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火山帶來的挑戰

阿樹_96
・2013/08/08 ・1437字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 525 ・七年級

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2013年7月,墨西哥波波卡特佩特(Popocatepetl)火山的噴發,影響了當地附近的航空交通,波波卡特佩特火山是個非常不安分的活火山,從1920年重大的活動以來,時常都會有小規模的噴發,噴出少量的熔岩和產生火山灰,雖然不是大規模噴發,但持續噴發的時間一長,火山灰便會影響甚大。火山灰危害了火山鄰近區域的交通安全與空氣品質,而熔岩流與火山雲氣更可能威脅附近的居民,如同龐貝城的火山罹難者一般。火山是存在地球已久的自然現象之一,隨著科學的研究,我們更了解火山,也知道趨吉避凶的方式。當然,也該認識一下,火山帶給我們至今仍在克服中的各項挑戰。

火山灰

2010年冰島艾雅法拉火山的噴發,對全球的航空與氣候造成重大的影響,由於火山灰對於飛航的安全有極大的威脅,因此高於一定濃度時,飛機便會停飛,航班因而大亂。火山灰的粉末極細,落在鄰近的冰川時,也造成了冰融而成災;而火山灰會反射太陽的輻射,因而使全球氣溫降低,當時的新聞報導也指出,由於火山灰對環境的作用,加上班機停飛所減少的溫室氣體排放,使得地球的氣溫小幅降低。即便如此,這樣的作用對於大趨勢的暖化仍然是九牛一毛。

火山熱流

菲律賓的塔爾火山是個特別的案例,由於火山就位於塔爾湖的正中間,而中央還有一個火口湖,除了有特殊的美麗景緻,也有意想不到的災害。火山噴發的熔岩,流入湖中時,將會加熱湖水,彷彿石頭火鍋一般,溫度甚高的湖水奔向周遭湖畔時,可能會造成居民的傷亡,在20世紀還發生過兩次這樣的災難,這座火山至今仍十分活躍,而監測火山的科學家也在嚴密的監控中。

菲律賓的塔爾火山,是一個湖中的火山島,為世界上著名的活躍火山之一。(圖片來源:維基共享資源,作者Mike Gonzalez)

海嘯

未必只有地震會發生海嘯,火山亦是海嘯的成因之一。火山錐的邊坡多是十分不穩定的火山沉積物,當海上的火山島或是鄰近海邊的火山噴發時,邊坡一旦受到噴發時的振動或是擠壓,便會有大塊的岩體一口氣滑入水中,形成長周期、振幅高的波浪,即形成海嘯,火山造成的山崩規模越大,海嘯的高度就越高。譬如前述的塔爾火山、加納利群島的康伯利維亞火山(Cumbre Vieja)等火山島,都具有這樣的潛勢。

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地熱發電

岩漿活動雖然有可能造成火山災害,但也帶給我們溫泉的遊憩功能、地熱的發電等幫助,隨著環保意識抬頭,地熱能源開始又再度被關注。雖然過去在台灣有產能不足、機具耗損大等缺點,但近年的科技已開始有了突破,增強型地熱系統(Enhanced Geothermal System or Engineered Geothermal System, EGS)甚至讓我們能利用到非火山活動區的地熱資源,利用鑽井注入流體,而再由另一道井回到地面附近,加熱發電機具,這樣的最大好處就是降低了資源枯竭的問題,只要再克服腐蝕與水垢的技術,便能完成克服,在宜蘭的清水地熱區,在近期也將重啟地熱的發電任務。

而在地下充滿熱源的陽明山周邊,因為大多土地位於國家公園內,因而開發受限,目前即使有部分學者提出焿子坪具有潛勢,但仍待相關單位評估其可行性。

天然災害亦只是種自然現象,只要人們做好對大自然的深入了解,自然而然可以避災又能利用資源,地熱發電便是一個十分顯著的例子。

(本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)

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責任編輯:鄭國威|元智大學資訊社會研究所

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!

