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融化的岩漿可以警告火山爆發?僅適用於部分火山

陳妤寧
・2014/08/28 ・1448字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 580 ・九年級

文 / 陳妤寧

今(2014)年二月,印尼有 16 人因為錫納朋火山爆發而死亡,這是從去年九月錫納朋火山重新活躍以來,第一次發生人員傷亡。過去通常都有足夠的時間警告居民從當地撤離,但這次噴發前,居民被允許回到回到當地火山五公里以外的區域活動,因為火山學家們相信錫納朋火山正在穩定下來。

天災的不穩定性讓人希望在發生之前能夠一窺預警先機,火山爆發前,有什麼跡象可以警告大家呢?這次,科學家將腦筋動到了火山岩漿身上。

1982年喀斯喀特山脈噴發出的火山灰。(圖片來源:Wikipedia,作者:CarolSpears)
1982年喀斯喀特山脈噴發出的火山灰。(圖片來源:Wikipedia,作者:CarolSpears)

在火山爆發之前,岩漿總要先融化吧?世界上那些最險惡火山地底下的岩漿,99%的時間都處於冷卻且堅固的狀態,這表示了在岩漿「預熱」的時候,火山學家們可以視之為一種火山爆發的警訊。

岩漿平常停留於約 200°C ~ 400°C 的地殼中,地質學家一直探討這個溫度對於岩漿融化而言究竟是不是夠熱的溫度?為了找出答案,戴維斯加利福尼亞大學的助理教授 Kari Cooper 從奧勒岡州的胡德峰採集了火山熔岩樣本,檢驗其中「鍶」元素的分布。

洩漏內情的「鍶」元素

Kari Cooper 和奧勒岡州立大學的助理教授 Adam Kent 合作,從凝固的熔岩中分離出結晶體,利用其中鈾的雷射衰敗期擔任「碼表」功能,推算出這些結晶至少已經存在了 21000 年以上。

他們觀察結晶裡的鍶,發現結晶的核心比外圍分布有更多的鍶元素。這是件怪事,因為照理來說,火成岩在 750ºC 時開始融化, 而鍶在這個溫度是流動的狀態,會在數千年的時間內逐漸擴散到整個結晶體之中。

既然 Cooper 和 Kent 所採集的樣本並未呈現均勻分布,代表這些結晶體待在超過 750 °C 以上環境的時間不超過 2800 年,甚至可能只有區區 140 年。如果從他們誕生至今的 21000 年來看,這段時間所佔的比例只有 13% 甚至 1%。換句話說,足以讓胡德峰岩漿融化且噴發的高溫(750 °C),是歷史上非常罕見的情況。胡德峰目前仍是活火山,最近一次噴發時間是在 220 年前。

火山熔岩真的被「預熱」了嗎?

這也觸發了一個顯而易見的問題:是什麼會導致火成岩融化?一般的猜測認為是來自更深源的岩漿「加熱」了上方的火山熔岩庫。

然而,去年的一項研究認為某些火山之下的岩漿庫其實長時間保持液態,而非直到火山噴發前才開始融化。意即尋尋覓覓火山岩漿融化的跡象,其實僅有助於預測「部分火山」的噴發行為,法國薩瓦大學的 Alain Burgisser 認為並非所有的火山都遵循同樣的噴發模式,「但這種『預熱』狀況的確會發生在那些最頻發和最猛烈的活火山,例如菲律賓的皮納圖博火山在1991年的最後一次噴發便是個好例子。」火山爆發前的岩漿融化過程會維持一段相當長的時間,儘管這有助於爭取觀察和警報的時間,不過這種情形通常也發生在更大規模、更具殺傷力的火山噴發中。

從地震到火山,人們致力於找出這些災害的「前兆」,但若要證明這些前兆和災害事實具有實際上的因果關係,而非隨機事件或是不明所以的相關性,就需要科學方法的持續投入,研究其中關連的邏輯,甚至找出反例來加以驗證,才能證明這些「前兆」並非鄉野傳說而已。(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!

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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。