本文節錄自《妙趣痕聲》一書〈地球聽診器〉部分內文，重新調整編排順序而成
講者／馬國鳳 中央研究院地球科學研究所聘研究員
撰文／阿樹 震識：那些你想知道的震識 副總編輯
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。所以，讓我們用不同的比喻，來重新理解地震學和地震儀吧！
用欣賞音樂的角度來理解地震學家的工作
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做為「地鳴」來解釋，並武斷的認為這樣的聲響可以做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做為相對「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，所以地震學家總希望把地震儀放到世界上的每個角落。
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）。
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| 圖4-3 地震儀的基本原理 |
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）。當時的人們已經瞭解到，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，利用機械發條的原理，以慢慢轉動的方式，逐步記錄下地震波。只要轉軸穩定旋轉，加上紙上預先畫好的網格作為時間間隔的記號，再搭配上精準的時鐘，這樣就能知道得到地震波到達地震觀測站的時間。
地震儀的靈魂：阻尼器
話說，回地震儀中必備的阻尼器（圖4-6），。這個構造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，。為什麼地震儀需要阻尼？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。在記錄對地震來說時的狀況便是：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。
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| 圖4-6 AS-1地震儀結構圖。用來科普推廣教育的AS-1地震儀，相較於基本的地震儀原理，多設計了磁阻尼的結構。來源出處：中央研究院地球科學研究所 電子室 |
戰爭竟然推動了地震儀發展？
不同層次的科技更新，也會為地震儀、地震研究帶來更多的進步，但許多進步的契機卻不一定是以研究為出發點。比如世界地震觀測網 (World-Wide Standardized Seismograph Network；WWSSN) 是來自於1960年代冷戰時期，為了監測「核子試爆」而投入的資源。由於地震儀能記錄下來的振動，不單單只有地震，在良好的地震觀測網之下，若有國家於地下進行核子試爆，必定無所盾形。基於這個原因，當時的美國政府便努力的讓一百二十個地震觀測站能盡可能地均勻分布於全球（圖4-7），以達到全面監控地下核試的目的。而這同時也意外地對地震學有了巨大貢獻：那些過去看起來沒有地震的地方，一下子都觀測到地震了，就像是重度近視的人，突然戴上眼鏡一般，什麼東西都能看清楚了！有了更好的資料，研究也就能夠突飛猛進。WWSSN意外的「副作用」，竟然是讓地震學家有更多清楚的資料，使得我們對於地球的內部有了更深入的瞭解。除了我們現在於地科課本上提及的地殼、地函、地核等分層構造外，地球內部還有一堆複雜構造，也是在有了更多好的地震資料後才逐漸被解析出來。
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| 圖４-7 世界地震觀測網的測站分布圖。Peterson, J., & Hutt, C. R. (2014). World-wide standardized seismograph network: a data users guide (p. 82). US Department of the Interior, US Geological Survey. |
到了冷戰末期，地震科學的發展又是由另一個軍事設施而帶動——全球衛星定位系統 (Global Positioning System, GPS)。衛星定位的問世乃是基於長程導彈與軍事部署需要更精確、即時的定位資料，因此美國也率先利用了二十四顆人造衛星，建立了可以快速定位的GPS。可是，GPS除了有助於快速精準的定位之外，也提供了精確度極高的時刻，而時間的精度也直接決定了地震定位的精度。有了可自動校時的GPS，也減少了更多不必要的誤差。在這之前，就常有耳聞，由於部分測站的時間錯誤，讓地震定位結果大幅失準的案例。
戰爭外的其他影響因素
不過地震儀進步的歷程，也不完全都是源自於戰爭的幫助。當積體電路問世後，大家可能多會想到臺灣的高科技代工產業與經濟發展的故事，然而對地震儀來說，這又是另一個契機，因為不只是電子設備，連地震儀也是愈做愈輕巧。早期臺灣的威赫式地震儀、大森式強震儀這種外觀動輒幾公尺大的儀器，實在不怎麼方便，但隨著各種電子元件的發明，到現在相當輕小、比手掌更小的QCN地震儀，還讓「隨處都有地震儀」的超級密度分布不再是夢想。先不談後續的地震資料解算，光是利用偵測地震波，以振幅求得即時震度，如果地表有密密麻麻的地震儀，就已經可以讓我們很快地掌握哪邊震度大、哪邊震度小的資訊，這樣一來就能馬上提供災情評估的參考。
除此之外，隨著人工智慧與大數據資料處理的興起，也讓地震可以做到自動定位、甚至自動修正自己的定位結果。目前臺灣大學、中研院與三聯科技合作的P-alert觀測網便利用這樣的系統製作了即時展示網頁 (https://palert.earth.sinica.edu.tw/)，並可以自動產生出地震報告。另外，該網頁還能夠做到即時震度的展示，如果你一直盯著網頁看，此時剛好有個地震發生的話，就能立刻看到各個地震即時的震度偵測變化！
隨著科技發展，這「地球聽診器」不僅能聽地球，還有很多事可以做，且讓我們再用一個篇章，為大家多談地震儀的未來展望。
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