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臺灣發展地熱發電到底可不可行?(下)
PanSci_96
・2023/02/04 ・4004字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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比爾蓋茲(Bill Gates)創立的「突破能源風險投資基金」(BEV)所投資的其中一家,是瑞典新能源開發公司「倍速羅得(Baseload Capital)」,這家公司在 2019 年選了台灣花蓮的紅葉村,作為亞洲地熱開發地點之一,顯示台灣在地熱發電的潛力。

不過你知道嗎?其實早在 1981 年台灣地熱發電就曾經領先國際,當時在宜蘭清水設置的地熱發電廠,是全世界第 14 個進行地熱發電的國家,但後來到 1993 年就關廠不用了,到 2021 年才重新再次運轉,為什麼呢? 這次我們來聊聊臺灣在地熱發電上已經做了哪些開發?又有哪些實際的困難和需要突破的地方。

發展地熱發電的成本和考量

地熱開發就像談戀愛,不能在 App 上聊得愉快就直接把身家都交給陌生的他,還是得面對面深入交往才知道這人到底存不存在,值不值得真心託付,能不能長長久久。地熱能開發本身,也是件高度不確定的事,以探勘地熱來說好了,即使有科學研究資料輔助,最終還是要認真挖探勘井到一定深度,才有辦法判斷到底能否作為發電之用,無法保證一定有成果。

再說,就算確定有好的熱源,若要開發臺灣地底深處的熱能,就必須挖掘深的地熱井,也就意味著要付出高昂的成本。一般而言,鑽井成本少說占了整個地熱發電計畫的 30% 到 50%,甚至是更高。根據美國康乃爾大學(Cornell University)的研究團隊於 2013 年發表的估計,地熱井深度和鑽井成本的關係,大致可以用這張圖來表示。隨著深度增加,鑽井費用亦大幅上升。

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地熱井深度和鑽井成本的關係。 圖/參考資料 1

而且,每個計畫會開發的地熱井,絕對不只一口,以宜蘭的利澤地熱電廠來說,就預計會有 11 口 6 公里深的井,所需費用的龐大可想而知。

同時,鑽井會遇到許多不同的困難。看過電影世界末日都知道,如果岩盤堅硬又粗糙,那麼不但鑽井的進度會變得緩慢,鑽頭也會磨損得特別快。另外像是卡鑽、穩定鑽頭的泥漿流失等等,都是必須面對的挑戰。

另一方面,在開發地熱時,依地區而異,可能會遇到腐蝕性流體,如含氯離子或硫酸根的地下水,因此必須選用耐腐蝕的機具和管材,或是用化學方法中和;而當熱液從地底冒出到地表時,也可能伴隨硫化氫等有害氣體,要是聞到臭雞蛋的味道還可以跑,要是濃度高到讓人嗅覺疲乏可能小命就要難保。

此外,地下水中的雜質和礦物質,可能會隨時間經過附著在管壁上,導致發電效率下降,定時清理也是個麻煩的差事。

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隨著科技的進步,雖然這些麻煩在原則上都能夠處理,卻也是無法免除的成本,在規劃時就必須仔細考量因應措施。

說了這麼多,到底用地熱發出來的電貴不貴呢?發電成本會因地區、時間和技術的提升而異,不同單位做出來的評估也會不同。若我們比較近年來幾個不同組織評估的全球均化發電成本(Levelized cost of electricity),也就是電廠生命週期總成本除以生命週期總產生能源,大致可以看到這樣的結果,不同顏色代表著不同單位的評估。

全球均化發電成本(Levelized cost of electricity) 圖/wikipedia

以全球總體來說,目前地熱發電每發出百萬瓦小時電力的成本,跟太陽能和陸域風電相比稍微偏高,但跟其他能源相比倒也不至於比較貴。必須留意的是,這只代表近年的能源價格狀況,也跟電力公司發布的發電費用是完全不同概念,而且隨著未來地熱往深處探勘、或技術的成熟,成本還有可能提高或降低。

臺灣的地熱發電發展

事實上,臺灣在地熱發電曾經領先國際,1981 年就在宜蘭清水設置了地熱發電廠,是全球第 14 個進行地熱發電的國家。

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只不過,臺灣的地熱發電量從一開始的 828 萬度一路下滑,到 1995 年完全歸零,從 2017 年之後才又往上提升。這中間到底發生了什麼事呢?

