2016年5月31日 星期二

無論有沒有收到地震速報簡訊,都該想想:多十秒能做什麼?



盼了多年,今(2016)年終於盼到了地震速報(強震即時警報)簡訊的影子!雖然技術上我們早有地震預警(Earthquake Early Warning,指的是地震發生後提前預先警告)的能力,但這最後這一哩路我們走的真久…在512日發布時,突顯了通訊端仍然不穩定,而當5月31日北臺灣海域發生規模7.2的地震,仍有許多用戶沒有收到訊息。說起來系統要真正要到「好用」,這條路還沒走到明朗處。不過比起數年前只能大聲疾呼「我們並沒有做的比較差」,至少現在有機會能夠實踐,至於為何拖了這麼久、系統問題在哪,雖然並非此文要討論的重點,但我們可以就目前已知的情報,簡單思考一些問題:



1.早期預警是利用較少的資訊、較短的時間解算地震波,準確程度一定不如之後的地震報告,若因誤差而造成防災策略錯誤,責任歸屬如何算?或是又該如何調整時效和準確度的平衡?

今年5月31日北臺灣外海地震的地震速報通知簡訊截圖,不知道為何有寫「總統提示」?
2.5/12的簡訊發布狀況可知,扣除重覆發送的之外,還是有人該收到沒收到簡訊、有人則是晚收到(和訊息倒數秒數)簡訊。要如何盡可能的減少這樣的問題?

雖然不能因為上述問題而因噎廢食,但跨入了地震預警的新頁後,隨之而來的問題也會逐漸浮現。上面提到的問題偏向政策與技術,那面對於民眾而言,新的問題和挑戰是什麼呢?



「多那十秒有差嗎?」
「恐怕連跑出門都來不及吧?」
「上FB發文剛好?」

雖然好像是些玩笑話,但不可諱言的,「假如有10秒因應即使到來的震波,我們該怎麼做?」的情境下,我們似乎很難給定一個SOP,應該說真正要「可用的」SOP,會非常的複雜…舉個例子來說好了,當剩下10秒時,我們在浴室、辦公室、臥室、廚房都會有不同的反應,最好的臨機應變,應該是「因地制宜」,或許這句話聽起來就像句廢話,但這就像任何無法預料的災難突然降臨時,我們該做的事。

遇到預料之外的災難時,人的心理狀態和身體反應
包括我自己,很多過往撰文論述地震預警的成效時,經常提及捷運、火車、高鐵、醫院、工廠等可利用自動化的方式,在收到預警的當下作出處置,像是列車減速、手術與工廠作業暫停等措施。然而對於大眾因應預警的策略,除了一些老生常談的概念,也少有更多的著墨。防災必須考量人性,而人性當然就必須從心理的角度切入,John Leach2004年的一篇研究指出,針對許多災難案例分析,發現人們在遇到突發的災難當下,會有幾種不同的反應,根據他的個案分析結果可以分成三類:

1.不知所措的恐慌,伴隨如尖叫、亂逃等適得其反的行為。約佔10~15%
2.恐懼災害但沒有即刻辦法執行任何動作。與上述恐慌的不同點在於,是還有行動力,但仍處於正在了解情況、思考解決的方式等狀態下。約佔75%上下。
3.仍然保持冷靜、並有辦法即時做下一步的處理。約佔10~15%

也就是遇到災難時,除了會有戰或逃(fight or flight)兩種一般認為的策略,還有「凍結」(freeze)的行為,而這種情況通常都是在思考「我該怎麼做」,假如是較簡單的狀況(可能只有一條路可逃、可能只想到一個處理方法)時,大約花上1~2秒鐘,而如果是情況較為複雜,需要花時間了解狀況並思考可能策略,就要花上8~10秒的時間。

收到地震預警時和沒收到的差異
所以我們如果把地震的情境套用在上述分類上的話,當大地震發生時,除了本來就冷靜又加上有良好防震習慣的少數人之外,我們幾乎是沒什麼時間可以逃生的。但假如有收到預警的簡訊,多了5~10秒呢?如果多數的人在遇到地震時,就像上述 Leach 文章中指出的處於「凍結」狀態,那麼多出的時間,就可能幫助他多些時間可以反應。也就是說,地震預警最大的功能是在於提升這種臨災時的心理應對,若是真實遇上,理論上有一定時間的準備一定優於毫無準備。

