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「人魚」探測 –活動型海底地震儀

李祖緯
・2013/12/25 ・1588字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 518 ・六年級

古雷普海底地震儀(Gurlap Ocean Bottom Seismometer),包含流剖儀、微差壓力氣與備用電池的精密儀器。(圖片來源:flicker用戶:Neptune Canada)
古雷普海底地震儀(Gurlap Ocean Bottom Seismometer),包含流剖儀、微差壓力氣與備用電池的精密儀器。(圖片來源:flicker用戶:Neptune Canada)

說中的人魚,是既神秘又有誘惑力的生物,兼具美麗、虛榮、殘忍與不幸的哀愁,如果在旅途中看見人魚,會視為即將沈船的惡兆。然而,海洋地質學家正準備將數百個「人魚」放回大海中,如果想要聽到這些人魚歌唱,就必須等待十天後浮上海面,除非有地震發生時,才能提前耳聞。

究竟是什麼樣的人魚,具有如此的功能?原來科學家所放回的人魚,是能感測海底震波的移動式偵測器,又被暱稱為人魚的獨立驅動式活動型海洋地震紀錄儀(Mobile Earthquake Recorder in Marine Areas by Independent Drivers,簡稱MERMAIDs,字同英文的人魚),能夠偵測到海底地殼的活動情形,並幫助科學家了解地函內部熱對流的過程。

在西元2011年時,由法國尼斯大學地質科學實驗室(The Géoazur laboratory at the University of Nice)所率領的團隊,將兩個海洋地震紀錄儀投入海中,並偵測到超過一萬公里遠、芮氏規模7的地震波。在經過數次的改良,以及被證明能區辨不同形式的震波後,於今年(西元2013年)十二月的美國地球物理聯盟(American Geophysical Union)的年會上,決議將放置數百個同樣的裝置,作為偵測海洋地震活動的有力工具。

目前地震活動的觀測站,多半設置於陸地,但海洋占了地表面積的70.8%,卻只有少數的偵測儀器,而且必須放置在海床上。這種固定式的海底地震儀,不僅要有耐壓外殼保護,而且收集資料的時間很長,往往超過一年的時間,等到紀錄容量飽和時,研究人員再出海將儀器回收。而活動型的紀錄儀器,利用浮力筒漂浮在海底七百公尺到兩千公尺之內,並裝設水中聽音器(hydrophone)接收與紀錄各種細小的聲音,再利用微過濾器辨識震波類型,十日後可進行回收作業。

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這種活動型的紀錄儀器,與傳統的儀器相比更具優勢。首先,利用浮力進行活動性的偵測,能夠蒐集到更多的資料,增強對海底地震的認知,讓地震研究能真正拓廣到全球。其次,能夠節省架設海底地震儀的成本,固定式的海底地震儀光造價就高達五萬到十萬美金,還要加上架設與回收的成本;而根據MERMAIDs團隊的估計,每一個儀器成本大約兩萬七千美金。最後,這些活動型儀器能夠與既有的固定式儀器互補,而沒有銜接上的問題。

在實際的運用上,活動型海洋地震紀錄儀能夠掌握陸地上所偵測不到的地震活動,以今年11月5日於印度洋芮氏規模5.5的地震為例,當陸地測站僅偵測到兩次地震活動時,活動型海洋地震記錄儀偵測將近兩百次的擾動,可見該設備的靈敏度。然而,依舊有不少的課題需要克服,首先電力來自於電池供應,因此續航力僅僅十天,如果需要長期的資料,仍仰賴固定式的海底地震儀。另一方面,雖然儀器能夠依P波的特性辨識地震波,但辨識率約九成左右,仍有改善空間。

研究人員對下一代產品的計畫,則是希望能利用波浪所產生的能量提供動力,並朝向輕量化、能源純淨化發展。明年會在加拉巴哥群島設置十個儀器,監測附近海域的火山活動,推廣到全球海域後,希望能夠放置三百到四百個儀器,做廣泛的探測。 (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12月)

 

