妙趣痕聲――聲彩繽紛的STEAM

地球聽診器

前　言

醫生之於聽診器，或許就和地震學家之於地震儀器一般：身體內的聲音，需要透過聽診器來到醫生的耳朵，接著依靠經驗和醫學專業的養成，判斷出病患的病灶；而地球上板塊運動衍生的地震活動，則可以透過地震儀記下地震波，接著用數學和物理學的計算，解析出地底下的構造。兩者除了有如此類似的特質外，也有著類似的終極目標——拯救人命。本章將從地震科學的發展歷程，說明如何運用地震科學來幫助人類趨吉避凶。

用欣賞音樂的角度來理解地震學家的工作
地震的本質
用儀器我們便可以記錄下地震的本質「波動」，如果我們將地震儀所收到的地震波形，輸入聲音編輯軟體後進行播放，也是可以播出聲音的！而實際上，也有些經歷過大地震的人們會在社群網路上口述分享，在地震波來襲的前後會聽到異常的巨大聲響，進一步還會有些網路上的流言將此作為「地鳴」來解釋，並武斷的認為這樣的聲響可以作為地震來臨之前的前兆現象。不過若以科學機制來解釋，與地震有關的聲響多半還是與地震發生同時產生的，最多只可能當做數秒前的早期預警而已。
地震是波動、聲音也是波動，有些時候處理地震資料和處理音檔的方式還有些類似，這兩種工作可謂是異曲同工的科學原理。現代的音樂創作者會利用軟體濾除不需要的聲波頻率，或是將不同的聲波頻率經過調整修飾變得更令人動聽。事實上，這些針對波形進行處理的手法，地震學家也經常使用。而錄音室往往需要用隔音設施以免收到太多的雜音，同樣的，理想上地震儀也該擺在沓無人煙的荒山野嶺，以免接收到太多不是地震的假訊號。確實，有很多研究用途的地震儀是以這樣的原則設置，甚至會挖一口幾百公尺的深井，並將地震儀藏在地下以免受到人為干擾。但如果研究的目的是想要瞭解地震對人們的影響，比如提到地震的震度，反而就要把儀器放在人口密集的地方，才能即時的知道震度大小，也就是實際上地面搖晃的程度。但這樣一來，就免不了會受到車水馬龍的街道噪訊所困，這時前面提到的濾波去雜訊技術就會派上用場！
地球聽診器：地震儀
至於今天我們介紹的地球聽診器：地震儀，其基本原理是利用懸於空中的擺錘來作為相對「靜止」的慣性物體，當地面發生任何搖晃時，便會與相對靜止的擺錘產生相對運動，而經過機械的設計（阻尼）可將後續擺錘持續的擺盪消除（因為那已不是地震本身的晃動），並記錄下晃動隨時間的演變，便得到了地震的「波形」。到了現代，地震儀除了經由輕量化設計不斷的縮小體積外，還使用數位化的方式進行記錄，讓地震觀測方便許多，甚至連現在人手一支的智慧型手機內所藏的加速度計，也都能算是一種地震儀。由於以往很難在所有會發生地震的地方都裝滿地震儀（尤其是比較昂貴的地震儀更是數量有限），使得過去的資料收集不夠全面。然而隨著地震儀愈做愈小， 地震學家在上山下海時， 都能夠把地震儀帶著跑。有時只要有比較大的地震發生，地震學家就會搖身一變，變成拎著地球聽診器上「前線」的戰地醫生。像2018年花蓮強震後，地震學家便立刻整裝出發到現場架設地震儀器。因為大地震剛過後的餘震非常的多，到現場裝設地震儀能幫助我們蒐集到更多資料。
有些地震發生的位置在大洋中央，光靠陸地上的地震儀只能記錄到規模比較大的地震，這時就要把地震儀放到海底，這又是一項大工程！因為放置研究用的海底地震儀(Ocean¬bottom seismometer, OBS)需要動用到海洋研究船， 比在陸上設置多出船員與船隻的經費。而且海底的環境充滿未知，有時也會發生OBS失去聯絡而消失的情況，要找回來還真像大海撈針一般困難。因為一般OBS接收到了地震波後，仍無法克無通信無法穿過海水的問題，因此如果是為了監測臺灣鄰近的地震活動並適時發布地震或海嘯警報，就需要幫地震儀接上纜線，以進行通電和傳輸即時訊號。總之，地震儀不僅是聽診器，還因為對研究非常重要，所以會地震學家總希望把地震儀放世界上的每個角落。