以日本為例,可能大家看到的都是311震後的實際成效,然而這也是由於2007年開始有緊急地震速報後,經過多年的改進、防災宣導、產業應用等措施而達到的成效,雖然還是有無法挽回的性命,但仍有許多人因此躲過災害,當然也減少了災後的混亂、恐慌的情況。至於要反觀臺灣之前,我們先看看我們和日本面臨的地震威脅差異,再來討論該怎麼做才好。
地震預警技術簡介


地震預警該搭配的防災思維
因為臺灣的地構造和日本還是有差異,主要都會區離多數的孕震帶都非常近,很容易出現地震預警的「盲區」,所以在相同的技術架構下,我們不若日本常有20秒上的預警時間,能有十幾秒就很了不起了!也就是說我們面臨的挑戰不再是時間能否再縮短,而是「時間就這麼短,該做什麼才最有效?」

一樣我們再回想上述遇到災害時會發生「凍結」不動的狀態,以此為出發點,所謂的防災演練、預防措施就能在此發揮功效,甚至配套如學校、百貨、捷運的廣播系統與疏散方式,都是幫助人們盡早找到應對逃生的策略。先不管學校防震演練規畫的方式好不好,這都是一件很嚴謹且重要的事,如果策略能讓我們處於「凍結」狀態的時間從8~10秒縮減成1~2秒,那麼地震預警在此就可以真正發揮效用。

2016 年 5 月 31 日地震過後,新北市
立三重高中學生疏散情形。圖/三重
高中教師徐承義。
有些時候的防災做為,是可以多重應用的,像是最基本的,我們本來就該了解公共空間的火災逃生動線。在主要的地震波過後或是時間夠充裕時,就能利用動線逃生,如果僅僅數秒無法逃出,反而就需要注意門窗或掉落物的位置。最近這起地震發生時筆者正在辦公室,第一時間反應的也是頭上的輕鋼架天花板,故簡訊響起後(此時也正好感受到P波振動)我也準備好要到桌下預備,當然如果沒有桌子呢?

總是有隨身的包包吧?或是最臨近的柱子、矮家具,甚至你的雙臂(手傷總比頭破好吧?),若能平時就將這樣的反應「輸入」腦袋,自然我們就會有多餘的時間「求生」,同樣的無論是政府或與公共相關的產業設施,也該正視臺灣面臨地震的問題,不是只有樓倒了才叫災害,樓倒屋塌最大原因還是老舊和設計問題,屬於長期的規畫,而臨震的應變,卻是一種需要先深植心中的策略。


真正該全面啟動的防災思維
以往我們很習慣的去依賴政府,而政府也常會去回應人民的需求,無論是災後重建,或是預防措施,皆挹注了大量的資源在其中,但在最後那段「深植心中」的宣導規畫,卻沒有足夠的傳播,這點不光政府,任何的媒體,乃至筆者做的都還遠遠不及?以下是一篇八八風災後針對災區居民防災觀念的調查報告:
居民在88風災災後的觀點整理節錄。摘自陳永森(2014),極端氣候影響下潛在災害區居民環境識覺、調適行為之研究-以八八水災後屏東縣林邊鄉與佳冬鄉為例。


可以看出,民眾的防災意識雖提升,知道未來仍會有災害,但民眾與政府都期待著「建設」對防災的幫助,而非主動的去學習防災作為,同樣的,多數的政策執行雖然同樣包括建設和防災宣導,但宣導的成效顯然遠遠不及興建設施。故對此筆者的看法是:我們就是講到爛掉,也非得想盡辦法去做,無論從網路、媒體、學校都得花費更多的心力投注。多說、多做、從小教、學到老…總是要殺出一條生路,求自己的生,也救別人的命。

參考文獻延伸閱讀:

