2015年7月23日 星期四

又是暖化又是冰期?科學家你搞得我好亂啊!

最近一則新聞提到「科學家警告:太陽15年後『休眠』 地球進入小冰河期!」是不是也就代表著,我們該擔心的是地球變冷,而不是全球暖化?


當然…不是這樣的,要是科學家真的有這麼說,不用鄉民,其他科學家會先把他拖出來鞭,這只是科學現象的理解與科學用語詮釋的問題。接下來我們先從新聞文章與科學研究了解此議題。


首先是多數人會看到的新聞版本:
截圖自http://www.ettoday.net/news/20150713/534410.htm
好,這是一篇再摘錄過的報導,因為看文章的尾巴就知道文章的結論是蠻薄弱的(所謂「跟蒙德極小期相同的效應」也是語焉不詳的一句話),而下方所謂的「原文」也非研究人員或單位發布的新聞稿,而是摘自大多媒體最喜歡翻譯外電之一的「每日郵報」


這種「轉手再轉手」 新聞消息,往往就像我們玩喝水傳話一般,誤差是會隨之放大,就算是具科學背景的人士乍看這篇報導,也很難揣測原意是什麼,而實際上的研究成果應為下面這則英國皇家學會的稿件:


科學家到底怎麼說

某位對岸的網友李汀先生在新浪網的投稿中,也提到了這個研究與每日郵報報導中的落差,不過在此我們從一些太陽活動的背景先談起:

1. 太陽的「活動」是有周期性的,而所謂的活動包括了產生太陽風日冕太陽黑子等現象,簡單來說就是太陽會定時的像外突然放出高能的粒子、宇宙射線這些東西,平均來說周期是11年左右(如下圖紅線的太陽黑子個數年變化、橘線的太陽黑子個數日變化),但並不是那麼剛好的11年,有時會多1年、有時會少個1年。
近400年來的太陽黑子數目統計

2. 造成太陽運動周期變化的主要原因是磁場變化,這樣講或許有點抽像,就像是對流的概念,裡面的東西向外湧出,而外面的東西又跑到內部,而像黑子就是一些不均勻的活動…再講就太深了,先就此打住!
3. 接著回到這個研究,過去科學家已經知道了磁場、對流的影響。而今天科學家Valentina Zharkova這項研究的出發點,就在於他們認為造成太陽運動會有變動的一大主因可能就是太陽內部流體的對流可以「分成兩層」,所以他們便以此為前提來建立模型模擬,並對比到真實的觀測紀錄。
4. 要理解Zharkova的模型,我們可以想像把「兩層」的對流想像成兩個11年上下的穩定波動,有各自的週期,但它們會有疊加、相消的作用。當兩層的波動疊加時,活動就特別大,當相消時,就會特別小,而Zharkova研究團隊的模型與真實的觀測資料對比,有高達97%的準確率。
5. 以此前題我們似乎就可以拿來預測一下未來的活動…結果不得了!原來2030年太陽的活動將會減少為現在的60%,至於上次降那麼多是什麼時候呢?就是所謂的「蒙德極小期」(上圖的Maunder Minimum的區間,約在西元1645~1715年間),而那段時間也正好是「小冰期」的時間點附近(一般指的小冰期是西元1550年至1770年間,也有人認為那是明朝衰亡清朝興起的原因之一)。
科學家對於科學上用詞總是講求精準,誇大對科學家來說是個忌諱,綜合上面五點來看,只有第5點才勉強和地球將要變冷有一點點的擦邊球,但實際上科學家有以此「警告」人們嗎?沒有…為什麼不這麼說?因為那不是科學家有把握的事!即使太陽活動減少至現在的60%,我們還是不知道會降溫多少…甚至連會不會降溫都不知道呢!
所以到底是在暖化還是冰期要來?
實際上影響氣候的因子非常多,而且還非常難驗證。舉個例子來說,塞爾維亞科學家米蘭科維奇在本世紀初就提出米蘭科維奇循環,指出地球的氣候模式受到地球離心率轉軸傾角和軌道的進動的影響,但實際上我們現在知道的理論則是到1976年才確立的(見文獻[1])。除此之外,像太陽黑子、板塊運動、火山活動皆會對氣候有不同尺度的影響。你說要斬釘截鐵的說:未來幾年天氣將會怎麼樣怎麼樣的,我相信那一定不是研究大氣或古今氣候的學者會做的事,頂多說會「我們要注意朝向XXXX發展」之類的說法。
再來,從時間尺度來談,蒙德極小期和冰期的相關性還有待討論,而這個太陽活動研究所提出的精準模型預測也還是需要科學家再論證…畢竟蒙德極小期持續了數十年之久,和11年的規律尺度還是有些落差,而在過去的紀錄中,即使能看見「溫度」和「太陽黑子」的相關性,我們也可以發現差距甚至不到1度(見下圖)。像IPCC的主流科學家也認為太陽的活動影響可能不若其它的因素顯著(包括暖化也是),而一般也認為太陽活動對氣候的影響甚小(見[2])。
所以總體來說,IPCC的主流科學家們認為是在暖化是一件事,而科學家Valentina Zharkova做的研究是另一件事,這兩件事也可能同時發生,而以目前的證據與研究來說,暖化的效應和尺度似乎大一點,但真實的情況是…我們目前拿的出來的科學證據說不定還不夠用,所以現在把這些研究拿來說些駭人聽聞的事,似乎都言之過早。
那氣候變遷怎麼辦?人類要怎麼因應?至少我們人類別讓自己的影響太過頭(臭氧破洞就是個例子),起碼眼下節能減碳的目標(至少別燒那麼兇),也還算是條穩健的路。至於那些枝微末節或是高深莫測的學問,我們還是努力相信科學家幫我們找答案吧!對了,別忘了看這類的科學研究還是要保持著「科學精神」,避免斷章取義、以偏蓋全哦!
Comparison of sunspot numbers, Central England Temperatures and a basket of Northern hemisphere Temperature reconstructions compiled by IPCC
By
MichaelLockwood 
參考文獻
[1] Hays, J.D., Imbrie, J., Shackleton, N.J., 1976, Variations in the Earth's Orbit: Pacemaker of the Ice Ages. Science, 194 (4270): 1121–1132.
延伸閱讀



