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終極天災：海嘯
吳祚任教授，國立中央大學 水文與海洋科學研究所
海嘯是地球上最可怕的天災之一。它帶來的巨浪，能夠在數分鐘之內摧毀整個濱海地區。我們將介紹海嘯的成因，特性，以及科學家們如何面對與分析這個終極天災：海嘯。 目標： 1. 了解海嘯背後隱藏的科學 2. 了解科學如何幫助人類預防海嘯所帶來的災難
一、 什麼是海嘯？
| 海嘯的英文是 Tsunami 。唸法為 soo-NAH-mee。這是由日文『津波』發音而來。其中 Tsu 即為『津』，亦即海港之意，而 nami 即為『波』，也就是海浪的意思。所以 Tsunami 在日文即為在港口裡面的浪。一般港口設計的目的是讓船舶可以平穩的停泊，因此主要的功能以消除波浪為主。什麼樣的波浪可以破壞這樣的功能，而讓港口還能見到大浪呢？唯有海嘯有這個能耐。 全球有記載的破壞性海嘯大約有 260次左右，平均大約六、七年發生一次。發生在環太平洋地區的地震海嘯就佔了約 80%其中日本列島及附近海域的地震又佔太平洋地震海嘯的 60%左右，因此，日本是全球發生地震海嘯最頻繁的國家。由於日本經常發生海嘯，日文中海嘯的英文拼音為tsunami（日文漢字寫成『津波』)，此一詞成為國際共通語。另外，一般歐美國家也以「潮浪」（tidal waves）稱之，然這種潮浪與潮汐（tide）卻沒有關聯。 在我們開始探討海嘯的成因之前，我們先來看看人類歷史上的海嘯紀錄。 |
圖1 |
海
嘯
的
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文
名
稱
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津
波 |
二、 海嘯歷史
在人類歷史上，最早的海嘯紀錄是在西元前 1480 年，地中海西部之米諾文明（ Minoan civilization ）在這次的海嘯攻擊中被摧毀。
圖 2 ，遭受海嘯攻擊的 地中海西部之米諾文明
在日本方面，海嘯災難的紀錄可追溯到西元 684 年。美洲大陸部份大海嘯的紀錄最早為 西元 1562 年的智利海嘯以及 1788 年的阿拉斯加海嘯 。夏威夷的部份則可追溯到西元 1821 年。
如前所述，歷史上大部分毀滅性的海嘯發生在太平洋，但是大海嘯 亦曾 於大西洋、印度洋，甚至地中海發生。西元 1755 年就有海嘯發生在葡萄牙里斯本， 1918 年在波多黎各的莫那海峽（ Mona Passage ）， 1929 年加拿大的 Grand Banks ，以及最有名的 2004 年南亞大海嘯。
三、 海嘯的定義以及成因
海嘯是一種長波及長週期波，形成的原因是由於海水受到垂直方向的擾動。
海嘯主要是受到海底地震所引發。山崩、火山爆發、核彈試爆、或甚至隕石撞擊都有可能引發海嘯。基本上，只要能夠造成大量的水體離開自原本均衡的位置，任何的擾動皆有可能造成海嘯。重力的作用會使水體朝向原本均衡的狀態運動，這就是海嘯傳播的基本原理。
地震就是造成海嘯的最主要來源。海底地震會使海床造成破裂與錯位。如果錯位的方向是垂直方向，那麼在該錯位上方的海水就會被帶離原有的均衡狀態。如果規模夠大，海嘯就會發生。
另一種常見的海嘯成因是海底山崩。海底山崩通常肇因於地震。在海底山崩滑移的過程中，海水亦會受到垂直方向的擾動，由於重力場的關係，海嘯就會被引發及傳播。
火山爆發也是海嘯形成的原因之一。火山爆發會產生劇烈的垂直力，並推動其上方的水體，造成海嘯。
另外陸地山崩或甚至隕石撞擊也會擾動水體，只要規模夠大，就會引發海嘯。
