0

0
0

文字

分享

0
0
0

走過 921 的傷痛後,臺灣的地震學研究往哪裡前進呢?

震識:那些你想知道的震事_96
・2019/09/18 ・3100字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 546 ・八年級
  • 文/馬國鳳

大地震總是難免會帶來傷亡和損失,為此從科學面來看更應盡其所能的將地震所帶來的各種數據觀測徹頭徹尾的研究。因此,雖然九二一集集地震許多台灣人的傷痛,但在地震科學界,也因此地震而有了獨步全球的研究成果;即使我們都不希望再有這樣的強震發生,但卻無法無視自然的法則。從強震中挖掘出更多未知,解決地震危害的問題,便是從事地震科學相關研究的學者畢生職志。接著,讓我們看看集集地震讓學界學習到了什麼。

每到九月,總是讓我們想起 1999 年的 9 月 21 日的集集大地震,當年地震帶來的災害至今仍讓大家餘悸猶存。在大地震發生後,臺灣不論在地震科學、工程或防災上,都有更深入的推廣及學習,相關的成果也為世界所重視。藉由此機會,本文將介紹近年來由臺灣出發而獲世界重視的斷層動力科學觀測及分析成果。

世界各地的大地震時常帶來驚人的傷亡與損失,面對如此可怕的天災,我們的科學家又是如何應對與研究的呢?圖/Pixabay

天搖地動後,萬眾矚目的車籠埔斷層

由於前人睿智的建議,臺灣自 1993 年開始,由中央氣象局地震測報中心架設了全世界最高品質且密集的強地動觀測網,成為當時全世界唯一在災害性地震發生前擺設完成的強地動觀測網。因此,在 1999 年集集地震發生後,此觀測網資料為世界提供了解大規模破壞性地震機制最全面的研究。

另外,也透過地震資料分析及其斷層模式反演,以及地表地質的觀測,了解到破裂的車籠埔斷層北段有高達約 12 公尺的斷層滑移量,及長週期的大滑移速度值,但是在南段雖無太大的滑移量,卻有高頻振動以及高的地震動加速度,而這種大的滑移量與滑移速率的整體斷層運動行為特別受到了世界的矚目

集集大地震的這些現象為何會受到全球的關注呢?

各國科學家都非常關注集集大地震是,是地震界學者們目光的焦點。圖/Giphy

首先,在當時對於地殼應力的理解中,是無法造成如此大的斷層位移的;其次,一直以來,地震工程大多認為是地震動加速度才是造成災害的主因,但此次地震資料也揭露了大地震的滑移速度之週期對大型建物的影響;最後,在分析災害行為中,也暗示了地震破裂的複雜動力行為,故集集地震提供了地震科學及工程深切了解斷層大滑移量的物理機制及其災害特性

啟動斷層鑽探計畫、裝設現地井下地震儀

因此,在突破性的科學研究、國科會(現科技部)的支持下, 2006 年開啓了臺灣與美、日、德、義等多國共同參與的世界矚目的國際型臺灣車籠埔斷層鑽探計畫 (Taiwan Chelungpu-fault Drilling project, TCDP) 。

成功的鑽探到集集地震的滑移帶,其厚度約為毫米等級,且含有非常細緻,約為奈米等級的黏土礦物斷層泥,此項鑽探結果除了增進對地震能量分區的理解,也了解到地震動力學的行為是需要地質及地震科學相互的配合。

如上述,集集地震時的高品質密集地震記錄及成功的滑移帶鑽探,提供世界研究地震動力的分析基礎。因此,透過理論力學分析地震運動滑移的時間及空間分佈,研究團隊也得到地震斷層面上的動力學參數,顯示剪切應力在斷層面上分佈的不均勻性,且其斷層摩擦力會隨時間及空間變化的複雜性。

地震總能量的分析上,藉由集集地震鑽探計畫所得到的斷層泥顆粒及厚度,得出產生此斷層泥的破碎能所做的功。在鑽井後的地球物理井測(分析穿透地層地性質的技術)及溫度量測,分析地震中熱能的耗損,以及鑽探所得的斷層帶岩芯、岩石力學分析等,皆為現在斷層力學中的高引用度文章。熱能為地震力學中最難分析的數值,在測量中所得斷層帶低摩擦係數,也促使往後世界各國在大地震後進行測量摩擦熱的鑽井計畫 (例: 2008 年汶川 WCSD 及 2011 年日本東北大地震 J-FAST) 。

