工業設計這類領域最關注的焦點,甚至能幫你贏得搞笑諾貝爾獎!

本年度的搞笑諾貝爾獎頒獎典禮在線上舉辦,表揚世界各地的研究者如何用專業能力探討奇妙的問題。今天要介紹的工程學獎,頒給了日本千葉工業大學的松崎元教授,以及他扎實的研究論文《如何用手指操控柱狀旋鈕》。透過實驗室中的實際測量,松崎教授紀錄了人們使用各種大小的旋鈕時,如何下意識地將不同手指放在不同位置來操作。

圖/Pexels

當我們看見一顆旋鈕,我們會透過目測其大小,來決定該用怎麼樣的手勢轉它。如果是直徑一公分左右的小旋鈕,我們會選擇只用拇指和食指來操作,更多的手指只會徒增不便;但如果是快十公分的大旋鈕,就需要動用四五根手指。這個決定不單純只是個人偏好,而是跟人類手掌和手指的構造有關聯。只有某種握法才是最舒服方便的。

此外,通常看到旋鈕就直接給它轉下去了,不會在旋鈕上面嘗試並修正來達成「最佳觸感」。也就是說,這個決策過程從小多次練習後,已經完全變成下意識的過程,只能透過實際測試結果來描繪。

下意識的選擇,只有做實驗才知道

在實驗室中,松崎教授的透明桌面上平放一個白色的圓形旋鈕,並請 32 名受試者順時針旋轉這個旋鈕,並從桌面下的攝影機捕捉人們手指的位置。旋鈕的直徑從七毫米到十三公分,總共 45 種。結果顯示,當旋鈕越大,動用的手指數量越多(一如預期)。只要旋鈕直徑超過五公分,大多數受試者便會開始使用五根手指。

根據所有受試者的統計結果,松崎教授整理出了上方這個十分優雅的圖表。標靶一般的同心圓代表各種大小的旋鈕。圖下半的粗黑直線是基準線,所有測試結果的拇指位置統一對齊這條線,以利進行比較。上方的四條曲線,由左到右分別是食指到小指的位置,虛線則是統計標準差(當然,實際上的實驗結果應該是一個一個離散的點,這裡簡單地用二次曲線進行擬合,比較好看)。

圖/參考資料 3

這張圖總結了不同旋鈕大小的情況下,人們手指位置如何變化。有趣的是,隨著旋鈕變大,四根手指的位置並非簡單地輻射向外,而是呈現螺旋狀。猜測是跟手掌張開並旋轉的方式有關。這種細微的趨勢不做實驗還真猜不到。

不是為了搞笑,每份研究都超認真

這份研究其實在 1999 年就已經發表,時隔二十多年獲得搞笑諾貝爾獎。儘管中文翻譯是「搞笑」諾貝爾獎,但是包括松崎教授在內的所有獲獎者,可是從來沒有要搞笑,而是以非常專業的態度在做他們的工作,這些研究成果也都發表在正式的期刊。自 1999 年的旋鈕研究之後,松崎教授又相繼研究了提袋握把和雨傘握把,可說是精通抓握之道的男人。

雖然得到搞笑諾貝爾獎,但研究內容都是超認真。 圖/GIPHY

松崎教授表示,他很樂見這個獎項讓更多人開始關注設計工程的領域。這門學問專注於探索人與物品之間的關係,並藉此創造最舒適的使用體驗,打造出實用的工業產品。

更多有趣的研究,請到【2022 搞笑諾貝爾獎】

參考資料

  1. Japanese professor wins Ig Nobel prize for study on knob turning
  2. Japanese researchers win Ig Nobel for research on knob turning
  3. 松崎元, 大内一雄, 上原勝, 上野義雪, & 井村五郎. (1999). 円柱形つまみの回転操作における指の使用状況について. デザイン学研究, 45(5), 69-76.
linjunJR_96
31 篇文章 ・ 540 位粉絲
清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。