四、 海嘯的科學名稱？
海嘯的專有名詞於 1963 年之後就以 tsunami 廣為國際採用。但是在此之前，海嘯有許多不同的名稱，例如 "seismic sea waves" 。其中 "Seismic" 表示是 由 地震所以起。這也間接說明大多數海嘯的成因為地震。海嘯的另一個名稱為 "tidal waves" 。這說法直到今日還在被英語系國家所使用，但實際上 "tidal wave" 是一個錯誤的名稱。 Tide 的意思是潮汐，是由月球、太陽、與地球之間的引力交互作用所造成，而海嘯的成因與潮汐完全沒有關係。勉強扯上關係只有說，當海嘯因為地震或其他原因引發後，如果抵達岸邊時又正逢漲潮，那麼造成的災難將更為嚴重。事實上，英文中的 “ tidal wave ” 並不全然指潮汐波或是海嘯，一般只要是巨浪都會被灌上 "tidal wave" 的稱號，例如衝浪運動所衝的浪，即稱為 "tidal wave" 。
接下來我們要來探討到底海嘯有何特性？它與一般的風浪有何不同？
五、 海嘯與風浪的不同？
海嘯與風浪都是海浪，最大的不同在於其週期。所謂的週期指的就是潮來潮去、週而復始的時間。用比較專業的術語來敘述，就是這次波峰到下次波峰的時間。一般風浪的週期大約是在 5~20 秒之間，然而海嘯的週期大約在 15~30 分鐘之間。週期長的甚至可以到 1 小時。風浪一般在海岸邊就會因為破碎而導致能量逸散，而海嘯的行為則像是洪水，比如一個 5 公尺高的海嘯就像 5 公尺的洪水，或是 5 公尺高的水平面抬昇。
海嘯與一般海洋上所見到波浪最大不同在於其波長。海嘯的波長一般在深海可以超過 150 公里，而水面的抬昇一般不超過 0.5 公尺，這表示海嘯波的斜率是相當平緩，平緩到即使船隻行駛其上，也很難感覺到海嘯的存在。
我們先把焦點放在地震所引發的海嘯上。
六、 地震如何引發海嘯？
在地球上，海嘯最常發生的原因就是海底地震。根據經驗，如果海底地震為淺層地震，亦即地震的震源深度在地表下 30 公里以內，而震規模大於芮氏 7.2 級，就要警戒海嘯的發生。然而，符合上述的地震就一定會引發海嘯嗎？這還不一定。之前有說到海嘯要引發，必須有將海水做大規模的垂直方向擾動。以地殼運動方式，可大約分成正斷層、逆斷層、與平移斷層。再細分還可以有正斷層與平移斷層的組合，以及逆斷層與平移斷層的組合。其中只有正斷層與逆斷層會造成地表的垂直位移。所以單純就平移斷層而言是無法引發海嘯。至於組合式斷層則端視其正、逆斷層所佔之比例而定。比例越大，垂直位移就越大，則海嘯發生的機會就越大。
圖 3 ，斷層的種類（馬國鳳教授提供）
那麼正、逆斷層中，那一種比較有機會引發大規模的海嘯呢？根據過去的資料分析，在地球上，逆斷層（或稱逆衝斷層）比較容易產生較強烈的地震以及地殼垂直運動，所以逆斷層引發大海嘯的機率高於正斷層。
另外，正、逆斷層所產生的海嘯是否相同？由圖示可以看出，正斷層的運動主要以地殼陷落為主。在陷落的過程中，會將海水面向下拉扯，造成海平面的陷落。逆斷層則正好相反，逆斷層會造成在震源附近海平面的抬昇。既然正斷層以造成水平面陷落為主，由正斷層所引發的海嘯抵達岸邊時大多先造成海水的退縮，海底顯露，然後才是正波攻擊上岸。而逆斷層則相反。
無論海平面在地震發生時陷落或是抬昇，地球的重力場都會想要將海水面拉回到原本平順的樣子。以較專業的術語來說，就是由於海水面有擾動，不同的水位高度就會產生壓力差，而這壓力差就會使波浪（或是海嘯）往四周傳播。既然造成傳播最主要的驅動力為重力，海嘯波又被稱為重力波。
圖 4 、地震引發海嘯的機制 （圖摘自 Google search ）
海嘯波的傳遞也就代表能量的傳遞。然而，整個海嘯由生成到攻擊到陸地上的過程究竟是怎樣呢？
七、 海嘯的一生
海嘯的一生可以大致分成四個階段：生成、傳播、放大、與溯昇。
圖 5 ，海嘯一生的四個階段 （圖摘自 Google search ）
生成的原因主要以地震為主，一旦地殼有垂直的擾動，海面就跟著擾動，接著受到重力場的影響，波浪就會從震源處向四周傳遞。在傳遞的過程中，由於能量消散極小，所以海嘯能夠將地震所產生的能量藉由海嘯波，由深水到淺水，橫跨大洋，傳遞到對岸。當海嘯波接近岸邊時，由於水深變淺，底床的效應造成海嘯波隨地形被抬起，加上海嘯波傳的速度也因為水深變淺而減速，所以當海嘯越靠近岸邊，速度越慢，而後方的海嘯累積上來，造成整個海嘯波高的放大。這就是第三個過程：海嘯放大。波高被放大的海嘯，對於近岸的破壞力道也隨著高度的增加而增強。接下來，海嘯將進入陸地，開始破壞。海嘯能夠抵達陸地的最高處，稱為溯昇。在溯昇的過程中，是海嘯造成災難的時候。進入內陸的海嘯，將會以類似洪水的方式前進，往前推進的距離，甚至可達數公里。從海嘯進入內陸到海嘯消退，這時間可以長達一小時之久。與洪水不同之處，在於海嘯前進時，海嘯的前緣會先將房屋或結構物以撞擊的方式破壞，或弱化結構物的強度。接下來的海嘯身部份蘊藏強大的紊流機制，會將地表的覆蓋沖刷，造成道路或房屋路基嚴重流失。其破壞力比洪水更為強大。更嚴重者，海嘯溯昇後還會再度返回大海，這段過程將產生二度濤刷破壞。
圖 6 ， 2004 年南亞海嘯因為海嘯放大效應，在印尼亞齊市的外島造成明顯沖刷痕跡。
（圖摘自 Google search ）
圖 7 ， 2004 年南亞海嘯由於海嘯的撞擊力強烈，在斯里蘭卡處破壞混凝土結構物
（康乃爾大學劉立方教授攝）
圖 8 ，海嘯溯昇過程中，將對地表產生嚴重的濤刷作用。（康乃爾大學劉立方教授攝）
接下來的問題是，波傳的速度是多快呢？為何海嘯波能夠穿越過大洋而造成遙遠海岸的破壞？
八、 海嘯的傳播速度
海嘯的傳播速度是可以計算出來的。根據淺水波理論，海嘯在深海傳遞的波速  等於重力加速度  乘上水深  的開根號。也就是  。假設重力加速度是定值，則波速與水深的平方根成正比，也就是說，海水越深，波傳的速度越快，反之亦然。可是你可能要問，為何海嘯在深海傳遞的速度可以用淺水波方程式來計算呢？問題就在於淺水波的定義。淺水波照字面的意義是在水深很淺的地方傳遞的波。但是什麼是水深很淺呢？深或淺都是一個比較用語，所以要定義水深很淺，我們必須找一個物理量來與之比較。在淺說波理論中，淺水的定義是波浪的波長遠大於水深就是淺水波。根據數值計算與衛星觀測，以 2004 年南亞海嘯為例，海嘯的波長大約為 400~500 公里，而印度洋的平均水深大約 4~5 公里深。波長大約是水深的 100 倍，波長遠大於水深，水深相對波長很淺，所以海嘯雖然處在深水域，仍是標準的淺水波。
依照淺水波理論，如果水深為 4 公里，重力加速度約為 10m /s2 ，那麼波速就是 200 公尺每秒，以就是大約時速 720 公里。這相當於波音 747 的速度。以南亞海嘯為例，在印尼亞齊市附近引發的海嘯，大約花了兩個小時半攻擊到斯里蘭卡；大約三個小時抵達馬爾第夫。
海嘯在深海區域的波高普遍不高，大約不會超過一公尺。以南亞海嘯為例，在震源附近的海嘯高度大約是 5 公尺，到了深海則只有 0.5 公尺。但是請不要輕忽這 0.5 公尺的波高，它正是海嘯能夠將地震能量完整保留的關鍵。
九、 為何海嘯能過越過海洋而不消散？
一般的波浪很少有能夠傳越過海洋的，大多數海浪在傳遞不到一公里就消失殆盡。為何海嘯能穿過太平洋、印度洋、或是大西洋而不消散呢？要探討這問題必須先了解什麼樣的情況下能量容易消散。我們現在要把視野變小，把我們的焦點放在海嘯波的水分子質點上。能量的消散主要是透過水分子之間的摩擦力。水分子彼此之間若是有相對速度，也就是水分子彼此間速度不一致的情況。以較專業的術語而言，就是有剪力的發生。如圖所示，圖左是淺水波（例如海嘯）水分子運動的路徑，圖右是深水波（例如風浪）水分子的運動。淺水波的運動主要以前後水平運動為主，在運動過程中由於水分子在是均勻的前後運動，所以水分子彼此之間的摩擦損失極小。這裡也可以注意到，淺水波的運動是由水面均勻的通達海底。這表示海底的生物有可能因此被移動到陸地上。相較之下，深水波的運動就不只是前後，而是類似正圓的運動，同時速度在接近水面時很大，但是往深水處急劇減小。這樣劇烈的變化會使得水分子間的摩擦損失嚴重。所以深水波通常傳播沒多遠就因為能量損耗而消失。也正因為水分子的運動軌跡往深海處急遽減小，這該深水波對於較深海的地方影響為零。換句話說，就是深水波將無法感覺到底床的變化。由於淺水與深水都是相對於波長來定義，所以淺水波的另一個名稱就是長波，也就是波長遠大於水深。而深水波另一個名稱就是短波，意思就是波長遠小於水深之意。
圖 10 ，淺水波（左）與深水波（右）之水分子運動示意圖。
（圖摘自 Google search ）
除了有相對速度之外，還有一個因子會影響到摩擦的能量損耗，那就是水分子運動的速度。運動的速度，能量損耗越小。還記得剛剛有提到海嘯在深海的時候波高會變矮嗎？這正是致命的地方。根據淺水波理論，水分子的最大運動速度  可以由波高  、水深  、及重力加速度  求得：
請不要忘記  就是波傳遞的速度。如果以南亞海嘯為例，在印度洋中心處，波高大約是 0.4 公尺，水深大約是 4 公里，那麼水分子最大的運動速度才 0.02 m /sec ，也就是時速 0.072 公里。相當於波前進速度的一萬分之一，相當的小。
總而言之，海嘯是淺水波，速度均一，所以摩擦損耗小，本身水分子運動速度又慢，這兩種因素加起來，就是為何海嘯波可以越過大海，把地震的能量完整傳遞沒有消散的原因。
十、 海嘯抵達岸邊的波高放大效應
在前一節也說到，海嘯可怕的地方，在於其可以將地震波的能量完整的傳遞到遠方。這一節，我們要來探討，當海嘯波運動到彼岸時，地形效應是如何將四、五百公里的海嘯長波累積與集中，造成海嘯波的放大。
在大多數的情況下，海嘯由深海往近岸處傳播的過程中，會先進入陸棚區，也就是大陸與深海交界較為淺水的區域。陸棚區的水深通常在一公里以內，多為 200 ∼ 500 公尺深。如果我們假設水是不可壓縮的流體，再沒有其他化學反應的情況下，質量守恆可以轉換為體積守恆。所謂體積守恆就是體積不會無故消失。所以原本在深海大約四公里深的波浪進入到淺海區的時候，波高就會開始放大，這就如同有一個人由游泳池較深處走向較淺處類似。更糟糕的是，根據淺水波理論，當水深變淺，波前進的速度也會變慢。這就會產生後浪推前浪，後浪騎在前浪上的放大現象。
圖 11 ，海嘯抵達岸邊的放大效應。（圖摘自 Google search ）
當波浪越過陸棚，進入到沿岸淺灘的地區，放大的效應更為明顯。由於水深急遽變淺，除了上述減速的效應之外，海底底床的摩擦阻力也更加明顯。這些效應總加起來，會造成海嘯到達近岸急速煞車的效應。這有點類似一個比台灣高鐵還要快一倍的列車撞上障礙物後，前面的車廂減速，後面的車廂繼續往前衝，最後脫離軌道，疊在前面車廂上的效應。進入到岸邊的海嘯波，如果波高太高，部份就會碎掉，部份會成為湧潮（ bore ）。湧潮的高度可以由數十公分到數十公尺。湧潮的破壞力驚人，其間夾雜撞擊力強烈的碎石、樹幹，會使受困其中的人、畜在還沒有溺斃之前，就因為破碎物的撞擊而失去求生能力。如前所述，湧潮對於結構物的破壞是先產生撞擊破壞，再產生路基濤刷破壞。
