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地下水也會引發微地震?成功改寫地震理論的馬國鳳——《她們,好厲害》

PanSci_96
・2019/12/31 ・6518字 ・閱讀時間約 13 分鐘 ・SR值 499 ・六年級

  • 文/楊泰興

1999 年 9 月 21 日凌晨 1 時 47 分,全台一陣劇烈搖晃,台灣的胸口在天搖地動中被撕裂;起源於中部車籠埔斷層錯動,芮氏規模 7.3 的地震,造成全台 2415 人死亡、29 人失蹤,上萬人受傷、5 萬多間房屋全倒,這是台灣戰後最嚴重的地震,史稱「九二一大地震」。

民眾憂心忡忡,不禁問:台灣為何會有這樣的巨震?何時還會再發生?這一連串問題,同樣讓世界地震專家高度關注,紛紛搶進研究。

在尋找這些攸關台灣民生、重大急迫答案的研究中,台灣並沒有缺席,而是做出了重大貢獻。其中,領軍的是一位不讓鬚眉的科學家──中央大學地球科學系教授馬國鳳。她是國際知名的地震學家,專門研究地震物理學,探討地震形成、破裂、結束的過程。

放下計算,用斷層鑽探驗證理論

2004 年,馬國鳳參與並主持「台灣車籠埔斷層深井鑽探計畫」,透過台、美、日、德四國學者跨國際合作研究,鑽取斷層帶的岩芯試樣,探究九二一大地震的成因和生成機制,並將研究結果成功發表在《自然》(Nature) 期刊上。

馬國鳳曾進行國際合作研究,並將結果成功發表在《自然》(Nature) 期刊上。圖/jstor

幸運加上努力,他們取得了傲人的成績,對九二一地震的成因假設,透過取得的斷層岩芯均獲得驗證,詳細描繪出這場災難的全貌。

馬國鳳說:「這些理論以前只能透過數學物理計算來驗證,沒有人真正把那塊石頭拿出來看看是什麼樣子,而這次斷層鑽探,真正檢證了這些理論。」

這就好比愛因斯坦在 1905 年發表相對論後,沒有人可以確認對錯;直到 1919 年,英國愛丁頓爵士率領探險隊,發現在非洲觀測到日蝕光線的偏折角度,是牛頓理論預言偏折角的兩倍,這才證實了相對論,愛因斯坦旋即獲得諾貝爾獎。馬國鳳在地震理論界的學術貢獻,也許就如同當年驗證相對論的愛丁頓爵士。

以肉眼判讀,用微小訊號改寫地震理論

透過鑽取的岩芯內容,團隊發現到:「滑移帶的厚度」是了解地震能量的重要參數,而厚度則影響了能量的釋放。這是世界首次觀測到大型地震的斷層滑移帶的厚度,同時也成功量化出地震時的破碎能及熱能。

另外,「主要滑移帶」也看出了每一層紋路平穩類似,顯示地震的行為不斷重複,驗證了相似性質的地震會重複發生的假說。

也就是說,九二一地震這樣形式的大地震,在車籠埔斷層地區將會再度發生。不過,令人鬆一口氣的是,雖然 12 公分厚的滑移帶至少滑過 33 次,代表發生過 33 次地震,但推估起來,大概要到四百年後才會有機會再發生。

跨國合作中的在地研究優勢,讓馬國鳳團隊搶占先機;她卓越的整合能力,讓四國團隊發揮最大戰力,迅速繳出亮眼成績。

2012 年,馬國鳳發表在《科學》(Science) 雜誌的文章,更是真功夫的理論突破,更證實她的成功沒有任何僥倖。

這第二篇登上一流期刊的論文,成功改寫了地震的基本理論,馬國鳳訓練出的博士生林彥宇,秉持著她要求的科學信念:「要看別人看不到的東西」,因而捨棄機器判讀訊號,長達一年時間裡,透過肉眼天天研讀放在車籠埔斷層的井下探測儀訊號,發現到長期存在著「只有 P 波(上下動),沒有 S 波(左右動,也可以理解成第二波)」的特殊訊號,訊號雖微小,但十分奇特。

這種微小到一般學者會忽略、機器會濾去的訊號,在馬國鳳的眼裡卻看出不一樣的風景,成為她改寫地震理論的契機。

有些微小到一般學者會忽略、機器會濾去的訊號,在馬國鳳的眼裡卻看出不一樣的風景。圖/論文圖片

一般說來,地震形成的原因,包括:斷層錯動、火山活動、岩溶塌陷、隕石撞擊、地函物質相變化,以及地下核爆及其他人為因素,其中以斷層錯動為最主要的原因。但是,馬國鳳證實了一個新原因假說:「其實地下水水壓引發爆裂,也會引發微地震。」

這樣的假設,過去理論界也有很多,但都苦無證據。馬國鳳根據一年來的數據發現,這些極微小地震的震源,全都在車籠埔斷層面下方,大部分都位於深度 1300 至 1800 公尺處,那裡含有豐富的地下水,且具有高滲透性的桂竹林層(以砂岩與頁岩為主)。

馬國鳳推論,當年車籠埔斷層錯動時,巨大作用力把斷層面磨成極細的不透水斷層泥,造成地下水無法向上,只能繼續累積在下方,液壓不斷增加,最後將積水區周圍的岩石「瞬間撐裂」出 2 至 5 公分的裂縫(人造地震的特色是單一點引發,P 波遠大於 S 波,岩石爆裂也會造成類似 S 波甚微的效果),才引發了微地震。

車籠埔斷層說明圖(點圖放大)。圖/經濟部中央地質調查所

這項有理有據的創新結果,成功改變了地震學的根本理論,成果發表在 2012 年 7 月 27 日的《科學》雜誌,該類型地震由馬國鳳命名為「均向地震」(Isotropic Events)。

難以想像的是,做出這些精彩學術研究的馬國鳳,另一個身分是兩個女兒的單親媽媽。不同於其他科學家常廢寢忘食,晚上還常流連實驗室長期抗戰,她的學生透露,老師下班時間一到一定準時回家,因為要做飯給兩個小孩吃。

科學家就是科學家,不分男女

什麼時間該做什麼事情,一切都要有效率、充分利用,這是馬國鳳的長處。儘管這樣拚命工作,也常「把自己逼到牆角,瀕臨崩潰」,反而激盪出驚人的爆發力,成就斐然。

馬國鳳曾於 2011 年榮獲台灣傑出女科學家獎。圖/取自書籍《她們,好厲害:台灣之光.18位女科學家改變世界

跟其他同年齡的女性比起來,五十二年次的馬國鳳,算早婚生子。中央大學地球物理系、台大碩士畢業後,申請到美國加州理工學院地球與行星科學系博士班,與當時先生聯袂出國唸博士時,接連生了兩個女兒,一邊照顧女兒,一邊完成學業。博士資格考時,還抱著女兒去參加口試達三小時,進場時只能把嬰孩交給同學抱著。

資格考完後三個月,馬國鳳開始帶著女兒跑研討會,小孩才三、 四個月大。幸好主辦單位理解,讓她抱著小孩坐在最後排,小孩一哭,她就抱出去。輪到她報告時,小孩交給老美同學先抱著,每個經過的人都很疑惑,「為什麼一個老美抱一個華人小孩?」

從這裡就可以看出馬國鳳不服輸,打死不退的韌性。

不少留學生夫婦一旦生了小孩,做妻子的常放棄學業,以先生、子女為重。可是馬國鳳認為,好不容易進了這麼好的學校,應該堅持下去。這是頭一次,她把自己逼到牆角,戰鬥力大爆發,不但拿到博士,還是以四年半的驚人速度唸完。

「在職場上,我一直覺得並相信,科學家就是科學家,不分男女。但在家庭裡,世俗的期待還是男女有別的,沒有支援體系支持,女科學家還是相當辛苦,」馬國鳳娓娓道來箇中甘苦,她指出,二十五歲到三十五歲間,孩子小、研究生涯正是奮鬥期,是最艱難的時刻。

2006 年,當馬國鳳準備那篇重要的車籠埔斷層論文時,她同一時間身兼研究、行政(擔任系主任),加上家庭牽絆一併襲來,但她還是咬緊牙一一面對,設定目標,堅持到最後,她再度在置於死地之後,有了突出的學術表現。

像「車籠埔鑽探計畫」這樣的大型跨國計畫,必須協調多國學者,沒有過人的溝通整合能力難以推動,而當年竟交給了資歷最淺的馬國鳳主導,當時她才四十歲。

切菜也切得很科學,受哥哥啟發的研究路

馬國鳳一方面慶幸前輩的愛護,給她機會,但她不好意思地說:「就拍板分配這麼做、那麼做,大概我是女生,大家都讓著我,事情就這麼成了,哈哈!」或許這就是所謂有領袖魅力 (charisma) 的特質吧。

沒錯,多跟馬國鳳相處一會兒,會發現她時不時有著陽光般的燦爛笑聲,她自稱是無可救藥的樂觀主義者,是那種巴不得把所有事情掏心掏肺說給人聽的老師,她的學生形容:「老師在一樓說話,二樓都聽得到。」馬國鳳就是這樣一個人,說起話來手舞足蹈,頭也跟著擺動,說到興奮處,自己先哈哈大笑;說到低微處,眼中也淚光閃閃,讓聽者完全被她感染。

