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【科學講堂】海底光纖電纜成地震測量「天線」

2018-06-27

比較激光波幅知振動程度 成功預測意國6級地震

日本地震頻生,本月18日,大阪發生黎克特制6.1級地震,造成至少4死近400人傷,當時身處大阪的香港旅客,返港後猶有餘悸,不禁讓人想起2011年3月11日發生的悲劇:東日本大地震(福島及仙台一帶)引發巨大海嘯,造成3萬多人死亡或失蹤外,還導致福島核電廠損毀,引發核洩漏事故,舉世震驚。

雖然科學家對地震的認識與日俱增,倘若能找到更多、更快、更好的方法測量地震,將對地震預警起到極大幫助。最近有科學家提出一個創新建議:利用橫~在海底、長達100萬公里的通訊電纜測量水底地震。

地震成因簡單睇

早前筆者簡介了大陸板塊理論:大小不一、恍如拼圖的陸地板塊,在地球表面四處「飄移」,形成不同地貌。有時候,不同板塊正好「狹路相逢」,聚在一起互相擠壓,起初還能彼此「容忍」。

不過,當情況惡化,板塊間再無法承受壓力,便會經由大幅度振動,把這些壓力釋放出來。

不幸地,生活在這些振動板塊之上的人類,便要經歷天翻地覆的地震了。

海底地震 觀測不足

正因地震對人類影響如此深遠,我們一早已不遺餘力進行研究,並在許多地方設置測量地震的儀器。

不過地球約七成表面被海水覆蓋,這些位於陸地上的儀器,未能準確探測在海底發生的地震。偏偏許多地震發生在海底之下,而海底地震通常引發破壞性極大的海嘯。

英國國家物理實驗室(Britain's National Physical Laboratory)的Giuseppe Marra等研究員,提出利用海底光纖電纜幫助測量地震,讓光纖除了能傳送訊息,還能接收來自海底的另類訊息。

激光猶如精細間尺

原理是向電纜中的光纖發射出激光光束,光束通過光纖到達另一端電纜,再沿茼P一條電纜返回,形成環路。

在一來一回間,任何振動都會影響激光移動的距離,因此只要比較射進去的激光和反射回來的激光,便會知道電纜有否振動了。

激光也是一種光波,比方說假若反射回來的激光波峰(波紋的最高點)正好遇上射進去的激光波谷(波紋的最低點),那麼兩束激光聚在一起,便會互相抵消。電纜的移動可能使回來的激光波峰,遇上射進去的激光波峰,那麼它們就會「相得益彰」,變成波幅更大的光波了。

這種顯著的改變,讓我們能察覺電纜的移動。而且激光的波長很短,波峰密集,電纜很微小的動靜就產生這些明顯的效果了。

小 結

這種新方法已在意大利「小試牛刀」。在2016年,英國國家物理實驗室在倫敦的總部與數據中心之間,一條長約80公里的光纖電纜中,錄得的「噪音」使他們成功探測意大利一場6級地震,證明此路可通。筆者希望這項技術在未來能被廣泛應用,以更快更準地預測地震來臨。

作者簡介:張文彥 香港大學土木及結構工程學士。短暫任職見習土木工程師後,決定追隨對科學的興趣,在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位,修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師,教授基礎科學及通識課程,不時參與科學普及與知識交流活動。

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