一來,清水地熱電廠早期進行發電時,利用完的熱水並沒有回注地底,而是直接排掉,造成地下水耗損;二來,像我們前面說過的,地下水中的礦物質於地熱井管壁結垢;這兩大因素使得清水電廠的出水量銳減,僅過一年發電能力就大幅下降,最終導致 1993 年的關廠。

從此,臺灣的地熱發電沉寂好一段時日,直到 2013 年清水地熱電廠重新建置示範機組,進行運轉測試,2018 年開始發電,並於 2021 年底正式重新啟用,才宣告復活,目前也有擴大發電規模的計畫進行中。當然,這一次,在地下水回注跟結垢問題的處理上,都比之前更好。

除了清水地熱這個示範點,從 2018 年開始,也有台東知本溫泉業者利用既有溫泉資源進行發電,且併入台電電網,成為臺灣小規模地熱發電首例。

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宜蘭清水地熱河床。圖/地熱發電單一服務窗口

那麼,臺灣的地熱發電就此熱熱鬧鬧熱到家了嗎?倒也不是。我們可以從兩個面向,行政流程和開發誘因分別討論。

臺灣的地熱發電關卡:繁複的行政流程

長久以來,臺灣在地熱資源的開發一直缺乏適當的法規和配套流程。若要進行開發,必須依照《溫泉法》和《水利法》申請,但卻沒有任何一項是跟發電直接相關,法規細節也不符合地熱發電的特性。

此外,土地使用根據涉及的區域,仍須依《都市計畫法》、《區域計畫法》、《森林法》、《國家公園法》、《地質法》、《災害防救法》、《水土保持法》等規定辦理,不但要面對中央和地方政府許多不同單位,行政程序亦曠日廢時,相當不容易。

就像兩人交往之前,得先經過她爸、她媽、二舅、大嬸婆、還有指導教授跟前男友同意才行。以才剛重新啟用的清水地熱電廠來說,雖然施工只要一年多,跑行政流程卻花了四年。這樣冗長繁複的申設程序,無疑拖累了臺灣的地熱發電發展。

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有鑑於此,最近的「再生能源發展條例」修正草案,簡化了地熱發電申請的行政程序,也新增相關規範,並於 2022 年 12 月初在行政院通過,後續將送往立法院審議,值得我們關注後續的發展。

臺灣的地熱發電關卡:開發誘因不足

地熱發電要付諸實行,除了技術和法規必須到位之外,還必須有經濟效益,才可能成真。

我們可分別從計畫的探勘期、開發期、和營運期三個階段來說明。

首先,地熱發電計畫在探勘期風險極大,很有可能挖了探勘井,卻沒有好的熱源,回不了本。

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舉例來說,從 2017 年底開始,台電在綠島進行了兩口地熱試驗井的鑽探工程,最終卻發現溫度並不理想,而暫時將計畫擱置。

而在開發期,臺灣目前沒有保障地熱探勘者優先開發的權利,就算找到熱源,卻可能被其他業者搭便車,捷足先登開發,得不償失。相關法規後續要怎麼訂定,是值得討論的議題。

2018 年仁澤三號井。 圖/環境資訊中心

最後,營運期的收入,若無法彌補成本並獲利,就也不可能吸引廠商投入。為此,躉購費率,也就是再生能源保證收購制度的訂定就非常重要。

縱上所述,因為地熱計畫存在諸多風險,初期又需要龐大的經費,如果沒有政府支持,民間廠商非常不容易投入。

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目前來說,臺灣政府設有「地熱能發電系統示範獎勵辦法」,針對探勘給予補助;既有的地熱探勘初步資料在「地熱發電單一服務窗口」網站也都可查詢,並由經濟部中央地質調查所邀請國內 12 個與地科、地質相關校系,籌組「地熱探勘學研合作平台」,投入前期的地質調查,讓廠商有開發的參考依據。同時,地熱發電做為再生能源的一環,每年也會重新修訂躉購費率。

至於這些措施合不合宜、是否真能發揮效用,增加廠商投資意願,就有待我們觀察。

隨著再生能源越來越受到重視,全球的地熱發電於這十幾年內增加了許多。

雖然在總容量上,與其他主流能源還有不小差距,但因為技術的進步,地熱發電逐漸能夠擺脫地域的限制,更廣泛地被運用。

全球地熱熱點分布。圖/Energy Education

而台灣位處環太平洋火山帶,深具地熱發展潛力。可惜的是,即使是臺灣最容易開發、深度較淺的地熱能源,其潛能亦尚未完全發揮。經濟部原本設定 2025 年地熱發電目標要達 200MW,卻因為行政流程繁瑣和開發誘因不足等各種原因,導致開發進度緩慢,只能下修目標。

現在,台灣地熱累積的併網裝置容量約 5MW,雖然還有二十多個地熱計畫正在進行中,也有民間公司積極投入,宣布最快要在 2030 年累積建置達 200MW。但上述問題一日不解決,臺灣的地熱就難以真正施展拳腳。

