2010年11月17日 星期三

天地同震 以GPS找尋地震及海嘯源頭

地震時不僅大地搖動,連大氣也會跟著振動。這是怎麼發生的?又要如何觀測?
【撰文/李名揚】
重點提要
■強烈地震造成地表大幅上下錯動,會將聲波傳到高空,使電離層跟著振動。
■GPS訊號行經電離層時,會受電離層振動影響而偏移,收集多點訊號即可標定出振動源。
■發生海嘯時,大面積海水同步上下起伏,也會將聲波傳到電離層,因此可用同樣方法鎖定海嘯的源頭。

「當大地發生如此強烈的錯動,怎麼可能不把震動傳到天上去?」中央大學太空科學研究所的劉正彥在16年前提出了這個疑問,後來他在2000年證實了電離層會跟著地層一起震動,產生「同震效應」,然而直到今年8月4日,這項研究成果才獲登於《地球物理研究期刊》(Journal of Geophysical Research, JGR)。
劉正彥還根據電離層的振動,鎖定海嘯的源頭,於2006年發表於JGR,今年9月14日的《自然》在新聞中再度提及這篇論文並大為肯定。

用GPS觀測電離層振動
電離層是地球高層大氣中的氣體分子受到太陽發出的X光和紫外光照射而解離為帶負電的電子和帶正電的離子(稱為電漿態),高度為距地表50~2000公里,一般而言以距地表250~350公里處濃度最大。
(照片提供/科學人)

劉正彥先假設地震會引起電離層振動,然後利用全球定位系統(GPS)的運作原理,設法「看到」電離層振動。GPS衛星距離地面兩萬公里,會朝地面發送電磁波,這些電磁波訊號必須穿過電離層才能到達地面。若電離層發生非常大的振動,電漿密度將隨著波動,電磁波訊號行經其中就會受影響而發生路徑偏移。從地面GPS接收器收到的訊號,可以查知訊號發生偏移的時間,也就是該條訊號路徑上電離層發生振動的時間。

劉正彥選定電漿粒子濃度最高的300公里高空,做為分析電離層振動的位置。他利用位於全台各地的13個GPS接收器,每個接收器同時接收6~7顆GPS衛星的訊號,再檢驗每一個訊號在921大地震發生後是否產生偏移,以及地震後多久產生偏移。結果他發現台灣上空的電離層在地震後果然發生振動,且得出距地面300公里這個平面上許多不同點的振動時間。

接著只要分析這些點發生振動的時間,就可以找出振動源。由於從振動源傳送聲波(空氣的振動)到其中某一點,和從這一點傳送聲波到振動源的時間是一樣的,因此只要從這些點向外發送以同樣速度擴大的圓形波,越晚振動的點要越早發出(因為距離振動源較遠),然後看這許多圓形波交會於何處,就是振動源的位置。最後劉正彥計算出振動源位於集集東北方30公里處,正是921大地震地表錯動量最大的地方。

突破理論限制的觀測結果
劉正彥解釋,當地表發生大規模上下錯動時,會帶動地表的空氣也跟著大幅上下振動,這種振動的能量會以聲波的形式向上傳遞,使高空的電離層也跟著振動。

在距地表300公里處的電離層,氣體分子密度大約只有地表的100億分之一。當地表大氣的振動傳到電離層時,根據能量守恆,空氣振動的振幅會增加,增加幅度與氣體分子密度的平方根成反比,因此電離層的電漿振幅估計為地表大氣振幅的10萬倍(100億),再考慮傳送時的遞減,因此他以1萬倍來估計。由於地表大氣振幅與地表錯動量相同,921大地震地表錯動較大處在車籠埔斷層北段,許多地方的錯動都在8公尺以上,因此他估計該處上空電離層振動幅度可達80公里。

劉正彥這項稱為「太空地震儀」的研究成果,在2000年3月得到證實,然而論文卻不被《科學》和《自然》接受。首先是地震學家質疑:電離層經常受到很多擾動,怎麼知道訊號偏移不是巧合?但是劉正彥分析,這些GPS訊號產生偏移的時間順序,正好與振動源呈現由近到遠的線性關係,也正因如此才能標定出振動源。其實地震學家也常用這種由各點發出的圓形波匯聚到一點的方法來標定振動源。

地球物理學家也有意見。理論上,中氣層頂大約距地面80~90公里處的溫度非常低,只有-105℃,加上高空噴射氣流有很大的水平風切,使得聲波無法穿過而抵達電離層。為了反駁這種說法,劉正彥找出台灣921當天的風速資料,再計算平流層、中氣層、電離層的風場、風速,發現當天高空最快風速為每秒100多公尺,而振動波傳遞的速度卻高達每秒700~900公尺,兩者相差這麼多的結果,是水平風切根本擋不住向上傳遞的振動波,就像百貨公司門口的風牆擋不住外頭車水馬龍的吵雜聲響一樣。

然而根據聲重波傳播理論(acoustic gravity wave theory),在接近地表、氣體分子密度高且溫度不高的地方,聲波的平均速度只有每秒433公尺,與劉正彥觀測並計算出來的結果不符。對於這一點他目前還無法解釋,但他強調自己的觀測結果和近年其他觀測結果互相吻合。

由於這篇論文一直被退稿或要求補資料,和劉正彥一起進行研究的中央研究院地球科學研究所研究員黃柏壽和林正洪到最後都失去耐心,甚至說「把名字拿掉,饒了我們吧!」但是劉正彥卻堅持「你們貢獻很大,一定要跟我一起戰鬥到底!」終於在10年之後,登上了地球科學界頂級的期刊JGR。他現在更知道,只要規模5.6以上的地震、且地表是上下錯動的,就一定可以觀測到同震現象(若為走向斷層的平移錯動,則不會有同震現象)。

其實在JGR終於接受這篇論文之前,為了宣示「這種研究方法是我們台灣科學家發明的」,劉正彥在2001年1月13日的中美洲聖薩爾瓦多地震後,就用這套方法定位出地表錯動最大處,並發表在中華民國地球科學學會於2006年6月出版的《地球科學集刊》(TAO),這樣如果有其他科學家學了這套方法而想搶先發表論文,他就可以拿出TAO的論文來保護相關的研究成果。

【完整內容請見《科學人》2010年第105期11月號】

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