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白話談海嘯

futaichuang
・2011/03/14 ・2267字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 530 ・七年級

2011/3/11下午1點多,日本宮城縣外海發生規模8.9大地震,並引發海嘯,太平洋海嘯預報中心隨即對太平洋沿岸國家發布海嘯預警,台灣被列入觀察警告名單,隨後中央氣象局發布海嘯警報但是只是要求注意海浪突然湧升造成的危害,看來中央氣象局已經表達了海嘯對台灣地區危害應該不大,但是在媒體推波助瀾下大家看來有點緊張了,中央到地方政府總動員,然後網路上大家開始謠傳會出現10~30公尺的巨浪,這些都顯示大家對海嘯的理解其實不足,當時我也在臉書上回答同學的問題,我認為台灣應該不會有重大災情,不過政府有高度戒備也好,只要不發生重大災害就是好事,但是過度渲染乃至造成恐慌就不妥了,目前科學界對海嘯的研究不能說是完全理解,但大致上其成因已經很有共識了,我嘗試用比較白話的語言來說明海嘯。

引發海嘯的原因很多,海底火山爆發、海底山崩或隕石撞擊都可能引發,但較大的海嘯最主要還是海底地震所引起,較具災難性的海嘯發生基本上要有三個主要條件:第一地震規模達6.5以上,第二在海床上產生斷層(通常這種地震震源都很淺),第三在適當深度的海域,我們假設一個強烈地震發生在某處深達3000公尺的海床上,並形成斷層,這個錯動就可能造成海嘯波向外傳送,海嘯波屬於淺水波(說文解字)的一種,淺水波不是水很淺的意思,意思是波長比水深大很多,所以水深相對於波長就顯得很淺,海嘯波的波長可達百公里,一般海面的波浪波長大概是數公尺到數十公尺,而颱風來時造成的湧浪可能達一、二百公尺,這二者都屬於深水波,淺水波的波速和水深有關,水深越深波速愈快,重力加速度乘以海底深度,再開根號就是波速(v=(gh)^0.5),我們以水深3000公尺來看,海嘯波的波速約為每小時617公里,國中時大家都學過波速為v=λf,其中λ為波長,f為頻率,也就是周期(T)的倒數,海嘯波的周期約為20分鐘~1小時左右,我們以20分鐘(1/3小時)計算,則該海嘯波的波長為206公里,而波高大多小於1公尺,海嘯波波長很長,所以向外傳遞時能量的衰減很慢,假設傳遞到水深200公尺的海域,這時波速就降到約每小時159公里,你也可以自己算一下這時波長的長度了!波長會由206公里縮減到53公里,這時你可以想像一下,波長這樣縮短,但是能量不太減少,於是淺水區的波高就會迅速堆高(你可以想像一下把一個波形擠壓一下,長度縮短高度就變高了),如果水深到20公尺呢?這時公式可能不太管用了,但是水位就會疊得更高,可能高達10到數十公尺,所以當這個淺水海域的海嘯波來的時候,由於水位迅速拉高遠超過海水的量體,這時更淺水區域的海水會迅速往後退以補充被拉高的波峰下方的海水,這時在海岸邊就會有大退潮現象發生,接下來海嘯就會排山倒海而來衝擊海岸,所以遇到海水大退潮無論如何要往陸地方向逃命要緊,千萬不要再逗留在海岸邊。

海嘯的波速很快,在大洋中以水深5000公尺計算,海嘯波速可達每小時800公里,你就想像是國際民航客機航行的速度就差不多了,所以,從日本到台灣大約是3到4個小時左右,但是波速會隨深度改變,到達岸邊因為海水深度變淺所以速度會開始變慢,這時主要考量的因素除了海水深度也要考慮海岸地形,所以各地差異很大,以南亞海嘯而言,有些地方速度高達每小時50公里,你可以閉上眼睛想像一下,高達20公尺的水牆以每小時50公里的速度朝你而來,不要小看水,每一立方公尺有一公噸的質量,以數百萬公噸計的海水以每小時50公里速度襲擊而來,當然是摧枯拉朽,南亞海嘯過後看到房屋牆破洞穿、鐵路火車被推數公里遠的景象,日本這次的海嘯現場空拍的畫面也讓人驚心動魄,房屋、船舶、汽車在大自然的力量下,宛如玩具一般被海嘯玩弄於股掌之間。

這次日本宮城大地震之後台灣地區也發布了海嘯特報,這裡我們要討論兩個問題:

  • 第一為何花蓮、台東海嘯到達預告時間比基隆早?
  • 第二為何台灣地區只出現約10cm的波高?

第一個問題主要跟海嘯波所經過的海域水深有關,我們先看一下由日本到台灣的海底地形

由宮城地震震央到台灣兩個地點的大概路徑(底圖擷取自google earth)

圖上的路徑只是大概估計的路徑,我們可以看出海嘯波到達基隆前會經過一段東海陸棚區,這裡水深一般在200米左右,而到達台東或花蓮大致上是穿越過菲律賓海板塊的洋底盆地,水深一般達4000米以上,所以中央氣象局預測海嘯到達花蓮時間為17:32、台東為17:36,而比較接近的基隆為18:04反而慢了半個小時。

第二個問題主要是,如果海嘯要堆高波高則由深海到淺海區域深度變化不能太快,台灣東部海域約2到3公里水深降到200公尺,到30公里外海水深就達3000公尺,這樣的深度變化速度太快,我做個比喻大家會比較了解,大家都知道當波穿過不同介質時會有折射或是反射的現象,如果兩個介質之間像水與空氣之間是快速變化的,那波穿過介面時就會有一部分能量折射穿越也有一部分反射回去,台灣東部的深度變化和這個很類似,因此海嘯來襲造成的危害相對也較小,但是如果水深變化是緩慢漸變的,那波穿越介質時就以折射為主反射比較少,這時波前進的方向會改變,但能量就比較沒被反射,那危害就較大了。

說文解字

深水波(Deep water wave):水深比一半波長(L/2)深時稱之。
淺水波(Shallow water wave):水深比廿分之一波長(L/20)淺時稱之。

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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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