如何分辨地震波與其他振動
地震波的特色
就如前文提到的，地震儀所記下來的是地表的振動情況（圖4-1），本來就會收到不是來自天然地震所產生的雜訊， 舉凡巨大聲響、爆炸衝擊、汽車駛過乃至於細碎的腳步聲，都有可能會被不同類型的地震儀給記錄下來，這時候分辨「這是不是地震波」就很重要。
要分辨出地震波，就要先知道地震產生的波動有什麼特性，一般會將地震波依傳播特性分為體波(body wave) 和表面波(sufarce wave)。所謂體波，指的是會在地球內部傳播的波，可再依波動的特性分為P波和S波。由於P波為縱波、S波為橫波（圖4-2），故行進時的P波會讓傳遞的介質沿著傳播方向振動，因此P波的波速比S波更快。而地震波在地表上的運動是三維的運動，所以一般地震儀會分成垂直向、水平（東西向＋南北向）的分量紀錄，才可以完整的描述地表的運動。從地震波形紀錄中，可以看到P波明顯的垂直向振動，而S波則多以水平向為主。所以一發生地震，具有地震科學背景知識的朋友們，在感受到明顯的地振動時，常常會很專業的說：「哇！這個P波好明顯！」「這個應該是遠地的地震！」而且在自己的社群軟體上也常會看到相似的留言，這或許是地震學家，甚至是地科人的一種職業病吧！
表面波
還有一種地震波的型式稱做表面波，如其名，它們是在地表附近傳遞的一種「由地震波產生的波」，是由P波、S波後續疊加、干涉而產生，所以它們的波動性質較為複雜。對一般大眾而言，表面波特別重要的地方是在於它對建築物的威脅，因為表面波雖然比S波晚到達，但卻可能有更大的振幅，這也再次印證了為什麼現今的強震警報（地震早期預警）如此重要！因為強大的震波總是比較晚到。
此外，表面波特有的「頻散」的現象，就是讓高頻的波速度變快、低頻的波速度變慢的特性，就像是我們同時用了X光機、電腦斷層掃描、腹部超音波檢測等不同的檢測方式來剖析人體中的不同構造。換句話說，「所有的地震波」都可以是地震學家的研究利器。雖然地震有時致災致命，但對於地球內部數百、數千公里深處，可能永遠都沒有科技能夠達到那樣的地方，而地震波就是我們唯一可以認識地球內部的工具。事實上， 地震波的應用可不只適用於地球，它也是我們認識大多數星球內部的工具。過去，人類都曾將地震儀帶至月球、火星上（是不是應該要改叫月震儀和火星震儀呢？），這些儀器運用的原理和目的完全一樣，就是想要瞭解其他星球有沒有板塊運動？各自的內部分層構造又是如何？

