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以震為鏡(四):講講看 地震考古多有趣?

李柏昱
・2014/12/15 ・2489字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 510 ・六年級

本文由科技部補助,泛科學獨立製作

研究歷史地震,各地方稟報災情的奏摺是很重要的參考文獻,圖為1862年台南大地震沈葆禎奏報嘉義縣城隍神的文件。(圖片來源:臺灣地區歷史地震資料庫)
研究歷史地震,各地方稟報災情的奏摺是很重要的參考文獻,圖為1862年台南大地震沈葆禎奏報嘉義縣城隍神的文件。(圖片來源:臺灣地區歷史地震資料庫)

李柏昱 | 國立臺灣大學地理環境資源學系

「冬十一月,地大震。廿三日,雞籠頭、金包裏沿海,山傾地裂,海水暴漲,屋宇傾壞,溺數百人。」這段出自《淡水廳誌》的文字,記錄 1867 年基隆地區的地震與海嘯,雖然僅是寥寥數語,但在地震觀測進入有儀器記錄、客觀的「歷史」時代前,這樣的文字敘述是地震發生過少數的重要證據。本篇專題邀請到健行科技大學鄭世楠教授,帶領大家穿越歷史,回到那些早已湮沒的過去,從古籍的字裡行間,抽絲剝繭找出古地震塵封的裂痕。

大地的遙久傷痕-活動斷層

地球本身有癒合能力,鄭世楠教授舉例,地表就跟人的皮膚一樣,受傷後會結痂,如果這次受傷較深,下次很容易就從這邊發生撕裂傷。這些地球結痂的地方,就是「活動斷層」,找出這些斷層,並計算每次破裂之間的週期,地質學家就能掌握下次地震可能的時間。

但是,地震的再現周期對人類壽命而言太長了,經常是數百年到數千年。相較之下,台灣從荷據時代開始有歷史文獻紀錄 400 年,有地震儀器更只有 100 年,直到 1897 年第一部地震儀才由日本人所引進。此時,古地震便成為提供斷層活動週期重要的調查方法。

在進入儀器觀測時代之前發生的地震,都可列入「古地震」的範疇,其中可再分為「歷史地震」與「地震考古」,歷史地震指有歷史文獻紀錄的地震,時間尺度距今上百年到上千年;地震考古則利用化石定年、斷層槽溝等方式,找出年代更為久遠的地震,時間尺度可達上百萬年甚至是上億年之久。

字裡行間的地震紀錄

台灣從荷蘭人登陸開始了歷史時代,當時荷蘭東印度公司每日都有詳細的經營記錄,保存在《熱蘭遮城日記》(De Dagregisters van het Kasteel Zeelandia)中;清領時期則有各地官員災後上書朝廷申請賑災款的奏摺、地方縣誌或是文人遊記,晚清還有各國領事、報紙、貿易報告等記錄;此外,各地信仰中心的廟宇,經常是保存當地文史資料的重要資料庫,也是地震歷史紀錄的重要來源之一。

歷史文獻無可避免的必須考量其中記錄者的主觀意識,例如只有有感地震會被記下;而在人口稀少的地區,地震記錄也會較少。比方說,台灣開發由南往北發展,如果翻閱早期的地震記錄,台南紀錄的地震比其他地區都更多,但這並不代表台南地震最多,而是當地的文獻紀錄最久。此外,不少文獻會因為氣候潮溼而腐朽損壞,或著隨著保存的廟宇翻修而遺失,這些問題都會成為研究古地震的障礙。

另外,台灣由於政權更迭,許多地名在歷史潮流中屢次更換,也會因記述者的語言不同而改變。鄭世楠提到,1867年基隆地震時,當時上海租界區裡的外文報紙有報導這次地震,提到一個地名「Palm Island」,當時找了許久,才知道這個「棕櫚島」是指現今基隆和平島,但是在漢人社群中則稱社寮島;另外也有記錄提到「Pa tsien na小鎮損毀嚴重」,Pa tsien na指的又是哪裡呢?這是士林的舊名八芝蘭(Pattsiran),為平埔族「溫泉」之意,而後漢人再加上表示林野的「林」,合稱為「八芝蘭林」(Pattsiran-na),日據時期才改稱為士林。

