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聖母峰究竟有多高?——《聖母峰》

PanSci_96
・2015/11/20 ・1568字 ・閱讀時間約 3 分鐘

19世紀上半葉,在印度溼熱的平原上展開了史上最具野心的科學事業之一。英國探險家1808年開始進行印度大三角測量計畫。除了勘測遼闊的印度次大陸之外,他們更懷抱雄心壯志,要判定地球的確切形狀。儘管早在1700年代中期,兩次法國進行的測量計畫就已經測定出地球的形狀,不過精確的赤道隆起率和極地扁平率仍然成謎。英國的印度測量計畫耗時大半世紀,成員也是全帝國最厲害的數學家。領導這項浩大工程的是測量師和數學家威廉‧蘭姆頓(William Lambton),這位英國軍官早先曾在北美洲進行勘測任務,累積了大量經驗。當時的測量器材又大又重,由標準鏈、標尺和巨大的經緯儀組成。在瘧疾、滂沱的季風雨和猛虎的侵擾之下,英國測量人員和印度雇工飽受折磨,但仍不懈地繼續勘測下去。

聖母峰,PanSci
為了瞭解這座山究竟有多高,測量人員吃了許多苦。Source: wiki/ Luca Galuzzi

1847年,大三角測量計畫終於進行到喜馬拉雅山最南邊的山腳。由於無法進入尼泊爾王國,測量人員被迫留在尼泊爾南邊的帶狀地區塔萊(Tarai),從160多公里外勘測喜馬拉雅山脈各大高峰。1847年秋天,季風季過後,總測量師安德魯‧沃(Andrew Waugh)在喜馬拉雅山東端附近,從大吉嶺丘陵下方的孫納古達(Sonakhoda),量測遠方「白雪皚皚的山峰」。有一座山頭矗立在群峰之上,就是現在大家所知的干城章嘉峰(Kangchenjunga),海拔8586公尺,是世界第三高峰。沃幾年之後才公布這項測量結果,其中一個原因是他們發現尼泊爾和西藏邊界還有另一座高山。他們以希臘字母γ稱呼這座遙遠的巨峰。

差不多同一時間,1847年11月,助理測量員約翰‧阿姆斯壯(John Armstrong)也從比較西邊的位置,把測量儀器對準γ。阿姆斯壯為這座山取名為「b」,高度初估為8778公尺。沃不確定「γ-b」高度計算結果的可信度,決定等進一步測量,重新計算數據後再公布結果。之後兩年間,沃又派出兩名測量員前往塔萊,進行更多觀察和測量,但在雲霧和距離的阻礙下,他們還是沒能取得更多資料。

經過多次嘗試,詹姆斯‧尼克遜(James Nicolson)在1849年從多個觀測站測量這座神祕山峰,距離比前人都要近,終於取得數筆垂直角和水平角資料。他的初步計算結果顯示,這座山高約9205公尺。但尼克遜當時沒有考慮到光折射的問題;這項因素可能讓高度計算結果出現顯著誤差。

光的折射,PanSci
對於聖母峰高度的初期量測,因為沒有考慮折射,產生了誤差。Source: wiki/ Delamaran

之後又過了幾年。當時沃手下的「首席計算機」是孟加拉裔的天才數學家,名叫拉德納‧希達(Radhanath Sikdar),他很可能是第一位成功判定γ-b正確高度的人。1856年3月,沃終於正式公布測量結果。報告文件共有14段,其中第五段寫道:「過去幾年我們已經發現,迄今在印度的所有測量結果中,這座山比其他山都要高,極有可能就是世界最高峰。」他把這座山命名為「埃弗勒斯峰」,或稱「喜馬拉雅山第15號峰」,座標位置27°59’16.7”N,86°58’5.9”E,並公布聖母峰的高度為8840公尺。

英國測量員若是知道當地人如何稱呼山峰,通常會偏好用原名來為喜馬拉雅山脈的群峰命名。但因為尼泊爾不對外國人開放,沃無從得知當地名稱。於是,他以前任總測量師喬治‧埃弗勒斯爵士(Sir George Everest,他們家族讀作「伊弗勒斯」)的姓氏為這座山命名。埃弗勒斯爵士本人並不認同這個命名方式,但皇家地理學會(Royal Geographic Society)還是在倫敦批准了這個名稱。發現地球第一高峰的消息也很快在世界各地傳開。

聖母峰,PanSci

本文摘自《聖母峰》,由大石國際文化 出版。

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關鍵時刻能救命,與時間賽跑的地震預警系統發展史

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2021/09/23 ・2852字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部氣象局 委託,泛科學企劃執行。

位處在歐亞板塊和菲律賓海板塊交界 ,臺灣每天都有許多地震發生,可以說是生活的日常。每隔數月或數年就會發生的中大型地震,更是災防安全的一大威脅。

最近幾年,在有感地震發生後、地震波來襲之前,你的手機很有可能會收到下面的訊息:

國家級警報

[地震速報 Quake Alert] MM/DD HH:MM 左右 ○○ 地區發生 ○ 型有感地震,慎防強烈搖晃,氣象局。Beware of probable shaking. CWB

資料來源/地震測報中心

這個能夠在地震波來襲前出現的「災防告警訊息」,全稱為「災防告警細胞廣播訊息」,是利用「災防告警系統(Public Warning System,PWS)」及「細胞廣播服務(Cell Broadcast Service,CBS)」發布地震速報。

