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穿越的地震波,怎麼會轉性了?

阿樹_96
・2013/10/25 ・2872字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 521 ・七年級

地震波PKJKP最近在pansci天天問中看到一個提問:「科學家是如測量S波在內地核的波速?」這個問題並不是我第一次聽到,而地球科學課本上會提供大家P波與S波波速的變化圖。只是就我們所知道,外地核是液態,S波無法穿透,而內地核又會有S波的波速,既然無法穿透,那為何又再度出現呢?的確,就文字邏輯上的判斷,是不容易理解的。身為一個鍵盤地球科學家,是有必要來認真回答一下。

其實,要認真的回答這個問題,我想最好先複習過往的國中理化,知道「波」的本質是什麼,就可以輕鬆的理解,為什麼S波會在內地核出現,而且還能知道S波傳遞的速度了。

P波與S波波速隨深度變化與地球的分層構造。圖片摘自維基百科,作者Brews ohare以Creative Commons3.0授權

猶記國中地科,我們學過兩種機械波的傳遞方式,那時是用聲音來舉例,分別為「縱波」與「橫波」,當時是以聲波作為縱波的例子,而橫波則用繩波來舉例。而有一點更重要的附註是「介質不隨波動傳播」,也就是不管波怎麼傳遞,往前跑的只有能量,沒有任何物質;我在這邊大喊,你在那邊接收到的只有我發出聲音的能量,並不是我這邊的空氣分子。

同樣的道理,地震波在地球內部傳遞時亦同時有P波和S波兩種,P波的傳遞方式類似聲波,S波則有點像是繩波一般,介質的運動和行進方向相垂直,這裡說的「介質」,其實就是你我腳下的地殼、岩石。

各種地震波的質點運動方式示意。圖片摘自中央氣象局地震百問
各種地震波的質點運動方式示意。圖片摘自中央氣象局地震百問

好的,接下來國中生們會上到的就是光的折射與反射,在此,無論是P波與S波,很幸運的和光線一樣,遵循著「司乃爾定律(Snell’s Law)」,入射角與折射角的關係,和介質的折射率有關,而對地殼中的岩石來說,岩石的種類就會影響波的速度,在界面上也會發生折射的現象。無論是P波和S波,從低速層到高速層時,就會偏離法線,反之則會偏向法線,從地殼到地核,除了軟流圈和外地核之外,大致上是越往內部密度越大,而波速也隨之增加,在經過地球剖面的各種地震波的波線,也是會呈現弧形的折射結果。

折射
司乃爾定律與多層折射的情形

接下來我們要一口氣切入問題的核心,從地函到外地核,一直到內地核,地震波究竟是怎麼樣傳播與變化的呢?

P波的陰影帶成因(圖片取自USGS http://earthquake.usgs.gov/learn/glossary/?termID=170&alpha=S)
P波的陰影帶成因(圖片取自USGS http://earthquake.usgs.gov/learn/glossary/?termID=170&alpha=S)

首先是從地函到外地核,一般會認為外地核為液態的主要原因有二:其一是因為S波在地函—地核介面會完全反射,無法穿透。而另一個原因是因為P波經過外地核時,先偏向法線折射,因而造成在104度至140度間存在一個陰影區,記錄不到地震波。這是高中地科課本會寫到的內容,但課本上並未再深究另一個事實,也就是在外地核—內地核介面上發生的「波相轉變」,P波在遇上各種不同的介面都會有一部分轉成SV波,然而在外地核—內地核的邊界上,這個轉換波變的更加重要!