責任編輯:鄭國威│元智大學資訊社會研究所

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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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李祖緯
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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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風聲、手臂聲、地震聲?洞察號在火星上聽到的震波訊號代表了什麼?
Whyjay
・2019/07/25 ・2459字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 482 ・五年級

美國國家太空總署 (NASA) 的洞察號 (InSight) 火星探測器,在今年的4月6號 (2019/4/6) 擷取到了有史以來第一個可能是「火星震」的訊號1

這是人類在繼地球與月球之後,第三個發現的具有地震活動的天體。然而,不管是火星也好月球也好,與板塊運動活躍的地球相比都顯得死寂許多,縱使存在一些斷層、火山、峽谷 (例如火星上的水手谷),也都是非常古老的地形。可想而知,在這些不同星球上,地震的來源應該也會有所不同。

洞察號 (InSight) 火星探測器圖解。那個放在地上有圓頂的東西就是偵測地震波的儀器,叫做 SEIS。影像來源:NASA

地震波的可能來源

當物質透過振動來釋放或轉移能量時,就會形成地震波。這點與聲波非常相似──當你送氣振動你的聲帶時,就會產生聲音。

在地表附近傳輸的地震波 (振動) 被人類偵測到時,就被稱為地震。因此,任何能讓地表產生振動的方法,都是地震波的可能來源。

地球:走路、打球、山崩、斷層錯動等等

在地球上,有太多的方法可以產生地震,差別只在於規模的大小。

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極微小的振動例子像是走路、打球、開車、瀑布流水等等,儀器可以檢測出由這些來源發出的地震波,但是人類自己無法感知也不會花太多心力去注意。中等程度的地震可以由諸如隧道工程、大樓爆破、山崩、火山活動、胖虎唱歌等等規模的地表振動產生,如果你身處這些事件發生地點的附近,你或許可以感受到地表輕微的震動。

而在地球上的大地震,除了少數是出自於核試驗2或火山活動之外,大部分都是斷層錯動所引起的。斷層錯動所需要的能量來自板塊之間的相互運動,而板塊運動所需的能量則來自地球內部的熱對流。

有個可以在家做的小實驗,可以讓你體會一下熱對流是怎麼驅動板塊的:只需要裝一碗豆漿,放在爐子上加熱,你就會看到豆漿表面出現的薄膜會開始受到下層液體對流的影響,不停的移動、撕裂跟聚合。(為什麼熱豆漿表面會有薄膜?請看這裡3。)

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月球:隕石撞擊、熱脹冷縮、地球引力?

月震是在 1969-1972 年間,被阿波羅計畫的太空船擺放在月球上的地震儀首度發現,而且還為數不少4。除了由登月艇自身造成的人為振動外,月球上可說是缺少一切我們之前提到過的地震來源。

然而,因為月球缺乏大氣層的關係,我們可以預期有比較多的隕石撞擊事件,而每一個撞擊事件都會伴隨著地震。除此之外,科學家還提出了其他比較炫,但是物理上說得通的原因:

  • 其一是月球因沒有大氣層的關係,日夜熱漲冷縮的情形會比較劇烈,反覆膨脹收縮的結果可能會讓月球表面破裂,釋放地震波能量;
  • 其二是地球的潮汐力會把月球拉伸 (就像海洋被月球拉走形成潮汐一樣),雖然月球是固體,但累積下來的潮汐能量可能會在月球內部透過振動的形式釋放,形成地震 5,6
阿波羅任務的太空人 Buzz Aldrin 正在安裝月球上的地震儀。影像來源:NASA

火星:風聲、手臂聲、地震聲?

我們對於火星上地震來源的了解就少得多了。在 NASA 的新聞中1,你可以看到整段震波訊號被解釋成三個來源,分別是風聲、地表或地下某處傳過來的振動、與機器手臂操作時製造的振動。 en.natashaescort.com

科學家對那個「某處傳過來的振動」特別在意,原因是火星和月球與地球都不同,前面列出來的地震來源在火星上可能很罕見,但也不能完全確定不可能。會是探測器附近發生了山崩嗎?或是在某處有個小隕石撞擊?是行星冷卻時物質擠在一起發出的碰撞聲,還是火星內部還有餘熱讓物質運動並產生地震波?目前都還沒有人知道。

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影片說明:第一個火星震的波形圖。地震波依照來源的不同而被分成三個區段:風聲、火星震,以及機器手臂操作時的震動訊號。 via NASA1

所以,我們如何能確定火星震的來源?