災防告警訊息提供的地震速報,雖然在盲區外的多數時候,能比地震的搖晃感來臨前再快一點點讓我們收到,但它並不是地震預測,而是「地震預警」。中央氣象局利用遍布全臺的高密度地震測站收集地動資料,在地震發生時,藉由震央附近地震站的訊號,即時解算地震資訊並迅速發出預警。

地震預警的主要功能,是在地震發生後數秒內,演算出預估地震的基本參數,包括預估震源位置深度、強度,並推估受影響地區將遭遇的震度與震波抵達時間,爭取在破壞性震波抵達之前,對可能發生災損的區域提出警示。

可別小看這短短幾秒鐘的警示,足以左右生死、讓人員離開危險的位置尋求掩護,停下精密的作業(如工業廠房或醫院),也能讓高速運行的交通運輸系統自動減速或停駛,大幅減少中大型地震可能造成的災害,保障人民生命與財產的安全。

地震預警系統的原理

這幾秒鐘珍貴的預警時間,是多年來地震預警技術及通訊設備精進的心血結晶,以電波與地震波「賽跑」搶出來的。

每次地震發生後,能量會以「地震波」的形式從震源開始往外傳播。科學家大致將地震波分成分別為 P 波S 波P 波傳播的速度較快,也是地震測站最早收到的訊號;S 波速度較慢,但為地震破壞力的主要來源,而地震預警系統便是根據這兩者計算出地震的各種參數。

在得到最初預估的地震參數之後,地震預警系統會推估各地的震度,如果達到預設門檻,就會自動發布,利用電波將地震預警訊息傳送到可能致災的區域,以利當地防災應變。舉例來說,模擬顯示 1999 年發生的 921 集集大地震,以現今的地震預警科技,北可有 31-35 秒的預警時間,可大幅減少人員傷亡。

不過,地震預警系統畢竟得在收到地震波資料後才能進行運算,過往的預警系統對於鄰近震央 40 公里內的區域幾乎趕不及預警,這個區域就被稱為「盲區」。盲區是強震即時警報無法避免的科學限制,但靠近震央的區域又是震度最強、災害最嚴重的區域,如何將地震速報的盲區最小化,也將是未來相關技術發展的目標。

地震預警發布的管道與門檻

除了藉由手機發送災防告警訊息,地震速報還有好幾個重要的通訊管道。自 2014 年起,中央氣象局即開發傳訊軟體,在預估地震規模達到 4.5 以上、預估震度達 3 級以上時,直接透過既有網路及通訊系統,將強震即時警報傳送至公務部門、公共設施、醫院、學校單位。舉例來說,學校單位如收到警報,將自動串連廣播或跑馬燈,第一時間向師生宣布警訊。

除了公部門,中央氣象局還積極推動「地震資訊傳遞服務契約」,將社會服務量能發揮最大化,透過專線 IP-VPN 與警報傳遞單位(電信公司及大眾媒體)進行連線,在各個媒體渠道轉發地震速報,而這個部分還可以由合作單位依需求自行設定「需要通知的震度門檻」。

自 2016 年 8 月起,中央氣象局即與電視台合作,當預估地震規模達 5.0 以上,且預估震度達 3 級以上時發布蓋台訊息。這些不同的訊息傳遞機制,希望達成的目的是相同的:將地震預警的資訊,在最短的時間內,傳達到會受影響的人手上。[註1]

而近年來,能夠在地震發生的 10 秒內就發出地震預警,完全是地震觀測網加上資訊、通訊技術,多年來持續累積發展的成果。

臺灣的地震預警系統

1999 年 的 921 大地震,當時中央氣象局在 102 秒內發出地震速報,速度已經令當時全球地震觀測相關單位感到驚訝,但仍緩不濟急,預警效果十分有限。

事實上,中央氣象局在 90 年代初期已開始發展「強地動觀測網」,自 1992 到 2021 年,每期五年、共五期的長期前瞻計畫,從第一期建置「都會區強地動觀測網」,主要廣泛收集台灣各地的強震資料,並提供給工程與防災研究團隊研擬修正建築物耐震設計規範。後續的延續性計畫中,逐步建置地震速報系統、發展強震即時警報系統,其後並持續建置海底地震儀與深井地震監測站,優化地震海嘯監測。

近期重點放在提升觀測的資料品質、增進系統功能、基礎資料的累積,並且拓展地震預警系統在防災的運用。中央氣象局自 2012 年起啟用 24 位元地震觀測系統,整合過往各個獨立的觀測網,包括短週期、地震速報、寬頻、井下地震觀測網及全球即時地震觀測資料,使地震測報進入聯合觀測的時代。

自 2020 年 4 月 6 日起,地震預警的發佈時間已經縮短至 10 秒內,地震盲區也縮小至震央 30 公里以內,中央氣象局地震測報中心更宣告推動「都會區強震預警精進計畫」,要在四年內將都會區的地震預警發佈縮短到  7  秒以內,長期規劃更是希望藉由大數據統計,將時間再縮短到 5 秒內。

事實上,臺灣自行開發的地震預警系統已是全球前段班,未來也將持續運轉,日夜守望每次臺灣的地牛翻身!

參考文獻

註解

  1. 地震預警發布的門檻會依需求與情況做調整,此處以撰文時間為主。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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