陳永森(2014),極端氣候影響下潛在災害區居民環境識覺、調適行為之研究-以八八水災後屏東縣林邊鄉與佳冬鄉為例。環境與世界,第二十八至二十九期,25~53頁:國立高雄師範大學地理學系。

2016年4月22日 星期五

實驗室裡的巍峨:淺談板塊構造模型的砂箱實驗(第5屆人與自然--科普寫作桂冠獎佳作)


(本文為阿樹在第5屆人與自然--科普寫作桂冠獎佳作的投稿文章)

砂箱,或許大部分的人對於這個詞彙十分陌生,但它卻是地質學家研究板塊構造的研究利器之一;有趣的是,放在實驗室裡的砂箱,尺寸不過幾百公分,但板塊的作用卻動輒數百公里。試著想像一下,數百公里、千萬年的地質作用,就這麼被放進了實驗室中,到底是透過怎麼樣的機制和理論呢?


實驗室裡的造山運動


某天,正在和一群小朋友們討論「板塊運動」。
我:「大家知不知道,為什麼台灣會有這麼多高山、又為什麼常常發生地震呢?」
「因為『板撞』。」小朋友齊聲答道。
我:「那又是什麼板塊和什麼板塊碰撞呢?」
小朋友再度齊聲回答:「菲律賓海板塊和歐亞大陸板塊。」
我:「沒錯!小朋友都好聰明喔!」
接著我再問:「那我們腳下的板塊啊,為什麼我們感覺不到它在動?但是板塊相撞這麼厲害,可以抬起這麼高的山、還會產生可怕的地震呢?」
氣氛瞬間轉為靜悄悄的思考,不過沒一會兒,討論變得比剛才更加熱絡,「對啊!沒有在動。」「我覺得有在動啊!」「我媽媽說只有地震時才動!」「要推很久!」
看起來,對於小朋友們來說,板塊活動的確是一種想像的理論,而事實上,對任何人而言,板塊的運動,是不可能感受得到的。所謂板塊正在移動的「證據」,我們總是透過衛星定位、測量等科學研究得到的「數據」,並非親眼所見。
        在討論板塊運動前,先來看看螞蟻。牠們很小,是吧?但牠們其實是超級運動員,背負著比自己重好幾倍的食物,走起路來卻健步如飛,這樣的能力,是多數人類做不到的。除了生物學家、物理學家會分析「尺度[1]」的因素,地球科學家更是如此。在岩石的眼中,板塊運動就是岩石自己在「走路」,而全世界大大小小的板塊,運動的方向各異,速度也不盡相同。大家都知道,地球是圓的,板塊們各自走著走著,彼此之間有時互相碰撞、有時互相分離,或者擦身而過,當它們碰在一起時,往往會形成高山、海溝、發生地震;而當它們互相分離時,可能會看到裂谷、或者是寬廣的海盆;擦身而過看似沒什麼大不了的,但摩擦久了,偶爾也會產生地震!
        至於何謂「實驗室裡的造山」呢?圖一的照片,就是利用長約1.5公尺砂箱的模擬結果,圖中一層層彩色的東西就是設定為原來在海底的沉積物地層,透過裝置讓底部向左移動。每張照片右上角標示的移動量,代表著板塊相對移動的累積數值,可以看到沉積物慢慢的被抬起來,前方開始不斷形成新的「斷層」,譬如33公分至43公分時,變形物質被抬得越來越高。這代表斷層除了發生地震,
也同時帶動山脈向上抬升。不知眾看倌是否開始懷疑,這麼簡單的實驗,能代表造山運動的過程,開什麼玩笑?各位先別急!聽我細細說來吧。
圖一:觀察實驗中連續的相片,我們可以看到砂子層層地向上堆疊,可以發現,最初左側較最低的地方,逐漸被抬得越來越高,而被抬起來的範圍越來越大,以1公分等同1公里真實世界的比例來推算,可以發現被抬起來的高度,起碼有好幾公里,被抬起來的範圍,也有好幾十公里,這不正好和自然界大部分的造山運動的尺度接近嗎?


