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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。

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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)。

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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

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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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文章難易度
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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「別來無恙」不只是招呼
顯微觀點_96
・2025/04/12 ・2349字 ・閱讀時間約 4 分鐘

本文轉載自顯微觀點

圖/照護線上

我最親愛的 你過的怎麼樣  沒我的日子 你別來無恙   -張惠妹《我最親愛的》

常常聽到「別來無恙」的問候,其中的「恙」就是指「恙蟲」。在唐朝顏師古的《匡謬正俗》一書中便提到:「恙,噬人蟲也,善食人心。古者草居,多移此害,故相問勞,曰無恙。」用以關心久未見面的朋友沒有染讓恙蟲病、一切安好。

而清明節一到,衛福部疾管署便會提醒民眾上山掃墓或是趁連假到戶外踏青,要小心「恙蟲病」,就是因為每年恙蟲病的病例數從4、5月,也就是清明假期左右開始上升;到6、7月達最高峰。

Qingming Or Ching Ming Festival, Also Known As Tomb Sweeping Day In English, A Traditional Chinese Festival Vector Illustration.
圖/照護線上

但恙蟲病到底是什麼樣的疾病呢?恙蟲病古時被稱為沙虱,早在晉朝葛洪所著的醫書《肘後方》提及,「初得之,皮上正赤,如小豆黍米粟粒;以手摩赤上,痛如刺。三日之後,令百節強,疼痛寒熱,赤上發瘡。」

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恙蟲病是一種病媒傳播的人畜共通傳染病,致病原為恙蟲病立克次體(Orientia tsutsugamushi或Rickettsia tsutsugamushi),被具傳染性的恙蟎叮咬,經由其唾液使人類感染立克次體。而感染立克次體的恙蟎,會經由卵性遺傳代傳立克次體,並在每個發育期中,包括卵、幼蟲、若蟲、成蟲各階段均保有立克次體,成為永久性感染。

感染恙蟲病可能引起危及生命的發燒感染。常見症狀為猝發且持續性高燒、頭痛、背痛、惡寒、盜汗、淋巴結腫大;恙蟎叮咬處出現無痛性的焦痂、一週後皮膚出現紅色斑狀丘疹,有時會併發肺炎或肝功能異常。 恙蟲病的已知分佈範圍不斷擴大,大多數疾病發生在南亞和東亞以及環太平洋地區的部分地區;台灣則以花東地區、澎湖縣及高雄市為主要流行區。

比細菌還小的立克次體

立克次體算是格蘭氏陰性菌,有細胞壁,無鞭毛,革蘭氏染色呈陰性。但它雖然是細菌,但是嚴格來說,更像是細胞內寄生生命體,生態特徵多和病毒一樣。例如不能在培養基培養、可以藉由陶瓷過濾器過濾、只能在動物細胞內寄生繁殖等。大小介於細菌和病毒之間,呈球狀或接近球形的短小桿狀直徑只有0.3-1μm,小於絕大多數細菌。

最早發現的立克次體感染症的是洛磯山斑疹熱(Rocky mountain spotted fever);由美國病理學家立克次(Howard Taylor Ricketts,1871-1910)所發現。

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1906年立克次到蒙大拿州度假,發現當地正在流行一種叫做洛磯山斑疹熱的傳染病,病患會出現頭痛、肌肉痛、關節疼痛的症狀,之後皮膚會出現出血性斑塊。當時沒有人知道是什麼原因造成這個疾病。

立克次一開始以顯微鏡觀察病患血液,發現一種接近球形的短小桿菌,但卻無法體外培養。而他將帶有「短小桿菌」的血液注射進天竺鼠體內,或是以壁蝨吸食患者血液再咬天竺鼠,發現天竺鼠也會染病。另外,他試驗各種節肢動物來做為媒介,發現只有壁蝨能夠成為傳染窩進行傳播。

