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面對地震,人們準備好了嗎?在集集地震後的20年

科學月刊_96
・2019/09/22 ・3557字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 552 ・八年級
  • 文/潘昌志,臺大海洋研究所碩士、師大地科系博士班二年級,筆名阿樹,現為「震識:那些你想知道的震事」副總編輯。

1999年9月21日的凌晨,震央位於臺灣南投集集鎮的一場芮氏規模7.3的大地震,除了造成人類生命及財產上的損失外,更是一場死傷慘重、影響無數的自然災害。事過境遷後,這場地震為臺灣帶來什麼影響,又教會了人們哪些事?

上世紀後半災情最慘重的集集地震,給了臺灣地震學家一個沉重的功課。這 20 年來,筆者不敢說這功課寫得好不好,但至少地震學家並沒有減少努力過,為的就是希望在下次大地震來臨前,能做好更萬全的準備。

舉世界之力研究車籠埔斷層

除了集集地震後針對車籠埔斷層、全臺活動斷層的研究各有成果外,在 2004 年更促成臺灣與美、日、德和義等多國共同參與的臺灣車籠埔斷層鑽探計畫(Taiwan Chelungpu-fault Drilling project, TCDP)。TCDP計畫成功鑽探到集集地震的滑移帶,發現其厚度約為毫米等級,且含有非常細緻、奈米等級的黏土礦物斷層泥。此項鑽探結果也增進對地震能量分區的理解,更連結了地質及地震科學兩領域。

斷層泥的成因,主要是斷層在地震發生時,高速滑移而瞬間產生高溫、高壓的環境,使得斷層面上的岩石被剪碎,若裡面含有地下水的話,甚至還會產生化學變化。利用斷層泥的顆粒、泥層厚度的分析,可以推估斷層面上所釋放能量。這樣直接「看」到斷層面的研究方式在當時國際上也是少見的,而後 2004 年的汶川地震與2011年的東日本大地震也同樣採用此技術,以了解斷層面的摩擦係數。

斷層泥能協助推估斷層面上所釋放能量。source:wikipedia

除了鑽井採樣之外,也有更一步的探測,例如雙井實驗,將其中一口鑽井注水、並在40公尺外的另外一井觀測地下水變化,來取得斷層帶的岩石孔隙度、透水程度等參數,進一步了解斷層面性質。而臺灣車籠埔斷層井下地震儀(Taiwan Chelungpu Fault Drilling Project Borehole Seismometers Array, TCDPBHS)計畫,則是直接將7台地震儀安裝在地下 950~1300 公尺深處,跨越斷層帶,以監測大地震後的斷層帶行為。

在鑽井計畫和井下地震儀等計畫加持下,讓地震學家對於臺灣的地震又有更深的認識。首先,中央大學地球科學系教授馬國鳳的研究團隊發現一種只有 P波、卻沒有 S波的地震訊號。此特殊地震集中發生於斷層帶上,經過進一步驗證後,發現地底的水壓變化會誘發微地震。雖然地震規模不大,但這項研究是地下水變化會引發地震的直接證據,對於近來興起的頁岩氣和地熱井開發等使用水力壓裂技術的新能源發展,是一種從地震學角度的提醒。

雖然人們無法預知下次大地震何時到來,但卻可以藉由深入研究已發生的大地震,讓地震科學向前進移,以增進知識、達到減少災害。

地震研究早就開始了

1999 年的集集地震雖然是近 50 年來災情最慘重的地震,不過有許多關鍵的觀測與研究,是從更早之前就開始運作。1986 年的花蓮強震造成北部地區的中和華陽市場倒塌,遂使當代的地震學家與政府開始重視地震觀測與防災。於 1989 年成立中央氣象局地震測報中心,1993 年開始在各地架設強震儀,組成強地動觀測網。強震儀屬於加速度型地震儀,專門針對地表震度大的地震所設計,可以藉由量測加速度轉換成震度,提供防災參考,同時也能讓人們更了解大地震的地表振動行為。

由於地震學前輩們的真知灼見,儘管集集地震災害嚴重,但也因為有當時世界上最密集的強地動觀測網與地震速報系統,在震後 2 分鐘之內就自動產出地震速報,相對於 1995 年之前,需要 30 分鐘才能得到可信的地震規模與震度,快速許多。而 900 多台強震儀的強地動資料,也提供極大量且完整的地震資料,在當時世界各地強震網中也是相當罕見的紀錄。

地震資料讓地震學家有機會仔細分析斷層錯動的模式,加上地表地質觀測的佐證,發現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。南段雖無太大的滑移量,卻有高頻振動及較高的地振動加速度,這種大規模、高速的斷層運動行為也特別受到世界矚目。