2015年4月22日 星期三

感謝終於有人關心到地震成因



關於4/20花蓮外海的地震,還有很多更重要、值得關心的事啊!譬如從台北盆地的放大效應,探討台北還有多少建物不符合耐震標準?也沒有人討論已經斷了半年以上的海纜地震站,因為它是離震央很近的測站啊!少了一個站,我們也少了一次機會看看多一個海底測站對地震預警的幫助。而關於斷了線的海纜,也是幾天前就聊過的事,在此就不細談,我們就著重在目前多數關注焦點:地震的成因。

先簡單的提一下,地表的侵蝕作用可能會刺激地震發生這篇文章和土壤鬆軟導致地震發生兩件事是毫無關聯的,更不用說前者可以證實後者有可能,當你若知道地震發生的機制就會明白這當中的差異。而實際上還有很多迷思是大家沒注意到,譬如斷層、地震、板塊、地殼這些看似基本,卻只認識字而不知其內涵的東西。

關於地震成因,很少人知道來龍去脈
地震真正的成因,是還未完全明瞭的,如果知道的話,那我們等同於可以「預測地震」(勿斷章取義,還有下文)。至於地震發生的「機制」,卻早有科學家從野外觀察、實驗、論證等各種嚴謹的科學方法提出理論:彈性回跳理論,簡單來說就是岩石受力產生破裂會產生錯動,形成斷層,破裂過程中釋放出的彈性波,就是我們感受到的地震。彈性回跳理論是美國地質學者李德(Harry Fielding Reid)在研究1906年舊金山大地震時提出,此時科學家連板塊是什麼都還不知道(韋格納在書中整合大陸漂移說也是1911年的事了)板塊學說則是經過了數十年的發展修正的學說,從大陸漂移、海底擴張、地震分布三種獨立的觀測結果,加上不斷的修正一些小錯誤,而成為現在熟知且中學教科書也常見的理論,而此理論正好可以解釋大多數因岩石受力破裂而發生的地震。

關於彈性回跳理論解釋斷層錯動機制,以平移斷層為例


到底有什麼因素會與地震成因有關?
好,至於為什麼岩石會受力的「原因」,包括很多的「因素」,像是板塊運動、地表侵蝕、岩漿活動……它是有像A+B+C+D+E….這麼多的因素,但科學家僅能分開來探討分析關聯,而每一個因素扮演的角色和尺度都不同,而板塊運動的部分可以特別拿出來提,是因為它的作用的時間、空間、提供的作用力等尺度都是最大的,自然也成為「最主要的原因」。



