【國語日報專區】地震專題：聆聽地下的聲音－地震儀

地震波除了會使地表晃動，還會在地底下穿來穿去，科學家也藉著穿過地球的地震波認識了地球的構造。但是，這些研究都需要一樣非常重要的工具：地震儀，那麼地震儀是怎麼幫我們把地震波記下來的呢？

日常生活常見的「慣性」作用

搭車時，如果車子突然間緊急煞車，坐在車上的我們會發現自己會有要向前飛出去的感覺；停住的車子忽然間快速開動，我們也會覺得有種向後的力量拉著自己。這種向前、向後的感覺，都是生活中常見的「慣性作用」。而地震波傳到我們腳下時，也正是我們的身體原本不動，而震波讓大地晃動而使我們感受到天搖地動！

利用慣性的地震儀

地震儀的原理，就是利用前面提到的慣性，最早的概念就是利用一個懸吊的重錘，連接上一個紀錄器和阻尼，便能記錄下地震來時的地表晃動。重錘因為很重，又僅用細線懸吊著，所以地震來時，重錘相對地表不動，而連在重錘上的記錄器，便來回畫下地震的波動。

那麼地震儀上的「阻尼」又是什麼呢？其實它是用來防止震議記下「不是真正的地震波動」。簡單來說，阻尼就是用來阻止多餘的晃動。假如只有重錘，當地震晃動一陣子，它便會被帶著一起晃動，就像是地震過後，仍然不斷晃動的吊燈一般，假如把這些晃動記錄下來，我們就會誤會地震結束的時間，當然也會錯估了地震真正的威力。

地震儀原理的示意圖，主要由重錘、紀錄器、阻尼組成。左方的地震儀可以記錄上下的晃動，而右方則可記錄水平的其中一個方向晃動。

地震儀的演進

既然是用重錘來做地震儀，那地震儀一定很大囉？一開始的地震儀的確如此，有些地震儀的重錘十分巨大，需要好幾個人才搬得動。而且紀錄紙也需要定期更換。最初的地震紀錄紙需要利用燻煙將紙燻成黑色，然後紀錄器就像是一根針一般在上方「刮」出痕跡，研究人員要定時更換，並在表面途上保護漆才能永久保存。但隨著科技進步，即使原理不變，地震儀仍然可以縮小尺寸，能偵測的地震也更多。而電腦與網路的普及，讓我們隨時都能快速知道哪邊發生地震，現在氣象局已經能在三至五分鐘就能找出地震發生的位置，其實在三十年前時，還要花上三十分鐘才能知道地震發生在哪呢！

 

一個地震站往往有許多不同的儀器，像照片中的黃色的儀器與為強震儀，最重要的功能就是告訴我們當地的震度為幾級。另一種紅色柱狀的地震儀，則可以偵測到很細徵的地震，而分成三種不同的擺設方式，才能完整的記下不同方向地震波。

上山下海又遁地的地震儀

地震的位置若要定的又快又準，就需要裝設更多的地震儀，透過網路連線變成「觀測網」，就像撈魚的網子一般，網子如果越密，就能抓到更小的魚，而網子若越多越廣大，就能抓到更多的魚。所以地震學家走遍臺灣各地，連人煙稀少的山區都裝設地震儀，甚至把範圍延伸到海底，而且畢竟地震來自於地下，也開始有許多地震站是設置在地底下，也就是鑽一口井在地下放置地震儀，以求能夠更快的接收到地下的地震波。

但這些「下海遁地」的地震儀仍是少數，目前擁有井下與海底地震儀較完整的國家，也只有地震同樣頻繁的日本，而臺灣各地在也近年來才開始發展，但或許我們可以期待不久的將來，這些地震儀可以帶動更多新的地震研究，讓我們更加了解地震！
 

經常在電視或報紙上看到的中央氣象局內的地震紀錄器，實際上現在的地震資料皆已經自動儲存在電腦當中。

【國語日報專區】地震專題：來自地球另一端的振動

如果美國的加州發生大地震，最快到達臺灣的地震波會是走哪一條路呢？答案是：地底下的路。

地球內部是地震波走的最短路徑

因為地球接近球體，光看球體表的部分，總會覺得加州和臺灣的最短距離是一條弧線。但如果我們把球切開，就會發現最短的距離不是走球的表面，而是球的內部，地震波其實「走」的，其實是這條地底下的路！

地震發生後，朝著四面八方傳送的地震波中，可依傳播的路徑分成兩大類：表面波和實體波，沿地表傳遞的波稱作表面波，而實體波則可以在地球內部傳播、穿透地下。

會造成災害的地震波，多半以表面波為主，它造成的搖晃較大，容易使房屋「共振」。共振指的就是房屋對某些地震波動頻率「特別有感覺」，表面波會因此讓房屋搖得會比實體波來到時還要大，而共振的程度越明顯，對房屋安全就越危險。

穿透地下的實體波，通常比較小，但它能像細水長流一樣；只要地震夠大，即在使地球的另一端擺放儀器，還是能收到微弱的震波。

地震波的實體波會穿透地球，所以加州發生的地震，最快的地震波會從地球內部傳到臺灣

地震儀就像超大聽診器

現代的地震儀器非常靈敏，還可以分得出不同的地震波頻率，前面提到的實體波，它就算傳到地球的另一端，某些頻率會保持在固定的範圍，這樣科學家就能「認出」這種波動，也能確認它過來的時間、甚至可以分析它穿過了哪些不同的物質，而科學家就像是把地震儀當作聽診器，了解地震波穿過地球內部時產生的變化來猜測地球內部的樣子，地球每年都會發生幾次規模大於7.0的地震，科學家歸納了許地震波穿透地球時的規律性，加上觀察其它行星、從太空中掉落到地的隕石和地表石頭的差異，還有實驗室的各種分析，才能斷定地球內部可以分成三層。

科學家運用地震波中的P波，穿過地球時的不同偏折，了解地球內部的分層構造。圖片來自中央氣象局地震百問。

地震波除了會穿透，還會反射

雖然往地下鑽一口井是最直接探測地震的方法，就像我們切開蛋糕看裡面的夾心一樣，但鑽井的難度高、秏費的金錢非常多，加上地底下其實十分複雜，就像有千百種的蛋糕口味般，要完全弄清楚，地面早就桶成蜂窩了！這時地震波就可以派上用場，有時科學家會利用炸藥或撞擊製造人工震波，利用震波遇到地層反彈回來的波，來了解局部的地下狀況，通常用來尋找石油、礦產等資源。

利用地震波研究火山的構造

此外，天然的地震還有不同妙用，雖然小地震傳不遠，還是可以幫助我們了解小範圍的地下構造，而且天然地震的好處是，能量還是比人工地震高，所以探索的範圍也較大，像是用來研究火山底下的岩漿庫，就很有幫助。今年四月，臺灣的地震學博士黃信樺參與的一項研究也提出重大貢獻：研究團隊發現美國黃石公園地底下的岩漿庫比過去想像的還大得多，也讓人們藉此研究更清楚怎麼運用地震波研究火山。

所以無論是穿透的地震波、反射的地震波，科學家總能想出研究的方法來探索地底，雖然看起來可能像瞎子摸象一樣，但經過不同的科學方法驗證，即使我們無法親眼看見地底，還是可以有很接近的推論呢！

知識小百科：

地震波的頻率是什麼？

一個完整的波動會上下或左右振動一次再回到原點，而地震頻率就像是「一秒振動多少次」的概念，當頻率很高時，看到地震波的樣子就很緊密，可能一秒振動數次，而頻率低時，地震波的樣子就稀疏，就有可能數秒鐘才來回振動一次。