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重溫2012(五)地震都在下班後?

陳 慈忻
・2013/03/03 ・1784字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 484 ・五年級

自1901至2006年,台灣地區共有97次災情較嚴重的地震災害,如果不論災情,台灣位於板塊交界帶,大小地震是家常便飯,在台灣人心中,或許頻繁的地震就像「黃鼠狼拜年」令人畏懼。郭鎧紋博士是中央氣象局地震測報中心主任,從台大地質系求學到多年的地震研究工作,經驗豐富的他由淺入深地介紹地震原理和近代趨勢,也探討多年觀察下來的有趣問題。

地震與原子彈釋放能量比一比

常常聽到地震幾級、規模多少,到底代表什麼意思?其實幾「級」指的是地震強度,各地隨著距離震源遠近不一,感受到的強度也不一樣,因此同一個地震在不同地方會有不一樣的強度。但是規模指的是這個地震本身所釋放的能量大小,因此同一個地震的規模不會因地而異。

地震規模有不同的算法,因此有的時候會看到同一個地震有不同的規模紀錄。比較常見的是「震矩規模」和「芮氏規模」,前者是依照地震的破裂面大小來計算,後者是從最大振幅的測量來計算。

從地震釋放能量的觀點來看,芮氏規模6.2的地震所釋放的能量相當於1顆原子彈,芮氏規模8.2的地震就相當於1,024顆原子彈,規模每增加0.2,能量就會增加為2倍。

全球地震趨勢

隨著監測技術進步,1900年以後芮氏規模7.0以上的地震都不會遺漏,因此根據近一百多年來的紀錄,發現每年全球大約有17個規模7以上的地震。

全球規模8以上平均每年有1個,有時候某一年沒有芮氏規模8.0以上的地震,有時候1年卻來了兩個以上。如果統計每年全球所有的地震釋放的能量總和,平均大約等於1個芮氏規模8.3的地震。

1965年以後的近40年,全球的大地震比較少,進入平緩時期,直到2004南亞大海嘯造成28萬人死亡,舉世震驚。加上當時正是歐洲國家的聖誕假期,許多歐洲人到南亞度假,北歐國家在南亞大海嘯當中喪生的國民平均有4000人。

在南亞大海嘯之前,研究海嘯的專家少之又少,因為近幾十年來國際上嚴重的海嘯事件不多,直到南亞大海嘯之後才有新的研究趨勢。

迷思一:台灣的地震都在下班時發生?

有一天我晚上值班的時候,龜山島連續發生5個地震,後來我們注意到1件事情,台灣地過去20年來規模6以上的地震共有19個發生在正常上班時間,61個發生在半夜或假日,在下班時間發生重大地震的機率竟是上班時間的3.5倍,怎麼會這樣?

但讓我們再想想,周休二日和國定假日約佔1年的1/3,上班日只有2/3,一天上班的時間算八小時要再乘上1/3,這樣平均每年只有2/9的時間在上班,下班時間是7/9,兩者相除竟然真的是3.5!可見這傳言只是庸人自擾。

迷思二:鄰國發生地震 代表台灣接著也會發生地震?


一般民眾可能認為日本發生強震之後,台灣很可能也受到影響而發生大地震,這是真的嗎?日本東部的地震,起因侷限於北美板塊與歐亞大陸板塊的作用,與台灣距離兩千五百公里,就算在相近的時間點發生地震,也只是巧合。

環太平洋火山地震帶是地球上地震發生最頻繁的區域,台灣的地震與菲律賓海板塊和歐亞大陸板塊有關,和太平洋板塊並沒有直接關係。世界上最深的馬里亞納海溝深度達10,911公尺,將菲律賓海板塊與太平洋板塊隔開來,日本地震一般是由太平洋板塊碰撞其他板塊造成,因此台灣與日本地震較無連動效果。

而中國大陸時常發生地震的西南一帶,為印澳板塊與歐亞大陸板塊交界處,雖然汶川地震的斷層破裂面長達三百多公里,但是距離台灣仍有幾千公里的距離,因此並不會影響台灣發生地震。

如果擔心地震災害的連動影響,我們可以先去了解這些事件背後的原理。平時就做好防震準備,並且理性面對天災,才能避免聽信謠言,造成非必要的恐慌。

(本文原發表於行政院國家科學委員會-科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!)