用打電動來比喻,地震的能量累積就很像是電玩角色的仇恨值,一旦仇恨值滿了,就可以放大絕(地震),但多了一些因數要考量,譬如侵蝕可能會稍稍加速,當然也有一些是會加速特快的情況(譬如附近有發生某些大地震),所以大絕要放(地震發生)的確切時間就有可能受一堆參數影響~~所以接下來我們來談某些這次提到的「外在因素」。


那麼新聞上說水庫、侵蝕、頁岩氣會誘發地震是為什麼?
這個問題的解答十分複雜,但可以訴諸科學,只是很難很難講的容易,因為我有嘗試卻失敗了。但現在還是要把這件事拿出來說…就是「庫崙破壞定律」和Byerlee’s law,前者會利用下圖的方式來詮釋岩石受力的情況,我們把岩石受力行為畫成下圖裡的半圓(這張圖是非常、非常、非常簡化的示意,其實還要包括岩石在三軸受力的情況,請自己google一下Mohr Circle Faliure,很多岩石或材料力學都會講的比我的細又精準)。簡單來說當那個半圓越大,也就是正向和剪向力(參考下圖的第二部分)都變大時,一旦碰到紅色那條包絡線,岩體就會破壞,同時依尺度不同會釋放不同規模的地震波,這是用工程上物理、數學的方式來說明「斷層的破壞」。而會讓那個半圓改變大小或位置的因素,包括了孔隙水壓(就是岩石或土壤裡的空隙塞滿水後還產生了壓力)、上方的荷重以及水平的力量;而包絡線的斜率代表了斷層強度,當強度越弱時就越接近水平,就會呈現很少有地震但穩定的在滑動的現象。包絡線和X軸的截距,則是岩體的內聚力,當岩石越強,包絡線也會上移,越弱則向下移動。
如果您看不懂以上那一段也無妨,簡單來說任何對於地震力學的參數研究,無論是侵蝕、水庫、頁岩等等,都要去推估該參數對於岩體破壞的影響。以台灣的case來看,最主要的受力都是長期的板塊作用力,這個力量是穩定不變的,會變的就是其它外在因素,像是侵蝕旺盛就會減少上覆岩體的重力,但前提是「長期」的作用力下才會讓它的效果顯著,也就是數百年甚至更久的尺度,不是今天你雨突然下大了之後它就馬上發生地震了。反而水庫突然的蓄水所增加的應力還比較大,但是!也不是說蓋水庫就會有地震,而是得考量到當地的岩石性質和有無既有的斷層,因此建壩前,要先作地質評估,而建壩後也需要不斷的監測其誘發地震的特性。


所以,到底是颱風、大雨、侵蝕「 引發」地震,還是板塊作用?
因此,寫這篇文章的用意,在於簡單的說明「數量級」和「尺度」上的問題,有時我們容易被簡化報導給誤導方向,以颱風與慢地震的研究來說,如果看一下真正的慢地震的定義,其實會發現它的釋放能量方式、地點與我們熟知地震發生的位置差很多,至於「慢地震會減少大地震發生機會」,又是另一個對科學研究的誤解,以
劉啟清老師的研究來說,它的重點在說「因為發現了慢地震的現象,所以解答了我們原先對當地板塊運動與斷層之間能量累積計算差異的原因,所以讓我們對於當地發生大地震的疑慮減低。」對我來說這樣的誤解就有如之前常聽到的「常發生小地震,就不易發生大地震」的誤會,因為小地震和大地震的能量等級差很多,不是說小的地震多就一定不會發生大的地震,只是長期小地震也必須是加入計算。
關於隱沒作用地區的慢滑移(慢地震)易發生位置示意,為圖中綠色部分,而紅色則為多數脆性變形產生的地震好發處。圖片來源


地質時間的尺度很難想像,上百年累積的作用力在一瞬間全部釋放,本來對人類來說就是很難理解的事,但大自然就是要花很多時間、心力去相處的事。好在我們的科學前輩也已建立基礎,只是另外要提醒一件事:站在巨人肩膀上看世界時,你也得確認你站的是正牌的巨人肩膀。講白一點就是:要先有科學精神、要先懂得立論基礎!


延伸閱讀與參考文獻
關於彈性回跳理論的細節數位典藏學習

關於地震機制的paper
Scholz, C. H. The Mechanics of Earthquakes and Faulting 439New York: Cambridge University Press, (1990).

關於彈性回跳理論的paper
Reid, H.F., The Mechanics of the Earthquake, The California Earthquake of April 18, 1906, Report of the State Investigation Commission, Vol.2, Carnegie Institution of Washington, Washington, D.C. 1910