「等等,怎麼突然冒出什麼SV波的?」想必大家一定會這麼問,在P波遇上不同物質介面的時候,如果不是以90度角直射,多少在介面上的質點都會產生與S波相同的運動行為,而這樣的S波,又會依其與介面的關係,分成垂直於介面的SV波,和平行於介面的SH波,其中SH波的質點運動在通過介面後不會有任何的變化,但SV波則會和P波在介面上發生質點互換的行為,造成會有P波轉SV波、SV波轉P波的現象。因此「理論上」,P波在進入內地核後,會有一小部分轉為SV波,而通過內地核的SV波,想要再回到外地核,也無法直接出去,唯有部分由SV轉換成P的波動再度被傳出去,最後再回到地表的測站,這樣特殊的波傳路徑,學術上以PKJKP(註1)來命名其波相(註3),然而從P轉SV再轉回P的能量衰減非常多,如何去量度與證明理論的正確性,仍然是地震學家們爭論的議題,從波動方程式與司乃爾定律上的推導,是可以證明這個波相存在,經由對大地震的分析,也有越來越多的資料能夠佐證(註2)。

P波轉換成SV波的示意
P波轉換成SV波的示意
PKJKP波的路徑(中間轉成SV波)
PKJKP波的路徑(中間轉成SV波)

最後,與大家再分享一個觀念,目前的鑽井技術,了不起10公里出頭而已,因此至今我們還沒有技術了解地底下數百至數千公里的實際狀況,僅能透過地震波來推測構造,以觀測到的隕石成份、實驗室裡進行高溫高壓的實驗來探討地球的內部情況,像是地核是鐵鎳等組成的也是經由對隕石分析、地球質量的估算、行星的成因、地球磁場的形成的眾多間接的證據拼湊而成,像最初提問「如何測出內地核中S波波速?」也是經過觀察波相、地震波的分析,並用已知的地球組成加以模擬,而得到的結果,這之中只要有一些新的研究出現,就有可能會改寫已知的教科書內容,相信許多編委教授前輩,或是在教學現場的老師們在編寫或設計課程也十分辛苦,要把以上這些知識加入高中地課的教材中,或許比在此撰寫這篇文章還要難的多! 發揮最好 網站 遊戲。

 

本篇文章同時發布在作者部落格「地球故事書」。 歡迎大家來看看各種關於地球的故事。

 

參考資料與延伸閱讀:

 

註1:早期對PKJKP的相關文獻REVIEW

註2:PKJKP的觀察(by IRIS)

註3:關於波相的命名(摘自「地球物理學概論」,中國地球物理學會編印,1998): 震體波的傳播路徑可經由波線的方式來表示。若我們將穿過地球的波線加以分類,並給予每個波線一個適當的代碼,對應於每一類波線的體波即稱為一個波相(Wave phase),以該類對應之波線代碼命名。自震源往上傳遞的縱波和橫波,以p, s分別表示。在地函中往下而上傳遞的縱波和橫波分別以P和S表示;在外核中的縱波以K表示;在內核中的縱波和橫波分別以I和J來表示;在地函和外核之邊界上之反射點,以c表示;在內核和外核之邊界上之反射點,以i表示。

地球內部的各種波徑名稱 地球物理學概論 ,中國地球物理學會編印, 1998
地球內部的各種波徑名稱
地球物理學概論 ,中國地球物理學會編印, 1998

 

震央發生在地表的各種波相之走時圖 地球物理學概論 ,中國地球物理學會編印, 1998
震央發生在地表的各種波相之走時圖
地球物理學概論 ,中國地球物理學會編印, 1998

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阿樹_96
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地球科學的科普專門家,白天在需要低調的單位上班,地球人如果有需要科普時時會跑到《震識:那些你想知道的震事》擔任副總編輯撰寫地震科普與故事,並同時在《地球故事書》、《泛科學》、《國語日報》等專欄分享地科大小事。著有親子天下出版《地震100問》。


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你聞過下雨的味道嗎?讓我們一同探究它是怎麼產生的吧!

