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

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?

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。

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。

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