為了研究地震儀尚未問世時的古地震,歷史文獻的交叉比對仍十分重要。歷史資料越多,就能評估各地地震的災害程度,並建立等震度圖,由於越靠近震央災害越慘重,按照經驗式比對,地質學家能按照災害的範圍估算地震規模。等規模與粗略的震央位置訂出來後,檢視附近有沒有現在已知的活動斷層,利用電腦進行類似地震規模的模擬,再與文獻記錄進行比對與考證。一旦有一定的吻合程度,就可以確認當時的地震規模與震央位置。

地震防災善盡人事

與其他災害不同,台灣有很多斷層在歷史中還沒發生過強震,相當危險。但是國家進行建設發展當然不可能等蒐集完幾百年的資料再來進行,各國多半是用短期的觀測資料,透過假設、外推,並設定一個安全係數導出防震規範的標準,再根據這個標準進行設計。

研究歷史地震的重要性就在於,當要評估時間尺度這麼長的問題時,歷史地震或地震考古的相關資料,能進行進一步的佐證,並設法延長有把握的地震觀測史,提供更為客觀周全的耐震標準。未來國家重大建設進行時,耐震係數就能依照現有的資料,計算出一個客觀的、科學的數據,讓主事者依據這個資料以及法規進行建設。

當然,地震觀測資料會與時俱進,標準也會一再改變,趨於嚴格,不用再於事後批判建設當時的錯誤決策,因為當時已經盡力做到當時已知最嚴格的標準。比如說,921地震以前台中石岡壩施工時,就有挖掘到車籠埔斷層,但是相關觀測資料不足,認為該斷層並不會錯動,中部地區的建築防震規範也偏低。

歷史地震猶如時代久遠的犯罪現場,現代福爾摩斯必須從浩瀚古籍的字裡行間中,找出地震發生過的證據。很多時候,對於古地震的位置、規模,甚至到底有沒有這場地震,地震考古學家莫衷一是。這些懸而未決的歷史懸案,何時能解?(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)

本文原發表於行政院科技部-科技大觀園「專題報導」。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!

責任編輯:鄭國威|元智大學資訊社會研究所

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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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地球在20年間「亮度」變低了!——地球暖化讓陽光反照率直直落

Mia_96
・2021/10/23 ・2757字 ・閱讀時間約 5 分鐘

地球暖化會造成溫度升高?不稀奇!地球暖化會造成人類生活環境越來越嚴峻?也不稀奇!但你有聽過,因為地球暖化,讓我們的亮度竟然逐年遞減,地球變得越來越暗嗎?

地球亮度的改變並不是近期才出現的新興議題,關於地球亮度的變化,科學家早在 1990 年代前後便提出一種現象「全球黯化」(global dimming)去解釋為何地表獲得的太陽光能量越來越低。

當時透過資料指出,進到地球的太陽能量大幅降低,從 1950 到 1990 年入射至地表的太陽光能量,竟然平均減少 4%! 也就是身處在地球上的人類會覺得地表的亮度似乎逐漸地降低。

但入射地表能量降低的原因並非是太陽發出能量的變化,而是因為近幾年我們最常耳聞的,空污現象! (圖/pixabay

當人類使用石油、煤炭等非再生能源發電時,會在環境中產生許多氣膠微粒,而這些氣膠微粒進入大氣,微粒可以吸收、反射入射到地球的太陽光,使太陽之能量無法進到地球表面,進而造成地球亮度降低。

而全球黯化同時也影響著人們過去對於全球暖化的理解,當全球黯化造成入射到地表的太陽光減少時,代表著地球所獲得的能量並不如過往我們所想像的這麼多。換句話說,全球黯化所造成的冷卻效應竟比不上人們所造成的暖化速度!

知曉地球改變亮度的方法——地照!

近期最新研究更是顯示,1998 年到 2017 年近十年內,地球的反照率逐年下降!除全球黯化造成地表獲得太陽能量減少外,當從外太空看著地球時,地球竟然也越來越暗了!

反照率是一種常用於亮度表示的方式之一,其指的是太陽電磁波段入射至地表的總量質,除以被地表反射的量值所得出的數字。不同的地表特性即有不一樣的反射量質。因此,透過反照率的升降,科學家也可以推估氣候變遷對環境所產生的變化與影響。

計算反照率的方式十分特別,在科學中我們將其稱為「地照」!

