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地震「預警」系統的進化和侷限

陳妤寧
・2014/08/30 ・2140字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 582 ・九年級

文 / 陳妤寧

地震引發的剪力波(S波)和表面波,是造成地表強烈振動和破壞的主因;初達波(P波)的振幅較小,傳遞速度卻比S波快 1.73 倍。每次地震後的震央公布,就是科學家利用P波和S波二種波的速率不同所引起的時間差,進而推算震央的所在位置。現在若能搶先偵測到微小的P波,就能透過簡訊或文字廣播的方式,警告人們即將來臨的地震。

藉由S波和P波的時間差,推算震央甚至爭取預警時間。(圖片來源:Wikipedia, Genppy)
藉由S波和P波的時間差,推算震央甚至爭取預警時間。(圖片來源:Wikipedia, Genppy)

 

如果只能提前幾秒,預警能為我們做什麼?

也許有人認為短短數秒對於人員逃生只是聊勝於無,不過對於捷運、鐵路、電梯、乃至於家中的瓦斯,若能透過系統自動暫停,可大大減少因地震而引起的二次災害或是爭取人員逃生的機會。

高鐵行控中心的任以永副主任表示,日本的預警系統發展成熟,透過政府的力量進行了大規模的偵測器舖設作業,現在更進一步釋出資訊、提供民間企業串接預警系統,如電梯公司便可研發自動斷電裝置,在地震時減少人員受困或其他二次災害。

台灣目前的預警系統發展方向仍以交通運輸為主,中央大學地球科學系的馬國鳳教授希望技術能應用在天然氣公司。「預警能夠爭取的秒數已經不多,如果還要衝去關瓦斯、能夠逃生的時間又更短了。日本的瓦斯供應商現在已經能夠從源頭自動切斷,大大的避免因地震而引起的火災。」

地震預警的許多相關建設都仰賴政府的政策指導。以正在和國家地震工程研究中心(NCREE)合作測試地震預警技術的台灣高鐵為例,任副主任表示高鐵歡迎任何強化防災能力的新技術,但在「高鐵沿線以外區域」所能佈置的地震儀有限,而真正能夠提前偵測P波的「潛在震央區域」,需要仰賴公部門的政策介入,才有權力及能力進行跨區域的地震儀佈置計畫。

細胞廣播:偵測之後,如何散播警訊?

究竟是透過簡訊發送、電視插播、還是街區廣播來發佈地震預警的方式易達性最高?這個課題同樣牽涉到政府的政策和成本效益評估。以簡訊為例,政府須投資電信業者開發核心設備,來解決流通量的限制。若要在一秒內送出三十萬封以上的預警簡訊,為了避免網路壅塞,必須進化為「細胞廣播(Cell Broadcast )」的發送形式,細胞廣播無需蒐集被叫號碼,而是由基地台以獨立管道對區域內的所有支援細胞廣播功能的手機發送簡訊,幾秒內便能傳送到特定區域內數十萬到上百萬的用戶。

其實在莫拉克颱風之後,2010 年中華電信即開發出功能類似細胞廣播的「災害緊急應變訊息通報系統」,依災區指定範圍尋找中華電信行動電話及市話號碼,通知民眾提高警覺或即時撤離。311大地震時,政府即利用中華電信的系統發佈了首次的海嘯警報簡訊。

2014 年 7 月 1 日,國家通訊傳播委員會(NCC)宣布,通過認證合格的 4G 手機均具備接收細胞廣播訊息的功能,以支持公共預警系統(Public Warning System,PWS)。預警訊息將同時顯示中文及英文,並發出不可變更設定的鈴聲和震動提醒民眾。支援細胞廣播系統的手機能否普及,也是挑戰細胞廣播能否充分發揮功能的關鍵之一。

仰賴預警技術?得看我們在哪裡

在台灣影響地震預警效果最大的「非技術因素」,在於土地幅員。

預警技術的根本,在於利用P波和S波跑越遠、抵達的「時間差」越長,才得以對距離震央較遠的地方爭取警報時間。如果在距離震央只有 50~70 公里以內的地方,主震波(S波)將比預警簡訊更快抵達;若納入簡訊推播所耗費的時長,這塊「盲區」的半徑可能長達 100 公里以上。台灣的南北長約377公里,東西寬約142公里,預警系統能發揮的效果恐怕無法如日本同樣顯著。