每種不同的振動來源都會產生具有不一樣波形的地震波。以斷層錯動造成的地震波和山崩造成的地震波為例,前者的最大震幅 (最大搖晃程度) 會在一瞬間忽然抵達,而且持續時間比較短暫;而山崩的地震則是漸進式的,地表會慢慢搖晃至最大程度,再慢慢地消退。

因此,地震波的紀錄相當於地震來源的「指紋」,只要累積了足夠的數據,我們就能大致推敲出比較可能的成因。

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洞察號探測器只在火星上工作了短短幾個月就已經偵測到數個可能的地震,再過些時日,我們就能有更多資料,比對指紋得出火星震的可能來源。希望不是火星人在地底下蓋軍事基地的訊號!

地震波的「長相」隨著來源的不同而不同。在圖中,藍色區段的地震波是土石流所引起,而棕色區段的地震波則是典型因斷層錯動引發的地震。上下兩行波形代表在不同週期下的振動形式。via  Colin Stark & Göran Ekström 7,8

參考資料/延伸閱讀

  1. NASA’s InSight Detects First Likely ‘Quake’ on Mars
  2. 2017年北韓核武試驗
  3. 不要丟了!其實豆漿和牛奶表面薄膜超重要
  4.  Goins, N. R.; et al. (1981). Lunar seismology – The internal structure of the moon. Journal of Geophysical Research. 86:5061.
  5.  Latham, G.; et al. (1972). Moonquakes and lunar tectonis”. The Moon. 4 (3–4): 373–382.
  6.  Duennebier, F. & Sutton, G. H. (1974). Thermal moonquakes. Journal of Geophysical Research. 79 (29): 4351–4363.
  7.  Stark, C. P., Ekstrom, G., Hibert, C. Landslide dynamics from seismology: new results. Presented during AGU Fall Meeting 2015/12/14-18, EP51D-08
  8.  Detecting Landslides from a Few Seismic Wiggles. 
  9. 「洞察號」成功登陸火星,NASA 展開深度探索

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你是國中生或家有國中生或正在教國中生?
科學生跟著課程進度每週更新科學文章並搭配測驗。來科學生陪你一起唸科學!

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Whyjay
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透過我的眼睛、鏡頭的眼睛、還有衛星的眼睛看世界的地球科學研究者。期望與你分享冰川下封存的秘密或是火山上隱藏的故事;夜晚,我們更可以遙望皎潔的明月,更遠的木星與冰衛星,甚至更遠更遠──某顆系外行星上的生命,或許也正拿望遠鏡看著我們討論人類最終的歸宿。推特:https://twitter.com/WhyjayZ (英文)

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火山爆發的場景有可能在台北出現嗎?來看看科學家如何觀測大屯火山群的「生命跡象」
研之有物│中央研究院_96
・2019/06/30 ・4782字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 525 ・七年級

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本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

  • 採訪編輯|古國廷、美術編輯|林洵安

大屯火山群是活火山?噴發會有大災難?

2019 年 5 月 27 日,在大屯火山群觀測研究成果記者會上,中研院地科所研究員林正洪與研究團隊經過長期監測,認定大屯火山群及龜山島為活火山。消息一出,因大屯火山群緊鄰大台北地區,噴發是否會影響民眾安全引發熱議。但科學上如何證明大屯火山群是活火山?火山噴發會造成哪些災害?應該如何監測和預防?本文專訪林正洪研究員,一一來破解。

先來瞧瞧大屯火山群的範圍有多大!大屯火山群包含 20 多個火山體,如大屯山、七星山、紗帽山、竹子山和大尖山等。這些火山體緊鄰台北地區,其中天母、北投、士林皆位於山腳,即使台北市中心的 101 大樓距七星山也不過 15 公里。

大屯火山群七星山上的小油坑。
圖片來源│林正洪

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早期學者認為大屯火山群最近一次噴發已超過 10 萬年,而且不再活動,應是休火山或死火山。

「但近年研究顯示:大屯火山群噴發紀錄應為 6 千年前,而且地底有岩漿庫,這些都可以證實大屯火山群是活火山!」林正洪表示。

如何判斷火山「是死是活」?