馬國鳳是怎麼走入這個冷門卻又重要的領域呢?「大概受我哥哥的影響很大吧!」她的大哥好思敏學,是個學者型人物,她回憶:「哥哥唸中學時,在課堂上學到什麼東西,就會告訴我。比如他切菜,切著切著就問:國鳳,你知道為什麼這麼切會比較好切?有什麼物理現象,連倒杯水也會跟我解釋表面張力。」

切菜也可以討論物理,生活處處是科學。圖/Giphy

大哥上國中時學到英文,也會教還在唸小學的馬國鳳,因此她提早接觸英文,也愛上英文;高中時,她猶豫要唸文組還是理組,大哥告訴她,理組轉文組相對容易,一槌定音,影響了她的一生。

受唸物理系的大哥影響,妹妹自此愛上數學與自然科學。想唸物理系,考大學選填志願,傻呼呼看到中央地球物理系有物理兩個字就填了,而且就考上了。完全沒有想到地球物理跟一般物理差距甚大。

「那個年代誰知道地球科學是什麼啊?」馬國鳳大咧咧地坦白,唸什麼也是緣分。大學聯考時,還沒考完最後一科物理,就自己鬆懈了,開起了慶功宴,「當時覺得好興奮,終於快考完了,只想著要把書全都燒了。」

「囂張」的結果,是最熱愛的物理考得最差,僅略高於低標。考完後,馬國鳳跟老師對答案,物理老師當場臉色鐵青,無比樂觀的她還安慰老師:「老師,考過就算了。」

既來之,則安之。在中央大學時,馬國鳳按部就班,該唸什麼就唸什麼,盡本分不蹺課,仍在班上維持前幾名。

直到大四修習地震學,一向喜歡數學、物理的馬國鳳,看到滿黑板的方程式,有些同學很吃力,她卻好像蜂兒看到花,開心得不得了,當老師在講台上說:「不好意思,寫了很多數學。」她還納悶:「教授幹嘛道歉?」

這門需要學習「波動方程式」、「破裂物理的力學」,結合了數學、物理還有地科知識的學問,讓馬國鳳完全入迷,從此決志要當一個地震學家。

為科學發現狂喜,為人生短暫執著

拿到博士後,馬國鳳已經成為一個對地震研究狂熱的科學家,九二一地震後回校召開地震研究成果記者會,馬國鳳當時只想著:這是重大的科學發現,跟我的研究符合。她陳述成果時喜形於色,下台後學生狐疑地問她:「老師,妳好像太興奮了?」

這時馬國鳳才驚覺,「對科學發現的狂喜」,讓自己忘記了這是場大災難,她也深自反省「地震學」這門災難科學的特殊性。做為「災難的獲利者」,她必須從地震成因的研究中,積極提出防災與減災的建言。

而這場地震,也讓馬國鳳首度震懾於造物者的巨大力量。在霧峰斷層的現場,她有著一次近乎「天啟」的奇特經驗。那天她看著大甲溪裡因地震板塊運動形成的大瀑布時,心中的驚詫讓她不停喃喃自語:「我相信板塊運動,我相信恐龍是會滅絕的!」

弔詭的是,對地震學家而言,「板塊運動」應該是近乎信仰、寫過 N 次的專有名詞。馬國鳳這時才體悟到,「知道跟相信,竟有如此的不同,」這時她才真的感覺到,地球是這麼動盪,人們覺得「不動」,是因為生命短暫。當時馬國鳳暗自下決心,人生短暫,必須做一些特別的東西。

體認到生命短暫,馬國鳳暗自下決心,人生短暫,必須做一些特別的東西。圖/取自書籍《她們,好厲害:台灣之光.18位女科學家改變世界

遇見科學界大師,學習「為科學而科學」

在學術這條路上,馬國鳳屢逢貴人。唸碩士時,她跟著中央研究院王錦華教授做研究,自此,有了第一個學術典範。她記得,王教授常對她說,做科學要想著:「我們可以為人類做什麼?」

申請博士班時,馬國鳳竟然申請到非常難申請的加州理工學院,當時台灣已經有十年沒有人進這所學校。馬國鳳說,收到入學許可時的情形,至今還歷歷在目。她形容:「當我知道要收我了,就從那個走廊頭一路跑到走廊尾,一直『啊──』這樣尖叫,衝到王老師辦公室報喜,說加州理工接受我了,探頭出來看的老師們也直呼不可置信!」

馬國鳳成為該系多年後第一個台灣學生。之後,台灣開始與世界頂尖的加州理工學院,在地震與地體構造研究上密切相連。

王錦華曾給馬國鳳許多第一流的文章閱讀,她從中認識了兩個大師的名字──加州理工學院的金森博雄 (Hiroo Kanamori) 與麻省理工學院 (MIT : Massachusetts Institute of Technology) 的安藝敬一 (Keiiti Aki),這兩位日裔學者,後來也成為她學術路上的貴人。

兩位大有來頭的教授,提攜馬國鳳不餘遺力;九二一大地震後,安藝曾訪台,晚餐時勉勵她:「國鳳,妳現在應該做的,就是把九二一地震所有的訊息整合,寫出妳非常重要的文章。」

「當時我說我會做,但到他過世的時候,我還沒有做完。我就覺得,他交代我的事情我還沒做完,他怎麼可以就過世了,」說到這,一直情緒高昂的馬國鳳突然靜默好一會兒。

在加州理工求學時,馬國鳳拜入另一位大師金森博雄門下,他學術成就斐然,現今地震學界通用測量地震大小的量度,就是他在 1977 年提出的;金森也是世界地震預警制度的重要推動者,日本為世界所稱道的預警制度,就由他奠基。

2005 年發生蘇門答臘大地震,引發大海嘯,讓金森十分懊悔,認為延誤了警告,是地震學家的失誤。因此,他開始研究如何在數分鐘內預警出規模九級的海嘯。這樣的努力讓後來日本三一一海嘯發生時,民眾儘快知道地震及海嘯的可能性而提前疏散。

2004 年蘇門答臘大地震直接影響的全部國家。圖/Wikimedia Commons

馬國鳳曾跟金森說,雖然三一一海嘯不幸造成一萬五千人死亡,但這要是發生在其他地方,死亡人數絕對超過。金森只遺憾地說:「我不喜歡聽到這種話,我們可以做更多。(We can do more.)」就是這種關懷社會的精神,深深影響著馬國鳳。「金森老師是我的人生導師 (mentor),我崇拜他!」她說。

金森曾建議馬國鳳,如果要對社會有更實質的貢獻,應該結合地震學與工程,對社群做出影響,這也成為馬國鳳現在努力的方向。

為了參與社會,少有學術第一線上的學者,像馬國鳳這麼勤於科普演講;用 Google 搜尋,你會發現她在全台包括北、中、南各地做地震教育演講的影片,遍及各高中、大學、活動中心。影片裡,她熱情洋溢地介紹豐富材料,每次到快結束時都焦慮地跟聽眾說:「我還有好多沒講完!」學生私下透露:「其實有的演講,車錢開支都比車馬費高。」

馬國鳳總結兩位大師對自己的影響:「他們不為功名、也不求名利,你會發現他們就是科學家,為科學而科學,就是這麼單純。」她說,他們不但科學研究非常先進,更與「應用」達到平衡,這也成為她追求的典範。

別停下腳步,下一步來研究地震的「稗官野史」吧!

有兩篇論文名列第一流的期刊《自然》與《科學》,馬國鳳自認對學術已有交代;現在手頭上最燙手的任務,是推動台灣地震模型計畫 (Taiwan Earthquake Model),目前已加入全球地震模型組織 (Global Earthquake Model) 這個聯合國世界地震組織的會員。推動這個計畫,需要國家科學委員會跟許多學者支持,處理很多行政事務,相當繁重。

「回到家時我常想,自己沒事找事做!孩子也大了,可以悠閒過生活了,幹嘛去提地震模型計畫啊?」馬國鳳苦笑。

但話鋒一轉,樂觀主義者馬國鳳又彷彿看到陽光,希望台灣走出去的使命感,深深影響了她,「台灣這方面的經驗,是值得全世界學習的。再者,我希望透過模型計畫,整合台灣地質、地震、工程設計;這些領域過去各自為政,但是現在能建立共識,這讓我很感動。」

說著說著,馬國鳳又拋出一個夢想:「我也希望可以做個有關地震的『稗官野史』。例如:1906 年的梅山地震,女性死亡比男性多,就是因為女性裹小腳,相關資料如果整理得齊全,也許能出書,哈哈!」講到高興處,笑容燦爛的馬國鳳又手舞足蹈起來。

看來,馬國鳳即便有一天沒在科研最前線,恐怕也沒有閒下來的時候。

台灣傑出女科學家獎設立於2008年,是台灣第一個專為表彰傑出女科學家、並鼓勵女性參與科學而成立的獎項,由台灣萊雅及吳健雄學術基金會共同主辦。



本文摘自《她們,好厲害:台灣之光.18位女科學家改變世界》,2013 年 12 月,遠見出版。

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為了讓地球科學更好,快去下載吧!氣象局把所有珍貴的地震資料都放在那裡了!——臺灣地震與地球物理資料管理系統
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/08/22 ・3186字 ・閱讀時間約 6 分鐘

  • 文/陳儀珈

臺灣是全世界地震測站密度最高的地方,然後呢?