砂箱,砂箱,為什麼用「砂」呢?  

上述建立的模型,由於僅止於物理現象的描述,故叫做「物理模型」。而模型的材料經常用砂,又叫「砂箱模型」。砂的神奇之處,在於它物理性質和岩石有一定的相似性,別看砂鬆鬆散散的,看似與堅硬的石頭天差地遠,當它受到應力作用時,破壞的條件和岩石一樣都是遵循「莫爾庫侖破壞準則」(請見附錄:學習加油站)。科學家在考慮如何把自然界尺度縮小時,同時看中了砂的特性,並透過簡化某些參數來設計實驗。經過分析得到的縮尺比例,大約是自然界的1公里,在模型中就變成了1公分。以台灣附近為例,板塊碰撞影響的範圍約數百公里左右,這樣只要數百公分的尺寸,就可以建立起實驗模型;至於板塊聚合的動力來源,可以將底部設計成輸送帶,或者是利用一塊板子像堆土機一般推著砂(圖二與圖三),這樣一來,板塊作用、造山運動,就被「縮」進實驗室裡來啦!
        看了以上介紹,您或許又想問問筆者,到底是哪些參數經過了「簡化」呢?話說自然界的複雜性如此之高,在砂箱之中,若要把它變得跟實際狀況一模一樣,是完全不可能的事。譬如說岩層中的幾公分的裂隙、數十公分的岩性變化等等,若依比例縮小,則會縮小至數微米,幾乎不可能設計到實驗裡。因此許多砂箱研究僅僅利用不同性質的砂來模擬不同的板塊成份而已,另外像是隨著深度增加的地溫梯度、變質作用,甚至牽扯到化學反應,也很難找到適合的設備來呈現,僅能利用不同的材料來進行實驗研究。
圖二,為兩種型式的砂箱側面示意圖。底拖式(A)與背推式(B)的砂箱,皆能達到同樣的效果,有時也會依不同實驗目的來設計。

圖三,砂箱實驗器材的立體配置圖,除了可以探討地形演化,利用透明的玻璃側板就能觀察不同深度的變化。



小小的「配角」,也有其不可或缺的存在感
        地質學之父赫登(James Hutton)曾經說過,現在是通往過去的鑰匙(The present is the key to the past)。透過閱讀岩石留下來的古老訊息,加上研究現在的地球,地質學家翻譯了岩石的語言,知道板塊碰撞如何把岩石從海底一路拱上雲霄。似乎,岩石已經把「山脈的故事」告訴大家了,再回頭看看砂箱,這種透過簡化後仍有一些限制的方法,還有必要使用嗎?
        然而,地底下的岩石,並不是完整有條理的編年史。地球形成至今已有46億年,許多的記錄仍然不盡完整,山川可能曾經是古海,古海也許過去是荒漠,地表的地質紀錄經常有缺失。地下的物質若要直接探究,目前只能用鑽井的方式,彷彿以管窺天,知道的仍然只是片段,使得「故事」的完整性,仍稍嫌不足。不過,無論是實驗模擬、電腦數值模擬,可以將片段故事情節加以拼湊,加上符合科學根據的想像,對整個造山作用的演化歷史提供一些參考。

實驗結果大解密
        回過頭來,再來看看一開始的實驗結果(圖一),既然這樣的結果,是經由簡化過的模型、加上模擬的過程並沒有自然界的實際驗證,那我們又要如何「解讀」它呢?首先我們可以從「相似性」來著手,自然界存在著許多的相似性,我們把實驗從幾百公里變成幾百公分,乃建立在相似性的法則之上;接著從觀察實驗結果與現今觀測的狀態是否有一定的相似程度,回推我們當初建置模型的時候是否有問題。問題可能是參數過度簡化、可能是觀察的資料過少,經由反覆的測試分析,可以漸漸找到問題的癥結所在。所以即使這個方法,不一定能準確的告訴我們,山脈是「何時」長到「多高」,但卻能讓我們更加能注意到,山脈在成長過程中,是如何發展到現在的高度,山的背後,又有多少的「深度」埋藏其中。
        但接下來我們繼續探究,是不是因為相似性法則,實驗中的細微變化,就變得不重要了呢?這也是科學家積極探討的現象,雖然實驗經過了簡化,但畢竟其中成千上萬顆砂粒,每顆砂粒間的作用或許藏有不可或缺的重要性。以此為出發點,除了觀察板塊碰撞的大尺度演化過程,隨著科技進步,我們還能夠運用連續攝影相片進行分析,更清楚的知道實驗過程中的變形「集中」在哪裡(圖四),可想而之變形最集中的地方,就是所謂的「斷層」,也是地震經常會發生的地方。
圖四:利用連續影像進行微小的分析,可以偵測出微小的變形集中區(紅色及藍色部分),對於斷層帶的發育和相關研究十分有幫助。