死火山,顧名思義它不再活動,即使曾經活動,也是發生在一、兩百萬年以前,甚至更久。

而活火山,如夏威夷的火山、日本阿蘇火山和櫻島火山,幾乎隨時在噴煙,甚至偶爾還有岩漿跑上來,就是現生的活火山。

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但科學不能只用描述,所以還有兩個方式來判定:其一是「憑經驗」,研究火山 1 萬年內是否曾經噴發,其二是「看現象」,看看底下是否有岩漿庫。

所謂憑經驗,就像發生竊案,警察會先找這兩、三年犯過竊盜罪的人,而不是 30 年之前有前科的人。以火山來說,噴發的歷史紀錄就是火山的「前科」,可以作為評定標準;至於為什麼是 1 萬年,是沒辦法中的辦法,因為非得訂個標準。而在地質學研究中最年經之地層為全新世 (Holocene),是大約一萬年前開始沉積之地層。

再以現象來看,如果找到岩漿庫,也就是火山的「彈藥庫」,那麼不管過去有沒有噴發,就要把它歸為活火山。

科學界多用以上兩個標準,如果都符合,就更沒有質疑的空間。

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過去認為大屯火山群是死火山,近年研究卻說它是活火山,這是怎麼回事呢?

判斷大屯火山群在 10 萬年前噴發,大概是 1980 年代的研究,那時多用鉀氬做岩石定年。這種定年方式,用來測量百萬年或億萬年尺度的現象,10 萬年是它的「最小刻度」。

換句話說,使用這種方法來做大屯火山群的定年,就像拿一把刻度很粗的尺測量,發現最小刻度內有東西,但已到極限無法再細看,只能說是 10 萬年。

直到 2011 年,中研院地科所同事陳中華和俄羅斯學者,將大屯火山群的火山灰拿去做碳十四定年。這種方式的「刻度」比較細,可以到千年、萬年。結果發現:大屯火山群最近一次噴發應該在大約 5 千到 6 千年前,符合 1 萬年內有噴發紀錄的活火山標準。

除了噴發紀錄,還有證據說明大屯火山群是活火山嗎?

火山地震波也能說明大屯火山群在活動。

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大屯火山群的地震波,跟宜蘭、花蓮、嘉義的地震波很不一樣。宜蘭、花蓮地震是斷層錯動,就是岩層被扯斷造成的地震振動。這種振動就好像一把吉他的弦同時扯斷,高頻、低頻、中頻各種頻率都有。

但在大屯火山偵測到的火山地震,是單一頻率的水滴狀地震波,以及多個頻率共鳴的螺絲釘狀地震波。而不論是單頻或多頻火山地震,統統都是活火山才有的現象。

為什麼?因為活火山有熱量,可以產生高壓氣體或液體,當它們從地底沿著岩縫往上竄,因為岩壁長寬固定,就會產生特定頻率的振動,好像火山在「吹直笛」!因為這個原理就像吹直笛時按住特定的孔,形成固定長寬的空氣柱,就會吹出單一頻率的聲音。

反過來說,死火山沒有熱能,不能產生這些高壓氣體和液體。就像煮開水,瓦斯還在底下燒,蒸氣不斷往上冒,鍋蓋就會動、然後呼呼作響;如果把瓦斯關掉,沒有了熱源,水會慢慢冷掉,鍋子也就不再發出聲音。

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資料來源│林正洪 圖片重製│林洵安

除了火山地震,火山氣體氦同位素比例以及地殼變化,也都間接支持大屯火山群是有能量的火山,不是死火山,但最直接證據還是確認它底下真的有岩漿庫。

如何確認大屯火山群底下有岩漿庫?您是像電影一樣開潛艦鑽入地底嗎?