臺灣位於歐亞板塊與菲律賓海板塊交界處,古往今來,從 1935 年新竹-臺中地震、1999 年集集大地震到 2016 年的高雄美濃地震,這座島嶼挺過無數次強震的襲擊,更催化出驚人的地震測報實力與研究能量。

自日治時期設置了全臺第一座地震儀至今(2022 年),在 120 多年內,現在的臺灣已經擁有全世界地震測站密度最高的地震觀測網:共超過 700 座測站,平均不到 10 公里就有 1 座,一年平均可偵測到超過 3 萬次的地震!

新竹站的地震儀,可以 24 小時監測並記錄地動情形。圖/地球物理資料管理系統

從預算籌措、技術研發、測站建置、通訊與電力接通、儀器維護到資料處理與信號監控等,每一座地震觀測站的背後,都耗費了無數地球科學家們的心力和血汗,他們辛勤地上山、下海、鑽井、拉線,投入大量的人力、時間和資金,就是為了挖掘更多地球的秘密。

每一分、每一秒,都有可觀的訊號湧入中央氣象局的儀器,然而,人們到底要怎麼做,才可以讓這些得來不易的寶貴資料發揮最大的效益呢?

中央氣象局的做法是——將它們全、數、公、開!把臺灣地震與地球物理的觀測資料,無償開放給全世界下載使用!

2008 年初試啼聲、2020 年脫胎換骨!

自 2005 年起,中央氣象局地震測報中心開始規劃這個整合型地震相關資料的開放平台計畫,並在 2008 年 8 月正式上線,命名為「地球物理資料管理系統(GDMS)」。

舊版地球物理資料管理系統(GDMS)的網站畫面。圖/截圖自地球物理資料管理系統

可惜的是,當年 GDMS 採取「會員制」,使用者需線上申請,經過審核方可啟用帳號,也限定僅有「國內」的相關學術人員才能成為會員。

此外,隨著上線時間一長,原系統的功能及資料服務已無法滿足所有使用者的需求,例如資料並未使用國際通用格式、更新不夠即時、儀器參數不完整等等問題。

有鑑於此,中央氣象局和中研院地球所攜手合作,建置了全新一代的「臺灣地震與地球物理資料管理系統(GDMS-2020)」,取消原先僅開放國內學術人員下載的限制,轉型為向全世界開放,所有人都能在此下載地震和地球物理的觀測資料。

新版的 GDMS 也針對資料管理進行全面優化,設計了標準化的流程,讓整體資料典藏變得更穩定更即時,資料品質更有保障。新增的詮釋資料(metadata)也讓使用者得以從原始資料(raw data)分析出更真實的物理量。

走向國際化的地震資料中心!

在地球科學界中,美國 IRIS、歐盟 ORFEUS、日本 NIED 是公認的三大資料服務中心,負責提供即時、高品質的地震與地物資料。

無論是資料格式,還是系統管理,臺灣的 GDMS 也向這幾個單位看齊,藉由向全球研究人員開放地震與地球物理資料,不僅能夠促進整體地球科學的發展,也讓臺灣在地球科學界的能見度更高,展現我國在地震領域的研究和技術能量。​

現在,無論你是地球科學的學術人員,或是對地球科學研究有熱情的愛好者,只要進入這個網頁註冊帳號,就能取得即時又完整的地震與地球物理資料。​

新一代地球物理資料管理系統(GDMS-2020)的網站畫面。圖/截圖自地球物理資料管理系統

完整性、通用性:最全面、最沒有門檻的研究資料

根據中央氣象局的介紹,GDMS 提供的資料大約分為三個類型:地震資料、地球物理資料,以及儀器的詮釋資料,提供連續的觀測紀錄,擁有資料上的「完整性」。

其中,地震資料來自各式各樣的地震儀,例如短週期地震儀、強震儀、寬頻地震儀、井下地震儀所記錄的震動波形,取樣率每秒 100 點;地球物理資料包含全球導航衛星系統(GNSS)所記錄的地表變形、水位計的地下水位、磁力儀的地磁強度,取樣率每秒 1 點;​詮釋資料則記錄了​儀器管理相關的資訊,包含測站位置、營運歷史、維護紀錄、儀器響應(instrument response)等內容,讓研究人員得到地動訊號真實的物理量,在分析資料的過程中扮演關鍵性的意義。

臺灣的地震資料,全世界都可以用!​圖/報地震 – 中央氣象局

為了讓研究人員下載地震和地物資料更便利,GDMS 參考了其他國際地震中心的做法,從資料查詢、瀏覽與下載的介面,到符合國際標準的資料格式,具備資料上的「通用性」。

觀測資料的格式如下:

  • 地震波形資料:miniSEED、SAC 和文件檔格式
  • GNSS 資料:RINEX 格式
  • 地磁資料:  IAGA2002 格式
  • 地下水位: 純文字檔​

詮釋資料的格式為:

  • 地震儀:管理上採用 dataless SEED 以及 StationXML 兩種格式,使用上另提供 Poles and Zeros 檔案
  • GNSS、水位計和磁力儀:純文字、試算表或資料表等方式儲存,同時相關資訊亦全部轉入資料庫線上管理。​

即時性、國際性:幾乎即時的更新頻率,開放給全球學術界!

​標榜「即時性」的 GDMS ,更新資料的速度到底有多快?

為了讓研究人員在強震後能夠立刻進行分析,所有地震波形資料會持續開放至此時此刻的前 15 分鐘。而地球物理資料每日產製 1 個檔案,也就是說,今天可以拿到最新的資料是前一天的檔案。

規模超過 6 的地震發生後,GDMS 會自動擷取所有對應的地震波形,在一個小時內放在首頁供所有人瀏覽及下載,避免在地震過後湧入過多的索取而影響網站的服務效能。

登入新版 GDMS 後可在首頁瀏覽規模 6 以上的地震所自動擷取的地震走時波形,此例為 2022-06-20 M6.0 花蓮地區地震的 TSMIP 加速度波形,橫軸為震央距,縱軸為走時。圖/地球物理資料管理系統

此外,GDMS 也保存了從 1991 年 1 月 1 日至今的「地震目錄」。

由於地震觀測站收到的原始訊號是不停的連續波形,一般研究人員若要進行地震研究,需要耗費極大的人力和時間成本,土法煉鋼地從波形中挑出地震的波形。

地震目錄在 GDMS 網站上所呈現的樣貌。​圖/地球物理資料管理系統

GDMS 所提供的地震目錄,是由地震定位專業的夥伴們,從連續的波形中一一挑選而成,不論是在學術或災害研究上,都是非常珍貴的資料。目前系統中最新的地震目錄可提供到當下的前 1 個月,地震目錄跨越的時間超過 30 年,累積地震數超過 75 萬筆,毫無疑問是地震相關研究的一份瑰寶。

透過中研院梁文宗博士,向全球地震學界宣布新一代的 GDMS 正式啟用!​圖/截圖自 IRIS

為了讓 GDMS 在國際上更有能見度,日前中央氣象局已正式向國際數位地震觀測網聯盟(International Federation of Digital Seismograph Networks,簡稱 FDSN)申請註冊數位物件識別碼(Digital Object Identifier,簡稱 DOI),進一步強化 GDMS 的服務品質。

未來,GDMS 不會停下進化的腳步,在中央氣象局與中央研究院的合作下,除了測站數量將不斷擴大、進行儀器的汰舊換新,還預計開發一套新儀器維護與參數連動機制,確保觀測資料與詮釋資料的可靠性,並隨時關注和參考使用者的回饋與需求,進行滾動式的修正,持續擴充 GDMS 的功能。

參考資料

  1. ​中央氣象局臺灣地震與地球物理資料管理系統​
  2. Thread: Taiwan CWB Seismological and Geophysical Data is officially OPEN from the new GDMS​
  3. 地震測報中心蕭乃祺、甘志文、莊雅婷。〈建置國際化的地震資料中心〉。
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不只地震,更肩負了火山、海嘯測報的使命!推開地震中心大門後的甘苦與祕密
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/08/15 ・5154字 ・閱讀時間約 10 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

本文由 交通部氣象局 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

經過中學地科課程的薰陶,大部分的人都知道臺灣位於環太平洋地震帶上,是菲律賓海板塊與歐亞板塊的碰撞交界處,因此地震非常、非常地頻繁。

然而,這個頻繁到底是多頻繁呢?

據統計,臺灣每年偵測到的地震平均達 3 萬多次,每天平均約發生 100 多次地震,約 2 天多出現 1 次規模 4.0 ~ 5.0 的地震,規模 5.0 至 6.0 的週期大約是 2 個星期左右,每年平均出現 3 次規模 6.0 以上的地震。

每一秒 180 天,帶你看見臺灣的地震活動頻率有多麼驚人!圖/中央氣象局臺灣地震與地球物理資料管理系統

影片說明:

每一天都有這麼多地震在這塊島嶼底下悄然發動,什麼時候又會有如 921 般的大地震突然重創臺灣?

為了更了解這塊土地和潛在的危機,中央氣象局地震測報中心(以下簡稱地震中心)一肩擔起監測臺灣地震的重任,不斷提升地震測報的效能,努力降低未來可能的地震災害。

1989 年 7 月 1 日,中央氣象局將原有之地球物理科,升格為地震測報中心。圖/中央氣象局

33 年內,進化了 5 次的「強地動觀測」計畫

自日本政府在臺北測候所設置了臺灣史上第一座地震儀至今,已經有 125 年的歷史了。這麼多年來,臺灣的地震儀和地震觀測網,有了哪些翻天覆地的變化呢?

