為什麼有人覺得地震學沒那麼「科學」?從地震規模看科學本質

為什麼有人覺得地震學沒那麼「科學」?從地震規模看科學本質
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我們想讓你知道的是

地震發生的瞬間釋放的能量,除了表現在地震上,也有能熱、運動能(滑動)、甚至某些運動能還會間接影響周遭的應力狀況,而發生餘震,目前的科學觀測可能還沒辦法看得完整通透。

文:潘昌志(震識:那些你想知道的震事副總編輯)

在《萬物簡史》一書中,作者布萊森在描述「地震規模」的發展史時,對於幾個大地震規模事後修正的例子,他的見解是:「地震量測不是精確的科學」。(嘿!地震學家們,先別急著跳腳呢!)

實際上他對於地震的量測方式、地震規模的計算方式的理解,可能還未夠深入,因而下了這樣的註解吧!實際上,我們正可以從這些「修正」的過程中,一窺地震學家(或地球物理學家)是如何努力的讓這門學問「更像個科學」。

最早提出「地震規模」概念的芮克特,為後世留下了「芮氏地震規模」這個計算方法,可謂是被用的最廣,但也被人們誤解最深的一個地震規模概念,其中我常看到的例子大致有下面這些:

  1. 地震規模常有修正的情況,所以規模計算很粗糙
  2. 不同單位算同個地震的規模值不同,所以規模計算很粗糙
  3. 唯一指名「芮氏地震規模」、別無分號
  4. 加上「芮氏」的地震規模比較「準確」(前提是已經知道有不同規模的算法)
  5. 地震矩規模比芮氏規模「準確」(這兩者不宜用用準不準來進行比較)

前兩點主要是是對於準確度、什麼叫做科學的誤解為主,所以我們先來處理「什麼是科學、地震量測的科學性」討論。而後三者則是對於地震規模的計算與意義有誤解而產生的,則放在後面一點討論。

屁量音量
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地震規模算法的具像化比喻差異,不代表真實的計算方式。因為計算地震矩時會用上完整的地震波形,等於把能量釋放隨時間的變化也都考量進去,更能反映真實能量情況。

怎樣算「科學」?為什麼有人覺得地震學,沒那麼「科學」?

「科學是什麼?」這個問題,通常少有科學家關心,反而是哲學家非常關心的。但這不代表這對科學來說不重要,只要是我們看不是自己專門的領域時,比如「〇〇學是怎麼樣的科學」時,這件事就很重要。

具有科學研究背景,照理說應該都會聽過「科學方法」,其中一套常見的脈絡就是「觀察>文獻回顧>假設>實驗>分析>結論」這套流程,而透過實驗的結果與分析可能再回來修正假設,直到得到有意義的結論。

這套方法現在也會在國中學習到,也代表它算是個很好用且重要的科學,然而實際上,這並不是「形成科學知識的唯一路徑」,而且在地球科學上,有許多重大理論也不是以這樣的脈絡產生的。

比如現今大家熟知的板塊構造運動學說,便無法以這套脈絡解析,因為板塊的運動的尺度,是無法以實驗的方式求得,而人們之所以相信板塊構造運動學說,是因為以下二點:

  1. 更多獨立且間接的證據,證明、支持板塊構造的存在和運動
  2. 以板塊構造學說,可以解釋的自然現象更多

同樣的例子,也可應用在演化論、地球年齡的估算、地震與斷層相關的彈性回跳理論⋯⋯等等科學知識的形成過程中。這也告訴我們,即使理論無法以實驗重現、證據難以用直接觀測的的方式得到,仍舊可以有其他的方式使其成為嚴謹的科學。而即使是變成了學說的科學,也不太容易只因為一個新證據完全推翻,充其量就是再修正原本的觀點而已。

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Photo Creidt:維基百科。
一般提及「科學方法」時所指的脈絡。

發明了地震規模,不代表我們就完全掌握了測量地震釋放能量的方式

相信一定會有人說:「欸這個標題很奇怪耶!不是都跟我們說,地震規模代表能量釋放?」

確實,地震規模是目前「地震釋放能量」的最佳代名詞,然而實際上我們所有對地震的觀測,都是來自於「間接」的地震波資料。

地震發生時所產生的地震波,經過了層層岩石而到達地震儀,它不像是我們直接可以觀測物品落下的情況而計算出重力加速度,也不是可以利用定量的化學反應可以計算出其中的變化,地震發生瞬間的事我們「看」不到,地震波永遠都只能算是瞎子摸象一般。

所以,與其說地震規模就是地震釋放能量,不如說「『地震規模』與『地震能量』的釋放關係,為高度正相關,而且『規模』也是目前用來詮釋地震釋放能量最佳的方式」,或許更為貼近事實。

地震發生的瞬間釋放的能量,除了表現在地震上,也有能熱、運動能(滑動)、甚至某些運動能還會間接影響周遭的應力狀況,而發生餘震,目前的科學觀測可能還沒辦法看得完整通透。

而地震規模的「發明」歷程,似乎也沒辦法完全用前面提到的「科學方法」來看,就資料取得來說,地震的發生是天然現象,無法以人工控制變因的方式實驗求證,而即使我們找到了地震規模這樣的規律,仍無法解決「地震時地下發生了什麼事?」的問題。但是,這套規律還是目前我們唯一能幫地震比大小的方式。

有多少證據就說多少話

先前已經有不少文章整理了地震規模的概念與計算方式,尤其是特別說明了芮氏規模和地震矩規模,在本文需要強調的重點如下:

1.使用不同地震規模時,不可混著比對,因為兩者運用地震波的計算方法完全不一樣。

芮氏規模是地震學家根據地震波形中最大振幅關係來運算的,但太大的地震,有許多震波能量是無法透過振幅值來量測到,才會需要用上地震矩規模(考量了時間、也考量到了斷層錯動的方式)。

各有優缺點(芮氏規模簡便快速v.s地震矩規模仔細費工),因此目前世界上這兩者皆仍通用,也不斷的經由新的研究調整修正算法。

2.不管是哪一種地震規模的算法,使用的地震測站不同時,結果也會些許不同。

如果是拿地震後幾秒、幾分鐘產生的地震速報發布的規模,和收集更多資料之後所推算出來的地震規模相比,當然是前者會有更多的誤差,因為求快就難以求穩,不同的時機點和用途,我們對於資料的精確度的要求也不太一樣。第一時間的救災,規模的精確度可能還好,但重要的科學研究,當然不能只用速報的數據囉!

所以,實際上科學家在地震規模這門學問中,一直都是秉持的「實是求是」的精神,很難去比較「什麼比較科學?」如果有人說這樣的科學稍嫌粗糙?我想這就如同看起來該像稿紙還是綠豆糕,主觀層面比科學還是多了一點吧!

本文經震識:那些你想知道的震事授權刊登,原文刊載於此

責任編輯:蕭汎如
核稿編輯:翁世航


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