哈哈,現在的科學技術不可能帶人鑽進熾熱的地底,親眼證實岩漿庫的存在。我是用自己發明的「陰影法」,標定大屯火山群岩漿庫的位置和面積。

原理如下:在透明的盒子裡吊起一顆金球,假設盒子上方是北台灣地表,盒子裡的金球是岩漿庫。然後關上燈一片漆黑,看不見盒子裡的情況 (就像在地底一樣),盒子上方的人要怎麼知道金球的位置和大小呢?

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攝影│林洵安

這時可以在盒子底下放手機,讓手機的光向上照,光被盒內金球擋住,盒子上方就會出現金球的陰影。如此一來,不但知道盒子裡有金球,還能從陰影推知金球的位置和面積。

當然,地底下不會有光源,但有和光波很像的地震波,可以形成另類的地震波「陰影」。

地震波怎麼取代光波呢?地底下一、兩百公里發生地震,就會發出地震波傳到地面。不過地震波中的 S 波,無法在液態物質中傳遞,所以當 S 波遇到液態的岩漿庫會被擋下來。

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如下圖左邊的示意圖,地表的六個測站,發生地震時,黃色的地震觀測站因為位於岩漿庫正上方,接收不到 S 波,岩漿庫範圍以外的綠色測站才收得到 S 波。

於是,我就可以從哪些測站收到 S 波、哪些收不到,收不到的「陰影範圍」有多大,來估算岩漿庫的位置與面積了。

地震波的 S 波無法在液態物質中傳遞,P 波則是在液態跑比較慢。當它們穿過岩漿庫會造成 S 波陰影和 P 波緩達的現象,可用來推知岩漿庫的面積與大小。
資料來源│林正洪 圖片重製│林洵安

不過 S 波陰影只能算面積,無法估計厚度,因為無論岩漿庫厚度多少,S 波統統會被擋掉,這時就需要 P 波了。

地震波中的 P 波 在固體中跑得快,液體中跑得慢。所以就如上圖右邊示意圖,同樣地表有六個測站,岩漿庫外的綠色測站會先收到 P 波訊號,岩漿庫正上方的黃色測站會晚一點收到。

而且岩漿庫越厚, P 波受阻礙的距離越長,黃色測站就越晚收到 P 波。因此從 P 波的延遲時間反推,就能估算出岩漿厚度。

根據估計,大屯火山群岩漿庫所在位置,大概在金山、萬里附近,面積約四分之一台北市行政區的大小,厚度約 4 至 10 公里。

如果大屯火山群噴發,會有哪些危害?

先來了解活火山噴發會有哪些危害。全世界標準的火山災害中,「熔岩流」算是大家最熟悉的,像電影中常看到岩漿從山上流下來。其實,熔岩流對人的生命威脅很小,因為它是慢慢滾過來,看得到也跑得掉。

但有一種跟它很像的「碎屑流」,才是真正可怕的火山殺手。當岩漿從火山口跑出來,碰到空氣時從液態變成固態,先在原地不斷堆疊增高,直到撐不住才轟然垮下……

在那一瞬間,溫度高達攝氏數百度的石頭和火山灰,以時速一、兩百公里的驚人速度向下俯衝。歷史上所有火山災害中,由碎屑流造成的死傷相當可觀,因為看到了大概也跑不了。

1984年,菲律賓馬榮火山的火山碎屑流。 圖片來源│維基百科

此外,還有「火山泥流」。當火山灰噴出後先堆積在山上,就像鋪上一層厚厚的灰。遇上降雨或颱風,灰變成泥巴,像土石流一樣沖刷下來。

當泥流沖進河谷,會把谷地填滿,之後降雨沒有河道可去,就會滿溢出來。這種災情菲律賓很多,每次颱風一來,村莊就會淹大水,持續二、三十年。

回到大屯火山群噴發可能造成的災害,主要看它噴發的量有多少。如果是小規模的火山灰和熔岩流,會影響山區周遭居民。

但我們強烈懷疑火山群裡的七星山可能會活動,屆時熔岩流、碎屑流、火山泥流會沿著磺溪,沖到北投、天母一帶,對當地造成衝擊。

若熔岩流和碎屑流等流到關渡大橋一帶,那裡的河口比較窄,如果堵住淡水河、基隆河道,河水流不出去,也可能造成災害。

這次研究提到龜山島也是活火山,規模如何?可能造成什麼災害?