1897 年 12 月 19 日,臺北測候所設置了全臺第一座地震儀:​格雷.米爾恩式(Gray Milne)地震儀,開啟了臺灣地震觀測科學化的偉大時代。圖/中央氣象局臺灣地區地震儀沿革網

國民政府接手臺灣後,改由中央氣象局負責臺灣的地球科學相關測報業務,並在 1989 年成立了「地震測報中心」,擴大編制,走上地震觀測現代化之路。

自成立至今,地震中心投入了巨大的資源和心力在「加強地震測報建立地震觀測網計畫」和「強地動觀測」的長程計畫中,其中強地動觀測每 6 年一期,致力於建置地震觀測資料的蒐集與應用,目前已完成共 5 期的計畫。

經過地震中心 33 年來的努力,從都會區到山區、從陸地到海上、從地表到井下、從 16 位元到 24 位元,地震測站的儀器越來越好,也漸漸拓展至臺灣各個地方。

截至 2022 年 7 月為止,包含中央氣象局地震觀測網(CWBSN)和臺灣強地動觀測網(TSMIP)在內,全臺已經建置了超過 700 個地震測站,是全世界測站密度最高的地震觀測網,平均不到 10 公里就有 1 個地震站!

小小的臺灣、全世界密度最高的地震站!圖/中央氣象局臺灣地震與地球物理資料管理系統-測站介紹

蒐集了震波資料,然後呢?

除了監測地震活動之外,這些測站蒐集到的強震資料,不僅可以成為學術研究的養分,讓地震學家更了解這塊土地下的構造和祕密,在民生防災上,更有著極為關鍵的貢獻!

「地震」,是臺灣人自出生以來就與之共存,甚至習以為常的自然災害。不過,地震到底有多可怕?

對於成年人們來說,傷痛與恐懼可能會被逐漸淡忘,而對於那些沒有經歷過 921 集集大地震、1999 年以後出生的孩子們,更是毫無具體的想像和實際感受。

臺灣史上傷亡最慘重的1935年新竹-臺中(關刀山附近)地震,帶走了約 3000 人的生命;2018 年 2 月的花蓮地震,震毀了 4 棟大樓;日本 311 大地震和海嘯,奪去了 1.5 萬條生魂;震撼半個亞洲的中國汶川大地震,有將近 7 萬人罹難,受災人口高達 4600 萬多人。

1935年新竹-臺中地震不僅震毀了魚藤坪橋(後改名為龍騰斷橋),也是臺灣目前史上傷亡最慘重的地震。圖/報地震 – 中央氣象局 FB 粉專

因此,對於地震中心來說,如何「應用」這些地震資料,發展出更先進的預警系統,協助制定建築物耐震設計規範,以及配合其他政府單位規劃救災計畫,更是中心業務的一大重點。

30 秒→10秒→5秒!越來越強大的強震即時警報

「建置強震速報系統」是強地動觀測第 2 期計畫的主要目標,致力於提升地震測報的計算能力、縮短向其他單位通報的時間。

在 921 地震期間,雖然當時的地震速報系統只是雛形,卻成功在地震後 102 秒對外發布地震報告,這樣的速度,備受國際重視與肯定。

到了第 3 期計畫,「強震即時警報系統」已經可以在 30 秒內自動推估出初步的地震規模與震央位置,搶在破壞性地震波(S波、表面波)抵達前,將地震的訊息傳達給防災、救災相關單位。

除了大家最熟悉的、會讓手機響起震耳欲聾警報聲的災防告警系統(PWS)外,地震中心也和各防救災單位、公共設施、各級學校以及電視臺合作,一旦強震即時警報偵測到符合條件的地震,就會馬上傳遞地震消息,讓各單位進行緊急應變。

時至 2020 年 4 月,隨著地震觀測網的擴大和更新,以及不斷進步的通訊技術,地震中心已經可以在地震後約 10 秒內發出地震預警訊息,為國人爭取更多避難的黃金時間。

下一步,地震中心將投入前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,除了持續擴建井下地震觀測網、發客製化地震預警系統作業模組之外,也預計在 4 年內,讓都會區可以在 7 秒內收到地震預警。

在更久遠的未來,地震中心期許可以順利的應用 AI 技術,建置新一代的地震預警作業系統,進一步將發布時間縮短到 5 秒以內!

地震前兆:有辦法抓住強震前的蛛絲馬跡,然後「預測」嗎?

由於地震是在板塊彼此的作用之下,岩層不斷累積應變能量後斷裂錯動而成,不斷累積能量的同時,地底的岩石有可能會產生許多微小的裂隙和變形,並間接影響其他環境參數,改變地下水位、地球磁場、大地電場的數據。

以 921 大地震為例,在車籠埔斷層附近,地球科學家就曾經觀察到地下水水位出現了「同震」的變化!

地球科學家推測,有可能是當地的岩層受到應力的影響後,產生了許多微小的裂隙,因此改變了岩層的孔隙率、滲透率,進而產生地下水位的變化。

如果每一次大地震之前,地球科學家都可以掌握到這些細微的現象,就有可能發展出成熟的地震前兆研究和技術,甚至走上「地震預測」之路。

因此,地震中心除了建置地震站的觀測網之外,也大力推動地震前兆的研究,自 921 大地震後開始設置「臺灣地球物理觀測網」(TGNS):

圖說:地球物理測站的外觀。圖/中央氣象局地震測報中心提供
  • 「全球導航衛星系統」(GNSS)可以進行大地測量,建立臺灣大地變形的資料庫,藉此監測斷層、火山活動,以及地層下陷或滑動等現象。
  • 「地下水」測站能夠連續記錄大氣壓力、雨量與地下水位的相關性。
  • 「地球磁場」測站用以監測地球磁場擾動的現象。
  • 「大地電場」測站可以蒐集大地電場的觀測資料,並推估與大地震之間的關係。
地球物理觀測網分布圖,包含了 163 個 GNSS、6個地下水位、12個地球磁場以及 20 個大地電場觀測站。圖/中央氣象局臺灣地震與地球物理資料管理系統

可惜的是,雖然地球物理的資料和分析已經逐漸制度化,但在地震前兆的研究上,成功案例仍然遠遠不足!

不僅是臺灣在地震前兆上遭受挫折,其他國家在這個領域的研究也長路漫漫。地球科學家還沒有辦法歸納出地震前的行為並取得共識,更別說是地震預測這個更遙遠的夢想了。

幸好,現有的難關無法阻擋地球科學家的好奇心,中央氣象局地震中心也持續投注心力在地震前兆研究中,期許未來有破解祕密的一天!

起死回生的火山、仍然未知的海嘯威脅,地震中心也緊盯不放!

根據噴發紀錄和火山地震波等證據,在中央研究院林正洪研究員的努力下,中研院於 2016 年提出大屯火山群岩漿庫存在的證據,同時也在龜山島附近發現同樣的現象。

隨著地球科學家不斷提出新的證據,經濟部中央地質調查所蒐集相關的研究成果後,在 2019 年 9 月 24 日召開了「火山活動專家諮詢會議」。在各方學者的討論下,讓大屯火山群「起死回生」,將原本公認是死火山的大屯火山群和龜山島,重新被認定為「活火山」。

面對這個反轉,全臺如臨大敵,畢竟人口眾多的天母、北投與士林就在大屯火山群的山腳下,不但核電廠鄰近,總統府和 101 大樓也都距離它不到 20 公里!

大屯火山監測網分布圖,以及核電廠、總統府和臺北 101 等重要地標之相對位置(黑色三角形為地表的地震站,紅色三角形為井下地震站,YM01 到 YM12 測站由大屯火山觀測站維護)。圖/中央氣象局地震測報中心三十周年專刊

我們對這些火山的了解和掌控,又到了哪一步呢?

藉由氣體、溫度、地表變形和地震波等資料,地球科學家可以判斷出大屯火山是否瀕臨爆發的狀態,而早在 2011 年,內政部與國家科學及技術委員會成立大屯火山觀測站 (TVO),並整合中央地質調查所、中央氣象局、中央研究院及國內各大學分析研究成果,建立多項火山監測系統及平台,同步監測大屯火山活動並進行研究。

除了來自大屯火山觀測站的 10 個地震站之外,也包含氣象局設置在北部的地震站,藉此協助研究人員獲得幾乎即時的火山地震資訊。

大屯火山地區的即時地動訊號,紅色矩形為地震訊號。圖/中央氣象局地震測報中心三十周年專刊

當前我國政府已在 2018 年5 月 25 日正式將火山災害列管於「災害防救法」,隔年中央氣象局也制定了火山活動等級與預警發布機制,後於 2020 年 9 月 14 日公布「火山噴發訊息發布作業要點」,一旦大屯火山有任何不對勁,就會立即啟動火山預警發布機制!

氣象局將「火山活動等級」分為 3 級,適情況召開火山專家諮詢小組會議和發布通報。圖/交通部中央氣象局火山噴發訊息發布作業要點

除了來自大屯火山的威脅外,地震中心也負責海嘯的監測和警報發布,並在短短的幾分鐘內,就能解算出海嘯的抵達時間、預估浪高。

倘若太平洋海嘯警報中心(PTWC)預估海嘯可能在 3 小時內到達臺灣,或是臺灣近海發生規模 7 以上、震源深度小於 35 公里的地震時,地震中心即會發布海嘯警報,籲請沿岸居民因應海嘯侵襲。

臺灣的地震防災教育,地震中心也當仁不讓!

