課本沒教的芮氏規模:地震的大小誰說了算?

課本沒教的芮氏規模:地震的大小誰說了算?
By Photo credit: Pierre St. Amand - NGDC Natural Hazards Slides with Captions Header, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=630576

我們想讓你知道的是

知道地震的大小,除了可以用來比較、讓大家知道地震大小的概念之外,將地震的大小某程度的科學量化與統計,也是讓我們了解地震行為的最基本方式。

文:阿樹

「這次地震是幾級?有比九二一大嗎?」

如果有人這樣問我,我得要先揣測他到底是在問我震度還是規模?當然,如果對方有提到九二一集集地震是「7.3級」,或許可以猜想他說的是「規模」。但這背後卻還有另一個問題,那就是「他到底分得出震度和規模嗎?我要怎麼樣才能精準的回答他的問題?」

花點時間,聽聽「地震規模是怎麼來的故事」,或許我們可以更清楚明白,它是什麼?以及正確運用的方式。

「規模」和「震度」常搞混,但真的差很多

不是科學家龜毛執著,而是它背後的意義實在大不相同。「震度」是一種單純描述地表振動幅度的量值,通常都會是一個量表,它和地震本身釋放能量的大小並沒有直接關係,用它來描述地震的「大小」,就會有「各自表述」的困境:距離震央近一些的人覺得震度大、離震央遠一點的人就會覺得震度小,等於我們很難量出地震真正的大小。

在地震規模問世以前,已經有「震度」可以用來描述地震,如果可以用個統一的震度階畫成等震度圖,那麼其實某程度就能用來「比大小」,但代誌絕對沒有這麼簡單,要是每個地震都這麼搞,那可就曠日費時了。試想,要是地震發生在杳無人煙處,可能連有發生地震都沒人知道。加上早期的震度估計並不是直接用地震紀錄來估算,而是藉人對搖晃的感受、房屋受損程度等定性的描述,這種方式連「誤差」都不知道怎麼給。因此,將震度作為科學方法估算地震「大小」是非常困難的。

「芮氏規模」的由來

最好的方式,還是做出一套量度地震大小的物理量,最好是儀器可以直接測得的東西。所以還是以儀器作為準則是最客觀且可重覆使用驗證的,但是不管怎麼擺放地震儀,都會有一個問題:那就是每次地震發生的地方與地震儀測的距離都不會一樣,地震是被動的測量,不是主動的觀測啊!

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By wiki Public Domain
地震學家芮克特

地震學家芮克特(Charles Francis Richter)和古騰堡(Beno Gutenberg)兩位美國加州理工學院的地震學家,想出了一個方式來解決量測方式的問題。既然離震源越遠,振幅會越小,那其實只要製定一個標準距離、震幅的「標準地震」,將測量到的震波跟這個標準相比,就可以比較出地震大小了。

至於那個「標準地震」,指的是:

「以伍德-安德森扭力式地震儀,量測距離100公里處發生的地震產生的最大震幅為0.001mm的地震,其規模為0。」

看不懂沒關係,反正就是任何方式測量到的最大震幅,只要用數學方法轉換成可以和標準地震相比的數值,就可以計算出規模。用更簡單一點的話來說,就是只要地震儀能測到某個地震,並且知道震源位置,就可以訂出規模了。

或許有人會覺得奇怪,這不是兩個人定的嗎?怎麼只有取芮克特的名字,古騰堡呢?或許是一開始沒有人特別注意到古騰堡的貢獻,又或者是當初大多時候向媒體發言的經常是芮克特【註1】,久而久之就習慣講芮氏規模了。

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修改自Ansfield, V.J.,1992.[3]
地震儀振幅與規模關係,修改自Ansfield, V.J.,1992.[3]

芮氏規模代表的是什麼?是能量嗎?

芮氏規模代表的不是能量,也不是搖晃程度,它只是單純描述地震「大小」,它是從當時地震波波形紀錄中的「最大振幅」來的,而且因為振幅的大小差距過大,所以用對數的方式來呈現,可以讓數字不致於太大,大致可以落在0~10之間。如果用線性的方式來描述,會用上很多位的數字,譬如規模4會變成10的4次方、規模6就是10的6次方。如果用能量就更可怕了,規模加1,就是多了32倍的能量、加2是多了1,000倍、加3就是多了3萬2千多倍的能量。

所以,規模就是單純的「大小」,雖然它和能量大小也有關,但一般大眾要直接從數值差異來推估能量大小也很難,或許也因為如此,媒體在報導地震時,常會詢問氣象局後,報導「相當於幾顆原子彈」、「相當於幾次九二一地震」等描述。不過,其實拿規模來細究釋放的能量到底有多少,意義是有限的,因為規模不能完全代表搖晃程度,更不能代表災情。規模7.0的地震,發生在距地表10公里內和發生在100公里深處,其造成的震度相差可遠了。

附帶一提,當初芮克特和古騰堡用「規模」(magnitude)一詞,並不是原創的詞彙,而是參考天文學描述恆星亮度的「星等」(stellar magnitude)【註1】,而最早的芮氏規模又算是一種「近震規模」(local magnitude),因為它是發源於計算美國南加州的地震,一開始考量的地質特性也以南加州地區,規模太大、距離太遠的地震都不適用,不過它卻開創了人們計量地震大小的先河,也是故目前芮氏規模會以ML表示。

現在世界各地,會依他們所在的區域(如南加州地區)的方式訂定規模大小,所以世界各國針對他們自子區域地震網的地震,仍以芮氏規模表示,包括中央氣象局發布的地震報告。雖然隨著科學發展,現今地震規模的訂定的方式有許多種,依其所採用的記錄及訊號也具有不同的意義。

或許有人看過其它的規模訂法、又或許有人曾注意到,國內發布的地震規模種類和世界地震網使用的震矩規模不一樣,但使用芮氏規模其實是有必要性的,主要原因是在統計研究地震時,一致的規模才能有固定的標準,用以瞭解地震的活動特性,有助於了解歷史上的大地震,也能讓地震學家從更多的地震資料中看出值得研究的端倪。

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Photo Credit:震識
以圖呈現規模差距與能量差距的關係

我們要知道地震大小做什麼?

知道地震的大小,除了可以用來比較、讓大家知道地震大小的概念之外,將地震的大小某程度的科學量化與統計,也是讓我們了解地震行為的最基本方式。現在,我們可以用統計的方式來慢慢累積資料,也可以藉由規模來比較過往的歷史地震。甚至近年也開始有研究著眼於斷層累積能量與地震規模的統計關係。雖然沒有神奇到可以預測地震,但如果輔以物理模型、斷層特性、古地震等相關研究,多少能讓我們對於地震潛勢有更深入了解。要做系統化的研究,量化是最重要的基礎,用規模量度地震便是一例。

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By Photo credit: Pierre St. Amand - NGDC Natural Hazards Slides with Captions Header, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=630576
1960智利M9.5地震災後景象

總之,「比較地震大小」在地震學家的眼中也是其中一件重要的事,所以也就不要太意外為什麼我們會在意大眾是否混淆規模與震度。而今日所述的故事,僅僅是一部分規模的事,還有許多有趣又不為人知的故事,欲知詳情,請持續鎖定《震識》,以了解更多震事。

註釋:

  1. 地震與文明的糾纏,Roger Musson著,黃靜雅譯,天下文化出版
  2. Wikipedia:Charles Francis Richter
  3. Ansfield, V.J., 1992, A graphic representation of the Richter scale: Journal of Geological Education, v.40, p.381-384.

本文經震識授權刊登,原文刊載於此

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航