立克次釐清了洛磯山斑疹熱的成因與傳染途徑,但因為無法在體外培養基培養這個病原菌,他並未加以命名。

後來其他研究者從斑疹傷寒等其他疾病也發現無法在培養基生長、必須絕對寄生宿主細胞的類似細菌,並為了紀念立克次的貢獻,而命名為「立克次體」。

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而立克次體不只一種,因此引起的疾病也不只有恙蟲病。在台灣列為法定傳染病的還有由普氏立克次體(Rickettsia prowazekii )引起的流行性斑疹傷寒,透過體蝨在人群間傳播;由斑疹傷寒立克次氏體(Rickettsia typhi)造成的地方性斑疹傷寒,由鼠蚤傳播至人體。另外還有由立氏立克次體(Rickettsia rickettsii)所引致的洛磯山斑疹熱等。

立克次體透過傳統革蘭氏染色的效果非常弱;因此常用一種對卵黃囊塗片中立克次體進行染色的方法,以利光學顯微鏡觀察。現在,這項技術常用於監測細胞的感染狀態。

受限於光學顯微鏡的解析度,許多科學家也使用電子顯微鏡來對立克次體與宿主細胞相互作用的精細結構進行分析。例如分別引起流行性斑疹傷寒、洛磯山斑疹熱和恙蟲病的立克次體,外膜組織就能透過電子顯微鏡看到些許的差別,有的外膜較厚,有的則是外膜內葉和外葉倒置。

立克次
卵黃囊塗片立克次體的顯微影像,其尺寸範圍為 0.2μ x 0.5μ 至 0.3μ x 2.0μ。立克次體通常需要使用特殊的染色方法,例如Gimenez染色。圖片來源:CDC Public Health Image Library

做好預防就能別來無「恙」

根據疾管署統計,今(2024)年至 4 月 1 日恙蟲病確定病例已累計至 2 8例,高於去年同期。

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立克次菌無法在一般培養基培養,雖然可用接種天竺鼠或雞胚胎來分離病原確診,但基於實驗室生物安全操作規定,通常以免疫螢光法、間接血球凝集、補體結合等檢查抗體的方式來檢驗。

恙蟲病可用抗生素治療,若不治療死亡率達 60%。但最好的預防方式還是避免暴露於恙蟎孳生的草叢環境,掃墓或是戶外活動最好穿著長袖衣褲、手套、長筒襪及長靴等衣物避免皮膚外露。離開草叢後也要盡速沐浴和更換全部衣物,以防感染。

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顯微觀點_96
28 篇文章 ・ 5 位粉絲
從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。

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任意添加光學元件 為研究打開大門的無限遠光學系統
顯微觀點_96
・2025/01/30 ・1763字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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本文轉載自顯微觀點

圖 / 顯微觀點

顯微鏡在科學發展中扮演關鍵的角色,讓人們得以突破肉眼的限制,深入微觀的世界探索。而隨著時間推進,顯微技術也日新月異,其中現代顯微鏡設計了所謂的「無限遠光學系統」(Infinity Optical Systems),更是提升了顯微鏡性能和突破過去的觀察瓶頸。因此主要的顯微鏡製造商現在都改為無限遠校正物鏡,成為顯微鏡的技術「標配」。

1930 年代,相位差顯微技術出現,利用光線在穿過透明的樣品時產生的微小的相位差造成對比,使透明樣本需染色就能更容易被觀察。1950 年左右,則出現使用兩個 Nomarski 稜鏡,將光路分割再合併產生 干涉效應的 DIC 顯微技術,讓透明樣本立體呈現、便於觀察。

在傳統「有限遠系統」中,單純的物鏡凸透鏡構造,會直接將光線聚焦到一個固定距離處,再經過目鏡放大成像。也因此過去顯微鏡的物鏡上通常會標示適用的鏡筒長度,通常以毫米數(160、170、210 等)表示。

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而在過渡到無限遠校正光學元件之前,選用的物鏡和鏡筒長度必須匹配才能獲得最佳影像,且大多數物鏡專門設計為與一組稱為補償目鏡的目鏡一起使用,來幫助消除橫向色差。

