日強震研究成果 劉正彥教授看見「太空海嘯」

    今年3月11日本外海規模9.0強烈地震所引發的海嘯震驚全世界,中央大學太空科學研究所劉正彥教授團隊研究發現,在地震發生7分鐘之後,距離地表350公里的太空中電離層同樣產生劇烈變化產生了「太空海嘯」,證實了「同震效應」。劉正彥透過台灣與日本綿密的GPS資料,以及國人自行開發的軟體分析,領先全球鎖定海嘯生成位置,傳播情形更是一覽無遺。研究成果刊登在今年6月28日的地球物理頂尖期刊《地球物理研究》(Journal of Geophysical Research)。

 劉正彥所觀測到之電離層訊號相當特別,除地震波之外,亦觀測到海嘯波對於電離層之擾動,他發現日本下午1點46分發生地震,其所引起的「移形電離層擾動」(seismotraveling ionospheric distrubances,STIDS),在1點53分至1點55分時在震央東方200公里處(即日本海溝的西側),開始產生海嘯且呈現「碟狀」(disk-shaped)的波紋。

 他是根據日本、台灣的1098個地面GPS測站,以及太空中的11個GPS衛星資料,分析太空中跳動時的發生時間、空間位置,利用地球物理學家的方式,從太空中反推地表震動最劇烈之處,尋找引起太空震動的源頭。劉正彥還發現,日本在3月11日下午1點46分發生地震,下午5點15分台灣上空的電離層被抬升,6點10分海嘯抵達台灣;也就是說,地表海嘯所引發的電離層震動,比海嘯提早約1個小時抵達台灣。

 劉正彥說,電離層約在離地表100公里到2萬公里,地表的巨大震動引發的地表波動能量會拍動大氣。由於大氣層空氣密度隨高度遞減,因此,地表和低層大氣的波動到了太空之後,會放大1萬倍左右。根據劉正彥估計,日本海嘯引發的電離層波動傳遞速度約每秒2.3—3.3公里,接近地表海嘯每小時720—800公里的速度。而本次地震所引起的電離層震動比蘇門答臘所引起的電離層震動強了三倍。

海嘯傳播模擬與電離層實測訊號比對

 劉正彥將電離層訊號與中央大學水文與海洋科學研究所吳祚任助理教授所做的「311強震海嘯數值模擬」比對相當吻合,可清楚看見太空電離層之波動與地表海嘯波傳遞相當吻合,代表海嘯波的確可對電離層產生擾動。

 日本311地震引發海嘯後,吳祚任很快就算出抵達台灣的海嘯浪高約12公分。他採用海嘯數值模式COMCOT(COrnell Multigrid COupled Tsunami model)的線性淺水波方程預測海嘯的水位傳播,確定地震位置及大小後,估計斷層面的方向與錯動量及海底表面的變化,換算成所影響的海水體積與垂直位移來模擬海嘯傳遞方向,並綜合各種影響因素研判波高。

 吳祚任指出,海嘯在傳遞過程中,波浪會朝向淺水方向前進,這是由於海嘯波傳的速度正比於水深開根號。所以當海嘯波一端水深較深,而另一端較淺,則海嘯波即轉向淺水地區。因此當海嘯進入深海區域時,部分海嘯波又會回頭攻擊淺岸地帶,這就是所謂『邊緣波效應』,會使得海嘯能量盤據在沿岸或島嶼周圍。日本福島的海底地形正是斜坡地形,所以海嘯能量不容易進入太平洋,反而不斷攻擊福島與周圍的海岸。劉正彥實測的電離層波動傳遞,也證實了吳祚任的說法。

   吳祚任說COMCOT模式預測數值準確,並可同時模擬大小不同尺度之海嘯,包括大至數以百公里計之海嘯初始波源,小至數公尺之海岸淹溢情形。該模式已成功用於計算諸多大規模海嘯事件,如2004南亞海嘯、2011日本海嘯等事件,有非常優異之準確性。

 吳祚任所進行之海嘯模擬計算在2011日本海嘯事件有相當優異之準確性,與後來海嘯的傳播現象、以及劉正彥在太空實測資料比對相當一致。這次從地表到太空的比對結果,將可深入了解海嘯波傳遞過程,對海嘯進行更深層的科學探索。

文/古明芳