 

砂箱實驗裡的台灣
        台灣之所以山脈高聳、地震頻繁,主要就是受到兩個板塊相互碰撞擠壓造成的,地質學家們也利用砂箱實驗的模擬結果,探討了台灣的形成和演化過程,以及不同地區的作用。由圖五B的實驗結果,推論出了上方圖五A的構造,再以其他的學者用各種不同的地質證據所建立的台灣地質剖面相對照,可以得到極為相似的結果。透過實驗過程的完整記錄,每一個構造的歷史,彷彿記錄片一般,呈現在影像之上,幫助學者解讀片段的地質記錄。隨著許多科學家的努力,實驗技術日新月異、佐證資料如雨後春筍般一一浮現,幫助我們鑑古知今。看著高聳的巍峨,仰之彌高,鑽之彌堅,山脈的故事十分深奧,往往難以一語而敝之,或許真理看似遙不可及,唯有透過更多學者用不同的方式努力鑽研探究,方能逐漸接近。
圖五:A的台灣地區主要造山帶的地質剖面,而其為透過砂箱實驗的結果B圖推論而出。大家熟知的中央山脈地質的岩層為十分古老的地層,經由實驗分析,這些古老的岩層是經過底部滑脫面下方和上覆的物質同時推擠,只得向上抬起,而地表劇烈的侵蝕作用,經年累月的把上面的地層給侵蝕掉,古老的岩層於是重見天日。





[1]看待事物的標準,可以用在時間或空間上,例如地質的時間,大尺度可以到達百萬年(造山運動、板塊漂移),小尺度例如數小時至數天(地震、山崩、土石流),而空間上,造山運動為大尺度,而礦物的結晶和變形,則是顯微鏡下的小尺度。

附錄:學習加油站

莫爾庫侖破壞準則
當岩石受力到一定的程度變會產生破裂,而當作用力持續進行時,則會沿著破裂面滑動(上圖),在自然界裡頭,這就是大家所熟知的「斷層」。岩石可能受到來自不同方向的力量,但當岩石最大的受力方向如同黑色大箭頭的方向時(白色小箭頭與之垂直,代表的是最小的受力方向),內部就如下圖的示意,同時有正向力和剪應力的作用,而且不同的岩石各自都有特定的交角和破裂的極限值(上圖紅色包絡線的斜率),而作用力在圖A的上方深色半圓的範圍時,岩石並不會破裂,但作用力達到淺色半圓以上時,則會發生破壞;砂岩的內摩擦角通常約為35度,砂箱實驗的砂體則為30度左右,且幾乎沒有內聚力(截距接近0)。科學家利用這樣的定律,可以互相印證斷層破裂的狀態、斷層的傾角等資訊,在砂箱實驗中同樣也以此分析力學行為。
  



本文配圖出處索引
圖一:潘昌志,2009,以砂箱實驗探討增積岩體的前緣增積作用,國立台灣大學碩士論文。(筆者論文)
圖二:筆者繪製。
圖三:筆者繪製。
圖四:筆者論文。
圖五:修改自Jacques Malavieille, 2010, Impact of erosion, sedimentation, and structural heritage on the structure and kinematics of orogenic wedges: Analog models and case studies. GSA Today, Vol20, issue1.
附錄:筆者繪製。