除了地震、火山和海嘯測報等核心業務之外,地震中心也致力於地震和防災教育,提供無數科普資源,讓社會大眾學習和運用。

在網路上,有中央氣象局建置的「中央氣象局數位科普網」、回答你關於地震大大小小疑惑的「地震百問」、地震中心官方 Facebook 粉絲專頁「報地震-中央氣象局」等等,各式各樣的線上科普內容。

在實體場域,中央氣象局也設置了幾個展示空間:中央氣象局本部、臺灣南區氣象中心、田中氣象站、竹子湖氣象站-火山監測教育展示室等地(目前因疫情暫停開放),讓有興趣的民眾或學校機關,都可以實際前往觀摩,親眼見證地球科學家和氣象局人員的工作場域和聆聽解說。

畢竟,若想達成真正意義上的「防災」,單單只是完善測報工作、防災工程與避難措施並不足夠。更重要的是,必須讓所有臺灣人都有正確的防災觀念,才能有效提升整體社會的抗災能力。

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徒手探索宇宙的超級偵探!——李瑩英專訪
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・2022/04/12 ・6769字 ・閱讀時間約 14 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

本文由 台灣萊雅 L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15 周年而規劃,泛科學企劃執行。

  • 2019 年「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第十二屆傑出獎得主
  • 本文的採訪時間為 2021 年 1 月 25 日

在採訪李瑩英教授之前,照慣例做了不少功課,但不得不說這是最徒勞無功的一次,因為真的太難了。不過與其說我感到挫折,反倒是覺得興奮,並由衷佩服頂尖數學家在破解宇宙語言上的成就,對這次的採訪也更加期待。

李瑩英是 2019 年第十二屆台灣傑出女科學家獎「傑出獎」得主,在數學領域的成就當然不遜於任何一位過往的得主,但她與其他來自物理、化學、生物等領域的科學家之間,有著「巨大」的差異:她沒有實驗室、沒有任何一台身價不凡的研究設備、甚至連辦公室裡這台桌上型個人蘋果電腦,也只是用來打字寫論文,有或無絲毫不影響她的研究。

「我不太需要電腦去做計算。有的人可能弄的東西是比較複雜,需要幫忙處理複雜的計算。我做的東西大部分是推理,然後想出證明,所以不太需要用到電腦。」李瑩英說得輕鬆。於是我問:如果今天在家族聚餐、吃喜酒、同學會上,被問到「數學家在做什麼」會怎麼回答?她笑著表示,數學家通常可以獨立作業,也不太需要跟非專業者溝通,因此要回答這問題反而比較困難。

攝影/呂元弘

從實體到抽象,再回到實體

她說,從一隻羊、兩本書等實體,抽取出「數」,再進行推導,就是數學。「數學會有用,就是因為它抽離出來,不直接連結到事情。」李瑩英表示當科學家研究一樣東西,可能就只對這個東西有用,但數學研究的是共通的規律,只要發現同樣的結構,規律就可以派上用場。

「一開始原始的問題可能出自自然界,但是當提了一個這樣的問題後,我們(數學家)就想說『這是不是共同的現象?還有沒有其他的可能性?它自己本身是不是完整的?』然後越推展越遠,有些人就覺得抽離現實的世界了。」她以「歐氏幾何」為例,其曲率為零,然而若不堅持第五公設,則能推導出曲率為正或負的「非歐幾何」,由此發展出的黎曼幾何就被愛因斯坦用在廣義相對論,描述重力現象。

此外,在量子計算中用到了數學家很熟悉的希爾伯特空間(Hilbert Space)、在物理學應用場論、在密碼學中則用上了數論及橢圓曲線,數學被運用在其他領域的例子屢屢可見。她認為數學就是在實體與抽象之間,與各領域不斷互動。也因此儘管身為純數領域的數學家,李瑩英積極跟外界對話。之前擔任中華民國數學會理事長時(109年~110年),便打算透過網站收集跟呈現數學的有趣應用和案例,希望吸引更多年輕人對數學感興趣。

她認為數學家的訓練讓他們能夠比一般人更快看到問題核心,而且比較嚴謹,就像是學語言學久了會有語感,學數學久了就會有數感。一般觀眾看《天才無限家》這部描寫印度數學家拉馬努金的電影,會被劇中拉馬努金天才般的能力給震撼,但同樣作為數學家,她在電影中看見的是拉馬努金透過不斷不斷地計算、磨練,才將數學能力磨成直覺。令她也心有戚戚。

從數學到物理,再回到數學

雖然李瑩英從小知道自己數理能力好,解題就像遊戲般好玩,讓她享受從不知所以到豁然開朗,但她沒想過會成為數學家。記得升大學選填志願時,她曾在物理跟數學之間猶疑,「因為我都很喜歡」。她認為讀基礎科學打底肯定不會浪費,就算未來要轉到其他方向,如工程跟電資等科系也可以。本來填的第一志願是臺大物理系,不過就在最後一刻被高中同學說服,認為她更適合唸數學,而改選了臺灣大學數學系為第一志願。

念數學系能幹嘛?那時剛上大學的她對職涯沒太大概念,但因為都是自己喜歡的課程,她可說是如魚得水。後來大學畢業的暑假,她動了一場大手術,在復原期間讀了朋友送她的書《近代宇宙觀中的空間與時間》。宇宙的概念及有沒有邊界,是小時候困擾她許久的謎題,書中提到宇宙是一個三維緊緻無邊界的流形,而且還在不斷擴張。數學訓練讓她立刻理解這個說法,並解答了心中被遺忘多年對宇宙邊界的困惑。這再度喚醒她對物理的熱情,並開始閱讀一些物理、特別是數學物理的書籍。她形容當時再次接觸物理的自己「衝勁十足,因為物理把很多東西寫得很吸引人。」

但讀著讀著,她心中又泛起了迷霧。

「從物理書籍的敘述方式,我沒辦法清楚判斷及確認其中什麼是假設、什麼是推論。它全部都混在一起。 」李瑩英認為,相較於混雜的物理,數學非常簡單而清楚。何為定義、何為推理;什麼是對的、什麼是不對的,在數學裡沒有模糊空間;物理則是在迷霧中建構模型,以逼近解釋自然現象的道理。在物理學中,曾經被視為正確理論,還是可能會被推翻或修改,對於正確及論理的要求並不像數學那樣嚴格。雖然再次受到物理吸引,但當她感到兩門學術間文化的差異,她再次做出了選擇。

想要解開更多數學問題的她,越鑽越深。然而要解答任一個數學問題,往往牽一髮動全身,時常得對整個結構、領域、現象都了解透徹,才能得到答案,過程中又會觸發更多問題,為了解答問題還得發展很多工具,接著又引出更多其他問題。「出發點可能只是為了解決一個人類的好奇心,但在過程中往往觸發了很多數學的研究。」她說。

就像李瑩英研究的專長之一為「拉格朗日極小子流形」(minimal Lagrangian submanifold,或譯拉格拉奇極小子流形),其實研究的出發點單純只是因為好奇,她也沒有想到會與物理學上的「超弦理論」(Superstring Theory)有關。「我們原來是從幾何的觀點,把黎曼結構跟辛結構結合起來,我覺得這個子流形有一些很好的性質,會是更自然的代表元,就想去了解這個東西。」她表示物理學家也很厲害,雖然是獨立發展,但與數學家所見略同,才能把拉格朗日極小子流形的研究跟弦論結合。

可以想像,理論物理學家跟數學家都很習慣獨自作業,然而跨域交流的確帶來更多可能,這也成為自 2021 年起身兼國家理論科學中心數學組主任的李瑩英的目標。「我必須說,過去交流都一下子而已,然後又各自忙了。我們希望跟別人多一點合作跟交流,不見得是我自己的研究,而是推動整個數學界跟中心的發展。」她表示。

身兼多職的她,除了會議跟授課,剩下的時間當然還是投入在研究中。每天她都會先上網看看 arXiv.org > 數學 有沒有更新,讀讀新文章,再繼續想自己的問題。當思考極度投入,算著想著就忘記時間是常態。「我有一個合作者是牛津大學的教授,以前去短期訪問他時,每天基本上就是早上 10 點一直談到下午 5 點。討論、提想法,閱讀相關文獻,各自計算論證及思索,然後繼續交流討論。不斷循環,直到柳暗花明找到突破點。」對數學家來說這就是做研究。

在她辦公室,有一塊寫著各種算式的大白板。「有時候需要動手寫下來比較容易看得清楚。」她說她也曾把所有計算及證明寫在許多大張的月曆紙背面,鋪滿地板然後再連起來。據說 Maryam Mirzakhani(第一位,亦是唯一一位得到數學界最高榮譽菲爾茲獎的女性數學家)也會這麼做。這麼說來,儘管數學家不需要大間實驗室擺放各種實驗跟研究設備,但似乎也需要大坪數的辦公室?她開玩笑說:「不見得啦,因為沒辦法走那麼遠。」