如果我們希望臺灣的地熱發電能夠更蓬勃發展,那麼,相關法規的訂定和行政流程的簡化是一定要做的,接著要完善獎勵措施和補助機制,並設定合理的電價制度。在整個過程中,一些地熱發展良好的鄰近島嶼國家,如日本、菲律賓、印尼、紐西蘭的相關政策,也值得我們借鏡。另一方面,在土地的使用上,如何和在地民眾溝通與協商,也是重要的工作。

可以說,不需要燃料,極低碳排放,但是前期建置成本佔比高,營運費用相對低廉,是地熱發電的特色。儘管潛力巨大且有著諸多好處,但技術上的挑戰,和地理條件的限制也擺在那邊。

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臺灣發展地熱發電到底可不可行?(上)
PanSci_96
・2023/01/29 ・3490字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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2022 年 3 月臺灣政府正式公布了「台灣 2050 年淨零排放路徑藍圖」,我們在先前的影片也有聊到,2050 淨零排放就是要讓台灣的總碳排放量,再扣掉人為捕捉移除的量之後歸零。

直觀來說,極低碳排放的再生能源電業,在淨零排放上勢必扮演重要角色。這次我們要來聊聊除了太陽光電和離岸風電之外,大家也非常期待的綠色能源——地熱發電,談談地熱發電究竟是什麼?有發展的可能嗎?

什麼是地熱發電?

大家學過地科都知道,地球內部處於極高溫狀態,而這股地熱能,會隨著地函對流和熔岩,被帶至地表附近。

地函對流。 圖/wikimedia

人類很早就懂得利用地熱資源,例如你我曾經泡過的溫泉,就源自於被地熱加熱的地下水。換言之,地熱能是地球自然產生、乾淨的再生能源。若拿來發電,就是所謂的地熱發電。

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地熱發電擁有不少優點,包括使用腹地小、碳排放低、低污染、抗天災等,更沒有目前太陽能發電和風力發電最為人詬病的不穩定問題,可以 24 小時全天候提供電力。若能妥善開發和利用,不失為未來全球再生能源供給的重要選項。

臺灣地熱潛力為何?

說得再理想,還是要先回答一個關鍵:臺灣的地熱潛能到底有多少?這邊要介紹一個名詞:地溫梯度(geothermal gradient),它指的是地球內部隨深度增加而使得溫度升高的變化率。

地球內部的溫度曲線示意圖。 圖/wikimedia

一般來說,在地表附近,每往下一公里,溫度就上升約攝氏 25 到 30 度;但是,在靠近地球構造板塊邊界處,溫度梯度較高;也就是說,往下同樣的深度,會得到比較高的溫度。在這些地區,要進行地熱發電明顯比較有利。

而臺灣正好位於菲律賓海板塊和歐亞大陸板塊的交界,因為兩個板塊的互相擠壓,使得地殼隆起而形成。

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因此,臺灣不但多地震,就先天條件來說,似乎也是地熱潛力值得期待的區域。

可惜的是,根據上個世紀的地熱評估文獻,臺灣的地熱發電潛能最多不會超過 1000MW,這個數字是多少?我們作個對照,核四兩部機組的總裝置容量是 2700MW。

若再考慮這些地熱的位置和環境,不見得都適合開發,所以可實際運用的地熱就又更少了。對此,工研院甚至曾推估,其中真正能拿來發電的地熱,只有 150MW。

這麼說來,我們大概不用指望地熱發電,只能洗洗溫泉睡了,或頂多只能有小型的發電規模。

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不過,代誌(tāi-tsì)不是那麼簡單。當談到地熱資源多寡的時候,就跟為人處世一樣,我們至少必需要留意兩個要素:溫度和深度。很顯然地,當溫度不夠高,地熱發電就沒效率;另一方面,既然地底越深處溫度越高,我們只要一直挖、一直挖、挖得夠深,總是可以得到足以發電的高溫。

前面說到臺灣地熱發電潛能最多不到 1000MW,事實上考慮的是溫泉地區中,離地表比較近、最容易開發的地熱。若往更深的地方探勘,又是另一番風景。

地熱發電,除了考慮溫度還要考慮深度。 圖/envato.elements

在習慣上,國際常分別用淺層地熱(shallow geothermal)和深層地熱(deep geothermal)的稱呼來區別深度不同的地熱能。但要值得留意的是,要多淺才叫淺層、多深才叫深層,並沒有全球一致的定義,反而依各國情況而定。

近年來,在國科會的能源國家型科技計畫支持下,臺灣大學的研究團隊分析了大屯火山群、宜蘭地區、廬山地區和花東地區共四個區域的資料,發現海拔高度 1000 公尺以下、地底深度 4000 公尺以內,且地溫高於攝氏 175 度的地熱蘊藏發電容量,可達 33640MW。換句話說,約等於 12 座核四。

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既然臺灣蘊藏了這麼高的發電容量,那我們還不趕快開發開個爆嗎?

