差點震垮葡萄牙的里斯本大地震,震出地震研究的新視角——《愛因斯坦冰箱》

生長在臺灣的我們對地震向來不陌生,歷史上哪一次地震對人類文明影響最大呢?恐怕非 1755 年里斯本大地震莫屬,那一次的地震不僅差點震垮葡萄牙這個老牌的殖民帝國,引發了最早的地震學研究,更讓方興未艾的啟蒙運動得到一個施力點,撼動西歐傳統宗教道德合一的傳統。

特別是這場大地震深深地吸引了一位年輕普魯士學者的目光,我們依稀可以在幾十年後他精心完成的哲學體系中聽到這場大地震的餘音。

1755 年的銅雕,表示里斯本大地震後,所發生的火災及被海嘯摧毀的船隻。圖/wikimedia

1755 年 11 月 1 日早上 9 點 40 分左右,一場劇烈的搖晃持續了 3~6 分鐘,許多房屋應聲而倒。這天是天主教的諸聖日,所有的信徒必須到教會參加彌撒,所以當天教堂裡擠滿了信徒。這場驚天地動里斯本市中心被震出了一條約五公尺寬的巨大裂縫,但可怕的災難尚未結束。

大地震後約四十分鐘後,接續三波的大海嘯席捲里斯本,摧毀了碼頭和市中心;禍不單行的是,地震引發的大火延續了五天才被撲滅。而整個南葡萄牙也都遭到非常嚴重的破壞,連大西洋沿岸如北非、英國、愛爾蘭都遭到海嘯的襲擊。光是里斯本的死亡人數就可能高達九萬人(當時里斯本人口約二十七萬),里斯本 85% 的建築物被毀,很多珍貴的資料也被大火焚毀,最可惜的莫過於達伽馬的詳細航海記錄。

國王若澤一世(Jose I)以及皇室成員在日出舉行彌撒後就離開了里斯本,逃過了一劫。被國王視之為股肱之臣的梅羅(後來受封為龐巴爾侯爵)聘請很多建築物和工程師來重建里斯本,不到一年,里斯本就恢復了盎然生機,而這些新建物特別注重防震的設計。

現在里斯本的市中心龐巴爾下城是抗震建築的最早實例之一,建築的特徵就是龐巴爾籠(gaiola pombalina),它是一種對稱的木格框架,可以分散地震力量;此外還有高過屋頂的牆,可以遏止火災蔓延。龐巴爾侯爵曾讓軍隊在周圍遊行,以模擬地震來測試建築物。里斯本市中心的廣場現在還矗立著若澤一世的騎馬銅像,俯瞰著重建的里斯本城。

若昂一世銅像。圖/wikimedia

龐巴爾侯爵是個富有科學精神的人,除了進行重建外,還照著順序,一個一個教區地進行諮詢;他的問題包括:地震持續了多久?地震後出現了多少次餘震?地震如何產生破壞?動物的表現有否不正常?水井內有什麼現象發生等。

這些問題的答案現在還存放於「葡萄牙國家檔案館」(National Archive of Torre do Tombo)。藉著這些資料,現在的地震學家估計里斯本大地震的規模達到 9,震央位於聖維森特角(Cabo de Sao Vicente)之西南偏西方約 200 公里的大西洋中。這算得上是現代地震學的濫觴了。

這場大地震影響的不只是葡萄牙,而是整個歐洲的知識界。對後世影響最大的首推英國的約翰.米歇爾牧師在地震之後所寫的論文:《關於地震成因以及地震現象的觀察》(Conjectures concerning the Cause and Observations upon the Phaenomena of Earthquakes)1一文。他在這篇論文中提出地震會擴散,就像水波在池塘擴散一般,是一種波動現象。而且他還主張地震的波動在遇到地層的斷層時,波傳播的方面會隨著改變。

米歇爾甚至嘗試尋找震央,並且認定震央在大西洋,所以他懷疑地震後的海嘯是由於地震引起的。但是談論到地震的成因,他可就錯得離譜了,他認為是地殼的水與地心的火相遇形成高壓的氣體所造成的。

現代地震學直到十九世紀的愛爾蘭科學家羅伯特.馬萊(Robert Mallet)在 1862 出版的《1857 年拿坡里大地震:觀測地震學的第一原則》(Great Neapolitan earthquake of 1857: the first principles of observational seismology)才算是真正成為一門科學。

馬萊用實驗以及收集的資料推測 1857 年發生在義大利拿波里地震的震央在地表下九哩。地震學這個英文字「seismology」正是馬萊所創造的。

地震波與芮氏地震規模

地震:岩體受到黑色箭頭的力,開始在黑框區域內變形累積能量,並且變形。累積能量超過岩體強度,岩體沿著箭頭方向作相對位移,釋放累積能量。圖/商周出版提供

十九世紀末,德國物理學家埃米爾.約翰.維舍特(Emil Johann Wiechert) 發現地球表面的岩石密度和地球平均密度之間存在著一定差異,隨即提出地球有一個質量極大的鐵核的結論,他也是史上首位地球物理學教授。而他的理論被他的學生賓諾.古登堡(Beno Gutenberg)發揚光大。古登堡在 1914 年提出了地球有三個分層的結論。

維舍特的另一個學生宙依皮瑞茲(Karl Bernhard Zoeppritz)提出的 Zoeppritz 方程式是連結 P 波(primary wave)與 S 波(次波,secondary wave)的重要關鍵。

P 波意指首波或是壓力波(pressure wave)。在所有地震波中,P 波傳遞速度最快,因此發生地震時,P 波會最早抵達測站並被地震儀記錄下來,這也是 P 波名稱的由來。P 波的 P 也代表壓力(pressure),來自於其震動傳遞類似聲波,屬於縱波的一種(或疏密波),傳遞時介質的震動方向與震波能量的傳播方向平行。

S 波的速度僅次於 P 波。S 波的 S 也可以代表剪切波(shear wave),因為 S 波是一種橫波,地球內部粒子的震動方向與震波能量傳遞方向是垂直的。S 波與 P 波不同的是,S 波無法穿越外地核,所以 S 波的陰影區正對著地震的震源。

至於地震的成因,則是直到 1906 年舊金山大地震後,美國科學家哈里.菲爾丁.芮德(Henry Fielding Reid)提出彈性回跳理論(elastic-rebound theory)才有具體的答案。因為地殼為彈性體,受到應力行為時,會不斷地變形並且累積應變能量,當應變能量累積到超過岩體中弱面強度時,岩體就會沿著此弱面滑動造成地震震波。

芮氏地震規模最早則是在 1935 年由兩位來自美國加州理工學院的地震學家芮克特(Charles Francis Richter)和古登堡共同制定的。規模相差 1,代表振幅相差 10 倍,而所釋出的能量則相差約 32 倍。人類對地震的了解隨著物理學的發展而不斷增加,但是直到今天,我們還是無法準確地預測地震。

注釋

  1. 出處:Philosophical Transactions, li. 1760

——本文摘自泛科學 2019 年 8 月選書《愛因斯坦冰箱》,2019 年 7 月,商周出版。


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