椀濘_96
・2022/05/04 ・3083字 ・閱讀時間約 6 分鐘

夏日雨季來臨,下雨前及正在下雨時,總能聞到一股特殊的氣味,濕濕的又有點清新,但大多時候卻不太喜歡,聞起來反而像霉味,甚至臭臭的,而我們總說那是「雨味」。

你是否也曾好奇過,這個形容不出、抽象的「下雨的味道」,究竟是怎麼產生的呢?

夏日雨季來臨總能聞到一股特殊的氣味,我們總說那是「雨味」。圖/Pixabay

最美的的英文單字 —— Petrichor 的由來

在經過漫長的乾旱季後,雨水落在乾燥土壤上時,混雜新鮮泥土與青草的氣味,這股聞起來令人愉悅舒爽的初雨清香,就叫 —— Petrichor。

撇除這樣優美浪漫的文學意涵,Petrichor 本身是個術語,專指下雨的氣味。

Petrichor 一詞首次出現在 1964 年的《自然》(Nature)期刊中,由兩位澳洲的 CSIRO(聯邦科學與工業研究組織)研究人員 Isabel Joy Bear 和 Richard G. Thomas 所創造。

該單字是由兩個希臘字「petra」以及「ichor」所組成;其中 petra 為岩石、石頭,而 ichor 則為希臘神話中神的血液。(聽起來就超厲害的!)

「岩石的血液」實際上是被大地吸收的植物油脂

而在該篇論文中,Bear 與 Thomas 揭露了令世人好奇許久「雨味」的來歷。顧名思義,Petrichor 一詞表明了此氣味來自於岩石內的液體,源自於兩人在實驗中證實,這個味道就是植物在乾旱期間分泌出的油,隨後這些油則被泥土、岩石吸收了。在乾旱時,油脂與泥土、岩石表面的其他化學物質相互發生作用,等到雨季來臨時,多種組合物的氣味被釋放出來。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。中文則將 Petrichor 譯為「潮土油」。

然而礙於當時技術尚未發展成熟,兩人尚未分解出該植物油脂的組成成分。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。圖/Pixabay

隔年(1965 年)Bear 與 Thomas 在《自然》上發表了另一篇關於 Petrichor 與植物生長的論文。

在長期處於乾旱或沙漠條件的地區迎來降雨時,植物種子萌發的反應會較迅速。因此兩人以此觀點帶入假設:該氣候條件普遍有利於 Petrichor 的累積,並從黏土(有黏性的泥土,內含多種礦物與金屬元素)和其他矽酸鹽礦物中釋放,兩者作為土壤的成分,似乎有可能伴隨著 Petrichor 內的一些物質,其可能對種子萌芽產生有利的影響。

然而,根據兩人實驗觀察,發現並非如此。

根據實驗結果所示,從礦物中提煉出的 Petrichor 顯著延遲了水芹、芥菜等種子的發芽和生長。此外,發現播種在濕潤後、原先為暴露在溫暖乾燥大氣條件下之材料的種子,與播種在未暴露或使用前已先經蒸氣蒸餾和烘乾之材料上的種子相比,發芽需要更長的時間、生長的速度更慢。

雨的味道其實細菌也有出一份力

在 Petrichor 一詞還未出現時,當時人們把下雨的味道形容為「泥質的氣味」( argillaceous odour) ,以表達下雨時所散發出的味道是來自土壤。

泥土中除了植物分泌的油外,還有細菌,也為「雨味」做了貢獻。

在土壤中的放線菌(Actinomyces)和鏈黴菌(Streptomyces),他們的代謝副產物——二甲基-9-烷醇(Dimethyl-9-decalol),該化學物質存在於孢子表層,並帶有泥土氣味,稱為土霉味(geosmin)或土臭素。那麼我們又是怎麼聞到土霉味的呢?