攝影/呂元弘

從學生到親師,再回到學生

數學需要專心,越是念茲在茲,就越有「感覺」,對於數學家來說是這樣,對學生學習來說也是如此。自 1993 年起,教育部推動「建構式數學」與過往教學有極大差異,在教學現場接續出現許多爭議及問題,也引發許多社會輿論反彈。2000 年左右,眼見九年一貫進入試行,同時接受「建構式數學」的一代進到國中引發爭議,李瑩英與數學界其他憂心的學者一同投入改革,希望能扭轉造成傷害的趨勢,並且解決已經發生的一些問題。她表示,另一個促使她關心這個議題的原因是當時她女兒即將上小學,覺得有必要瞭解女兒即將面臨的教育制度及內容。

在花時間仔細閱讀各版本的建構式數學教材,以及 9 年一貫綱要後,李瑩英發現許多嚴重的問題,因此寫了一些文章發表意見,也和幾位數學界同仁一起去找當時的教育部長黃榮村,提出一些看法、憂慮與建議。後來對於臺灣的數學教育,李瑩英投入許多,從國際比較、綱要修訂、與數學教育界爭辯論述,到後來負責銜接補強計畫,以及擔任國立編譯館教科書審查的主任委員 ,在這 5、6 年期間,她所投入的時間及工作份量,幾乎是一個全職工作。

李瑩英提到:「建構式數學的原來出發點其實蠻好……但是學習一個東西,例如學習語言,首先要有些基本能力,才能談更進階的。而基本能力建立時,需要反覆練習,就像小朋友學說話,要不斷地模仿、不斷地練習。」李瑩英認為當時建構式數學的最大問題是,要求小孩在基本能力還未建立前,就要從嘗試中自己發現規律,例如重新發現加法、乘法、乘法交換律等,學習變得非常瑣碎。

另外,要能教建構式數學,老師也需要有很好的能力,教學方式也要充滿彈性,但在臺灣的環境實在很難實踐。實際發生的狀況常例如學生已經會用乘法了,老師卻要求一定得用「建構式」連加法,學生用乘法明明得出了正確答案,卻還要被打一個大叉。

李瑩英不諱言當時跟提倡建構式數學的數學家之間的確有衝突,但後來還是能彼此合作、尋求共識,最終的方案也吸取了建構式數學的優點,可視為一種「改良式建構式數學」。在當時,除了主持最困難的小學數學綱要修訂,她還接著規劃新舊版綱要的銜接計畫,並擔任教科書審查、確認新版教科書能落實新綱要的要求。整個過程就像是穿著衣服改衣服。

十多年後的此刻,回望當時的努力跟後來的演變,她嘆息說:「我覺得教育改革中比較大的問題是無法累積成果,常常一個新方案就把舊的全部東西打掉,重來一次。雖然大家都花了很大的力氣,但是卻像向量和,不是在直線上累積,而是彼此抵消回到原點。」她認為教育改革最重要的是要先建立一個有效率的平台及機制 ,讓各方意見可以溝通整合、漸進調整,讓大家的努力及正面效益能不斷累積,不應該一味求快、期望某種做法能一體適用。

對於目前的數學教育,李瑩英表示這幾年並未投入時間及精力,僅就過往經驗分享一些想法。例如,每個學生的需求及能力不同,李瑩英認為硬性規定高中數學課程及教學時數並不合宜,她最關注的是要讓真正對數學有興趣及有需求的人能獲得扎實的訓練。她認為現階段臺灣高中數學的訓練,對未來有志往理工科技發展的前端人才並不足夠;與國外相比,許多國家優秀人才的學習其實跑得非常快、也很扎實。另外,許多人批評現在學生面對數學普遍不求理解、無法清楚論述答題。她建議要讓學生養成作題時仔細寫下每一個步驟,同時將理由註解在每一個步驟旁的習慣。如此假以時日一定可以論理清晰,數學功力大增,也不容易犯錯,這也是她國中時數學老師對他們的要求。

「數學是結構性很強的東西,前面不懂,就會影響後面的學習。在學校可能進度比較趕,沒有讓學生照自己的步調把東西學起來……其實不管步調多慢,只要把東西搞懂,就會讓人覺得非常愉快。」她說,學數學的成就感,就來自於從本來不會,到後來能夠想通理解。最大的挫敗感,則來自一直沒辦法掌握,其癥結常常就是前頭有地方漏掉了,卻沒時間補起來。

她在協助修改課綱時,一些家長曾跟李瑩英說他們非常害怕數學,所以對孩子總是一副「你都不要來問我」的態度,這自然影響了孩子對數學的態度。她建議這些家長,陪著孩子重新學,肯定學得會,而當自己對數學的陰霾消散,就會有信心不排斥,也可以跟孩子分享自己以前哪裡搞不懂,以同理心給孩子支持。

當然,李瑩英並不是希望人人都能成為數學家,她也認為無需勉強不擅長的人,硬搞齊頭式教育,徒增痛苦。但數學是人類文化的重要資產,若能夠藉由數學熟悉抽象思考,對未來生活或是往其他理工科發展,都至關重要。畢竟小至看穿保險推銷員話術,大至面對人工智慧時代的各種黑箱演算法,都得仰賴抽象思考。

儘管在目前的中小學教育環境裏要做到因材施教、自訂進度,難度非常高,李瑩英表示已經有學校嘗試做跑班,也就是同一年級可以有不同的進度,讓一些人繼續衝刺、一些人逐步補強。她不認為線上教育是終極解方,因為在中小學階段,面對面與人互動、討論,能夠讓學生懂得去理解別人的思路,在學習上給老師的回饋也更直接。老師也能透過「小老師」制度,讓領先的學生協助落後的學生,同時增加學生的表達及其它綜合能力。

從傑出科學家到研究生,再到高中生

李瑩英記得,小時候的自己就是這樣培養能力。她從小學到中學都常擔任小老師,負責出題且樂在其中。身為數理強的女生,不管是初中時男女合班,或是高中時讀純女校,她都不曾覺得受到刻板印象威脅。對此,她認為老師能不能設法平衡是關鍵,例如在一個班上,若一開始是男生數學比較好、舉手回答舉得很快,漸漸就會變得都是男生在發言;而老師也順水推舟的話,就可能讓班上的女生更不願意表現。當然,在女校也不見得就沒有其他的問題,例如若老師認為班上都是女生,所以教的數學偏簡單,也會讓競爭跟刺激不足。

李瑩英認為數學適合所有對數學有興趣的人,不會因為性別、年齡或階級而有差異。畢竟數學的對跟錯很清楚,而且數學人的個性,通常也不看重那些與數學無關的標籤。

數學也給予研究者很大的時間跟空間彈性,例如她的男性同事就有不少位負起接送小孩的責任。她認為政府可以透過提供優質豐沛托育環境跟養育設施、措施,讓所有人──不只是數學家或科學家──可以在工作與自我實現上更無後顧之憂。以數學家來舉例,若得照料小孩,許多學術會議可能就去不成,因此如果學術會議能提供托育相關措施,便能讓女性與男性都受益,不至於系統性地打壓了某一性別。

「在科技部也是有這樣的現象。女性計畫主持人相對來說比例較低,可能因為在職涯中有幾年專注在家庭,回來時就比較辛苦。因此應該要建立機制,看怎樣鼓勵及扶持,讓不管是男性或是女性,即使有一段時間中斷,還是有機會再投入研究,做出好成果。畢竟要訓練一個人真的很不容易,他們都是國家寶貴的資產。」她表示。

由於先前提到的量子運算、密碼學、人工智慧等熱門領域都高度仰賴數學,各國國安單位、華爾街的金融產業與矽谷的科技業都大量聘用數學家,其他最具發展性的職涯也多半與數學相關(如資料科學家、精算師、統計學家、資訊安全分析師、軟體工程師等)。根據李瑩英掌握到的消息,在國外許多大學一年級主修數學的人數可能多達 400-500 人,然而「在台灣,這個現象還沒有發生。」

像她這樣的數學研究者除了沒有實驗室跟眾多設備以外,相較於其他領域,其實還有一個很大的差異。在其他領域,博士生通常都已能幫老師做研究,但在數學領域裡,即使是博士生,多還在接受教導跟訓練,幫不上老師的忙。因此老師不太能收很多學生,更遑論收高中生來培育,實在是心有餘力不足。

因此,為了降低 “pipe-leaking” ──也就是隨著大學、碩博士、學術工作等階段,女性越來越少的現象,李瑩英認為女性科學家除了到學校演講吸引學生興趣,更應該給予大學生或研究生專業職涯上的協助。傑出學者能給正在抉擇關卡的研究生直接的協助,告訴他們在專業路上如何繼續走、碰到困難可以怎麼做,特別是在女性比較少的領域裏,這些幫助尤為重要。而研究生們也能協助帶領或與年輕學子分享,尤其年紀較為接近對學妹們可能更容易親近,達到力量的加乘效果。

因為頭會怕冷而戴著帽子的她,一談到如何幫助後進,語調雖然溫柔,眼睛卻特別炯炯有神,期望能發揮身為傑出學者更大的價值跟影響力,不怕自找麻煩,看見各種結構的規律,試圖算出最適切的解答。我想,這就是李瑩英的數學家本色吧!

