足以形成地震規模的「炸彈氣旋」

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由於位置關係,位於北美大西洋沿岸的緬因州經常有季節性風暴光顧。我在這裏就曾經遇上過好多次導致整個州陷入癱瘓數周的颶風和冰風暴。

然而,2017年11月,一場突如其來的狂烈風暴橫掃了緬因州,導致大約有48.4萬州內民眾——大概佔全州總人口的三分之二——失去了電力供應而陷入黑暗長達一周之久。儘管有關部門在風暴來襲前曾經發出了幾次警告,但是大多數災民仍然對此猝不及防。很顯然,這場風暴與眾不同。

這次襲擊緬因州的是"炸彈氣旋"(bomb cyclone)——一種氣象學家稱之為"爆發性氣旋",或者更學術化地稱作"迅速而猛烈的低壓發育"的天氣系統。

這種速度和颶風(hurricane)不相上下的暴風能夠把大樹連根拔起,破壞輸電線路,還會引發洪水和水土流失。日本的一個研究小組最近發現,炸彈氣旋激起的海浪足以形成地震規模的能量,從而引發地殼深處的反應。對這種地震信號進行監控可以幫助地質學家探索地球內部構造。

位於緬因州格雷的美國國家氣象服務局(National Weather Service)首席氣象學家克里斯·雷格羅(Chris Legro)稱,炸彈氣旋引發的強勁風力會誘發浪高達7.6-10.7米的巨大海浪。海浪與海牀相互作用會引發輕微的晃動,在世界各地用地震儀即可監控這種晃動。

"[地震波]會穿過地球內部抵達地球的另一端,我們由此就可以分析地震波經過物質的特性,"雷格羅說。

深層震動

日本國立地球科學及災害預防研究院擁有由200個地震波傳感器組成的網絡。研究員西田究和高木涼太發現了一種稱為"S波微震"的罕見而微弱的地層深層震動,他們認為,S波微震就是由於2014年在格陵蘭外海爆發的北大西洋炸彈氣旋引起的。

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Image caption 2017年11月,一場炸彈氣旋襲擊了美國緬因州,把大樹連根拔起並切斷了輸電線(圖片來源: Jill Brady/Portland Press Herald/Getty Images)

這是科學家首次觀察到在海牀裏發生的此類震動。之前,科學家只探測到過P波(動物能夠在地震前感受到的震動),但是這次他們探測到了更少見的S波(人類在地震過程中感受到的震動)。

"我認為,這一發現的重要之處在於幫助我們增長了對地球內部構造的認識,"俄勒岡州立大學地球、海洋及大氣科學學院主動地層及海牀繪圖實驗室主任克里斯·歌德芬格爾(Chris Goldfinger)表示。"風暴引起的微震動曾經只是噪音,而現在是有用的信號,有效利用過去曾被篩除或忽略的信號是非常聰明的舉措。"

地震波幫助我們搞清楚了很多地球內部構造的未解之謎。地震波的來源一般是自然發生的地震,有時也利用大規模爆破和其他來源。通過分析地震波穿過地球的速度,可以了解地殼下部岩層的組成。不同種類的岩石,以及固體/液體界面會對地震波形成反射,從而揭露地球內部的更多信息。

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Image caption 巨大的海浪造成海牀震動,形成的地震波信號可以為遍布全球的地震儀所拾取(圖片來源: PEDRO PARDO/AFP/Getty Images)

"之前從未考慮過天氣事件,這就是這一發現的獨特之處,"歌德芬格爾說。地震仍然保留首要工具的地位,天氣事件則提供了新的地震波來源,據此可以研究地球內部構造,他接著說。

但是加利福尼亞州Scripps海洋學研究院的研究員彼得·布羅莫斯基(Peter Bromirski)和彼得·哲斯托夫特(Peter Gerstoft)表示,微震動的表現比地震還要好,後者的發生概率很低,並且集中在地質板塊邊緣。而微震動則更常發生,並來自所有方向。

所有風暴系統都會產生不同種類的微震動,然而某些類型的風暴對於研究地球構造的地質學家更有用。

"與一般的熱帶外氣旋相比,炸彈氣旋影響到的範圍較小,因此信號來源位置可以較為精確地判定,"哲斯托夫特表示。設想一下用手用力上下擺動一根澆水軟管。S波導致的物質波動也是一種與之類似的突然但範圍有限的波動。P波會壓縮並拉伸大地,就好像在地板上上下迅速掀動一個袍子。

地震手電筒

日本研究人員發現,炸彈氣旋形成了兩種類型的S波——呈橢圓運動,且可轉化為P波的SV波;以及沿水平方向劇烈運動的SH波。

速度和性質不同的各個波形反映了地球內部的不同部分,歌德芬格爾說。"就像是裝了各種手電筒的工具箱,每隻手電筒都能照亮箱子的一部分,"他說。"新發現增添了一種手電筒,照亮了之前黑暗的一塊地方,還可能會照亮跟多地方。"

那麼炸彈氣旋為什麼能夠在海牀上產生微弱的S波?

主要原因在於其突然性的能量釋放過程,雷格羅說。

"爆發性氣旋的標凖氣象學定義是,中心壓力在24小時內下降24微巴,"他說。"壓力迅速下降後,周圍的空氣來填補空洞,從而在表面產生強風。"

在北半球,每年9月到下一年4月,這種天氣現象會出現大約40次。此類風暴一般在西北大西洋和西南太平洋發育形成。每年冬天,美國東北部都會遭遇幾次此類風暴。有些風暴較為溫和地通過陸地向海洋運動,而有些——例如緬因州經歷過的——則會橫掃東北部地區。

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Image caption 可以用螺旋彈簧模擬兩種類型的地震波——S波位於左側,P波位於右側(圖片來源: Science Photo Library/Alamy)

11月的炸彈氣旋過後,緬因州居民都在忙著清理倒下的樹木和遍地的瓦礫,而地震學家們此時卻興奮異常。

很不湊巧,日本的監控裝置位於從緬因州發出的地震波的"陰影區"。地球的液態內核折射並吸收了地震能量,因此西田究和他的同事使用的地震儀沒有拾取到這場風暴引發的震動。

"炸彈氣旋摧毀力巨大,但是它所激發的地震卻沒有探測到,"西田究說。他希望世界其他地區的地震儀拾取到了信號,但他們仍然需要自己處理這些數據。

和緬因州居民一樣,地質學家們也陷入了漆黑一片——至少暫時如此。

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