地熱發電原理與技術

這就會牽涉到現實中,地熱發電技術的發展。

理想狀況下,地熱資源的構造,大致可以用這張圖來表示。最下方是熱源,熱源之上稱為儲集層(reservoir),再上方則是由緻密岩石組成的蓋層(caprock)。

地下水會經由地層裂縫進入儲集層而受到加熱。因為蓋層的阻擋,大部分熱水或水蒸氣會在儲集層進行熱對流,而少部分的水或蒸氣則可能會透過蓋層的裂縫,從地表竄出,成為溫泉或是噴氣孔。

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就傳統的地熱發電來說,地底需要三個條件,豐富的熱源、充足的地下水,和良好的滲透率,讓水可以在其中流動,這三者缺一不可。在具備這些條件的地方,汲取地熱能量相對容易。

如果從地底出來的水是蒸汽型態,我們可以直接利用,讓蒸汽通過渦輪機,產生電力,稱為乾蒸汽(Dry Steam)發電,這也是最古老的地熱發電方式。只不過,這麼好的條件可遇不可求。

若存在地底的是攝氏 180 度以上的高溫熱水,當這些熱水從高壓環境抵達地表的低壓貯存槽,因為壓力降低,會迅速轉變成氣體,推動渦輪發電機,這稱為閃發蒸汽(Flash Steam)發電,同時也是目前最普遍的地熱發電方式。

要是地熱資源的條件沒那麼好,比如說,世界上大部分地方,地溫梯度並不高,就算挖得很深,地下水溫就是不熱,怎麼辦呢?就像教授在課堂上講笑話,大學生托著腮毫無反應一樣,那就找批笑點很低、又很有精神的小學生來吧!

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近來,許多的新建地熱發電廠採用所謂雙循環(Binary-Cycle)發電方式,當溫度沒那麼高的地下水到達地表後,會在熱交換器(heat exchanger)與另一種流體交換熱能,像是正戊烷(Pentane)或丁烷(Butane);它們因為沸點很低,所以在接收到地下水的熱能後,會轉變成氣態並推動渦輪,產生電力。雙循環系統的好處是適用更廣大的區域,而且對溫度的要求不高,甚至有攝氏 57 度就成功發電的紀錄,但缺點就是發電效率較低。

目前世界上的地熱發電廠,主要都是用以上三種方式進行發電,深度約在 1.5 公里到 2.5 公里左右。然而,正是地熱發電技術的瓶頸,成為臺灣大規模開發地熱資源的難處之一。但這些難處,其實也有技術可以破解!

臺灣地熱的先天條件、侷限、破解之道

上述的地熱發電方式,至少都需要有充足的地下水或地下流體,和良好的滲透率;就算溫度不夠高,也還可以用雙循環系統來彌補。

但在臺灣,深度較淺、容易探勘與利用的地熱資源,發電潛能最多也不過前面提及的 1000MW,而且還得再扣除不適合開發的地區。如果想大規模進行地熱發電,就勢必要往更深處的地熱資源著手。

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然而,我們卻沒辦法保證潛在的地熱資源,都具備充足的地下水跟良好的滲透率。有很大可能是,地底深處儘管溫度夠高,卻沒有水也沒有適當的裂隙。這也是全球地熱發電發展腳步緩慢的原因之一。

為了克服此一問題,這些年來陸續有不同的提案出現。而國際上最常被提及的解方,就是所謂的增強型地熱系統(Enhanced Geothermal System),簡稱 EGS。

EGS 在嚴謹控制的環境下,以高壓朝地下深處注入冷水,迫使岩石原本既有的裂隙擴大,人為創造良好的滲透率。

這些冷水在吸收地底的高溫之後,又會回到地表作為發電之用。一旦發電完畢,這些冷卻下來的水又會被注入地底,如此往復循環。有如開了二檔的魯夫。

整套方法在 1:05 有動畫呈現。

這樣聽起來,增強型地熱系統似乎很不錯,降低了地熱發電的環境限制門檻。但是,它也存在一些問題。

首先,往地下注入的水,其流動取決於人為擴大的裂縫,但我們並沒有辦法保證裂縫方向符合需求,所以會有很多水是沒辦法回收的;二來,它也有引發地震活動的可能性。這些都是使用 EGS 進行地熱發電時,要實際考慮的問題。