攝影/呂元弘

台灣傑出女科學家獎邁入第 15 年,台灣萊雅鼓勵女性追求科學夢想,讓科學領域能兩性均衡參與和貢獻。想成為科學家嗎?妳絕對可以!傑出學姊們在這裡跟妳說:YES!:https://towis.loreal.com.tw/Video.php

台灣數學女超人李瑩英博士,頂尖幾何分析成科學金鑰-第十二屆台灣傑出女科學家獎得主/YouTube

本文由 台灣萊雅 L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15 周年而規劃,泛科學企劃執行。

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地下水也會引發微地震?成功改寫地震理論的馬國鳳——《她們,好厲害》
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・2019/12/31 ・6518字 ・閱讀時間約 13 分鐘 ・SR值 499 ・六年級

  • 文/楊泰興

1999 年 9 月 21 日凌晨 1 時 47 分,全台一陣劇烈搖晃,台灣的胸口在天搖地動中被撕裂;起源於中部車籠埔斷層錯動,芮氏規模 7.3 的地震,造成全台 2415 人死亡、29 人失蹤,上萬人受傷、5 萬多間房屋全倒,這是台灣戰後最嚴重的地震,史稱「九二一大地震」。

民眾憂心忡忡,不禁問:台灣為何會有這樣的巨震?何時還會再發生?這一連串問題,同樣讓世界地震專家高度關注,紛紛搶進研究。

在尋找這些攸關台灣民生、重大急迫答案的研究中,台灣並沒有缺席,而是做出了重大貢獻。其中,領軍的是一位不讓鬚眉的科學家──中央大學地球科學系教授馬國鳳。她是國際知名的地震學家,專門研究地震物理學,探討地震形成、破裂、結束的過程。

放下計算,用斷層鑽探驗證理論

2004 年,馬國鳳參與並主持「台灣車籠埔斷層深井鑽探計畫」,透過台、美、日、德四國學者跨國際合作研究,鑽取斷層帶的岩芯試樣,探究九二一大地震的成因和生成機制,並將研究結果成功發表在《自然》(Nature) 期刊上。

馬國鳳曾進行國際合作研究,並將結果成功發表在《自然》(Nature) 期刊上。圖/jstor

幸運加上努力,他們取得了傲人的成績,對九二一地震的成因假設,透過取得的斷層岩芯均獲得驗證,詳細描繪出這場災難的全貌。

馬國鳳說:「這些理論以前只能透過數學物理計算來驗證,沒有人真正把那塊石頭拿出來看看是什麼樣子,而這次斷層鑽探,真正檢證了這些理論。」

這就好比愛因斯坦在 1905 年發表相對論後,沒有人可以確認對錯;直到 1919 年,英國愛丁頓爵士率領探險隊,發現在非洲觀測到日蝕光線的偏折角度,是牛頓理論預言偏折角的兩倍,這才證實了相對論,愛因斯坦旋即獲得諾貝爾獎。馬國鳳在地震理論界的學術貢獻,也許就如同當年驗證相對論的愛丁頓爵士。

以肉眼判讀,用微小訊號改寫地震理論

透過鑽取的岩芯內容,團隊發現到:「滑移帶的厚度」是了解地震能量的重要參數,而厚度則影響了能量的釋放。這是世界首次觀測到大型地震的斷層滑移帶的厚度,同時也成功量化出地震時的破碎能及熱能。

另外,「主要滑移帶」也看出了每一層紋路平穩類似,顯示地震的行為不斷重複,驗證了相似性質的地震會重複發生的假說。

也就是說,九二一地震這樣形式的大地震,在車籠埔斷層地區將會再度發生。不過,令人鬆一口氣的是,雖然 12 公分厚的滑移帶至少滑過 33 次,代表發生過 33 次地震,但推估起來,大概要到四百年後才會有機會再發生。

跨國合作中的在地研究優勢,讓馬國鳳團隊搶占先機;她卓越的整合能力,讓四國團隊發揮最大戰力,迅速繳出亮眼成績。

2012 年,馬國鳳發表在《科學》(Science) 雜誌的文章,更是真功夫的理論突破,更證實她的成功沒有任何僥倖。

這第二篇登上一流期刊的論文,成功改寫了地震的基本理論,馬國鳳訓練出的博士生林彥宇,秉持著她要求的科學信念:「要看別人看不到的東西」,因而捨棄機器判讀訊號,長達一年時間裡,透過肉眼天天研讀放在車籠埔斷層的井下探測儀訊號,發現到長期存在著「只有 P 波(上下動),沒有 S 波(左右動,也可以理解成第二波)」的特殊訊號,訊號雖微小,但十分奇特。

這種微小到一般學者會忽略、機器會濾去的訊號,在馬國鳳的眼裡卻看出不一樣的風景,成為她改寫地震理論的契機。

有些微小到一般學者會忽略、機器會濾去的訊號,在馬國鳳的眼裡卻看出不一樣的風景。圖/論文圖片

一般說來,地震形成的原因,包括:斷層錯動、火山活動、岩溶塌陷、隕石撞擊、地函物質相變化,以及地下核爆及其他人為因素,其中以斷層錯動為最主要的原因。但是,馬國鳳證實了一個新原因假說:「其實地下水水壓引發爆裂,也會引發微地震。」

這樣的假設,過去理論界也有很多,但都苦無證據。馬國鳳根據一年來的數據發現,這些極微小地震的震源,全都在車籠埔斷層面下方,大部分都位於深度 1300 至 1800 公尺處,那裡含有豐富的地下水,且具有高滲透性的桂竹林層(以砂岩與頁岩為主)。

馬國鳳推論,當年車籠埔斷層錯動時,巨大作用力把斷層面磨成極細的不透水斷層泥,造成地下水無法向上,只能繼續累積在下方,液壓不斷增加,最後將積水區周圍的岩石「瞬間撐裂」出 2 至 5 公分的裂縫(人造地震的特色是單一點引發,P 波遠大於 S 波,岩石爆裂也會造成類似 S 波甚微的效果),才引發了微地震。

車籠埔斷層說明圖(點圖放大)。圖/經濟部中央地質調查所

這項有理有據的創新結果,成功改變了地震學的根本理論,成果發表在 2012 年 7 月 27 日的《科學》雜誌,該類型地震由馬國鳳命名為「均向地震」(Isotropic Events)。

難以想像的是,做出這些精彩學術研究的馬國鳳,另一個身分是兩個女兒的單親媽媽。不同於其他科學家常廢寢忘食,晚上還常流連實驗室長期抗戰,她的學生透露,老師下班時間一到一定準時回家,因為要做飯給兩個小孩吃。

科學家就是科學家,不分男女

什麼時間該做什麼事情,一切都要有效率、充分利用,這是馬國鳳的長處。儘管這樣拚命工作,也常「把自己逼到牆角,瀕臨崩潰」,反而激盪出驚人的爆發力,成就斐然。

馬國鳳曾於 2011 年榮獲台灣傑出女科學家獎。圖/取自書籍《她們,好厲害:台灣之光.18位女科學家改變世界

跟其他同年齡的女性比起來,五十二年次的馬國鳳,算早婚生子。中央大學地球物理系、台大碩士畢業後,申請到美國加州理工學院地球與行星科學系博士班,與當時先生聯袂出國唸博士時,接連生了兩個女兒,一邊照顧女兒,一邊完成學業。博士資格考時,還抱著女兒去參加口試達三小時,進場時只能把嬰孩交給同學抱著。

資格考完後三個月,馬國鳳開始帶著女兒跑研討會,小孩才三、 四個月大。幸好主辦單位理解,讓她抱著小孩坐在最後排,小孩一哭,她就抱出去。輪到她報告時,小孩交給老美同學先抱著,每個經過的人都很疑惑,「為什麼一個老美抱一個華人小孩?」

從這裡就可以看出馬國鳳不服輸,打死不退的韌性。

不少留學生夫婦一旦生了小孩,做妻子的常放棄學業,以先生、子女為重。可是馬國鳳認為,好不容易進了這麼好的學校,應該堅持下去。這是頭一次,她把自己逼到牆角,戰鬥力大爆發,不但拿到博士,還是以四年半的驚人速度唸完。

「在職場上,我一直覺得並相信,科學家就是科學家,不分男女。但在家庭裡,世俗的期待還是男女有別的,沒有支援體系支持,女科學家還是相當辛苦,」馬國鳳娓娓道來箇中甘苦,她指出,二十五歲到三十五歲間,孩子小、研究生涯正是奮鬥期,是最艱難的時刻。

2006 年,當馬國鳳準備那篇重要的車籠埔斷層論文時,她同一時間身兼研究、行政(擔任系主任),加上家庭牽絆一併襲來,但她還是咬緊牙一一面對,設定目標,堅持到最後,她再度在置於死地之後,有了突出的學術表現。

像「車籠埔鑽探計畫」這樣的大型跨國計畫,必須協調多國學者,沒有過人的溝通整合能力難以推動,而當年竟交給了資歷最淺的馬國鳳主導,當時她才四十歲。

切菜也切得很科學,受哥哥啟發的研究路

馬國鳳一方面慶幸前輩的愛護,給她機會,但她不好意思地說:「就拍板分配這麼做、那麼做,大概我是女生,大家都讓著我,事情就這麼成了,哈哈!」或許這就是所謂有領袖魅力 (charisma) 的特質吧。

