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黑球溫度計-白天也懂夜的黑

科學月刊_96
・2012/10/10 ・2429字 ・閱讀時間約 5 分鐘

作者 溫嘉玉

那英曾唱過「白天不懂夜的黑」,但在氣象觀測的項目中,「黑球溫度計」卻是白天裡,相當了解「黑」的儀器!

今(101)年7月10日,台北市出現高溫38.3℃,且截至7月15日止,創下台北市連續7天高溫均超過37℃的紀錄。當時大家都在問:「37℃有多熱?」「我們真正感受到的熱,與量測得到的氣溫相關性又是如何?」是否能有什麼觀測值可以表達我們對熱的感受呢?

溫度與熱

大氣的熱量收支會因時、因地而異,使得大氣中的溫度分布不均勻,因而產生大氣流動。由此可知,溫度高低是決定兩個物體間淨熱流方向的條件,當某一物體失去的熱能傳到另一物體,則稱前者溫度較高,因此,溫度也是表示物體冷熱程度的物理量。

一般氣象上量測的氣溫,是指室外自然環境中的大氣溫度,因此,觀測場所的選定,必須考慮對當地地區氣溫是否具有代表性;此外,架設儀器的週遭環境必須通風良好,並應不直接受到日射(短波輻射)、或來自地表(長波輻射)、建築物周圍等的反射及輻射影響。而關於使用的儀器,不論是酒精或水銀溫度計,外殼都是玻璃管製,其穿透率高的特性可避免輻射熱的影響。但人對溫度的感覺,無法避免受到輻射熱的影響,也就是對溫度的感受與一般溫度計不一樣,因為我們所感知的是——熱!

人體正常體溫為36~37℃,通常比週遭環境的溫度高,因此,我們會向四周以輻射方式釋放熱,但我們身體也會同時吸收環境輻射所產生的熱,也就自然無法避免輻射熱的影響,熱輻射便成為主要影響人體熱量變化的因素之一。若我們要避免因「熱」造成對身心的傷害,就必須適當地釋放熱,但熱量的釋放多受環境因素影響,如溫度、溼度及風。舉例來說,當周遭溫度越高,我們就愈難透過輻射方式驅散熱能;當大氣的水分子含量越高(即相對溼度高),就會抑制汗水的蒸發,如果汗水不易排出,自然而然熱就儲存於體內,人就會覺得悶熱而不舒適,甚至會發生中暑的狀況;另外,風會將皮膚表面的熱空氣帶走,且有助汗水蒸發,所以,風速的大小也會影響人體對於熱的感受。

黑球溫度計

既然一般溫度計無法全然反映人對熱的感覺,為了模擬人體對於當時環境「熱」的感受,可以利用「黑球溫度計」(圖一)的觀測以了解:當下的溫度,若全然吸收其所產生的輻射熱,則對應的溫度有多高?

甚麼是「黑球溫度計」?為什麼它可以模擬「熱」的感覺?其實主要是利用「黑體輻射」概念。所謂黑體,指當熱輻射吸收體,在任何溫度下都能完全吸收外來的輻射能而不反射。而「黑球溫度計」係指一定規格之中空黑色不反光銅球(模擬黑體),中央插入溫度計,其所量得之溫度稱為「黑球溫度」,代表輻射熱之效應。透過「黑球溫度計」所測量的溫度,與一般大氣溫度相較,即可獲得當時大氣輻射的熱所造成的溫度有多高!而與黑色相對的「白色」則幾乎反射所有的輻射熱,本身也不對外產生熱輻射,所以,百葉箱會塗上白色,以避免輻射熱對於溫度的影響,若此理論應用於生活上,就是夏天服飾的色彩選擇都較為淡色,反之,冬天的色彩就明顯偏深色。

圖一:位於中央氣象局的黑球溫度計,是由一定規格的中空黑色不反光銅球(模擬黑體),中央插入溫度計。所量之溫度稱為「黑球溫度」,代表輻射熱之效應。

「溼黑球溫度」與「酷熱指數」

然如前所述,「熱」的釋放難易與當時自然的大氣環境有關,以台灣為例,相對溼度平均為74~89%間,就易造成人對熱的承受壓力。因此,當人的身體受熱而不能及時散發時,體溫亦會隨之上升,熱負荷也同步增加,就會開始感覺不適,進而可能產生中暑或熱衰竭等狀況,嚴重者甚至會造成生命威脅。有鑑於此,為反映及評估「熱」的危害,就必須將大氣之溫度、相對溼度及風速等氣象因素納入全面考量,目前許多國家使用綜合指數「溼黑球溫度(Wet Bulb Globe Temperature)」或「酷熱指數(Heat Index)」,來模擬在熱環境中進行體力勞動時,身體受熱的危害程度。所謂「溼黑球溫度」(圖二)並不是單一氣象觀測因子,而是結合了影響熱感覺的氣溫、溼度、風及太陽輻射等氣象因子,其計算方法簡單介紹如下:

一、室內或戶外無日曬時:0.7×溼球溫度+0.3×黑球溫度

二、戶外有日曬時:0.7×溼球溫度+0.2×黑球溫度+0.1×乾球溫度

以上公式中的「溼球溫度」是指溫度計外包著溼紗布,且未遮蔽外界氣流所得之溫度,代表溫度、溼度及風速等之綜合效應;「黑球溫度」是指由黑球溫度計量測的溫度,代表輻射熱之效應;「乾球溫度」是指溫度計直接所量得的空氣溫度,主要代表單純空氣溫度之效應。綜上所言,可見得「溼黑球溫度」比氣溫所顯示的數字更能反映人類對熱的感受。

酷熱指數則是一種綜合大氣溫度和相對溼度來模擬體感溫度的指數,但每個國家會因應氣候的特性,而研發不同的計算公式,只是不論酷熱指數是如何統計得出,重點是,它只能作為參考!因為每個人對熱的反應程度不同,且涉及當時環境場的氣象因子、勞動程度、水份是否適時供給、個人體質或健康狀況及暴露時間等,均會影響我們的耐熱程度。

圖二:溼黑球溫度顯示畫面,其中WBGTi 溫度是指室內所量測的綜合溫度熱指數(溼黑球溫度);而WBGTo 溫度指室外所量測的綜合溫度熱指數(溼黑球溫度)。

其實目前若台灣地區觀測溫度達到35℃時,中央氣象局便會透過簡訊發出〈即時天氣訊息〉:「今日各地高溫炎熱,台北市已有38.3度高溫發生,請注意補充水分並預防中暑。(氣象局)」希冀藉此管道提醒民眾當時天氣可能會影響健康,並注意所處週遭或工作環境,提高警覺以防中暑。(本文圖片由作者提供)

溫嘉玉:任職中央氣象局第一科(測政管理科)

原文發表於科學月刊第四十三卷第九期

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地震規模越大,晃得越厲害?

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2021/09/16 ・3706字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文由 交通部氣象局 委託,泛科學企劃執行。

某天,阿雲跟阿寶分享了一個通訊軟體上看到的資訊:

阿雲:「欸,你知道最近有個傳言說,花蓮有 7.7 級地震,如果發生的話台北會有 5.0 級的震度耶!」

阿寶:「蛤?那個傳言也太怪了吧,應該是把規模和震度搞混了!」

震度:量度地表搖晃的單位

確實常常有人把地震的規模跟震度搞混,實際上,因為規模指的是地震釋放的能量大小,所以當一個地震發生時,它的規模值已經決定了,只是會因為測量或計算的方式不同,會有些許的數字差異,而一般規模計算會到小數點後第一位,故常會有小數點在裡面。然而震度指的意思是地表搖晃的程度,度量表示方式通常都是以「分級」為主,比如國外常見、分了 12 級震度的麥卡利震度階,就是用 12 種不同分級來描述,而中央氣象局目前所使用的震度則共分十級,原先是從 0 級到 7 級,而自 2020 年起,在 5 級與 6 級又增了強、弱之分,也就是震度由小而大為 0-1-2-3-4-5弱-5強-6弱-6強-7 等分級,所以在表示上我們以整數 + 級或是強、弱等寫法,就可以區分規模和震度,不被混淆了!

而為什麼專家常需要強調震度和規模不一樣?那是因為震度的大小,是受到許多因素的影響。地震發生後,造成地表搖晃的主要原因是「地震波」傳來了大量能量,規模越大的地震,代表的就是地震釋放的能量越大,就像是你把擴音的音量不斷提高時,會有更大的聲音傳出一般。所以當其他的因素固定時,確實會因為規模越大、震度越大。

可是,地震波的能量在傳播過程中也會慢慢衰減,就像在演唱會的搖滾區時,在擴音器旁往往感覺聲音震耳欲聾,但隔了二、三十公尺之外,音量就會變得比較適中,但到了會場外,又會變得不是那麼清楚一樣。所以無論是地震的震源太深、或是震央離我們太遙遠,地震波的能量都會隨著距離衰減,一般來說震度都會變得比較小。

「所以,只要把那個謠言的台北規模 5.0 改為震度 5 弱,說法就比較合理了嗎?」阿雲說。

「可是,影響震度的因素還有很多,像是我們腳下的岩石性質,也是影響震度的重要因素。」阿寶說。

場址效應:像布丁一樣的軟弱岩層放大震波

原本我們都會覺得,如果地震釋放能量的方式就像是聲音或是爆炸一般,照理說等震度圖(地表的震度大小分布圖)上會呈現同心圓分布,但因為地質條件的差異,分布上會稍微不規則一些,只能大致看出震度會隨著離震央越遠而越小。地震學上有一個專有名詞叫做「埸址效應」,指的就是因為某些特殊的地質條件下,反而讓距離震央較遠的地方但震度被放大的地質條件。其中最常見的就是「軟弱岩層」和「盆地」兩種條件,而且這兩種還常常伴隨在一起出現,像是 1985 年的墨西哥城大地震,便是一個著名的例子。

