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太空科技的應用:搶救生命

李柏昱
・2013/11/13 ・1393字 ・閱讀時間約 2 分鐘
NASA與美國國土安全部開發的FINDER裝置將能加快搜救瓦礫堆中受困者的速度,爭取黃金救援時間。圖為2010年海地地震後搜救人員從倒塌的房舍中救出受困者。(圖片來源:USAID U.S. Agency for International Development)
NASA與美國國土安全部開發的FINDER裝置將能加快搜救瓦礫堆中受困者的速度,爭取黃金救援時間。圖為2010年海地地震後搜救人員從倒塌的房舍中救出受困者。(圖片來源:USAID U.S. Agency for International Development)

2013年10月的最後一晚,花蓮芮氏規模6.3的地震再次撼動台灣全島,所幸無人傷亡,唯一的「受害者」反而是因打氣機跳電的黃色小鴨。從這次地震可以察覺,地震單純的地面晃動並不會造成災情,真正釀災的起因多是人們與政府事前準備不夠,以及災後第一時間的反應能力與救災速度不足所致,改善這些因素才是真正減少地震災害的關鍵。

而在地震所衍生出的種種災害中,又以建築物倒塌最為廣泛,造成許多罹難者困在瓦礫堆中遲遲等不到救援,最終難逃蔓延的大火、海嘯或餘震而被奪去性命。為了能加速在救援黃金時間中找到受困者,美國國家航空暨太空總署(National Aeronautics and Space Administration, NASA)與美國國土安全部最近合作開發了一款可攜帶雷達裝置的原型,可以感測到瓦礫堆下方受困者的心跳脈搏與呼吸。

這項裝置名為「災害應變搜救」(Finding Individuals for Disaster and Emergency Response, FINDER),目前的功效能偵測並定位出瓦礫堆下方9公尺深的受困者,或者看透6公尺厚的混擬土結構,對於災後搜救行動相當有利。

有趣的是,FINDER運用的概念源自太空科技,它使用的科學原理最初是NASA的遙測雷達技術,透過發射微波雷達信號,分析反射回來的信號時間差,用以定位太空衛星的位置並執行其他行星的探索任務,能夠察覺相當微小的移動變化。例如探測土星的卡西尼號太空船便用類似的方法來定位與觀測土星的內部結構。

NASA的首席技術專家馬森(Mason Peck)便說道:「FINDER將NASA原先用於探索其他行星的科技運用於拯救我們自己的行星上的生命。這是政府部門與不同專業領域間合作的絕佳案例,納稅人能從中直接受惠。」

但是,與相對空曠的星際空間相較,災難現場情形更為複雜。自然災害造成的瓦礫堆中充滿捲曲四散的殘骸,讓雷達回波信號變得混亂而難以分析。為此,NASA噴射推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory)的資料分析專家發展出一套先進的演算方法,從雜亂的回波中過濾分析出人體胸膛起伏的信號。

FINDER的最終目標是要能協助搜救人員在災害發生時更有效率地找到受困者,透過快速且精確地定位出受困者位置,讓災害時有限的資源與救援黃金時間更有效率的使用。雖然FINDER的出現對於居住在地震頻仍地區的民眾是個福音,但是,我們還是需要透過落實建築物的防震要求、加強地震發生時的緊急避難教育,才能從最根本減少受困於瓦礫堆中的風險,減少地震帶來的傷亡。(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|2013年11月)

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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李柏昱
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成大都市計劃所研究生,現為防災科普小組編輯。喜歡的領域為地球科學、交通運輸與都市規劃,對於都市面臨的災害以及如何進行防災十分感興趣。

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關鍵時刻能救命,與時間賽跑的地震預警系統發展史

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2021/09/23 ・2852字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部氣象局 委託,泛科學企劃執行。

位處在歐亞板塊和菲律賓海板塊交界 ,臺灣每天都有許多地震發生,可以說是生活的日常。每隔數月或數年就會發生的中大型地震,更是災防安全的一大威脅。

最近幾年,在有感地震發生後、地震波來襲之前,你的手機很有可能會收到下面的訊息:

國家級警報

[地震速報 Quake Alert] MM/DD HH:MM 左右 ○○ 地區發生 ○ 型有感地震,慎防強烈搖晃,氣象局。Beware of probable shaking. CWB

資料來源/地震測報中心

這個能夠在地震波來襲前出現的「災防告警訊息」,全稱為「災防告警細胞廣播訊息」,是利用「災防告警系統(Public Warning System,PWS)」及「細胞廣播服務(Cell Broadcast Service,CBS)」發布地震速報。

災防告警訊息提供的地震速報,雖然在盲區外的多數時候,能比地震的搖晃感來臨前再快一點點讓我們收到,但它並不是地震預測,而是「地震預警」。中央氣象局利用遍布全臺的高密度地震測站收集地動資料,在地震發生時,藉由震央附近地震站的訊號,即時解算地震資訊並迅速發出預警。