地照現象指的為當太陽光照射到地表,地表會反射部分太陽光,而當地表反射太陽光至月球未被太陽照到的地方時,月球又會將地表所反射至月面的光線反射回地球。

看似應該沒有被太陽光照射到的月球表面,其實也會因為地球反射之陽光而產生微弱的光。而最適合觀測地照的時間通常為弦月時分。 (圖/Wikipedia

地照的變化與地表的改變息息相關。例如冰雪的反射率較高,當地表溫度較低,累積較多冰雪時,地照數據便可能會上升;而洋面的反照率較低,當地表溫度較高,造成冰雪融化成海洋,則地照數據便可能會下降。

透過地照反射的光線強弱,可以推測地球反照率的變化,進而推測地表本身變化。 (圖/Wikipedia

除了利用地照觀測地球反照率外,為使觀測更加精確,科學家利用於 2000 年發射的 CERES 儀器(Clouds and the Earth’s Radiant Energy System)觀測大氣至地表的太陽光輻射與地表放出之輻射,並進一步分析對影響地球溫度的重要因子──雲,和太陽輻射的交互關係。

CERES 主要希望可以解答雲在氣候變遷中所扮演的角色與造成的影響,是美國國家航空暨太空總署地球觀測系統(EOS)計畫中的一部分。 圖/Wikipedia

研究結果分析發現,從 2000 年到 2015 年,地球反照率曲線一直維持接近平坦的狀態,但近年,地球反照率的衰退卻日益明顯,如下圖表示:

(圖/參考資料 1

橫軸座標為年度,縱軸座標為地照反照率之異常改變(單位為每瓦/平方公尺),黑色為地照異常之數據,藍色為 CERES 觀測到異常之數據,而灰色陰影區域則為誤差範圍。從圖中可以看出,地照反照率在這幾年下降約 0.5 W/m2,而 CERES 之數據則是下降約 1.5 W/m2

十年一變──太平洋年季震盪

科學家推測,改變反照率的原因,是週期性發生在太平洋的氣候變化──太平洋年季震盪。

太平洋年季震盪指的為太平洋的海水溫度會以十年為週期尺度產生變化:當北太平洋和熱帶太平洋間的海水溫度較高時,稱作暖相位;而當北太平洋和熱帶太平洋間海水溫度較低時,稱作冷相位。

而地球亮度改變的原因,正是因為太平洋年季震盪到了暖相位,造成海面低雲減少,反照率降低!

低雲較為溫暖,其主要成分是由水滴組成,當太陽輻射照射水滴時,較多太陽反射至太空,地球的反照率較高,也造成地表溫度降低;而高雲主要成分由冰晶組成,透光性較佳,再加上高雲通常體積較低雲薄,故太陽輻射可以順利進入地表,地球反照率相對降低。

當北太平洋與熱帶太平洋間海水溫度升高時,洋面上空氣需達到飽和的水氣量相對增加,氣塊達到飽和條件較高,低層雲較難生成。(其實背後原因極其複雜,作者僅是以最簡單的方式嘗試解釋。)當低層雲減少時,反射率降低,造成較少太陽輻射至太空,地球亮度因此變得越來越暗。

雲在地球輻射能量中一直扮演著重要的角色,低雲反射太陽輻射的能力較強,高雲吸收地球輻射的能力較強,因此較多的低雲往往造成地表降溫,而較多的高雲則會造成地表增溫。 (圖/pixabay

交織纏繞的反饋機制

看完整篇文章也別急著下結論!其實地球上的現象不僅環環相扣,影響因素更是族繁不及備載,從海溫改變的原因、高低雲量多寡的變化、反照率升降的主因……,我們都很難用單純或是絕對的一段話去完整解釋自然界的現象。

科學家所能做到的,是透過原因推導、盡力的去解釋現象,所以關於地球反照率下降的趨勢原因,除了太平洋年季震盪、海溫升高、低雲變化等,或許也還有科學家尚未清楚的其他可能性。

但同時,令科學家擔心的事情是,因全球暖化造成地表的反照率降低,代表地表接收到的能量、進到地表之能量相對增加,而吸收的能量又加速全球暖化的速度,地球或許會因為這樣的回饋機制持續升溫,造成更加嚴重的溫室效應。如何去因應溫度上升造成的種種問題,也將會是我們需要不斷去思考問題。

參考資料

  1. AGU AdvancesEarth’s Albedo 1998–2017 as Measured From Earthshine
  2. science alert,《Two Decades of Data Show That Earth Is ‘Dimming’ as The Planet Warms Up
  3. Wikipedia,《Clouds and the Earth’s Radiant Energy System
  4. Wikipedia,《行星照

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Mia_96
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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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