201202090051地震會影響地球自轉速度?

地震會影響地球自轉速度?

地球每天都會發生地震。地震除了會威脅人類生命與財產安全,對整體地球還有什麼其他影響呢?

文/羅仲良、顏銀桐 審稿/馬國鳳(中央大學地球物理研究所教授)

  我們知道地球自轉一圈的週期為一天24小時,但其實地球自轉速度並非一成不變,地球外的天體對地球的重力作用(例如日、月造成的潮汐變化)、地球本身的內部作用都會使其改變,雖然變化極其微小,但確實影響了地球的狀態。地震,便是屬於這些作用的來源之一,例如今年3月與2010年2月,日本與南美洲的智利分別發生了規模Mw9.0與8.8(註)的強烈地震,除了造成嚴重人員傷亡、環境破壞並引發海嘯等天然災害,同時也改變了地球的自轉速度。3月的日本強震讓地球自轉一天所需的時間減少了1.6微秒(一微秒為百萬分之一秒),智利強震則減少了1.26微秒。

地震改變地球一天的時間

  地球自轉速度的變化,可以簡單的從角動量來解釋。在忽略地球外的天體對地球的作用力下,地球本身可考慮成一封閉系統,其角動量可視為守恆。在此假設下,地震的發生便可以只考慮為地球的內力作用,而內力作用並不會改變系統總角動量。角動量是轉動慣量(與物體內部質量分佈有關)與轉動角速度的乘積,地震發生後,地球整體質量重新分佈,儘管這是很微小的變化,但轉動慣量因此改變,地球自轉速度也就跟著變了。假設地震之後,地球的質量分佈使轉動慣量變小,地球自轉速度就會加快,反之則會減慢。歷年來特大地震多數讓地球自轉速度變快;然而,也有變慢的例子,例如1964年3月發生在阿拉斯加規模Mw9.2的強震,造成地球的自轉時間增加了6.8微秒。

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角動量守恆示意圖。以溜冰為例,舞者在做自旋運動時(過程中冰鞋與冰面間的摩擦極小,角動量可視為不變),左圖為旋轉時伸展雙手,轉動慣量較大,轉速較慢,右圖為旋轉時手臂內收,轉動慣量變小,轉速因此變快。(圖片來源:科學人)

 

 

能觀測到自轉速度極微小的改變嗎?

  目前量測地球自轉的變化是依賴太空測地技術(Space Geodesy),所量測得到的地球日長變化,數據準度約在20微秒左右,這與科學家計算今年日本與去年智利大地震造成的地球自轉速度變化相比,至少大10倍以上,而且就算2004年規模Mw9.3的蘇門答臘地震,也只引起約6.8微秒的改變。根據目前已有的地震記錄,造成地球自轉速度變化最大的地震是1960年規模Mw9.5的智利地震,約8.4微秒。因此,地震造成的日長改變量,也就是地球自轉變化,以現今技術來看是偵測不到的。

地震使地球變得更圓

  地球是一個近似圓球的橢球,幾何上它的南北極軸較短、赤道軸較長,長短軸差約20多公里,橢圓率(長短軸差和長軸的比例)約1/300。地震造成地球內部質量重新分佈,也改變了地球的重力場,從地球重力場的變化我們可以推得地球扁率(J2,地球重力場的參數,值越小代表越圓)的改變情形。個別地震造成地球扁率的變化非常微小,但若長期來看,就目前較完整的地震資料庫有記錄以來(數據來自Global Centroid Moment Tensor Project,全球震央矩張量計畫,從1976年擷取迄今),近40年所發生的地震造成地球扁率越來越小,且趨勢非常明顯,也就是地震的發生讓地球越來越圓(見圖),而且使地球內部結構越來越緊密。

  上述結果,可以想像成溜冰舞者在做旋轉動作時將外伸的手臂緩緩縮回,進而使舞者旋轉速度也慢慢增快。但這現象無法在觀測上證實,因為海洋及大氣在地球表面的季節性運動,也就是地表上流體的質量分佈變化所造成的重力與角動量改變,遠大於地震所貢獻的,因此從衛星訊號上無法分辨出地震造成的變化,它實在太小,會被其他信號「掩蓋」。至於地震為何會讓地球越變越圓,則是科學家正在努力研究的問題。

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地球扁率J2在過去近40年受地震影響的變化。J2為地球重力場的參數,值越小代表地球越圓,從表中曲線可看出,近40年來地震發生使地球有越來越圓的趨勢。(圖表來源:羅仲良、趙丰)

註:此處「地震矩規模Mw」(moment magnitude)為目前地震學界通用量化地震大小的量度,由金森博雄(Hiroo Kanamori)在1977年提出,利用地震矩(seismic moment, Mo,從斷層面積、平均斷層滑移量、震源地區岩石特性的係數計算而得)精簡轉換為地震矩規模,對於大地震釋放的能量,較能完整量化而不失真。而「芮氏規模」則是利用地震儀觀測到的地震波振幅大小與震源距離計算而得,對於能量較大、震源深遠的地震,不足以完整代表整個地震釋放出的能量,但相較地震矩,芮氏規模較容易且快速求得地震大小。在台灣地區,中央氣象局地震測報中心對於區域性地震,目前仍採用芮氏規模為地震大小量度判斷依據。

引用自「科學人」雜誌網站

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