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有地震!你感覺到了嗎?

李柏昱
・2014/04/18 ・1723字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 484 ・五年級

美國地質調查局「Did you feel it?」網站中,記錄美國東西岸兩次規模類似的地震感知回報資料,東岸的有感範圍明顯比西岸廣泛。(圖片來源:USGS)
美國地質調查局「Did you feel it?」網站中,記錄美國東西岸兩次規模類似的地震感知回報資料,東岸的有感範圍明顯比西岸廣泛。(圖片來源:USGS)

「咦?昨天有地震?」身處地震頻仍的台灣,我們對於朋友這樣的疑問絕不陌生。多數的地震都是無感地震或小規模地震,科學家便感到好奇,究竟這些小地震發生時,有多少人感覺到了?而這些感覺到地震的人又都在做些什麼?才讓他們得以察覺地表微微地顫抖?

現在讓我們飛到半個地球外的義大利。這個位於地中海北岸的國家,有豐富的歷史古蹟、香醇的葡萄美酒,以及,很不幸地,與台灣一樣多的地震,喔對了,他們還有火山。

每當義大利人感覺到地震時,便能到義大利國家地球物理與火山研究中心(Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, INGV)網站回報他們對於地震的「感受」,網站訪問人們地震發生時的感知、他們的位置以及地震發生時正在做什麼事。美國地質調查局(United States Geological Survey, USGS)亦設有「Did you feel it?」蒐集全世界的地震感知資訊。

咦?有地震?

INGV的資料庫網羅了60多萬筆地震回報,對於地震來臨時人們如何察覺與應對,提供相當有價值的參考。根據INGV的研究員Paola Sbarra表示,在最小震度的搖晃中,人們正在幹嘛比起他們的位置還來的重要。

Sbarra與同事研究其中大約25萬筆報告,試圖比較在規模3〜5.9的地震中,人們的感覺與地震儀的紀錄之間的不同。研究結果如同你我的經驗,當人正在休息,尤其是清醒地躺在床上時,最能夠感覺到震動,比那些正在做家事或在戶外運動的人更能察覺到地震。此外,身處高樓層的人感覺到搖晃也會比低樓層來的強烈。

看到這裡,你或許會想:「科學家又在做一些無聊的研究了。這些不都是廢話嗎?」不過先別急著按上一頁,就讓我們看看這種地震感知研究的實際用途!

地震觀測也能群眾外包

首先,關於地震觀測要知道的一件常識是,地震的規模並不等於你感覺到搖晃程度或是實際的破壞程度。在科學的量化上,「地震規模」指的是地震所釋放的能量大小,規模越大的地震釋放能量越多。

不過,由於受到地表人口分布、地震發生的深度以及各地不同地質因素影響,科學家另外用地表的加速度定出「震度」,用來量化各地實際上的搖晃與受災程度,震度反應你我在地震發生時感受到的激烈程度。

台灣的震度標準參考日本1996年的舊制,將地震強度劃分為0到7級,而歐洲則是劃分為1到12級(European Macroseismic Scale, EMS)。這些標準提供保險公司與工程師評估某個地區可能的地震災損。

然而一個潛在的問題是,按照各地地震儀加速度所訂出的震度,與人們實際上的感受有所差距,加上人經常會高估地震的搖晃程度,所以我們常聽到「我感覺已經搖很大了耶,怎麼只有2級?」。故透過地震感知的回報,科學家能更確實衡量人們對於地震的感覺。

在美國的USGS,「Did You Feel It?」一共蒐集了250萬筆地震感知資料。透過資料分析,可以清楚發現類似規模的地震,在美國東岸地震的感知範圍比西岸來的廣泛。原因在於美國東岸屬於古陸塊,岩層的破碎面較少,震波因而可以傳的更遠。

此外,2011年維吉尼亞州發生規模5.8的地震,一共有14萬8千筆回報湧入「Did You Feel It?」網站。USGS從中準確得知哪個地方搖晃程度最為劇烈,這些遠超過地震儀數量的資料量,協助救難單位找出受災最嚴重的地點。地震感知回報在地震救災上能夠扮演群眾外包的重要腳色。

目前台灣還沒有類似的網站,不過我們還是可以利用USGS,抒發一下地震發生時的內心的種種不安與感受。或許在某次地震當中你的回報也能扮演救人一命的關鍵!