但是問題來了!當這些光學配件要添加到固定鏡筒長度的顯微鏡光路中,原本已完美校正的光學系統的有效鏡筒長度大於原先設定,顯微鏡製造商必須增加管長,但可能導致放大倍率增加和光線減少。因此廠商以「無限遠」光學系統來解決這樣的困境。

德國顯微鏡製造商 Reichert 在 1930 年代開始嘗試所謂的無限遠校正光學系統,這項技術隨後被徠卡、蔡司等其他顯微鏡公司採用,但直到 1980 年代才變得普遍。

無限遠系統的核心在於其物鏡光路設計。穿透樣本或是樣本反射的光線透過無限遠校正物鏡,從每個方位角以平行射線的方式射出,將影像投射到無限遠。

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有限遠(上)和無限遠(下)光學系統的光路差別
有限遠(上)和無限遠(下)光學系統的光路差別。圖 / 擷自 Optical microscopy

透過這種方法,當使用者將 DIC 稜鏡等光學配件添加到物鏡、目鏡間鏡筒的「無限空間」中,影像的位置和焦點便不會被改變,也就不會改變成像比例和產生像差,而影響影像品質。

但也因為無限遠系統物鏡將光線平行化,因此這些光線必須再經過套筒透鏡在目鏡前聚焦。有些顯微鏡的鏡筒透鏡是固定的,有些則設計為可更換的光學元件,以根據不同實驗需求更換不同焦距或特性的透鏡。

除了可以安插不同的光學元件到光路中而不影響成像品質外,大多數顯微鏡都有物鏡鼻輪,使用者可以根據所需的放大倍率安裝和旋轉更換不同的物鏡。

傳統上一旦更換物鏡,樣本可能就偏離焦點,而須重新對焦。但在無限遠光學系統的設計中,物鏡到套筒透鏡的光路長度固定,也就意味著無論更換哪個物鏡,只要物鏡設計遵循無限遠系統的標準,光路長度和光學路徑的一致性得以保持。

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因此無限遠光學系統也有助於保持齊焦性,減少焦距偏移。這對需要頻繁切換倍率的實驗操作來說,變得更為便利和具有效率。

不過使用上需要注意的是,每個顯微鏡製造商的無限遠概念都有其專利,混合使用不同製造商的無限遠物鏡可能導致不正確的放大倍率和色差。

改良顯微技術,使研究人員能夠看到更精確的目標;以及如何讓更多光學配件進入無限遠光學系統中的可能性仍然在不斷發展中。但無限遠光學系統的出現已為研究人員打開了大門,可以在不犧牲影像品質的情況下輕鬆連接其他光學設備,獲得更精密的顯微影像。

  1. M. W. Davidson and M. Abramowitz, “Optical microscopy”, Encyclopedia Imag. Sci. Technol., vol. 2, no. 1106, pp. 120, 2002.
  2. C. Greb, “Infinity Optical Systems: From infinity optics to the infinity port,” Opt. Photonik 11(1), 34–37 (2016).
  3. Infinity Optical Systems: From infinity optics to the infinity port
  4. Basic Principle of Infinity Optical Systems
  5. Infinity Optical Systems

延伸閱讀選擇適合物鏡 解析鏡頭上的密碼

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螃蟹有痛感嗎?我們是怎麼知道的?
F 編_96
・2025/01/16 ・1669字 ・閱讀時間約 3 分鐘

F 編按:本文編譯自 Live science

螃蟹一直是海鮮美食中的明星,從油炸軟殼蟹到清蒸螃蟹,餐桌上經常見到牠們的身影。有地方也習慣直接將活螃蟹丟沸水煮熟,認為這能保留最多的鮮味。過去人們認為甲殼類缺乏複雜神經結構,不會感受到痛苦,因此不必過度憂心道德問題。但近年來,越來越多研究開始挑戰此一想法,指出螃蟹與龍蝦等甲殼動物可能具備類似疼痛的神經機制。

以前大家相信甲殼類缺乏複雜神經結構,但近期這一認知逐漸受到質疑。 圖 / unsplash

甲殼類是否能感覺到痛?