 

文章難易度
陳 慈忻
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在丹麥的博士生,專長是用機器學習探索人類生活空間,正在研究都市環境變遷與人類健康的關係。曾擔任防災科普小組編輯、社會創新電子報主編。


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如何從茫茫大海中,找到戰爭遺留的深水炸彈?——海底掃雷行動

Else Production
・2022/01/19 ・2597字 ・閱讀時間約 5 分鐘

對於年輕人來說,我相信「深水炸彈」一詞並不會陌生,因為這近乎是每一個狂歡派對裡的必需品。但對於埋藏在深海裡的炸彈,大家又有沒有想過我們如何找出來?

這些未爆炸的軍備,我們稱之為 Unexploded Ordnance(簡稱 UXO),有可能是水雷,有可能是深水炸彈,也有可能是導彈。它們多數是第一次或第二次世界大戰遺留下來的產品,受到多年來沉積(即水流在流速減慢時,所挾帶的砂石、塵土等沉淀堆積起來)的影響,令它們埋藏在海床以下的地方。跟據 Euronews 的估計,單單在波羅的海亦有超過 30 萬的 UXO 埋在那裡。

二戰期間,桑德蘭水上飛機掛載的深水炸彈,圖/維基百科

你也許會問,既然都已經埋藏了,何況我們仍然要處理他們?這是因為我們會在海底裡鋪設電欖、水管、天然氣輸送管等輸送系統,假如鑽探過程中不小心觸碰了它們已產生意外,或是在完成工程某一天突然爆炸而令輸電系統中斷,後果可真是不堪設想。因此,最理想的方法便是把他們全部找出來並繞道而行,或是安排專家把他們處理。

真正的大海撈針:用磁場把 UXO 吸出來!

要找到這些 UXO,最容易的方法便是使用金屬探測的方法,但由於普遍的金屬探測器的探測範圍是不超過 2 公尺的,我們很難把探測器貼近凹凸不平的水底前行(這大大增加了磨損探測器的風險),因此我們會選擇較間接的方法:磁強計(Magnetometer)。由於大部份的彈藥外層是用鐵形成的,而鐵是對磁非常敏感的,因此我們能夠在較遠的範圍便能察覺他們的存在。當在外勤工作,我們會以兩個磁強計為一組去作探測,令我們更準備知道其實際位置及大小。讓我們看看以下例子:

圖 1:磁強計的探測結果

在圖 1 裡,假設我們知道標記「1」是一個 UXO 的位置,上圖的平行線為磁強計由左至右的移動路線,下圖為磁場沿路的變化。我們可以看見,當若果沒有任何金屬物件存在的話,兩個磁強計量度的數是相近的,亦即是該環境本身的磁場。但在 UXO 的附近,我們可以看到明顯的變化。藍色線代表航行路線的左方磁強計的量度值,燈色線代表右方,由於磁場強度會隨著距離而減少,因此很明顯這一個 UXO 的位置更接近藍色線,亦即是航線的上方。

我們可以透過兩者的差距估計其位置及大小,但為了確保其真實性,我們亦會在附近再次航行,假如也有磁場變異,這便是一個不會移動的金屬物品(撇除了船、飄浮中的海洋垃圾等的可能性)。

排除法:用側掃聲納窺探看不見的海底!