(本文由科技部補助「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2014年3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科技部-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!

延伸學習:

文章難易度
李柏昱
81 篇文章 ・ 1 位粉絲
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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地震規模越大,晃得越厲害?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2021/09/16 ・3706字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文由 交通部氣象局 委託,泛科學企劃執行。

某天,阿雲跟阿寶分享了一個通訊軟體上看到的資訊:

阿雲:「欸,你知道最近有個傳言說,花蓮有 7.7 級地震,如果發生的話台北會有 5.0 級的震度耶!」

阿寶:「蛤?那個傳言也太怪了吧,應該是把規模和震度搞混了!」

震度:量度地表搖晃的單位

確實常常有人把地震的規模跟震度搞混,實際上,因為規模指的是地震釋放的能量大小,所以當一個地震發生時,它的規模值已經決定了,只是會因為測量或計算的方式不同,會有些許的數字差異,而一般規模計算會到小數點後第一位,故常會有小數點在裡面。然而震度指的意思是地表搖晃的程度,度量表示方式通常都是以「分級」為主,比如國外常見、分了 12 級震度的麥卡利震度階,就是用 12 種不同分級來描述,而中央氣象局目前所使用的震度則共分十級,原先是從 0 級到 7 級,而自 2020 年起,在 5 級與 6 級又增了強、弱之分,也就是震度由小而大為 0-1-2-3-4-5弱-5強-6弱-6強-7 等分級,所以在表示上我們以整數 + 級或是強、弱等寫法,就可以區分規模和震度,不被混淆了!

而為什麼專家常需要強調震度和規模不一樣?那是因為震度的大小,是受到許多因素的影響。地震發生後,造成地表搖晃的主要原因是「地震波」傳來了大量能量,規模越大的地震,代表的就是地震釋放的能量越大,就像是你把擴音的音量不斷提高時,會有更大的聲音傳出一般。所以當其他的因素固定時,確實會因為規模越大、震度越大。

可是,地震波的能量在傳播過程中也會慢慢衰減,就像在演唱會的搖滾區時,在擴音器旁往往感覺聲音震耳欲聾,但隔了二、三十公尺之外,音量就會變得比較適中,但到了會場外,又會變得不是那麼清楚一樣。所以無論是地震的震源太深、或是震央離我們太遙遠,地震波的能量都會隨著距離衰減,一般來說震度都會變得比較小。

「所以,只要把那個謠言的台北規模 5.0 改為震度 5 弱,說法就比較合理了嗎?」阿雲說。

「可是,影響震度的因素還有很多,像是我們腳下的岩石性質,也是影響震度的重要因素。」阿寶說。

場址效應:像布丁一樣的軟弱岩層放大震波

原本我們都會覺得,如果地震釋放能量的方式就像是聲音或是爆炸一般,照理說等震度圖(地表的震度大小分布圖)上會呈現同心圓分布,但因為地質條件的差異,分布上會稍微不規則一些,只能大致看出震度會隨著離震央越遠而越小。地震學上有一個專有名詞叫做「埸址效應」,指的就是因為某些特殊的地質條件下,反而讓距離震央較遠的地方但震度被放大的地質條件。其中最常見的就是「軟弱岩層」和「盆地」兩種條件,而且這兩種還常常伴隨在一起出現,像是 1985 年的墨西哥城大地震,便是一個著名的例子。

