科學人 發行日期:2010/11 刊號:105
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天地同震 以GPS找尋地震及海嘯源頭

李名揚

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。

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