根據火山灰定年,龜山島距今 7 千年內就噴發了 4 次,而且目前估算龜山島底下的岩漿庫,是大屯火山岩漿庫的 1.5 倍大,這些都符合活火山標準。

如果龜山島噴發,比較可能的災害是引發海嘯,將衝擊低淺、平坦的宜蘭平原。

若大屯火山群要爆發,多久前可以知道?平時該如何監測?

科學家和政府要預報火山即將爆發,只能根據火山的異狀。但從火山開始不安定,要等多久才會爆發就很難說了。有些火山一發現異常,一個禮拜後就噴發。但峇里島曾有火山撐了兩個月,日本的雲仙火山則撐了五、六年。

不過,民眾可以安心的是,很少火山從出現異狀到噴發短於一個禮拜的。換句話說,只要做好監測,至少有一週時間可以應變。

若要即時預警,就得仰賴平時監測,包括地表溫度、火山氣體、地殼變形和地震活動等方式。因為預測常要知道火山噴發的時間、大小和地點,我覺得透過地震監測相當有用。

目前在大屯火山群佈了 40 個地震站,螢幕上面每一條線就是一個測站。當火山要噴發前,岩漿會往上抬,或使周圍壓力增加,因此產生成千上萬的地震。
攝影│林洵安

我們可以從地震的位置,判斷哪裡的地底開始有岩漿活動,再由多少觀測站偵測到地震波,估計火山噴發的可能規模。

再來,從地震所在深度,估算目前岩漿離地表的距離和移動速度,例如岩漿跑到離地表 9 公里時,會在 9 公里附近產生很多地震;隔了一個禮拜,在 7 公里深處偵測到地震,代表岩漿在過去一周跑了 2 公里。

雖然時間和岩漿跑的距離,不一定是線性關係,但這些數據仍可提供科學家參考、評估火山噴發的可能時間,必要時通知政府撤離附近居民。

但就像是照片的像素越多,影像越清晰;地震測站要夠多,偵測解析度才會夠好。所以未來,我們將增加北台灣地震測站的數量,從原本的 40 個測站,擴大到 140 個,並在測站之間,每隔數十公尺布置一台簡易、小型的地動感測器,盡可能提高偵測的解析度。

資料來源│林正洪 圖片重製│林洵安

這些年研究大屯火山有沒有難忘的回憶?

我過去不是火山學者,而是做傳統地震的,天天都在研究地震波。十多年前接觸到火山地震,發現世界上怎麼有我一輩子投入,也不曾見過的地震波。這就好像小孩子每天關在房間玩,一不小心打開門,發現外面的世界完全不一樣。

不過,十幾年前開始研究大屯火山群,除了我和少數學者,沒有人相信它是活火山。但我覺得做科學,最誘人就是你的興趣,如果是喜歡的東西,你會不計成敗榮辱去研究它。

火山地震就這樣一直吸引著我。即使現在手邊有很多事,但每天動不動就盯著地震波看。地震波對我來說,勝過所有一切。也因為在中研院工作,讓我無後顧之憂做自己喜歡的研究,才能「十年磨一劍」得到如今的研究成果。

如果下輩子還可以再回來,我也要回中研院。地球科學還是超吸引我,一輩子還是做不完,如果還有來生,Why not?

「地震波對我來說,勝過所有一切。」林正洪眼睛發亮地說:「地底就像一間黑漆漆的房間,每個地震波像是房內突然一次閃光,讓屋頂上 (地面) 的我們有一次機會窺探房內 (地球內部)的秘密。」
攝影│林洵安

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本文轉載自中央研究院研之有物,原文為大屯火山群不可怕,可怕來自不懂它 — 專訪林正洪,泛科學為宣傳推廣執行單位

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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook