極端天氣下的加州大火
文/吳育雅
繼2020年上半年破紀錄高燒不退的北半球（盧孟明，2020），八月中旬美國加州死谷地區出現的高溫54.4℃，是地表有史以來最熱的紀錄。九月初嚴重熱浪吹襲洛杉磯，超過49℃的氣溫再度打破該區的歷史紀錄，既焚熱又乾旱的天氣條件助長了加州的大火，造成美國西部創歷史高峰的經濟損失。
各地火場出現的節奏
地球上總有正在燃燒的東西，火是大自然的一部分。森林野火可以由閃電引起，或是火山噴發時噴出的熔岩點燃火源。大火清除死亡和垂死的灌木叢，有助於使生態系統恢復健康。生態系統包括森林和草原，植物與野火一向互伴共生，森林燃燒之後，土地裡的種子得以萌芽獲取陽光，新的物種出現生態系隨之變化，也有助於不同物種繁殖演化。自然界的大火也可能是人為觸發的，人類用火燒來管理農田和牧場，作為砍伐和焚燒的工具，以加快將有害植被分解為土壤的過程，也用來清除自然植被或是將舊有的森林做為道路或田地開發，為了騰出土地空間來種植農作物。
在全球每年至少出現10,000起活躍的大火，有70％發生在乾燥的非洲。12月和1月，非洲大陸北部爆發出大量烈焰(圖一(A))，隨著季節遷移在半年之後火燒地區轉移到南部(圖一(C))。尤其在每年四、五月間，北半球因農民清理及維護農地，於是火場散佈在整個歐亞大陸、北美和東南亞(圖一(B))。南美和赤道亞洲的熱帶森林中，由於人們利用乾旱季節清理雨林和熱帶稀樹草原，為了阻止樹木和灌木叢再度侵占他們已經清理過的土地，大火會在8月、9月和10月爆發。北美地區和歐亞大陸的寒帶和溫帶森林，在夏季也常因偏遠地區的閃電等自然因素點燃而引發大火。
圖一 . 影像中顯示的是不同月份正在燃燒的火場，顏色顯示火點的計量，與火勢面積、大小無關。這些影像是根據Terra衛星上的MODIS觀測而來。資料來源
美國加州屬於典型的地中海型氣候，夏季乾燥，冬季溫和，一年中大部分時候都相對乾燥、陽光充足，素有「陽光加州」之稱。加州也有廣闊的森林綠地，森林覆蓋率高達全州面積18%。歷史上加州在秋季是 「野火季節」，因聖塔安娜風(Santa Ana winds)乾燥猛烈而易於起火，聖塔安娜風來自洛磯山脈東側的高氣壓，在越過山後下沉，為加州海岸地區帶來高溫且全年度相對濕度最低的空氣，這股乾燥的沉降熱風有時非常強勁，是促發大火的關鍵條件。
二十世紀後半期，美國西岸包括加州地區的山林大火，其出現頻率和燃燒規模有逐年擴大的趨勢。Salguero 等(2020)根據大地衛星(Landsat)影像分析1984-2017年間美國不同區域燃燒面積超過1000英畝的大規模野火，不論是燃燒總面積（圖二(a)-(c))或是將燃燒總面積/頻率求得的平均燃燒面積（圖二(d)-(f)）均出現顯著的上升趨勢。他們同時發現：地表氣溫與火點出現的區域有最密切的關係; 這是因爲高溫會增強蒸發作用，使得著火機率上升且有助延長燃燒時間，因而擴大燃燒面積。
圖二.近34 年來美國西北地區和加州的大範圍野火燃燒面積都有增加趨勢(Salguero, Li, Farahmand and Reager，2020） 。
在全球暖化的大背景下，許多氣候趨勢研究指出：美西的春天將更早來臨，積雪較早融化，空氣與植物乾燥時間拉長，而降雨較晚、降雨量不穩定，降水量減少，一旦森林地區格外乾燥，不單容易發生火花，火季也將隨著氣候變暖而延長了。學者早已預料加州的大火會愈頻繁且更加持久、規模擴大且更為嚴厲。至於影響大火的因素，Westerling等人(2006)在科學(Science)期刊上發表的研究結論：春夏季的高溫以及春季融雪提早1-2週，使森林大火發生的頻率增加四倍，野火蔓延時間（從發現火點到控制）也從平均一週延長到超過五週（針對1986年到2003年大於400公頃的大火和之前的16 年相比）。他們發現：如果冬季降水減少、氣溫升高，春天融雪又提前出現，早春和持久的炎熱夏季，會導致森林等植栽更為乾燥是大火頻率增加主要的變因（圖三）。他們也針對大火分布的區域，比較人類改變土地利用的方式和氣候變遷的影響，以洛磯山脈為例說明氣候變遷的影響比土地利用的改變更為劇烈，認為僅就森林燃料的管理研擬策略，也難以逆轉野火增強的趨勢。
圖三 .Westerling, Hidalgo & Swetnam(2006)以1986-2003和1970-1986年比較，春夏季的氣溫增加(A)以及融雪提早(B、C)都使森林大火發生頻率增加(Science, V.313, P.940-943)
2020年加州多重極端天氣與失控大火
二十一世紀以來，異常且極端的氣象條件，包括不斷打破高溫的紀錄、持續乾燥的空氣，以及強勁的暴風，使加州這個地區面對野火威脅顯得更加脆弱; 以致從2000年以來，其滅火經費每年都超過十億美元(Barbero等，2015)。2018 年十一月「營溪大火(Camp fire)」是一致命的野火，燃燒面積超過15萬英畝（比兩個台北市還大），其中的「天堂鎮」，是以風景優美空氣清新為名的度假與退休勝地，在一天中全鎮幾乎全毀，兩萬六千多位居民被迫遷移到附近其他地方尋覓住處。當時認為這次大火是加州有史以來，最具破壞性、毀滅性的野火。
2019年末，創紀錄的乾旱天氣襲擊了美國西部（圖四），並一直持續到2020年，引起州政府和媒體的嚴重關切，加州州長Gavin Newsom三月即率先宣布進入緊急狀態。不幸的是劇烈天氣超常且嚇人，氣溫屢屢創下新的紀錄。在今(2020)年8月14日至16日北加州遭遇史上未曾有的熱浪肆虐，竟然出現超過攝氏45度的高溫（圖五），8 月16日「死谷」也觀測到130℉ (54.4℃)成為紀錄上最高的溫度。不尋常乾燥的空氣時段以及猛烈的強風，導致難以控制的大火席捲燒毀整片山林，天空若非艷紅如火星表面，就是暗霧籠罩，同時散發出濃郁的煙羽，並衝到對流層頂的罕見高度（圖六）。
圖四.土壤濕度條件和頻繁大火次數的關係。上圖為2019年九月到2020年八月透過Terra/Aqua衛星技術所得的北加州大火發生次數，下圖為同一時段該地區由衛星資訊推算的土壤濕度與平均值的差異。Credit: NASA GSFC Hydrological Sciences Lab, John Bolten, Nazmus Sazib
圖五.2020年9月6日美國西南部的氣溫，當時西南部的大部分地區被劇烈的熱浪烘烤，此圖根據NASA NOAA衛星影像經由GEOS模式整合Goddard Earth Observing System，代表在離地表2公尺高處的氣溫，最暗的紅色區域氣溫度超過113°F（45°C）
https://earthobservatory.nasa.gov/images/147256/california-heatwave-fits-a-trend
圖六.9月7日衛星觀察到來自加州的creek大火爆炸性火積雲的煙霧，衝破對流層頂的高度。
2020年9月上旬，破紀錄的熱浪以及「惡魔風(Diablo wind)」和「聖安娜風」為虎添翼，高溫造成的劇烈對流，數天內超過萬次的連續閃電，多重極端天氣的風暴狂舞，共同引發更多大火。爆炸性的活躍大火爆炸，即『八月綜合大火』，竟從八月中旬延燒到十月，成為加州有記錄以來最大的野火。9月7日，北加州一場狂風又導致80起大火促發歷史性大火，一天燃燒了近30萬英畝（12萬公頃）。到9月8日晚上，冷泉峽谷和鄰近的珍珠山大火已燒毀超過337,000英畝（136,000公頃），且其中所含燃料都不超過10％。截至本文截稿的10 月8日，加州消防局的官網顯示加州今年共有八千多件大火案例，燃燒範圍比去年同時期多了26倍，在全國消防中心的官方報告上，光是『八月綜合大火（不含8月16~17日的DOE案例)』燒毀面積則達884,139英畝（357,800公頃，相當于13個台北市的範圍）（表一）。
表一：2020年至今美國大火最嚴重的案例，今年初至10/9全國燃燒面積總計12,925,420英畝，受損建物16,607棟，滅火經費3,082,891,713美元。資料來源：美國國消防中心 National Large Incident Report
受到加州大火的影響，八月舊金山的空氣品質創下全球最差的紀錄，9月8日煙霧籠罩了西雅圖地區，並在整個海灣地區呈現極度不健康的環境。近年來研究指出野火造成的顆粒污染，遠比以前知道的還要嚴重。這是因為大火污染物，含有煙灰和其他對人體健康有害的細小顆粒; 大氣研究人員透過飛機追蹤燃燒的木材和野火產生的微粒與有害氣體，發現大火釋放危險顆粒到空氣中的速率，比美國環保署(EPA)公告數值高出三倍。研究還得知野火不僅釋出過去已知的有害氣體，同時噴出包含甲醇，苯，臭氧和其他更多樣的有害化學物質(Liu等, 2017)。聞到煙霧或空氣中有霧霾的居民，必須採取防範措施，以防吸入過多煙氣，並應密切注意當地的空氣品質資訊。
大規模野火燃燒時，熊熊火舌加上多變強風，蔓延的速度迅猛，有時候再好的消防設備也難靠近去滅火，因而從發現大火到全面控制火勢，有些必須歷經好幾週的時間（表一）。野火非但破壞自然資源與人類建築設施結構，產生大量煙霧污染，也釋放溫室氣體。在地球的碳循環中起著重要作用，它不但燒毀樹林，阻斷原本空氣中的碳經由光合作用被植物吸收的機會，大火也會釋放碳到空氣中，因而更多的溫室氣體釋放到大氣中，讓全球暖化與極端天氣更為雪上加霜！
結語
山林野火是人類需要面對的課題，因為森林管理在未來的氣候變遷課題上，可能嚴峻的未來變得更加困難。例如：起火點可能是自然現象如閃電或火山噴出的熔岩，也可能來自人為的引火。遺憾的是人為因素造成的點火，變得越來越嚴重，Balch 等人(2017) 整理美國森林局從1992到2012年間大約一百六十萬筆紀錄，扣除未有明確調查結果的少數資料，得知在研究資料的21年期間，人為因素起火的事件有84%，且佔燃燒總面積的44%，且使得大火燃燒季節比閃電因素引起的時間長達三倍。
人為引火可能是放煙火、未熄滅的煙蒂、沒有完全澆熄的營火、電線電纜走火、汽車輪胎爆胎。加州今年九月初在El Dorado的大火，其起因竟然是舉行宣佈嬰兒性別的派對煙火；當時在加州已有多場失控的火勢，同時九月是加州嚴峻的野火季，民眾還是沒有意識到乾燥炎熱空氣中點煙火的危險，這場火從9月5日起火直到 10月11日才控制住，燃燒面積達兩萬兩千英畝，損失38萬美元。
美國的民主制度崇尚個人自由，總有人不願面對氣候變遷的事實，今年不僅加州大火，美西其他州如奧勒岡州在今年有超過五十萬居民被撤離，Lionshed大火（表一）從八月中起火，至少有三場不同地區的大火起初是因閃電引起，但無法及時撲滅而合併延燒，到本文截稿之前仍未受到控制。華盛頓州今年各別火災的次數也比往年多，州長Jay Inslee說『這不是野火，是氣候大火』！正如加州州長Gavin Newsom說的『爭辯已經終結！』，他們都強烈表態大火問題不能忽視氣候變遷的影響了！
參考資料 盧孟明（2020），冬去春來高溫依舊，科研月刊59-5
Barbero R, Abatzoglou JT, Larkin NK, Kolden CA, Stocks B , Climate change presents increased potential for very large fires in the contiguous United States. Int J Wildland Fire 2015,24(7):892–899.
Balch, J.K.; Bradley, B.A.; Abatzoglou, J.T.; Nagy, R.C.; Fusco, E.J.; Mahood, A.L. Human-Started Wildfires Expand the Fire Niche across the United States. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2017, 114, 2946–2951.
Jacob Reed(2020),NASA Tracks the Link between Soil Moisture and Fire Susceptibility in California，news，Earth Science Applied science, news ,NASA.
Liu, X., Huey, L. G., Yokelson, R. J., Selimovic, V., Simpson, I. J., Müller, M., Jimenez, J. L., Campuzano-Jost, P., Beyersdorf, A. J., Blake, D. R., Butterfield, Z., Choi, Y., Crounse, J. D., Day, D. A., Diskin, G. S., Dubey, M. K., Fortner, E., Hanisco, T. F., Hu, W., King, L. E., Kleinman, L., Meinardi, S., Mikoviny, T., Onasch, T. B., Palm, B. B., Peischl, J., Pollack, I. B., Ryerson, T. B., Sachse, G. W., Sedlacek, A. J., Shilling, J. E., Springston, S., St. Clair, J. M., Tanner, D. J., Teng, A. P., Wennberg, P. O., Wisthaler, A., and Wolfe, G. M.: Airborne measurements of western U.S. wildfire emissions: Comparison with prescribed burning and air quality implications, J. Geophys. Res. 2017, 122, 6108–6129.
Salguero, J.; Li, J.; Farahmand, A.; Reager, J.T. Wildfire Trend Analysis over the Contigu-ous United States Using Remote Sensing Observations. Remote Sens. 2020, 12, 2565
Westerling, A.L. Warming and Earlier Spring Increase Western U.S. Forest Wildfire Activity. Science 2006, 313, 940–943.
美國消防中心年度至今最新報告
吳育雅
國立臺灣大學師培中心 專技助理教授
大氣河長江水
文/盧孟明
2020年6月至9月上旬東亞雨量充沛，中、日、韓先後出現破紀錄大雨，華南災情尤其嚴重，房屋坍塌超過5萬戶，受災者有6千餘萬人次。 6月初長江中下游開始出現連續暴雨，250條河流出現超警戒水位，是常年同期的1.4倍，中國的中央氣象台連續40天(6月2日至7月11日) 發布暴雨預警[1]。 臺灣的2020年梅雨季(5、6月)卻是另一種景況， 除 5 月中下旬受滯留鋒面和西南季風影響有連續降雨，其他時間因西北太平洋副熱帶高壓籠罩，天氣悶熱，南風送來的水氣受到地形抬升在部分區域發展出比較旺盛的對流和較大雨勢，降雨型態以午後局部短暫雷陣雨為主。雨量方面，全國25個局屬站僅有高雄與澎湖的5、6月累積雨量高於氣候平均值，其餘23個測站的雨量都低於氣候平均值[2]。
什麼因素決定了2020年長江與臺灣梅雨季的乾濕差異呢？ 大氣中的水氣分佈得相當不均勻。以夏季來說，受大範圍沉降氣流控制的高壓區域空氣乾燥穩定，在沉降氣流較弱的潮濕溫暖區域空氣比較不穩定，在形質差異大的兩種氣團交會處形成的鋒面空氣最不穩定，容易有旺盛的對流運動把聚集在海洋和陸地表面的水氣帶向高空乘風遠遊。 地上的河流是雨水順著地勢聚集成河，空中的水氣也是聚集在不穩定的鋒面帶形成水氣通道，當大尺度（五、六千公里）氣團移動緩慢呈現「滯留」狀態時水氣通道就有機會累積豐沛的水氣作為成雲降雨、雪的原料。2020年梅雨季西北太平洋副熱帶高壓系統在五、六月特別強盛，台灣位在高壓下沉區內空氣穩定，長江下游則位在高壓北緣不穩定區域，對流活動十分活躍，兩地梅雨乾濕形成強烈對比。然而，連續暴雨不僅僅發生在長江下游，表示影響因素不僅止於西北太平洋副熱帶高壓偏強。事實上，在2020年梅雨季出現了一條從印度洋和南亞一路向東延伸到西北太平洋的水氣通道，這一條大氣長河使亞洲多處在梅雨季中三十天之內發生破紀錄的極端大雨。
臺灣梅雨和西北太平洋副熱帶高壓
每年5、6月是北半球從印度洋到西北太平洋在北緯30度以南的印太東亞季風區的季節轉換期，而位在大陸與大洋邊緣的臺灣從春天跨入夏季的橋段正是「梅雨」。按照中央氣象局定義 [3]，「梅雨季」有兩個月，然而影響台灣氣候的大尺度環流的季節性轉變卻經常在一兩週之內快速完成。以2020年為例，『2020年梅雨季東亞夏季季風分析報告』[2] 指出5月中旬開始臺灣受滯留鋒面和西南氣流帶來的豐沛水氣影響，全省有雨；6月第3候(6月10日至14日) 梅雨鋒面北移至長江流域及日韓一帶，宣告臺灣梅雨期結束。依此，2020年臺灣梅雨季當中明顯有雨的時間大約一個月，其中以5月21日至30日雨勢較大，這段時間的季風區雨量分佈和大氣低層(850hPa)風場顯示在圖1。圖1看到在西北太平洋北緯10度至30度之間有反氣旋環流，稱為西北太平洋副熱帶高壓環流，這個區域的氣象特色為穩定的下沉氣流，空氣濕度低，不利大氣對流發展。圖中黑色粗虛線標示了副熱帶高壓從太平洋往西朝東南亞延伸的脊線，高壓脊線南北兩側是雨帶而高壓脊中心大氣穩定少雨。圖1副熱帶高壓脊線隨著日期往北推移，上圖(5月21～25日)高壓脊線西伸到南海南部靠近赤道的位置，下圖(6月10～14日) 高壓脊線北抬到北緯25度左右，西伸到臺灣上方，因此臺灣附近為相對穩定偏乾的下沉氣流，不利對流運動發展；高壓脊線的南北兩側則是對流旺盛的不穩定區域，高壓脊北方從西南往東北走向的狹長雨帶在大氣低層(850hPa)盛行風向為西南風，印度半島及孟加拉灣有大範圍季風雨，在孟加拉灣東北方的喜馬拉雅山區也有明顯降雨，繼續往東北方向延伸至長江流域仍有明顯降雨，並且往東順著西北太平洋副熱帶高壓北緣向東北延伸到中太平洋換日線(180度經線)中太平洋副熱帶高壓的北緣。
長江梅雨和大氣河
從長江頭到長江尾的狹長雨帶從衛星觀測可看得十分清楚。以2020年6月18日為例，從美國國家航空暨太空總署世界景觀(NASA/Worldview)網頁全球雲圖截取出季風區域(圖2)，看到青藏高原東南側從孟加拉灣北端往東在橫斷山脈包括長江發源地與上游的藏川滇黔山區雲水豐沛，雲頂溫度越低衛星圖的白色亮度越高，從橫斷山脈到長江口的帶狀亮白區域表示廣大的長江流域上空雲水豐沛，如同大氣長河，大氣河兩側是由下沉氣流主導的穩定乾燥的高壓區域，臺灣上空被副熱帶高壓籠罩天晴無雨[2]。日本筑波大學學者釜江陽一 (Youichi Kamae)在2020年12月的美國地球協會秋季會議發表研究報告[4]，指出「大氣河」是造成2020年中、日、韓水災的主要天氣因素。世界氣象組織的2020 年7月10日新聞稿[5]指出的洪災危險區還包括了印度東北部、孟加拉、緬甸、尼泊爾、和大部分的東南亞國家，可見2020年印太東亞季風區異常多雨範圍廣大，「大氣河」貫穿這些區域之間，影響不容忽視。
認識大氣河
大氣河(Atmospheric Rivers)通指大氣中的狹長水氣輸送帶。這個名詞出現在1990年代初期，用來描述大氣中輸送水氣和懸浮微粒的狹長帶狀噴流通道，之後越來越多研究發現在中高緯度大氣水氣分佈非常不均勻，任一緯圈的大氣層當中百分之九十的水氣集中在百分之十的區域，這些水氣集中地往往是大氣河發生地點。使用觀測或模式資料辨識大氣河，需要計算整層大氣空氣柱(通常僅考慮水氣含量高的對流層)的水氣總量以及水氣傳輸通量，若把水氣通量門檻值設為250 kg m−1 s−1，大量全球觀測資料統計結果顯示大氣河的平均寬度約800公里，深度3公里，長度數千公里，登陸時通過「河口」的水氣通量大約每秒50萬公噸，這是美國密西西比河入海口流量的7.5至15倍，是名符其實的大氣河[6]。既然有百分之九十以上的水氣靠大氣河傳輸，可想而知大氣河一方面是洪災的禍首，另一方面也是萬物賴以維生的水源。 圖3是刊登在美國國家航空暨太空總署全球水資源中心(NASA/Global Hydrology Resource Center)網頁的大氣河科學解說，圖中說明摘譯以英文字母Ａ~G條列在圖的下方。相同的概念可應用在了解圖2從孟加拉灣北端往東經橫斷山脈長江發源地和上游的藏川滇黔山區雲水豐沛的原因。2020年5~7月西印度洋以及阿拉伯海和孟加拉灣的海表面溫度異常溫暖，水氣豐沛，孟加拉灣上的南來夏季季風把源源不斷的暖溼的空氣抬舉到山區，形成雲雨。
2020年梅雨個案的提醒
大氣河是全球水循環(圖4)的基本現象之一。在地球自然界的水分子總量不變，也就是液態、氣態、固態水的總量基本上是固定的。水以不同型式儲存在地球不同地方(圖4)，有97%儲存在海洋裏，其餘主要儲存在高山上的冰河、積雪和南北極區的冰山與冰原。氣態水在大氣中停留的時間不超過兩週，液態水可留在海洋裏數千年，留在地底下的時間甚至能超過萬年。高山與極區的冰河、冰蓋、積雪是最主要的淡水儲存庫，全球75%以上的淡水資源都存在這裏，有99%存在南極大陸和北極格陵蘭。由於水的總量不變，如果陸地上存的水減少，海洋的存水就會增加，海平面隨之上升。大氣中的水氣含量隨著全球氣候暖化而增加，大氣河的影響力或破壞力勢必也隨之增加。目前全球最準的歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)全球預報模式對於大氣河大約可在7天前有效預測[7]，全球氣象預報科學家正投入大量心力改進大氣河的預報準確度，期望能提供更長期更準確的預報資料給水利和防災單位運用。若能準確預測大氣河的發生與位置，將有助於預測在其影響期間受影響區域的連續大雨發生機率或是鄰近乾區的連續不降雨日數。
臺灣雖然四周環海，卻是世界排名第十八位的缺水國家。由於地狹人稠、地勢陡峭、河川短促、雨水豐枯期明顯等因素使得每年每人平均分配到的水量只有全世界平均雨量的七分之一，屬於缺水國。由2020年梅雨季案例可知，唯有加入全球觀測並提升天氣預報與應用分析能力，才能因應變動加劇的未來。
參考文獻 [1] 維基百科：2020年中國南方水災 [2] 中央氣象局長期預報課： 2020 年梅雨季東亞夏季季風分析 [3] 中央氣象局數位科普網『梅雨』之一：什麼是梅雨？ [4] Kamae, Y., Y. Imada, and W. Mei, 2020: The tropical oceanic forcing on the occurrence of the heavy rain event of July 2020 in East Asia. 2020 AGU Fall Meeting, A055-02. [5] WMO, Heavy rains and flooding hit large parts of Asia. [6] American Meteorological Society, 2020: Atmospheric River. Glossary of Meteorology, [7] DeFlorio, M. J., Waliser, D. E., Guan, B., Lavers, D. A., Ralph, F. M., & Vitart, F. (2018). Global Assessment of Atmospheric River Prediction Skill, Journal of Hydrometeorology, 19(2), 409-426. Retrieved Mar 6, 2021
圖1.850hPa 5日平均風場（流線）和雨量(彩色，單位：mm/day)，由上至下分別為5月21~25日、5月26~30日、6月10~14日。粗黑虛線標示西北太平洋副熱帶高壓脊線位置。 圖片摘自 中央氣象局長期預報課： 2020 年梅雨季東亞夏季季風分析，圖二。資料來源
圖2.2020年6月18日衛星雲圖。資料來源
圖3.大氣河科學概念圖。資料來源
圖4.水循環示意圖。地球表層水體構成的水圈包括海洋、河流、湖泊、沼澤、冰河、積雪、地下水和大氣中的水。海洋和地表中的水蒸發到天空中形成了雲，雲中的水通過降水落下來變成雨，冬天則變成雪。落於地表上的水滲入地下形成地下水；地下水從地下冒出形成泉水，經過小溪、江河匯入大海。水在陸地、海洋、大氣之間運行變化構成水循環。圖片來源
臺灣大學大氣科學系教授
盧孟明
聆聽火星內部的迴響
文/吳育雅
正當全球耐著性子對抗嚴峻的疫情時，今年初在火星登場的人類圓夢熱潮稍微平緩了我們的嘆息聲浪。首先是2月9日阿聯酋的希望號（Hope）抵達，隔日中國的「天問一號」也到了火星旁打轉，準備等五月下旬放下登陸車，之後是美國航太總署(NASA) 2月18日順利著陸的毅力號捷報。不僅如此，令人興奮的其他消息之一，是人類火星探測五十年來，首次得知火星內部分層的訊息，靠的是『洞察號」從2018年底以來努力的聆聽與調查，終於獲得可靠的資料推算出火星表面之下的「火」殼、「火」函和「火」核的大小。火星因而成為地球和月球之外，第三個人類根據實際數據調查出內部分層的星球。
如何「窺看」星球的內部？火星現在還有火星震嗎？探測火星內部有多難？洞察號的任務設計如何進行？或許你更好奇，只有洞察號一個地震站，怎麼定出震央震源的？本文將逐一說明這些方法，並討論火星內部調查目前得到的結論。
探測行星內部的物理方法
大家都知道地球內部可分成地殼、地函（(mantle) 也稱為地幔）與地核，就如同雞蛋有蛋殼、蛋白與蛋黃一樣。即使地球沒有辦法像雞蛋那樣敲開來，我們不可能親眼看見地下分層，為何對這樣的結論卻顯少懷疑呢？
教科書上的說明指出探測地球內部的方法和醫生聽診的原理類似，醫生可以學習「理論」，再透過聽診器依據「經驗」分辨病患心臟有什麼問題？胸腔裡的肺部有沒有積水？氣管裡有沒有阻塞？聽診的類比是將地震波（從地球內部傳出來的）視為脈動，地震儀就如耳朵通過聽診器取得內部傳遞情形的訊息。當中最重要的判準就是震波速率，地球物理學研究不同的岩石、實驗金屬材料和溫度壓力的改變怎麼影響波速，建立各種不同內部構造模式的假設，再分析地震站所接收到的地震圖譜(seismograph)，決定地震波來源（震源位置），計算震波走了多遠的距離，和理論的預期相比較，進一步推敲經過什麼性質的材料，來參透地下不同深度的震波速率。
那麼，透過地震儀接收地震波，是如何解鎖地球內部的震波速率變化呢？
首先，我們可以提出一個最最簡單的模型假設：「如果地表到地心的物質完全相同都沒有變化，震波在地球內部傳播速率就不會改變」。以這個模型為前提，任一地震發生之後，只要知道震源位置，即可由距離算出震波傳遞到地震站所需要的時間。現在若有三個地震站，相對位置和震源的距離是1:2:3（圖一(a)），設震波等速傳遞，則三個站接收地震波的時間會出現(T1-T0) : (T2-T0) : (T3-T0)= 1:2 :3 的關係（圖一(b)）。
圖1.假設內部物質完全相同，震波維持不變的模型(a)與地表接收地震波抵達預期時間(b)
一旦有地震發生，即可收集全球地震站（圖二a）所接收的震波圖譜（圖二b）查看以上假設是否屬實？目前全球的地震觀測站超過二萬個，地震發生後，從地震站與震源的相關位置去查照地震波傳播時間，就會發現地球內部並非那麼單純，在圖二(c）橢圓虛線框的範圍震波比理論的時間還要久，可見走到這裡的震波速率是比預期慢的，因此必須由實際觀測去修正理論模式(圖二d）。
圖2.根據全球地震站觀測網(a)不同地點所接收的地震圖譜(b)，繪製震波到站時間與震源距離關係(c)和理論模式對照，以檢驗理論假設的虛實(d) ((b)圖取自IRIS網站教育推廣資料，(c)(d)作者自繪）
地表岩石比重大約是3，但是從地球的質量和體積得出平均比重為5.5，可合理推論地球內部肯定是比較緻密的物質。因此我們可分別假設「地球內部材料是逐漸變為越來越緻密」、或「地球內部有明顯不同的分層」，去建立不同的構造模型，再比較震波紀錄以驗證哪一個與實際觀測結果比較接近。若是由不同材料的分層構成，根據波動的性質，震波傳遞遇到不同的材料應會折射與反射（圖三）。地球上地震很頻繁，光是芮氏規模為4的地震每年即成千上萬筆，可以提供豐富的震波數據，從各樣的模型假設與真實觀測資料來解鎖地球內部構造，地球物理學家得以一再檢驗與修正各種理論模式。
圖3.震波傳播在不同的介質中改變傳遞方向，逐漸緻密的物質會使波緩緩折射(a)明顯變化的介面則會折射(b)甚至完全反射(c)
另一個要了解的問題是在多深的位置出現改變？地核的大小是如何靠震波分析出來呢？地震波不只一種，例如每逢地震發生，少數靈敏的人會注意先有一個微小的震動，這個經過地下物體震動最快到地表的是P波(壓縮波，P代表Primary，因為是第一個到地表的波動）因為震動幅度比較不明顯，平常大家並不一定會察覺。之後另一個S波（剪力波，S代表Shear，或是Secondary)到達時震幅比P波來得大，甚至引起大家高喊「地震、地震喔」的騷動。這兩種波還有一個性質很不同，P波像聲波可以在空氣（氣態）、在水裡（液態）傳播，但是S波只能藉由固體才能傳遞下去。根據觀測在地震發生之後，和震源的地心夾角大於103度的地震觀測紀錄中，S波沒有出現（圖四(a))，這個現象是全球性的，都是在角度相距103度之後，S波就不見了（圖四(b))，圖四(b)灰色區域的地表代表收不到S波的區域，稱為Ｓ波陰影區。
為何S波消失了呢？合理的推測是在某個深度之下，不再是固態的物質，是S波無法傳播的介質。這個非固態介質在多深的地方呢？其實你可以自己試著去估計，方法如下：畫一個圓代表地球，在地表任一點作為震源，依據和震源的地心夾角，找出左右相距103度的地表位置，以震源為中心畫出兩線條（圖四(c))，這線條用來區別可接收到S波的區域和收不到紀錄的S波陰影區。因為全球各地都有相似的現象，在你繪的地球圓形上多找幾個不同點作為震源，重複一樣的過程，當你畫出越來越多的線條之後，很快便會看出交會出一個中央沒有線條通過的核心(圖四(d))，根據你所繪出的圓形半徑和地球半徑相比，你就能估算出地核位在地下多深的地方了！
圖4.繪製跨越全球的地震站所接收的S波到站時間與震源距離關係(a) 。灰色區域的地面代表收不到S波的區域，這個區域的地震站與震源的地心夾角都大於103度(b)。以震源為中心，找出左右相距103度的地表位置，畫出兩條線(c)。重複(c)的方式畫出更多線之後，沒有線條通過的代表非固態核心(d)。
地球內部分層不僅有非固態的核心，1939年雷嫚(Inge Lehmann)發表地球核心內部是固態的，因此地核區分成液態的外核與更深處固態的內核，今年初澳大利亞大學Stephenson領導的團隊發現震波速率與地球自轉軸不同夾角的方向有差異，建議地球內部最深處可能還有一層半徑650公里的最內核存在。
火星也有不同分層嗎？
沒有地震波紀錄之前，我們只能透過火星體積與公轉推敲火星平均比重是3.96，比地球的5.5略小，因而猜測若不是火星的核比較小，就是組成的材料要比地核的物質輕。
在火星軌道太空船成功繞轉之後，能夠進一步根據火星表面的地形起伏以及自轉的轉動慣性去估計它的重力場。以火星的地形來說，它有一個高達27公里的奧林帕斯火山，及附近方圆達4000公里的塔西斯高地(Tharsis Bulge) 。北半球地勢深陷但地形較平坦，南半球則是多坑洞的高地，暗示著組成火星殼的組成物質或是火殼厚度在南北半球有別。
然而沒有確實的詳細數據，科學家僅能在不同條件下，推測火殼厚度的可能範圍，2020年一群以Wieczorek 為首的研究者共同發表，他們鎖定一地點的地殼厚度，推估南北半球的火殼密度與火殼厚薄的關係，當組成密度一致時，北半球和南半球的厚度差異可能達90公里（圖五 ）。如果能進一步得出南北半球火殼物質的密度，就可以更細緻去分析各地的火殼厚度。目前像這樣的研究都有非常多項假設，火殼厚度和火殼密度是互相依賴的關係，獲得其中一項數據，才能推算另一項性質。若是想要得知更深層的火幔(mantle)有沒有分層，只能建立更多項的假設和推測。
圖5.鎖定洞察號登陸位置的火殼厚度，能推估地殼密度與厚度的關係。若地殼組成密度一致，北半球和南半球的厚度差距可能達90公里(上)，如果北半球低地為較重的物質、南半球高地地殼材料較輕，則厚度變化較小(下)(Wieczorek et.al., 2020)
最好的線索就是火星的震波資料，因為我們已經有豐富的地球內部震波探測知識，有能力將地球震波的原理應用在其他星球上！人類並非不曾想過調查火星構造，1976年的維京號太空船就嘗試傾聽火星震，裝備的火震儀認真監聽了19個月，當時任務科學家們也認認真真整理了至少640小時的紀錄，但絕大多數紀錄的是風聲和氣溫變化造成的噪音，僅僅有一個可以被確認是火星內部產生的「火星震」，相較在地球上每年芮氏規模4的地震可以有數萬筆，這項結果足足讓人心涼了大半！
過了二十年後，巴黎地球物理研究所主導推動火星內部調查，他們設計的寬頻帶地震儀(broad band seismometer)搭載在1996年由俄羅斯發射的Mars96計畫升空 ，非常不幸的是Mars96發射時，火箭點火發生問題，最後整個炸成碎片散落。
第三度嘗試火星內部研究是「Netlander」計劃，預訂設四個地震站連成網路，這項計畫因為花費太昂貴而被中止。第四度是參與ExoMars的「洪堡酬載」（Humboldt payload），又因經費過於龐大被取消。可以想見，探測車多次順利上了火星，卻不得一窺內堂奧秘，欲知火星內部的好奇心，已度過漫長的四十年煎熬等待，對於設計火震儀設備的科學家，四十年相當於一輩子的職涯歲月啊！2018年的洞察號計畫，由兩百位科學家與超過一千位工程師參與，想要獲得火星內部震動消息，只好在經費限制下妥協，先送上一個火星儀，多站連網以後再說吧！
洞察號上的「⽕震儀」
洞察號登陸在火星位於赤道附近的艾里申平原上(Elysium Plantitia, 40N)，赤道附近有足夠的陽光可提供能量，這個位置大致是火星南北半球地形高低的邊界，在艾里申平原東北方有火星第二大的Elysium火山群，平緩的艾里申平原上有彎曲的河道，也有稍皺褶的起伏地形。
洞察號(InSight)的全名是Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport，他的任務是應用震波、測地學和熱傳導對火星進行內部調查。這項任務發射前的成本花費達美金8.3億元，最亮眼的裝載是火震儀(Seismic Experiment for Interior Structure, SEIS，火星內部結構地震實驗儀) ，這是一件工程與科學上的傑作，繼承從Mars96以來二十年的精緻化改良設計，比起1976年維京號的靈敏度好上一千倍，非常精確也非常複雜，只要震動幅度大於一個氫原子的寬度都可被偵查，讓火星上任何最微弱的運動都無法遁形。由於火星在日夜轉變時溫度變化很大，溫度變化也改變錘擺最靈敏的感應頻率，為了克服種種對靈敏度的的影響，裝備了數層的絕熱罩與蜂窩狀真空結構套在外面，到現場組裝時還利用火星稀薄的大氣再做進一步隔熱。
當年維京號的感應地震儀直接放在登陸艇內，而洞察號的火震儀設計是完全獨立站立在火星表面，火星儀需要從洞察號搬出來，用一條像臍帶的纜線與洞察號連接。這看似很容易的一件事，卻沒法像月震儀直接由登月太空人執行安裝，洞察號浩費了兩個多月才自行完成火震儀的部署。
圖6.洞察號的機器手臂將火震儀安置在火星表面，並套上多層絕熱罩的操作過程示意圖（參考 https://www.seis-insight.eu/＠IPGP/Manchu/Bureau 21)
2018年11月 26日洞察號在火星落地後，地球上的控制室也根據洞察號傳回來的火星現場影像，佈置地球上的火星工程組件實驗室，實驗室裡有一部與洞察號完全相同的雙胞胎登陸艇，可跟著火星上的洞察號做一樣的動作。在地球組件控制車幾公尺範圍內佈置成與火星艾里申平原幾乎完全相同的狀態，擺上形狀與大小類似的石塊、紅色細沙。有了與現場一致的模擬環境，才開始下達部署指令，伸出機器手臂搬運火震儀出來，調整三腳架的水平、層層放置風罩與隔熱罩等(圖六)，許多細節確實執行並再三檢驗，才能發揮火震儀的精確與高靈敏度的功能。
在地球上地震是尋常的現象，大多發生在板塊邊界與活動火山區域。可是火星沒有板塊運動，火山噴發也近乎停止，火星發生震動的機會不大，然而學者們還是透過衛星影像找到火星上的斷層; 況且火星大氣稀薄，隕石重擊也會造成震動，因而洞察號預計在火星上除了監測來自內部的震動，還可監收隕石撞擊的震波，以及火衛一佛伯斯(phobos)和火星之間的引潮力、大氣層的微弱抖動。
單獨一架火震儀的研究結果與現況
地震發生後，首先需要了解震波從哪裡發出來，也就是定出震源位置。地球有超過25000個地震波接收站連成網絡，和震源距離不同的地震站接收到震波的時間有別，很快能找到震源。而火星上只有單獨一座位在艾里申平原上的洞察號火震儀，得用其他方法尋找震源。
火震儀是三軸（上/下、東/西、南/北三個方向）精密的擺錘構成，精確的三軸初動方位可以找出震波來自哪個方位，定位大約可在10度範圍之內，也再參考表面波從震源兩側繞火星表面到洞察號的時間差異（圖八(a))。最準確的定位是隕石撞擊所造成的震波，因為隕石坑在火星表面，新出現的隕石坑能透過火星上的軌道衛星定位（圖七(b)。也有不少地球物理學家應用在地球上眾多的地震個案，透過分析過濾地球上不同的震波形式，尋求各種可以解算震波反射深度的演算法，已經有非常多發展成熟的分析技術，都可拿來應用在火星震解算分析。
圖7.⽕星半徑⼩，表⾯波從震央附近出發，沿著⽕星表⾯從不同⽅向傳到洞察號所在位置會在先後不同時間抵達(a)隕⽯撞擊產⽣的震動，藉由軌道衛星偵察新形成的坑洞，可以得知震源位置(b)
火星內部活動平靜，但仍有震動。地球上芮氏規模達到5的地震每年有1500次以上，規模越小的震動越多，規模4的至少達數萬筆。洞察號首次發表火星震是2019年4月6日，發生在洞察號抵達火星的第128個火星日，這個火星震其實微弱極了，以地球上的地震儀是絕對偵測不到的。即使火震儀如此靈敏，到今年(2021)三月以來規模落在2-4之間的震動也僅五百次，大約有50筆紀錄勉強達可以提供內部訊息的強度，任務科學家用其中較可靠的三筆初步演算火星內部分層，發表在三月的Nature期刊上，顯示在火星地表下700-800公里以上是火星的上部火函（upper mantle)，其中還包含一層震波速度下降的厚層物質，類似地球軟流圈（也是震波低速帶）的構造可能也存在於火星。推算出火核的半徑大約1810-1860公里(圖八)，比過去所預期的大一些，意味著火核的組成或許不僅僅是金屬，可能也含有比較輕的物質，例如硫化鐵。
根據洞察號的資料對於火星最表層的火殼也有新的看法，德國科隆大学的地震学家Brigitte Knapmeyer-Endrun提出火殼平均不超過70公里，可能由兩層或三層構成，就如同地球的海洋地殼與大陸地殼的差異，火殼厚度在火星各處也有所不同，詳細情況有待正在評審中的期刊論文發表。
圖8.地球內部分層，參考Stephenson等人提出的地球最內層(a)與洞察號所推算的火星分層(b)
從太陽系起源與類地行星形成的理論，科學家猜測火星也有火殼、火函（幔）與火核的分層。火星內部的研究不僅是想要得知各分層的存在與深度，火星內部對行星的起源有地球無法解答的重要訊息。地球因為內部活躍的熱對流，早期分層的痕跡已經完全被重新洗牌，火星比地球小，誕生之後比較快速冷卻，可能保留早期冷卻過程的記錄，若能了解火函分層細節，或是金屬核與岩質函如何分離的過程，對於行星誕生與起源都能提供很多關鍵證據。
洞察號的任務科學家提出規劃時，原期望能有十筆規模大於3或更強的震波來確認火星地下構造，然而目前結論只有三筆規模大於3的紀錄。由於火星目前正前往軌道遠日點移動，洞察號所在地點的風力將會比較安靜，噪音不再如前干擾，但它的太陽能板現在已佈滿火星塵埃，越來越遠離太陽又使太陽能板接收的能量更少，發電能力會持續降低，科學家只能節省其他儀器的使用，等候任務期滿結束前還能捕捉到更多的地震訊號，並祝禱今年新加入的火星觀測計畫隊友，能有更好的發現來提供火星深層的研究！
參考資料 Alexandra Witze (2021) Mars’s core has been measured — and it’s surprisingly large. Nature 592,514-515.
Knapmeyer-Endrun B, Kawamura, T. (2020) NASA’s InSight mission on Mars—first glimpses of the planet’s interior from seismology Nature Communications 11, 1451.
Knapmeyer-Endrun B. (2020) New seismological constraints on the crustal structure of Mars and the Moon，2020年12月15日發表在美國地球物理聯合視訊會議預錄演講.
Stephenson, J., Tkalcic, H., &Sambridge, M. (2021) Evidence for innermost inner core: Robust pa-rameter search for radially varying anisotropy using the neighborhood algorithm. Journal of Geo-physical Research : Solid Earth, 126, e2020JB020545
Wieczorek, M.A., Plesa, A.C., Knapmeyer-Endrum, B., McLennan, S.M., Nimmo,F., Michaut, C.,Broquet, A., Smrekar, S., and Banerdt, W.B. (2020) Global Crustal Thickness Modeling of Mars Using InSight seismic constrains. 51st Lunar and Planetary Science Conference
吳育雅
台大師培中心兼任助理教授