地震預警的主要功能,是在地震發生後數秒內,演算出預估地震的基本參數,包括預估震源位置深度、強度,並推估受影響地區將遭遇的震度與震波抵達時間,爭取在破壞性震波抵達之前,對可能發生災損的區域提出警示。

可別小看這短短幾秒鐘的警示,足以左右生死、讓人員離開危險的位置尋求掩護,停下精密的作業(如工業廠房或醫院),也能讓高速運行的交通運輸系統自動減速或停駛,大幅減少中大型地震可能造成的災害,保障人民生命與財產的安全。

地震預警系統的原理

這幾秒鐘珍貴的預警時間,是多年來地震預警技術及通訊設備精進的心血結晶,以電波與地震波「賽跑」搶出來的。

每次地震發生後,能量會以「地震波」的形式從震源開始往外傳播。科學家大致將地震波分成分別為 P 波S 波P 波傳播的速度較快,也是地震測站最早收到的訊號;S 波速度較慢,但為地震破壞力的主要來源,而地震預警系統便是根據這兩者計算出地震的各種參數。

在得到最初預估的地震參數之後,地震預警系統會推估各地的震度,如果達到預設門檻,就會自動發布,利用電波將地震預警訊息傳送到可能致災的區域,以利當地防災應變。舉例來說,模擬顯示 1999 年發生的 921 集集大地震,以現今的地震預警科技,北可有 31-35 秒的預警時間,可大幅減少人員傷亡。

不過,地震預警系統畢竟得在收到地震波資料後才能進行運算,過往的預警系統對於鄰近震央 40 公里內的區域幾乎趕不及預警,這個區域就被稱為「盲區」。盲區是強震即時警報無法避免的科學限制,但靠近震央的區域又是震度最強、災害最嚴重的區域,如何將地震速報的盲區最小化,也將是未來相關技術發展的目標。

地震預警發布的管道與門檻

除了藉由手機發送災防告警訊息,地震速報還有好幾個重要的通訊管道。自 2014 年起,中央氣象局即開發傳訊軟體,在預估地震規模達到 4.5 以上、預估震度達 3 級以上時,直接透過既有網路及通訊系統,將強震即時警報傳送至公務部門、公共設施、醫院、學校單位。舉例來說,學校單位如收到警報,將自動串連廣播或跑馬燈,第一時間向師生宣布警訊。

除了公部門,中央氣象局還積極推動「地震資訊傳遞服務契約」,將社會服務量能發揮最大化,透過專線 IP-VPN 與警報傳遞單位(電信公司及大眾媒體)進行連線,在各個媒體渠道轉發地震速報,而這個部分還可以由合作單位依需求自行設定「需要通知的震度門檻」。

自 2016 年 8 月起,中央氣象局即與電視台合作,當預估地震規模達 5.0 以上,且預估震度達 3 級以上時發布蓋台訊息。這些不同的訊息傳遞機制,希望達成的目的是相同的:將地震預警的資訊,在最短的時間內,傳達到會受影響的人手上。[註1]

而近年來,能夠在地震發生的 10 秒內就發出地震預警,完全是地震觀測網加上資訊、通訊技術,多年來持續累積發展的成果。

臺灣的地震預警系統

1999 年 的 921 大地震,當時中央氣象局在 102 秒內發出地震速報,速度已經令當時全球地震觀測相關單位感到驚訝,但仍緩不濟急,預警效果十分有限。

事實上,中央氣象局在 90 年代初期已開始發展「強地動觀測網」,自 1992 到 2021 年,每期五年、共五期的長期前瞻計畫,從第一期建置「都會區強地動觀測網」,主要廣泛收集台灣各地的強震資料,並提供給工程與防災研究團隊研擬修正建築物耐震設計規範。後續的延續性計畫中,逐步建置地震速報系統、發展強震即時警報系統,其後並持續建置海底地震儀與深井地震監測站,優化地震海嘯監測。

近期重點放在提升觀測的資料品質、增進系統功能、基礎資料的累積,並且拓展地震預警系統在防災的運用。中央氣象局自 2012 年起啟用 24 位元地震觀測系統,整合過往各個獨立的觀測網,包括短週期、地震速報、寬頻、井下地震觀測網及全球即時地震觀測資料,使地震測報進入聯合觀測的時代。

自 2020 年 4 月 6 日起,地震預警的發佈時間已經縮短至 10 秒內,地震盲區也縮小至震央 30 公里以內,中央氣象局地震測報中心更宣告推動「都會區強震預警精進計畫」,要在四年內將都會區的地震預警發佈縮短到  7  秒以內,長期規劃更是希望藉由大數據統計,將時間再縮短到 5 秒內。

事實上,臺灣自行開發的地震預警系統已是全球前段班,未來也將持續運轉,日夜守望每次臺灣的地牛翻身!

參考文獻

註解

  1. 地震預警發布的門檻會依需求與情況做調整,此處以撰文時間為主。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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