沒錯,多跟馬國鳳相處一會兒,會發現她時不時有著陽光般的燦爛笑聲,她自稱是無可救藥的樂觀主義者,是那種巴不得把所有事情掏心掏肺說給人聽的老師,她的學生形容:「老師在一樓說話,二樓都聽得到。」馬國鳳就是這樣一個人,說起話來手舞足蹈,頭也跟著擺動,說到興奮處,自己先哈哈大笑;說到低微處,眼中也淚光閃閃,讓聽者完全被她感染。

馬國鳳是怎麼走入這個冷門卻又重要的領域呢?「大概受我哥哥的影響很大吧!」她的大哥好思敏學,是個學者型人物,她回憶:「哥哥唸中學時,在課堂上學到什麼東西,就會告訴我。比如他切菜,切著切著就問:國鳳,你知道為什麼這麼切會比較好切?有什麼物理現象,連倒杯水也會跟我解釋表面張力。」

切菜也可以討論物理,生活處處是科學。圖/Giphy

大哥上國中時學到英文,也會教還在唸小學的馬國鳳,因此她提早接觸英文,也愛上英文;高中時,她猶豫要唸文組還是理組,大哥告訴她,理組轉文組相對容易,一槌定音,影響了她的一生。

受唸物理系的大哥影響,妹妹自此愛上數學與自然科學。想唸物理系,考大學選填志願,傻呼呼看到中央地球物理系有物理兩個字就填了,而且就考上了。完全沒有想到地球物理跟一般物理差距甚大。

「那個年代誰知道地球科學是什麼啊?」馬國鳳大咧咧地坦白,唸什麼也是緣分。大學聯考時,還沒考完最後一科物理,就自己鬆懈了,開起了慶功宴,「當時覺得好興奮,終於快考完了,只想著要把書全都燒了。」

「囂張」的結果,是最熱愛的物理考得最差,僅略高於低標。考完後,馬國鳳跟老師對答案,物理老師當場臉色鐵青,無比樂觀的她還安慰老師:「老師,考過就算了。」

既來之,則安之。在中央大學時,馬國鳳按部就班,該唸什麼就唸什麼,盡本分不蹺課,仍在班上維持前幾名。

直到大四修習地震學,一向喜歡數學、物理的馬國鳳,看到滿黑板的方程式,有些同學很吃力,她卻好像蜂兒看到花,開心得不得了,當老師在講台上說:「不好意思,寫了很多數學。」她還納悶:「教授幹嘛道歉?」

這門需要學習「波動方程式」、「破裂物理的力學」,結合了數學、物理還有地科知識的學問,讓馬國鳳完全入迷,從此決志要當一個地震學家。

為科學發現狂喜,為人生短暫執著

拿到博士後,馬國鳳已經成為一個對地震研究狂熱的科學家,九二一地震後回校召開地震研究成果記者會,馬國鳳當時只想著:這是重大的科學發現,跟我的研究符合。她陳述成果時喜形於色,下台後學生狐疑地問她:「老師,妳好像太興奮了?」

這時馬國鳳才驚覺,「對科學發現的狂喜」,讓自己忘記了這是場大災難,她也深自反省「地震學」這門災難科學的特殊性。做為「災難的獲利者」,她必須從地震成因的研究中,積極提出防災與減災的建言。

而這場地震,也讓馬國鳳首度震懾於造物者的巨大力量。在霧峰斷層的現場,她有著一次近乎「天啟」的奇特經驗。那天她看著大甲溪裡因地震板塊運動形成的大瀑布時,心中的驚詫讓她不停喃喃自語:「我相信板塊運動,我相信恐龍是會滅絕的!」

弔詭的是,對地震學家而言,「板塊運動」應該是近乎信仰、寫過 N 次的專有名詞。馬國鳳這時才體悟到,「知道跟相信,竟有如此的不同,」這時她才真的感覺到,地球是這麼動盪,人們覺得「不動」,是因為生命短暫。當時馬國鳳暗自下決心,人生短暫,必須做一些特別的東西。

體認到生命短暫,馬國鳳暗自下決心,人生短暫,必須做一些特別的東西。圖/取自書籍《她們,好厲害:台灣之光.18位女科學家改變世界

遇見科學界大師,學習「為科學而科學」

在學術這條路上,馬國鳳屢逢貴人。唸碩士時,她跟著中央研究院王錦華教授做研究,自此,有了第一個學術典範。她記得,王教授常對她說,做科學要想著:「我們可以為人類做什麼?」

申請博士班時,馬國鳳竟然申請到非常難申請的加州理工學院,當時台灣已經有十年沒有人進這所學校。馬國鳳說,收到入學許可時的情形,至今還歷歷在目。她形容:「當我知道要收我了,就從那個走廊頭一路跑到走廊尾,一直『啊──』這樣尖叫,衝到王老師辦公室報喜,說加州理工接受我了,探頭出來看的老師們也直呼不可置信!」

馬國鳳成為該系多年後第一個台灣學生。之後,台灣開始與世界頂尖的加州理工學院,在地震與地體構造研究上密切相連。

王錦華曾給馬國鳳許多第一流的文章閱讀,她從中認識了兩個大師的名字──加州理工學院的金森博雄 (Hiroo Kanamori) 與麻省理工學院 (MIT : Massachusetts Institute of Technology) 的安藝敬一 (Keiiti Aki),這兩位日裔學者,後來也成為她學術路上的貴人。

兩位大有來頭的教授,提攜馬國鳳不餘遺力;九二一大地震後,安藝曾訪台,晚餐時勉勵她:「國鳳,妳現在應該做的,就是把九二一地震所有的訊息整合,寫出妳非常重要的文章。」

「當時我說我會做,但到他過世的時候,我還沒有做完。我就覺得,他交代我的事情我還沒做完,他怎麼可以就過世了,」說到這,一直情緒高昂的馬國鳳突然靜默好一會兒。

在加州理工求學時,馬國鳳拜入另一位大師金森博雄門下,他學術成就斐然,現今地震學界通用測量地震大小的量度,就是他在 1977 年提出的;金森也是世界地震預警制度的重要推動者,日本為世界所稱道的預警制度,就由他奠基。

2005 年發生蘇門答臘大地震,引發大海嘯,讓金森十分懊悔,認為延誤了警告,是地震學家的失誤。因此,他開始研究如何在數分鐘內預警出規模九級的海嘯。這樣的努力讓後來日本三一一海嘯發生時,民眾儘快知道地震及海嘯的可能性而提前疏散。

2004 年蘇門答臘大地震直接影響的全部國家。圖/Wikimedia Commons

馬國鳳曾跟金森說,雖然三一一海嘯不幸造成一萬五千人死亡,但這要是發生在其他地方,死亡人數絕對超過。金森只遺憾地說:「我不喜歡聽到這種話,我們可以做更多。(We can do more.)」就是這種關懷社會的精神,深深影響著馬國鳳。「金森老師是我的人生導師 (mentor),我崇拜他!」她說。

金森曾建議馬國鳳,如果要對社會有更實質的貢獻,應該結合地震學與工程,對社群做出影響,這也成為馬國鳳現在努力的方向。

為了參與社會,少有學術第一線上的學者,像馬國鳳這麼勤於科普演講;用 Google 搜尋,你會發現她在全台包括北、中、南各地做地震教育演講的影片,遍及各高中、大學、活動中心。影片裡,她熱情洋溢地介紹豐富材料,每次到快結束時都焦慮地跟聽眾說:「我還有好多沒講完!」學生私下透露:「其實有的演講,車錢開支都比車馬費高。」

馬國鳳總結兩位大師對自己的影響:「他們不為功名、也不求名利,你會發現他們就是科學家,為科學而科學,就是這麼單純。」她說,他們不但科學研究非常先進,更與「應用」達到平衡,這也成為她追求的典範。

別停下腳步,下一步來研究地震的「稗官野史」吧!

有兩篇論文名列第一流的期刊《自然》與《科學》,馬國鳳自認對學術已有交代;現在手頭上最燙手的任務,是推動台灣地震模型計畫 (Taiwan Earthquake Model),目前已加入全球地震模型組織 (Global Earthquake Model) 這個聯合國世界地震組織的會員。推動這個計畫,需要國家科學委員會跟許多學者支持,處理很多行政事務,相當繁重。

「回到家時我常想,自己沒事找事做!孩子也大了,可以悠閒過生活了,幹嘛去提地震模型計畫啊?」馬國鳳苦笑。

但話鋒一轉,樂觀主義者馬國鳳又彷彿看到陽光,希望台灣走出去的使命感,深深影響了她,「台灣這方面的經驗,是值得全世界學習的。再者,我希望透過模型計畫,整合台灣地質、地震、工程設計;這些領域過去各自為政,但是現在能建立共識,這讓我很感動。」

說著說著,馬國鳳又拋出一個夢想:「我也希望可以做個有關地震的『稗官野史』。例如:1906 年的梅山地震,女性死亡比男性多,就是因為女性裹小腳,相關資料如果整理得齊全,也許能出書,哈哈!」講到高興處,笑容燦爛的馬國鳳又手舞足蹈起來。

看來,馬國鳳即便有一天沒在科研最前線,恐怕也沒有閒下來的時候。

台灣傑出女科學家獎設立於2008年,是台灣第一個專為表彰傑出女科學家、並鼓勵女性參與科學而成立的獎項,由台灣萊雅及吳健雄學術基金會共同主辦。



本文摘自《她們,好厲害:台灣之光.18位女科學家改變世界》,2013 年 12 月,遠見出版。

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