影片:「場址效應」是什麼? 布丁演給你看

墨西哥城在人們開始在這邊發展之前,是個湖泊,湖泊中常有鬆軟的沉積物,而當湖泊乾掉之後,便成了易於居住與發展的盆地。雖然 1985 年發生的地震規模達 8.0,但震央距離墨西哥城中心有 400 公里,照理說這樣的距離足以讓地震波大幅衰減,而地震波傳到盆地外圍時,造成的加速度(PGA)大約只有 35gal,在臺灣大約是 4 級的震度,然而在盆地內的測站,卻觀測到 170gal 的 PGA 值,加速度放大了將近五倍,換算成震度,也可能多了一至二級的程度,也造成了相當程度的災情。盆地裡的沉積物,就像是裝在容器裡的布丁一樣,受到搖晃時,會有更加「Q 彈」的晃動!

1985 年墨西哥城大地震的等震度圖。圖/wikipedia

因此,在臺灣,雖然臺北都會區並沒有比其他區有更多更活躍的斷層,但地震風險仍不容小覷,因為臺北也正是一個過去曾為湖泊的盆地都市,仍有一定程度的地震風險,也需要小心來自稍遠的地震,除了建築需要有更強靭的抗震能力,強震警報能提供數秒至數十秒的預警,也多少讓人們能即時避災。

斷層的方向與震源破裂的瞬間,也決定了等震度圖的模樣

阿雲似懂非懂的接著問:「可是啊,為什麼有的時候大地震的等震度圖長得很奇怪,而且有些時候震度最大的地方都離震央好遠呢!也太巧合了吧?」

「這並不是巧合,因為震央下方的震源,指的其實是地震發生的起始點,並不是地震能量釋放最大的地方啊!」阿寶繼續解釋著。

「蛤!為什麼啊?」阿雲抓抓頭,一邊思考著。

地震是因為地下岩層破裂產生斷層滑動而造成的,雖然不是每個地震都會造成地表破裂,但目前科學家大多認為,地震的破裂只是藏在地底下,沒有延伸到地表而已,而且從地震的震度,也可以看出地底下斷層滑移的特性。

斷層在滑動時,主要的滑動和地震波傳出的地方,會集中在斷層面上某些特定的「地栓」(Asperity)之上,這些地栓又被認為「錯動集中區」,而通常透過傳統的地震定位求出來的震源,其實只是這些地栓中,最早開始錯動的地方。但實際上,整個斷層錯動最大的地方,往往都不會在那一開始錯動的地方,就像是我們跑步時,跑得最快的瞬間,不會發生在起跑的瞬間,而是在起跑後一小段的過程中,而錯動量最大的區域,才會是能量釋放最大的地方。而或許是小地震的地栓範圍小,震央幾乎就在最大滑移區的附近,因此也看不太出來,通常規模越大,震源的破裂行為會隨著時間傳遞,此效應才會越明顯。

震源與震央位置示意圖。圖/中央氣象局

那麼斷層上的地栓位置能否確認?這仍是科學上的難題,但近年來科學進展已經能讓我們透過地震波逆推斷層上的錯動集中區,至少可以透過地震波逆推斷層破裂滑移的型式,得以用來比對斷層破裂方向對震度分布的影響。以 2016 年臺南—美濃地震為例,最大錯動量的地區並不在震央所在的美濃附近,而是稍微偏西北方的臺南地區,也就是因為從地震資料逆推後,發現斷層在破裂時是向西北方向破裂。而更近一點的 2018 年花蓮地震,錯動量大、災害多的地方,也是與斷層破裂方向一致的西南方。

一張含有 地圖 的圖片

自動產生的描述
2016 年臺南美濃地震的等震度圖。圖/中央氣象局

透過更多的分析,現在也逐漸發現破裂方向性對於大地震震度分布的影響確實是重要議題。而雖然我們無法在地震發生之前就預知地栓的位置,但仍可從各種觀測資料作為基礎,針對目前已知的活動斷層進行模擬,就能做出「地震情境模擬」,並且由模擬結果找出可能有高危害度的地區,就能考慮對這些地區早先一步加強耐震或防災的準備工作。