人類長期習慣以哺乳類的神經構造作為痛覺判斷依據,由於螃蟹沒有哺乳動物那樣的大腦腦區,便被認為只憑簡單反射行動,談不上真正「痛」。然而,新興科學證據顯示包括螃蟹、龍蝦在內的甲殼類,除了可能存在被稱為「nociceptors」的神經末梢,更在行為上展現自我防禦模式。這些研究結果顯示,螃蟹對強烈刺激不僅是本能抽搐,還有可能進行風險評估或逃避策略,暗示牠們的認知或感受方式比我們想像更精緻。

關鍵證據:nociceptors 與自我保護行為

近期實驗在歐洲岸蟹(Carcinus maenas)中觀察到,當研究人員以刺針或醋等刺激手段測量神經反應,牠們顯示與痛覺反應類似的神經興奮;若只是海水或無害操作,則無此現象。此外,透過行為實驗也可看出,寄居蟹在受到電擊時,會毅然捨棄原本的殼子逃離電源,但若同時存在掠食者味道,牠們會猶豫要不要冒著風險離開殼子。這些結果使科學家認為,螃蟹並非單純反射,而可能有對於痛感的判斷。若只是「低等反射」,牠們不會考慮掠食風險等外在因素。

痛覺與保護:實驗結果引發的道德思考

以上發現已在科學界引發廣泛關注,因為餐飲業與漁業中常見「活煮」或「刺穿」處理螃蟹方式,如今看來很可能讓牠們承受相當程度的不適或疼痛。瑞士、挪威與紐西蘭等國已開始禁止活煮龍蝦或螃蟹,要求先以電擊或機械方法使其失去意識,試圖減少痛苦。英國也曾討論是否將甲殼類納入動物福利法保護範圍,最後暫時擱置,但此爭議仍在延燒。

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英國對於是否將甲殼類列入動物福利法的保護範圍,有所爭議。 圖 / unsplash

部分學者保持保留態度,認為雖然甲殼類展現疑似痛覺的行為與神經反應,但與哺乳類相同的「主觀痛感」仍需更多研究證明。大腦與神經系統結構畢竟存在很大差異,有些反射也可能是進化而來的自衛機制,而非真正意義上的感受。然而,科學家普遍同意,既然相關證據已經累積到一定程度,毋寧先採取更謹慎與人道的處理模式,而非輕易推卸為「牠們不會痛」。

海洋生物福利:未來的規範與影響

如果螃蟹被證實擁有痛覺,將牽動更廣泛的海洋生物福利議題,包括鎖管、章魚或多種貝類也可能具有類似神經機制。人類一直以來習慣將無脊椎動物視為「低等生物」,未必給予與哺乳類相同的法律或倫理關注。但若更多實驗持續指出,牠們同樣對嚴重刺激展開避痛行為,社會或終將呼籲修訂漁業與餐飲相關法規。未來可能要求業者在捕撈與宰殺前使用電擊或麻醉,並限制活煮等方式。這勢必對漁業流程與餐廳文化造成衝擊,也引發經濟與文化折衷的爭議。

龐大的實驗數據雖已暗示螃蟹「會痛」,但確鑿的最終定論仍需更多嚴謹研究支持,包括更深入的大腦活動成像與突觸路徑分析。同時,落實到實際操作也需追問:是否存在更快、更人道的宰殺或料理方式?能否維持食材鮮度同時保障動物福利?這種思維轉變既考驗科學進程,也考驗人類對自然資源的態度。也許未來,既然我們仍會食用海產,就該以最小痛苦的方式對待那些可能感受痛苦的生物,為牠們提供基本尊重。

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F 編_96
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一個不小心闖入霍格華茲(科普)的麻瓜(文組).原泛科學編輯.現任家庭小精靈,至今仍潛伏在魔法世界中💃