更多的地震知識與解析

地振動加速度地振動速度,分別為地震波在經過時地表質點可以量測到的粗體加速度值速度值兩者的意義與成因皆不同。在一地震中,通常同時具有長週期、短週期兩種地震波,會造成高地振動加速度的震波多為短週期震波,而長週期震波通常不易產生高加速度值,卻容易產生高的地振動速度。

位處台北市的東星大樓是北部當時最嚴重的受影響區域之一。source:wikipedia

過去,在地震工程中多半認為地振動加速度為致災主因,因此在震度的觀測上多考量最大的地動加速度,加速度值越高,震度就越大。但從集集地震資料發現,除了地動加速度之外,地震斷層的滑移速度大時,會產生較長週期的震波。長週期震波即使加速度不大,但因為週期長、朝著同一方向的加速經歷時間跟著變長,進而導致擺動的速度更高。長週期震波對高樓大廈等大型建物的影響也更為顯著,通常在一瞬間就能達到很高的速度值,因此地震工程界又稱其為「長週期速度脈衝」。

同時,對受災建築的分析,也發現地震破裂的複雜動力行為,故集集地震使地震學及地震工程領域深切了解斷層發生大規模滑移的物理機制及其災害特性。因而在耐震設計上,陸續也將「地動速度」與「振動週期」作為設計規範的考量。在近2年氣象局更進一步推動調整震度分級,儘管仍在討論階段未正式公布,但也希望未來能跟上新的科學發現,更貼近防災需求。

震波週期對於高樓建築的影響。source:美編重繪

防災意識抬頭,學者與大眾對話

集集地震的隔年,政府頒布了《災害防救法》,重大天然災害的防治開始有法源依據,接著2003年成立防災國家型科技計畫辦公室,而後轉型成現在的國家災害防救科技中心,著力於科技研發、災害風險管理及防災意識的推廣。此外,據筆者觀察,近年來發生重大災害事件時,在新聞、談話節目及各種傳播媒體中開始有許多專家嘗試與民眾對話。相較於20年前集集地震發生時,政府與民眾的防災識意都提升許多。

而在地震防災上,近年來最重要的兩面向分別是以災防告警系統發布強震即時警報及公告斷層、地振動與土壤液化等災害潛勢圖。

source:wikimedia

災防告警是人們今日能快速收到「地震預警」簡訊通知的最大關鍵。早在2002年,已經能達成在地震發生後22秒產製初步地震資訊的功能,但直到通訊技術成熟、手機上能收到地震預警簡訊時,臺灣的地震預警成果才廣為人知。不過,在這20年間許多產學合作已開始將地震預警技術推向應用層面,例如在科技園區或鐵路運輸上可以利用早期預警減少損失或災害;亦有業者將地震預警結合智慧家庭與自動系統,也期許未來有更多發展。

集集地震發生以來,地震科學的學術領域持續有突破性進展,在國際上亦有舉足輕重的地位。但地震科學的研究目的,除了對科學知識的渴望,也肩負防災減災的重責大任,因此像是上述的風險管理、知識傳遞也應是地震防災的重要課題。筆者與馬國鳳教授成立「震識:那些你想知道的震事」網路地震科普平台,就是希望建立專家與民眾間的溝通橋樑、提升地震知識與防災素養,讓專業的研究能更「接地氣」,讓人們能與頻繁的地震和平共存。


BOX:何為地震潛勢圖?

雖然地震仍無法預測,但也並非隨機發生。因此,地震學家利用不同的科學資料,並假設累積應變與釋放能量有一定的規律性,嘗試得到地震的再現週期與發生頻率,例如某個地方平均多少年會發生一次規模 6.0 以上的地震。這些資料包括地震觀測的統計、斷層長期監測、利用野外地質調查或是開挖槽溝分析的古地震資料等。

而地震潛勢圖可以依不同的需求繪製 30 或 50 年發生的機率,30 年內發生的機率常用作防災規畫,50 年內發生的機率則因接近房屋使用年限可作為建築耐震或選址等考量。而地震潛勢圖所收進的資料,亦可再進一步針對特定斷層、特定事件進行情境模擬,作為重大災害長期規畫的依據。

延伸閱讀

  1. 馬國鳳、潘昌志,〈地震如何致災?科學家如何知災?我們又該如何防災?〉,2017年9月20日。
  2. 馬國鳳,〈集集地震帶來的功課及學習〉,2018年9月20日。
  3. 臺灣地震損失評估系統

 

本文摘自《科學月刊 09 月號/2019 第 597 期:正視震知識》科學月刊社出版

 

 

 

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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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