關於地球聽診器的故事
地震儀的發展歷程
談到地震儀，可能很多人會想到東漢時期張衡所發明的「候風地動儀」，不過就現代使用地震儀的觀點來看，候風地動儀只算得上是「測震儀」，不能說是「地震儀」。因為就古籍上所載的使用方式，只能得知其可測得地震方向，但地震發生的時間、強度都無法有效的測得，也無法得知其確切的原理。而且在古人眼中，地震常會是不祥之兆。對統治者而言，候風地動儀可能更重要的用途是在預測民怨，並非真的對地震定位有精確需求吧？總之，因為古人不認識地震的特性，候風地動儀的實體也沒有傳到後世、更沒有被改進，實在可惜。
有史實可以考證的真正地震儀在十九世紀末才問世， 接著在1900年之後，現代地震儀才逐漸普及。而在這時期也大致確立了地震儀必要的元素：重錘、彈簧、阻尼、紀錄器以及時鐘（圖4-3）。
重錘和彈簧是為了讓慣性原理能發揮作用所設計的。十九世紀末的物理學理論知識早已知道固體具有彈性波動的概念，因此不像早期會做出錯誤歸因（比如亞里斯多德認為地震是風所造成的）。當時人們已經瞭解到，地震的本質是彈性波的運動，不過一直到利用紀錄紙記下地震波之後，人們才發現P波與S波等地震波相的存在。而時鐘的功用，則在於讓人們知道地震何時到達。紀錄紙宛如音樂盒中的捲筒，利用機械發條原理慢慢轉動，並逐步記錄下地震波。只要轉軸穩定旋轉， 加上預先做好的網格紙作為時間間隔記號，再搭配上精準的時鐘，就能得到地震波到達地震觀測站的時間。
地震儀資料的應用
當我們取得兩個測站的地震波相資料以及震波到達的時間後，就能夠回推出震波的速度（圖4-4）。經過長期的觀測得知，地殼中行進的P 波平均波速大約是6公里／每秒，而S 波則為3 公里／每秒。當有了地震波的波速值之後，只要有一系列擺放在不同地點的數個地震儀測站所組成的地震觀測網，就可以利用P波與S波到達各測站的時間，解算並回推出地震發生的時間、震央的位置以及深度（圖4-5）。這些資料，才是地震觀測真正量化、數據化的開始。也因為如此，地震不再是只有利用體感記下來的震度，終於可以用儀器來觀測並研究地震，可謂是地震研究重要的里程碑。
雖然早期地震儀又大又笨重， 而且捲筒紙上所留下的地震紀錄，也不如現代數位化的紀錄容易做後續處理，但這些資料現在仍然有相當重要的研究價值， 就像是莫札特或是巴哈等人的經典樂章， 依然能夠淵遠流傳下去一般。因為至今的地震儀即使構造改變，但基本原理仍與過去相同，地震學家仍可利用現代的技術，重新分析過去的資料，這也是所謂「歷史地震研究」的方式之一。比如1906年梅山地震、1909年臺北地震、1920年花蓮地震等等，都因為分析過去的地震紀錄，而得到更多的科學回饋。或許，這就是人們常會將老歌重新詮釋，賦予經典的旋律一個新生命？
地震儀的靈魂：阻尼器
話說，地震儀中必備的阻尼器（圖4-6），雖然是個常常被大家忽略的構造，卻是十分重要的角色，故在此需特別介紹，事實上在地震儀剛問世時，地震學家為了設計阻尼可是絞盡了腦汁。為什麼地震儀需要阻尼？因為沒有阻尼的地震儀在遇到稍大的地震時，就會像是在用麥克風唱歌時，將迴音(echo)不小心開太強所產生的效果一般，明明唱完了這一句，但聲音卻不斷迴響，干擾到了下一句的聲音。在記錄地震時的狀況便是：明明地震的搖晃早已停止，但地震儀中捲筒紙上的指針仍不斷地瘋狂擺動著，將因為慣性作用而產生的「假地震波」也記了下來，這樣不僅會讓紀錄失真，也可能會在地震接連發生時，掩蓋了稍晚到達的地震波。早期的阻尼是利用空氣產生阻力，使得在地震停止搖晃後，擺錘剩下的慣性力量也會因阻力而快速的減少。而後來的地震儀則是常以電磁感應的方式，用磁場來製造阻力。

地球聽診器

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推薦序——妙趣痕聲的繽紛世界
序——科學是文明的DNA
ch1 樂器與嗓音的物理 蔡振家｜臺灣大學音樂學研究所副教授
ch2音樂製作：聲音的錄製與有趣的混音 楊敏奇｜德國msm-production音樂製作人／大米音樂總監
ch3誰說傷心的人別聽慢歌——談音樂情緒與大腦 李承宗｜東海大學通識中心兼任助理教授
ch4地球聽診器 馬國鳳｜中央研究院地球科學研究所特聘研究員
ch5聲音在脊椎動物生活中所扮演的多樣角色 嚴宏洋｜國立海洋生物博物館特聘講座教授
ch6用聲音看海洋 黃千芬｜臺灣大學海洋研究所教授
ch7看見聲音聽見光——光與聲音在生物醫學的應用 李百祺｜臺灣大學電機工程學系特聘教授
附錄
參考資料
圖片來源
名詞索引

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