多知道一點風險和危害度,多一份準備以減低災害

但是,直到目前為止,我們仍無法確知斷層何時會錯動、錯動是大是小。科學能給我們的解答,只能先評估出斷層未來的活動性中,哪個稍微大一些(機會小的不代表不會發生),或者像是斷層帶附近、特殊地質特性的場址附近,或許更要小心被意外「放大」的震度。而更重要的是,當地震來臨前,先確保自己的住家、公司或任何你所在的地方是安全還是危險,在室內要小心高處掉落物、在路上要小心掉落的招牌花盆壁磚、在鐵路捷運上要注意緊急煞車對你產生的慣性效應…多一些及早思考與演練,目的就是為了防範不知何時突然出現的大地震,在不恐慌的情況下保持適當警戒,會是對你我都很重要的防震守則!

【參考文獻】

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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頭暈後,你發現震度分級更改了嗎?
Mia_96
・2021/04/28 ・2335字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 548 ・八年級

4/18 日晚間大約十點左右,連續發生兩個「感覺有點晃」的地震,中央氣象局在震後不久也立刻發布地震報告圖,清楚列出地震的芮氏規模以及各地的震度分級。眼尖的你或許會發現,最大震度所位在的花蓮縣水璉,震度分級為「6 弱」,這是台灣新制震度上路後,第一次測得 6 弱的震度。

其實,在去年元旦起,中央氣象局便已經採用新制的震度分級了!不過,舊的分級用了這麼多年,好端端的為什麼突然說換就換呢?這就要從地震的「震度」開始說起!

110/04/18 時的地震報告,花蓮縣水璉震度分級為 6 弱。圖/中央氣象局

「震度」決定你家晃不晃

當地震發生時,最常聽到的兩個名詞就是「規模」和「震度」。

規模指的是地震所釋放的能量多寡,因此無論今天我們所在的位置與震央距離多近或多遠,規模並不會因此而改變,同一個地震,各地所測得的規模都是一樣的。

震度不一樣了,它指的是當地震發生時各地的搖晃程度,簡單來說,今天我們距離地震發生的位置比較近,我們的震度就有可能比較大;而我們距離地震發生的位置比較遠,我們的震度就有可能比較小。(這裡說的都是「有可能」!因為影響震度的原因不僅僅是距離,底下岩層性質等其他因素也有可能造成震度的改變)

也因此,地震發生時,各地所測得的震度便會產生差異,在民國 109 年以前,我們將震度分成 8 級,從 0 級完全沒有感覺到 7 級感受到劇烈搖晃,區分震度大小最主要的方式,就是看地震發生時的地動加速度[註1],透過地動加速度的大小來決定震度的分級!

為什麼需要更改震度分級呢?

在舊制的震度中,決定震度的是地震發生時的地動加速度,其考量到的僅是瞬間感受到的地表震度,有可能瞬間地表加速度很大,但因為地震波的周期太短,我們根本還沒感受到搖晃的感覺地震便結束了。

地震發生後,相關單位會透過各地的震度大小,決定救災時需要派駐的人力與提供的物力,如果今天發生一個小地震,但卻發出了高震度的情報時,便會造成救災人員的混淆而無法立即且確切地進行救災與應對,不僅造成相關單位的困擾,我們的日常生活也會受到影響。

當大地震來襲,我們同時希望第一時間知道哪一個區域震度最大、災情最嚴重。

再者,舊制的震度分級在 5 級以上的震度其含括的範圍過大,也就是從 5 級到 7 級中間的地動加速度包括太多,而沒有像 0 級到 5 級時分的較小與詳細。當大地震發生時,可能許多地方同時測得介在 6 級的地動加速度,而這些地區都會被標註為震度 6 級。

如果在地震發生時,有很大一個區域都是相同震度,救災單位就必須在震度相同的區域大範圍的搜索與了解災情,造成救災的延遲與不便。

大地震發生時,相關單位會在第一時間前往震度最大的地區救災。圖/Pixabay

新制分級幫助我們找到第一時間最需幫助的地方!