這集,我們討論了地熱發電的原理,以及臺灣是否適合地熱發電,下一集將討論地熱發電的成本,與開發上需要考量的細節,並回顧台灣地熱發電的發展歷史。

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2013年7月,墨西哥波波卡特佩特(Popocatepetl)火山的噴發,影響了當地附近的航空交通,波波卡特佩特火山是個非常不安分的活火山,從1920年重大的活動以來,時常都會有小規模的噴發,噴出少量的熔岩和產生火山灰,雖然不是大規模噴發,但持續噴發的時間一長,火山灰便會影響甚大。火山灰危害了火山鄰近區域的交通安全與空氣品質,而熔岩流與火山雲氣更可能威脅附近的居民,如同龐貝城的火山罹難者一般。火山是存在地球已久的自然現象之一,隨著科學的研究,我們更了解火山,也知道趨吉避凶的方式。當然,也該認識一下,火山帶給我們至今仍在克服中的各項挑戰。

火山灰

2010年冰島艾雅法拉火山的噴發,對全球的航空與氣候造成重大的影響,由於火山灰對於飛航的安全有極大的威脅,因此高於一定濃度時,飛機便會停飛,航班因而大亂。火山灰的粉末極細,落在鄰近的冰川時,也造成了冰融而成災;而火山灰會反射太陽的輻射,因而使全球氣溫降低,當時的新聞報導也指出,由於火山灰對環境的作用,加上班機停飛所減少的溫室氣體排放,使得地球的氣溫小幅降低。即便如此,這樣的作用對於大趨勢的暖化仍然是九牛一毛。

火山熱流

菲律賓的塔爾火山是個特別的案例,由於火山就位於塔爾湖的正中間,而中央還有一個火口湖,除了有特殊的美麗景緻,也有意想不到的災害。火山噴發的熔岩,流入湖中時,將會加熱湖水,彷彿石頭火鍋一般,溫度甚高的湖水奔向周遭湖畔時,可能會造成居民的傷亡,在20世紀還發生過兩次這樣的災難,這座火山至今仍十分活躍,而監測火山的科學家也在嚴密的監控中。

菲律賓的塔爾火山,是一個湖中的火山島,為世界上著名的活躍火山之一。(圖片來源:維基共享資源,作者Mike Gonzalez)

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海嘯

未必只有地震會發生海嘯,火山亦是海嘯的成因之一。火山錐的邊坡多是十分不穩定的火山沉積物,當海上的火山島或是鄰近海邊的火山噴發時,邊坡一旦受到噴發時的振動或是擠壓,便會有大塊的岩體一口氣滑入水中,形成長周期、振幅高的波浪,即形成海嘯,火山造成的山崩規模越大,海嘯的高度就越高。譬如前述的塔爾火山、加納利群島的康伯利維亞火山(Cumbre Vieja)等火山島,都具有這樣的潛勢。

地熱發電

岩漿活動雖然有可能造成火山災害,但也帶給我們溫泉的遊憩功能、地熱的發電等幫助,隨著環保意識抬頭,地熱能源開始又再度被關注。雖然過去在台灣有產能不足、機具耗損大等缺點,但近年的科技已開始有了突破,增強型地熱系統(Enhanced Geothermal System or Engineered Geothermal System, EGS)甚至讓我們能利用到非火山活動區的地熱資源,利用鑽井注入流體,而再由另一道井回到地面附近,加熱發電機具,這樣的最大好處就是降低了資源枯竭的問題,只要再克服腐蝕與水垢的技術,便能完成克服,在宜蘭的清水地熱區,在近期也將重啟地熱的發電任務。

而在地下充滿熱源的陽明山周邊,因為大多土地位於國家公園內,因而開發受限,目前即使有部分學者提出焿子坪具有潛勢,但仍待相關單位評估其可行性。

天然災害亦只是種自然現象,只要人們做好對大自然的深入了解,自然而然可以避災又能利用資源,地熱發電便是一個十分顯著的例子。

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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

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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。

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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?

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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!

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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。

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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。

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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!

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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。

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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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