對高鐵來說,震央在西部的地震來得又快又直接,已經不是預警系統能夠發揮功效的範圍。以甲仙地震為例,當時出軌的列車距離震央僅 46 公里,是透過高鐵自身在沿線佈置的地震儀來爭取煞車時間。而震央在東部或東部外海的地震,如果規模不大,傳到西部時的將有一定程度的衰減,若震度未達四級以上,高鐵列車並不會啟動減速或停駛。至於距離更遠的太平洋地震或海嘯,由於台灣東岸海面下的大陸棚和深海溝會減緩威力,對於台灣的影響更小。

中央大學馬國鳳老師說,除了致力於佈建預警系統的基礎建設之外,設計相關的疏散動線、從平日開始檢查建築的耐震強度,才能有效減少人員傷亡;否則在預警的短短數秒內,反而更容易引起恐慌,混亂中的互相推擠踩踏反而更危險。而地震科學研究人員不應滿足於地震儀的廣設和偵測,而是應持續深入研究斷層幾何的構造,才能預先了解潛在受災區域會受到多大的衝擊。(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)

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:

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陳妤寧
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熱愛將知識拆解為簡單易懂的文字,喜歡把一件事的正反觀點都挖出來思考,希望用社會科學的視角創造更宏觀的視野。


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如何從茫茫大海中,找到戰爭遺留的深水炸彈?——海底掃雷行動

Else Production
・2022/01/19 ・2597字 ・閱讀時間約 5 分鐘

對於年輕人來說,我相信「深水炸彈」一詞並不會陌生,因為這近乎是每一個狂歡派對裡的必需品。但對於埋藏在深海裡的炸彈,大家又有沒有想過我們如何找出來?

這些未爆炸的軍備,我們稱之為 Unexploded Ordnance(簡稱 UXO),有可能是水雷,有可能是深水炸彈,也有可能是導彈。它們多數是第一次或第二次世界大戰遺留下來的產品,受到多年來沉積(即水流在流速減慢時,所挾帶的砂石、塵土等沉淀堆積起來)的影響,令它們埋藏在海床以下的地方。跟據 Euronews 的估計,單單在波羅的海亦有超過 30 萬的 UXO 埋在那裡。

二戰期間,桑德蘭水上飛機掛載的深水炸彈,圖/維基百科

你也許會問,既然都已經埋藏了,何況我們仍然要處理他們?這是因為我們會在海底裡鋪設電欖、水管、天然氣輸送管等輸送系統,假如鑽探過程中不小心觸碰了它們已產生意外,或是在完成工程某一天突然爆炸而令輸電系統中斷,後果可真是不堪設想。因此,最理想的方法便是把他們全部找出來並繞道而行,或是安排專家把他們處理。

真正的大海撈針:用磁場把 UXO 吸出來!

要找到這些 UXO,最容易的方法便是使用金屬探測的方法,但由於普遍的金屬探測器的探測範圍是不超過 2 公尺的,我們很難把探測器貼近凹凸不平的水底前行(這大大增加了磨損探測器的風險),因此我們會選擇較間接的方法:磁強計(Magnetometer)。由於大部份的彈藥外層是用鐵形成的,而鐵是對磁非常敏感的,因此我們能夠在較遠的範圍便能察覺他們的存在。當在外勤工作,我們會以兩個磁強計為一組去作探測,令我們更準備知道其實際位置及大小。讓我們看看以下例子:

圖 1:磁強計的探測結果

在圖 1 裡,假設我們知道標記「1」是一個 UXO 的位置,上圖的平行線為磁強計由左至右的移動路線,下圖為磁場沿路的變化。我們可以看見,當若果沒有任何金屬物件存在的話,兩個磁強計量度的數是相近的,亦即是該環境本身的磁場。但在 UXO 的附近,我們可以看到明顯的變化。藍色線代表航行路線的左方磁強計的量度值,燈色線代表右方,由於磁場強度會隨著距離而減少,因此很明顯這一個 UXO 的位置更接近藍色線,亦即是航線的上方。

我們可以透過兩者的差距估計其位置及大小,但為了確保其真實性,我們亦會在附近再次航行,假如也有磁場變異,這便是一個不會移動的金屬物品(撇除了船、飄浮中的海洋垃圾等的可能性)。

排除法:用側掃聲納窺探看不見的海底!