新制的震度分級改善了舊制分級所面臨的問題,希望帶給位在頻頻發生地震的台灣居民更完善且更安心的保障。

除了分級中原本的地動加速度外,新制分級在震度 5 級以上還增加了地動速度的標準,當地震發生時,有可能因為地震波的周期的長短而產生不同的地動速度,同時將地動加速度與速度納入考量,可以更明確的知道地震發生時搖晃程度的大小。

除此之外,新制分級還將震度5 級和 6 級區分為 5 強 5 弱和 6 強 6 弱!

透過 5 強 5 弱和 6 強 6 弱的區分,將原本大範圍的震度分的更加詳細,在面對較大規模的地震時,相關單位也能透過更為詳細的地震分級去進行救災,區分不同區域受到地震影響的程度。

過去的地震震度僅考慮瞬間地動加速度,新制的震度分級增加了地動速度。圖/中央氣象局

震度的更改始終來自需求

分別利用新舊震度分級繪製的 921 地震震度圖。圖/中央氣象局

以 921 地震為例,舊制的震度分級只知道台灣中部一帶的震度皆為 7 級,但幾乎包括了整個中部山區,而新制的震度分級將 7 級的區域變小,也更詳細的區分5強5若和6強6弱的區域,在救災時便可以先針對震度最大的區域進行救援,不僅可以了解搖晃程度最大的區域,也可盡量推測災情可能較為嚴重的區域。

震度的更改並不是專家突發奇想而產生的變動,而是希望透過對於判斷震度大小以及震度分級的修正,讓震度和災害有更高的關聯性,同時也預防如果真的發生大地震,可以在第一時間掌握到更為準確的資料,讓我們應對地震時更為順利與快速。

註1:地動加速度 (gal=cm/s2):地震引起地表搖晃時產生的加速度,以 921 地震為例,測得最大的地動加速度為 989gal,相當於一個重力加速度 (=981gal)。

參考資料

  1. 台灣網路科教館:台灣的新地震震度分級制度
  2. 震識:那些你想知道的震事
  3. 中央氣象局
Mia_96
15 篇文章 ・ 20 位粉絲
喜歡教育又喜歡地科,最後變成文理科混雜出生的地科老師

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震識大小事知多少:該如何逃難?地震震度又是如何分布?
科學月刊_96
・2019/09/21 ・2050字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 564 ・九年級

地震來臨時,要如何避難逃生,提升自己的存活率?而在地震過後,各地震度是如何分布?與地震規模又有何不同?《科學月刊》九月號主題為「正視震知識」,就先帶讀者一同釐清各種與地震有關的大小事。

解析地震:各種「波」是什麼?有什麼差別?

地震波(Seismic Wave):地震發生時,人們所感受到的搖晃是由於地震波的傳播。而地震波,是一種藉地震為能量來源的波動,以岩層為介質傳遞,依波動特性可分為實體波、表面波和尾波。

地震儀紀錄下的地震波,紅線是先到來的P波,綠線是較晚的S波。source:Wikimedia

實體波,又可分成縱波(P波)和橫波(S波),P波是地震發生時最早到達的波,介質運動方向與波動方向相同,有點類似聲波;S波則比P波晚,且介質振動與傳播方向垂直,因此S波行進時會以上下或左右方向震動。此外,由於S波傳至地表以水平震動為主,較容易造成建築物受水平向的拉扯,所以S波經常是造成地震破壞的主因。

表面波,是一種由地震波產生的波,好發於地表或是地層的交界面,速度雖然比S波更慢,但威力更大。而表面波還在某些環境中會被放大,例如在具場址效應的環境,因為地震波在地表與地下的波速差異較大,使表面波更明顯。

尾波,是一種因地球內部的不均勻性、對地震波散射而產生的地震波。由於地表會有較密集或疏鬆的地質,所以,當震波向外傳播時,這些不均勻或散射質點與震波作用,產生散射現象的散射波,即是尾波。如同地震波線圖上異質性所留下的指紋,因此,研究尾波也可促進對地質結構的了解。

定義地震

地震規模(magnitude, M):為一種表示地震規模大小的方式,代表這次地震發生時所釋放出的能量程度,因此每一個地震理論上只會有一個規模值。最早被廣泛使用地震規模,為美國地震學家芮克特(C. F. Richter)與古登堡(Beno Gutenberg)於 1935 年所建立的芮氏規模(Richter magnitude scale),主要是由觀測點處地震儀所記錄到的地震波,其最大振幅的常用對數演算而來。

規模相差 1 代表振幅相差 10 倍,而所釋出的能量則相差約 32 倍。不過,此測量方式在後來遇到瓶頸,規模太大時無法適用,因此,地震學者以不同的震波分析方式提出不同的規模,近來地震學研究上或是更為廣用的地震規模為日裔美國地震學家金森博雄(Kanamori Hiroo)提出的地震規模(M),雖然方式不同,不過對數的概念亦接近。

不同規模的年均發生次數和震央地區的影響。source:美國地質調查局

地震強度:為地震所引起地表搖晃的加速度,在地表實際感受到的程度,簡稱震度。地震發生時,不同地方的人或建築物感受到地面搖晃的程度不相同,通常愈靠近震央的地方,搖晃愈劇烈。一般以整數來表示震度等級,臺灣使用的地震震度分級,是由交通部中央氣象局制定,以地動加速度(gal)來區分,分為 0~7 級,共 8 個等級,級數愈大表示地表晃動的加速度愈大。

近年來,也有研究指出,地震不僅僅是受到地動的加速度影響,速度值也是其中重要關鍵。因此,在美國、日本也開始加入速度或地震頻率作為震度分級標準的考量,未來,臺灣的震度分級也可能因應此趨勢進一步調整,使震度分級更能對應地震的實際影響。

臺灣現行地震強度分級標準。source:臺灣交通部中央氣象局

地震避難原則:趴下、掩護、穩住

當地震發生時,若處室內,大方向的原則為立即採趴下掩護穩住的動作,以保護頭部、頸部避免受傷,並躲在桌下或牆角。躲在桌子下時可握住桌腳,當桌子隨地震移動時也可隨著桌子移動,形成防護屏障。如果蹲在牆角或床邊等地方避難時,則要小心家具、電器、燈具、書櫃或貨架等墜落。平時在設置家中擺設時也應考量家具等物品掉落的情況,且預先做好固定。

不過,位處地震帶的臺灣,隨時都可能遭受地震的來襲,以下提供讀者在不同情境下的各種避難方式:

  1. 躺在床上時:

就近利用枕頭或棉被保護頭部,直到地震結束。如果床邊有足夠且安全的躲避空間,可以利用床的高低差獲得更好的保護,床的擺設應盡可能遠離易倒櫃體或窗邊。

  1. 在浴室時:

不要急著離開,以免因濕滑跌倒,因為浴室可支撐的柱牆較多,相對較耐震。若在泡澡,則可放低頭部,低於浴缸邊緣,並用手保護頭部;若有懸空的洗手台則需小心掉落。

  1. 在廚房時:

如果正在瓦斯爐旁使用爐火,立即隨手關閉瓦斯,就地避難且遠離熱鍋,直到地震結束。如果無法順手即可關閉瓦斯,先就地避難,躲在安全的地方,不要貿然衝去關火,以免受傷。

  1. 在實驗室或教室時:

遠離火源和化學藥品,並在安全的地方避難。待地震停下後,再小心的移動到室外以免餘震繼續來襲。

  1. 在戶外時:

遠離大樓,並聚集在一個空曠、安全且地板沒有裂縫的地方。並且避免待在具有地下停車場或地下街的一樓。


 

本文摘自《科學月刊 09 月號/2019 第 597 期:正視震知識》科學月刊社出版

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