隨著 TCDP 鑽井計畫成功定義出 1999 集集地震的滑移帶,研究團隊接著在井孔內安裝現地井下地震儀 (臺灣車籠埔斷層井下地震儀「Taiwan Chelungpu Fault Drilling Project Borehole Seismometers Array, TCDPBHS」) 以監測發生大滑移量後的斷層帶行為。

在集集地震後啟動的 TCDP 鑽井計畫,帶來了重要的科學成果!圖/轉載自震識原文

地震動力學的研究對了解地震物理行為,如起始、傳播和癒合至關重要,斷層滑移的物性關係是地震震源動力描述的關鍵,而科學深井鑽探計畫,提供了難得的機會觀察斷層深處的破裂,讓我們得以了解 1999 年集集地震的物理環境。

其簡略流程約為:

  1. 首先,在彈性張量儲存以及釋放之處,也就是巨大的錯動破裂面上取出一段連續的岩心剖面
  2. 在高速大滑移量區採樣
  3. 確定斷層帶內的物理條件(應力、孔隙壓力、溫度)。

之後,再配合跨斷層帶的現地井下地震儀,提供斷層帶動態變化的近距離觀測資料,以了解大地震後斷層帶的構造及變化。

在多年血汗淚之後,科學家的研究成果是?

雖然 1999 年集集大地震造成大規模的災害,但由於在地震發生之前,已密集架設的強震站也提供了對集集地震進行廣泛研究的機會。因此,此項寶貴的資料除了促使世界關注高質量的近斷層資料,也提供了機會給地震學和地震工程師能更全面了解破壞性地震的災害特性。近地表最大的滑移量可達約 12 公尺,緩傾構造為科學鑽探提供了獨特的機會來了解大滑移量的斷層物理特性。

透過此項計畫,研究團隊發現微米級的滑移厚度是集集大地震的重要證據;由現地溫度測量得到的低摩擦係數也是解釋在地殼斷層是強或弱的悖論的重要發現;透過跨斷層現地井下地震儀的多年觀察,研究團隊持續努力透過近距離地震觀測資料揭示斷層帶的動力學。

從最近的研究中發現,透過動態觸發,斷層帶可能被區域或遠距離的地震影響,導致速度與應力異向性的變化,進而在大地震後,與世界上的斷層帶可能有遠程的連結;透過大地震後斷層帶的現地井下地震儀,研究團隊可以近距離觀測斷層帶行為及其隨時間的演變情形,獲得第一手資料,並瞭解地震的誘發行為

與科學家一起展望地震科學的未來吧!

科學家致力於讓整體社會有更充足的準備來面對下一個劇烈的地震,並且提升大眾對災害的認知與地震教育,尋求更好的未來。圖/Pixabay

地震科學不只是科學研究,它與民眾、社會及國家經濟都有重要的關聯。隨著對地震科學前瞻研究的投入,研究團隊在幾年前再次結合地質及地震科學,成立臺灣地震模型 (Taiwan Earthquake Model, TEM) ,瞭解臺灣的斷層及孕震特性,尤其斷層震源破裂的物理特性,藉由分析其地震波傳遞特性來了解臺灣各區域的地震危害潛勢。而地震危害潛勢分析以及未來希望獲得推廣的全震源時間及空間的地震景況與情境模擬,除了有助於地震工程及政府相關法規的推展外,亦對產業面對的地震危害有更先進的風險管理,以降低下次災害性地震帶來的風險

臺灣位於活躍的板塊活動區,地震的發生是必然的。因此在科學面上,研究團隊希望臺灣可為世界帶來更多先進的觀測及前瞻性的科學研究成果;同時,也希望透過地質及地震科學的研究,整合相關領域,提供政府及民間甚至產業更多的地震防災資訊及知識,並透過科普教育的推廣防災知識。研究團隊已為此建立了 「震識」部落格,以透過社群網站提供正確的地震地質及防災知識,使地震科學教育更加落實。

本文轉載自震識:那些你想知道的震事,原文為《九二一地震啟示錄:科學家的課題》,也歡迎追蹤粉絲頁震識:那些你想知道的震事了解更多地震事。

文章難易度
震識:那些你想知道的震事_96
38 篇文章 ・ 6 位粉絲
《震識:那些你想知道的震事》由中央大學馬國鳳教授與科普作家潘昌志(阿樹)共同成立的地震知識部落格。我們希望透過淺顯易懂的文字,讓地震知識走入日常生活中,同時也會藉由分享各種地震的歷史或生活故事,讓地震知識也充滿人文的溫度。


2

6
0

文字

分享

2
6
0

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

所有討論 2
Mia_96
156 篇文章 ・ 375 位粉絲
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
網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策