正如上文提要,磁場變異所告訴我們的,只是金屬物品的位置,但它亦有可能不是炸彈,也有可能不是埋在海床下,因此我們也會使用其他科學方法去驗證。其中一個便是側掃聲納(Side Scan Sonar) ,透過聲波反射的原理,我們可以看到海床的影像。假如海床是乾淨的,聲波傳送及接收的時間是一樣的,因此我們可以看到連續的晝面。但假如有異物在水中間或海床上,聲波便會被折射而形成黑影。讓我們看看以下例子:

圖2: 側掃聲納 圖片,紅色箭咀範圍代表沒有反射的區域,綠色箭頭範圖代表船與海底的距離 (圖片來源:Grothues et al., 2017)

看看圖 2。燈色的部份是海床的晝面,中間白色的部份是船的航道,亦是側掃聲納的盲點,而黑色的部份則是有物件在海床上方而形成的聲波折射,讓我們能夠清楚看見它們的形狀。有時候我們亦會看到一些海洋垃圾,如車胎、單車等,而在上圖的左上方,我們相信是一些棄置的工業廢料。

當然你也可以爭論,在圖左上方的物件有機會不是死物,而是一種未知海洋生物,因此我們也會進行多次的側掃聲納,如果在同一位置並不能再看到它,那麼這是生物的機率便很高。假如在磁場異變的位置側掃聲納沒有探測到任何物件,這進一步證明其 UXO 的可能性。但假如有黑影在上方,我們也會透過黑影分析其大小是否吻合,並會憑經驗分析該物品會否存在金屬。

此外,在看側掃聲納,我們也很重視在磁場異變的位置附近有沒有刮痕,因為形成刮痕的原因多數是船上作業頻繁的地方,有機會是漁船拖網的地點,也有機會是大船拋錨起錨的地方,而這些動作均有機會接觸或移動了這些潛在的 UXO,產生危機。因此,這些地方都會是我們首要處理的地方。

筆者按:假如大家想看看其他用側掃聲納發現的東西,如沉船、飛機等,可以到這裡觀看

萬無一失:Mission Completed !

當然,在取得數據時,我們也要儘可能減低人為因素而形成的影響。舉個例子,我們要確保磁強計遠離測量船,以免船上的儀器影響了磁強計。因此,我們並不會把磁強計綁在船底,而是把它們用纜索綁在船尾數十米以外的地方拖行。

另外,我們也要確保測量船要以均速航行,以確保所有數據都是一致的。最後,我們也要確保船上的 GPS 系統準確無誤,否則所有有可能是 UXO 的位置都是錯誤的。

完成以上的工序後,我們便會製作磁梯度圖(Magnetic Gradient Map),把剩餘下來的磁場變置點用其強度及大小表示出來,正如圖 3,再交給拆彈專家們處理。他們便會跟據他們的專業知識,加上該海岸的戰爭歷史,對比當時有可能參戰的國家、使用的武器及其金屬含量以找出存在的炸彈來處理。

要知道這些 UXO,單單在 2015 年在世界各地亦奪去了超過 6000 人的性命,因此這個科學命題可真是不容忽視!

圖 3:磁梯度圖。左邊是潛在 UXO 的位置而右邊則是它們的磁場強度的改變。(圖片來源:Salem et al., 2005)

延伸閱讀:

參考資料:

  1. Salem, A., Hamada, T., Asahina, J. K., & Ushijima, K. (2005). Detection of unexploded ordnance (UXO) using marine magnetic gradiometer data. Exploration Geophysics, 36(1), 97–103.  
  2. Han, S., Rong, X., Bian, L., Zhong, M., & Zhang, L. (2019). The application of magnetometers and electromagnetic induction sensors in UXO detection. E3S Web of Conferences, 131, 01045.
  3. Image scans gallery. EdgeTech. (n.d.). Retrieved January 5, 2022, from https://www.edgetech.com/underwater-technology-gallery/ 
  4. Grothues, T. M., Newhall, A. E., Lynch, J. F., Vogel, K. S., & Gawarkiewicz, G. G. (2017). High-frequency side-scan sonar fish reconnaissance by autonomous underwater vehicles. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 74(2), 240–255.

本文亦刊載於作者部落格 Else Production ,歡迎查閱及留言

Else Production
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馬朗生,見習地球物理工程師,英國材料與礦冶學會成員,主力擔任海上測量工作,包括海床勘探、泥土分析、聲波探測等。