影片:「場址效應」是什麼? 布丁演給你看

墨西哥城在人們開始在這邊發展之前,是個湖泊,湖泊中常有鬆軟的沉積物,而當湖泊乾掉之後,便成了易於居住與發展的盆地。雖然 1985 年發生的地震規模達 8.0,但震央距離墨西哥城中心有 400 公里,照理說這樣的距離足以讓地震波大幅衰減,而地震波傳到盆地外圍時,造成的加速度(PGA)大約只有 35gal,在臺灣大約是 4 級的震度,然而在盆地內的測站,卻觀測到 170gal 的 PGA 值,加速度放大了將近五倍,換算成震度,也可能多了一至二級的程度,也造成了相當程度的災情。盆地裡的沉積物,就像是裝在容器裡的布丁一樣,受到搖晃時,會有更加「Q 彈」的晃動!

1985 年墨西哥城大地震的等震度圖。圖/wikipedia

因此,在臺灣,雖然臺北都會區並沒有比其他區有更多更活躍的斷層,但地震風險仍不容小覷,因為臺北也正是一個過去曾為湖泊的盆地都市,仍有一定程度的地震風險,也需要小心來自稍遠的地震,除了建築需要有更強靭的抗震能力,強震警報能提供數秒至數十秒的預警,也多少讓人們能即時避災。

斷層的方向與震源破裂的瞬間,也決定了等震度圖的模樣

阿雲似懂非懂的接著問:「可是啊,為什麼有的時候大地震的等震度圖長得很奇怪,而且有些時候震度最大的地方都離震央好遠呢!也太巧合了吧?」

「這並不是巧合,因為震央下方的震源,指的其實是地震發生的起始點,並不是地震能量釋放最大的地方啊!」阿寶繼續解釋著。

「蛤!為什麼啊?」阿雲抓抓頭,一邊思考著。

地震是因為地下岩層破裂產生斷層滑動而造成的,雖然不是每個地震都會造成地表破裂,但目前科學家大多認為,地震的破裂只是藏在地底下,沒有延伸到地表而已,而且從地震的震度,也可以看出地底下斷層滑移的特性。

斷層在滑動時,主要的滑動和地震波傳出的地方,會集中在斷層面上某些特定的「地栓」(Asperity)之上,這些地栓又被認為「錯動集中區」,而通常透過傳統的地震定位求出來的震源,其實只是這些地栓中,最早開始錯動的地方。但實際上,整個斷層錯動最大的地方,往往都不會在那一開始錯動的地方,就像是我們跑步時,跑得最快的瞬間,不會發生在起跑的瞬間,而是在起跑後一小段的過程中,而錯動量最大的區域,才會是能量釋放最大的地方。而或許是小地震的地栓範圍小,震央幾乎就在最大滑移區的附近,因此也看不太出來,通常規模越大,震源的破裂行為會隨著時間傳遞,此效應才會越明顯。

震源與震央位置示意圖。圖/中央氣象局

那麼斷層上的地栓位置能否確認?這仍是科學上的難題,但近年來科學進展已經能讓我們透過地震波逆推斷層上的錯動集中區,至少可以透過地震波逆推斷層破裂滑移的型式,得以用來比對斷層破裂方向對震度分布的影響。以 2016 年臺南—美濃地震為例,最大錯動量的地區並不在震央所在的美濃附近,而是稍微偏西北方的臺南地區,也就是因為從地震資料逆推後,發現斷層在破裂時是向西北方向破裂。而更近一點的 2018 年花蓮地震,錯動量大、災害多的地方,也是與斷層破裂方向一致的西南方。

一張含有 地圖 的圖片  自動產生的描述
2016 年臺南美濃地震的等震度圖。圖/中央氣象局

透過更多的分析,現在也逐漸發現破裂方向性對於大地震震度分布的影響確實是重要議題。而雖然我們無法在地震發生之前就預知地栓的位置,但仍可從各種觀測資料作為基礎,針對目前已知的活動斷層進行模擬,就能做出「地震情境模擬」,並且由模擬結果找出可能有高危害度的地區,就能考慮對這些地區早先一步加強耐震或防災的準備工作。

多知道一點風險和危害度,多一份準備以減低災害

但是,直到目前為止,我們仍無法確知斷層何時會錯動、錯動是大是小。科學能給我們的解答,只能先評估出斷層未來的活動性中,哪個稍微大一些(機會小的不代表不會發生),或者像是斷層帶附近、特殊地質特性的場址附近,或許更要小心被意外「放大」的震度。而更重要的是,當地震來臨前,先確保自己的住家、公司或任何你所在的地方是安全還是危險,在室內要小心高處掉落物、在路上要小心掉落的招牌花盆壁磚、在鐵路捷運上要注意緊急煞車對你產生的慣性效應…多一些及早思考與演練,目的就是為了防範不知何時突然出現的大地震,在不恐慌的情況下保持適當警戒,會是對你我都很重要的防震守則!

【參考文獻】

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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