放線菌在長時間的乾旱時,代謝活動的速度會較慢;而在乾燥的環境下,細菌則製造孢子以利生存。當下雨前空氣轉為潮濕,泥土也變得濕潤,這能讓放線菌的代謝活動加速,因此也產生更多土霉味;等到下雨的時候,孢子因雨滴彈到空氣中,潮濕的空氣攜帶孢子飄散,便使我們聞到了土霉味。

孢子落在潮濕的土中則會變成菌絲的形態,土壤乾燥後又形成孢子,下雨時又再一次發生上述的過程,如此循環。

2010 年,麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology , MIT)研究雨滴對土壤的影響時,也進一步分析出了 Petrichor 的產生機制 。實驗觀察後發現,當雨水落在土壤時會釋放被困在液體中的氣體——氣溶膠(aerosols)粒子,而這些粒子會與前面提及泥土中的放線菌等細菌、植物分泌的油相互作用,在雨滴衝擊下,進而迸發出我們所聞到的下雨的味道。

閃電分解氧氣形成臭氧也是其中一個味道來源

還有臭氧,也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。

閃電的高能量會將大氣中氧氣(O2)分解成獨立的氧原子(O),其中一些重組為一氧化氮,接著又與其他大氣中的化學物質發生反應,有時會產生由三個氧原子組成的分子——臭氧(O3)。因雷暴[1]的下沉氣流將臭氧從高處帶到接近地面的高度,使我們能聞到淡淡的、像是漂白水的臭氧氣味(也有人形容像青草味),預告著大雨來襲。

除此之外,弱酸性雨水和地面物質發生反應、雨後植物揮發的精油等,與雨滴、空氣相互作用後,都是產生氣味的來源。

閃電也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。圖/Pexels

雨的味道可能暗示著某些訊息嗎?

這些被天氣攪動所產生的氣味,都可能傳遞著某些訊息。

有微生物學家認為,土霉味可能可以幫助駱駝找到通往沙漠綠洲的路,而駱駝則作為放線菌孢子的載體,幫助其散播。

至於人類,昆士蘭大學的人類學家對澳洲西部沙漠中原住民的文化做了調查研究。在當地,夏季之前來的第一場雨相當重要,濕潤的空氣混合了潮濕的樹葉油脂、尤加利樹、動物糞便和灰塵的氣味,而雨水能為袋鼠、鴯鶓[2]等動物解渴,沙漠也增添了幾分綠意。對他們而言,雨的氣味與綠意、生機有關,被認為是保護和清潔,也將世人與祖先聯繫著;學者將此稱之為「文化聯覺」(cultural synesthesia)。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。心理學家觀察到,儘管人類似乎對這些氣味沒有天生的反應,但我們確實會將之與自身的經歷聯繫起來。大雨可能帶來了潮濕、發霉的回憶,便不太喜愛雨味;對另一部份的人而言是淨化和提神的,從炎熱的天氣中解脫,大地也因雨水洗滌而有了生機、煥然一新。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。圖/Pexels

下雨時的味道不單單只由一個事件構成,它很複雜、很多元,每個單獨氣味的背後都有著一套機制,說起來,不單單只有生物學,還搭配著物理學、化學、心理學等,在多方交織下而有了豐富的解釋和體驗。

待下次下雨時,你就可以和身旁的人問起:「你知道下雨的時候為什麼會有味道嗎?」

註解

註 1:雷暴指一種產生閃電及雷聲的天氣現象,通常伴隨著滂沱大雨。
註 2:鴯鶓(Dromaius novaehollandiae),別名為澳洲鴕鳥;是現存世上第二大的鳥類。僅分布於澳洲,為國徽上的動物之一。from wikipedia

參考資料

  1. 潮味、土味、青草味 有沒有聞到下雨的味道?——科學月刊
  2. Nature of Argillaceous Odour
  3. Petrichor and Plant Growth
  4. Aerosol generation by raindrop impact on soil
  5. Why you can smell rain
  6. Storm Scents: It’s True, You Can Smell Oncoming Summer Rain
  7. Why Does Rain Smell Good?
  8. 為什麼下過雨之後,地上會有個怪味?

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椀濘_96
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