正如上文提要,磁場變異所告訴我們的,只是金屬物品的位置,但它亦有可能不是炸彈,也有可能不是埋在海床下,因此我們也會使用其他科學方法去驗證。其中一個便是側掃聲納(Side Scan Sonar) ,透過聲波反射的原理,我們可以看到海床的影像。假如海床是乾淨的,聲波傳送及接收的時間是一樣的,因此我們可以看到連續的晝面。但假如有異物在水中間或海床上,聲波便會被折射而形成黑影。讓我們看看以下例子:

圖2: 側掃聲納 圖片,紅色箭咀範圍代表沒有反射的區域,綠色箭頭範圖代表船與海底的距離 (圖片來源:Grothues et al., 2017)

看看圖 2。燈色的部份是海床的晝面,中間白色的部份是船的航道,亦是側掃聲納的盲點,而黑色的部份則是有物件在海床上方而形成的聲波折射,讓我們能夠清楚看見它們的形狀。有時候我們亦會看到一些海洋垃圾,如車胎、單車等,而在上圖的左上方,我們相信是一些棄置的工業廢料。

當然你也可以爭論,在圖左上方的物件有機會不是死物,而是一種未知海洋生物,因此我們也會進行多次的側掃聲納,如果在同一位置並不能再看到它,那麼這是生物的機率便很高。假如在磁場異變的位置側掃聲納沒有探測到任何物件,這進一步證明其 UXO 的可能性。但假如有黑影在上方,我們也會透過黑影分析其大小是否吻合,並會憑經驗分析該物品會否存在金屬。

此外,在看側掃聲納,我們也很重視在磁場異變的位置附近有沒有刮痕,因為形成刮痕的原因多數是船上作業頻繁的地方,有機會是漁船拖網的地點,也有機會是大船拋錨起錨的地方,而這些動作均有機會接觸或移動了這些潛在的 UXO,產生危機。因此,這些地方都會是我們首要處理的地方。

筆者按:假如大家想看看其他用側掃聲納發現的東西,如沉船、飛機等,可以到這裡觀看

萬無一失:Mission Completed !

當然,在取得數據時,我們也要儘可能減低人為因素而形成的影響。舉個例子,我們要確保磁強計遠離測量船,以免船上的儀器影響了磁強計。因此,我們並不會把磁強計綁在船底,而是把它們用纜索綁在船尾數十米以外的地方拖行。

另外,我們也要確保測量船要以均速航行,以確保所有數據都是一致的。最後,我們也要確保船上的 GPS 系統準確無誤,否則所有有可能是 UXO 的位置都是錯誤的。

完成以上的工序後,我們便會製作磁梯度圖(Magnetic Gradient Map),把剩餘下來的磁場變置點用其強度及大小表示出來,正如圖 3,再交給拆彈專家們處理。他們便會跟據他們的專業知識,加上該海岸的戰爭歷史,對比當時有可能參戰的國家、使用的武器及其金屬含量以找出存在的炸彈來處理。

要知道這些 UXO,單單在 2015 年在世界各地亦奪去了超過 6000 人的性命,因此這個科學命題可真是不容忽視!

圖 3:磁梯度圖。左邊是潛在 UXO 的位置而右邊則是它們的磁場強度的改變。(圖片來源:Salem et al., 2005)

延伸閱讀:

參考資料:

  1. Salem, A., Hamada, T., Asahina, J. K., & Ushijima, K. (2005). Detection of unexploded ordnance (UXO) using marine magnetic gradiometer data. Exploration Geophysics, 36(1), 97–103.  
  2. Han, S., Rong, X., Bian, L., Zhong, M., & Zhang, L. (2019). The application of magnetometers and electromagnetic induction sensors in UXO detection. E3S Web of Conferences, 131, 01045.
  3. Image scans gallery. EdgeTech. (n.d.). Retrieved January 5, 2022, from https://www.edgetech.com/underwater-technology-gallery/ 
  4. Grothues, T. M., Newhall, A. E., Lynch, J. F., Vogel, K. S., & Gawarkiewicz, G. G. (2017). High-frequency side-scan sonar fish reconnaissance by autonomous underwater vehicles. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 74(2), 240–255.

本文亦刊載於作者部落格 Else Production ,歡迎查閱及留言

 

Else Production
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馬朗生,見習地球物理工程師,英國材料與礦冶學會成員,主力擔任海上測量工作,包括海床勘探、泥土分析、聲波探測等。