當海嘯變為湧潮往內陸前進，是海嘯釋放能量的時候，也是對於人類威脅最大的時候。大規模的海嘯所產生的湧潮可以深入內陸 1~2 公里。退水時也會將物品或甚至人畜帶回海中。
但是海嘯進入近岸是否就一定會發生災害呢？這不一定。海嘯要發生災害，除了規模要夠大的前提之外，就是海底地形要為平緩的抬昇。也就是要有一個斜坡提供海嘯往上爬的舞台。如果海底地形是突然抬昇，站在海嘯的角度來說，就好像前方有一座垂直的高牆，這時海嘯喪失抬昇的舞台，遇上高牆就會被反射回大海。台灣東岸的地形就是一個典型的例子。太平洋周圍地震帶環繞，只要太平洋四周的國家產生大大地震，就很有機會產生海嘯。由於太平洋對於海嘯而言，就像一個淺盤，海嘯波會在淺盤中傳遞與反射，鄰國日本就飽受海嘯威脅之苦。但是台灣卻因為面向太平洋花東沿岸地形陡峭，海嘯波即使底達台灣東岸，也會因為陡峭的地形而被反射。這也是為何台灣東岸鮮少有海嘯侵襲的紀錄。天佑台灣。那麼台灣有沒有被海嘯破壞的可能呢？
十一、 台灣所面臨的海嘯威脅
我們剛剛提到，台灣東岸由於地形陡峭，對於海嘯威脅形成一道漂亮的防線。但是台灣四面環海，除了東岸之外，其他海岸地區是否有可能受到海嘯威脅？我們之前有提到，要有海嘯產生第一要有規模夠大的水體垂直擾動，以地震分析來看，在台灣東北外海，也就是由宜蘭向東延伸的琉球島弧是地震發生頻繁的地區，該地區如果發生地震產生海嘯，根據數值模擬，海嘯有機會侵襲台灣的東北角。另外，在台灣的南方，菲律賓的呂宋島西側，也是地震發生頻繁的地區。其海嘯如果生成，海嘯波也有機會威脅台灣的西南岸。另外請不要忘記台灣本身就是地震的產地，如果地震就發生在台灣近海，海嘯攻擊到台灣的機會就相當大。以 2006 年 12 月 26 日 發生在屏東外海的地震而言，該地震規模只有 7 級，依照以往的經驗，應當沒有海嘯的產生，但是根據中央氣象局的潮位站資料，的確在台灣南灣後碧湖漁港紀錄到 40 公分的海嘯波高，以及 20 分鐘的海嘯週期。所幸當時海嘯發生在夜晚，無人傷亡。但是如果該次地震規模不只 7 級，假設是 7.5 級，或甚至是 8 級強震呢？根據中央大學水文與海洋科學研究所的數值模擬結果，如果地震是 7.5 級，將會產生 2 公尺的海嘯，如果是 8 級，則海嘯將高達 5 公尺，相當驚人。
一直到目前為止，我們的討論都環繞在地震所產生的海嘯，那麼台灣的海嘯威脅，除了地震之外，還有沒有其的的海嘯生成機制？
十二、 台灣附近海嘯生成機制
要產生海嘯，其機制必須是能夠讓水體產生大規模的垂直位移。以台灣周遭而言，地震是一個明顯的機制，另外由於台灣東北方特殊的斜坡地形，有可能因為海底山崩造成海嘯。根據中央大學的海嘯團隊數值模擬，發現當台灣東北海域棉花嶼發生海底山崩，其產生的海嘯會對台灣東北角產生威脅。
另一個可能產生海嘯的機制是火山爆發。同樣在台灣東北海域，有許多海底火山，其噴發過程也會造成不同規模的海嘯。
在台灣的西南岸，蘊藏豐富的天然氣水合物。天然氣水合物所產生的氣泡不斷的逸散，有可能會造成該地區的海床崩陷。這也是潛在可能的海嘯引發機制。
十三、 科學家們在做什麼？
剛剛講了這麼多，人們對於海嘯是否已經充分了解了呢？答案是否定的。如前所述，海嘯一生可分成生成、傳播、放大、與溯昇。所以海嘯的研究是綜合許多學術領域。以目前海嘯的研究進度來說，科學家們大致上可以掌握海嘯在傳播的那個區塊，但是對於海嘯的生成還是處於研究階段。在放大與溯昇更是有漫長的路要走。海嘯的研究可以分為理論分析、實驗模擬、與數值模擬三大方向。目前世界主流是以數值模擬為主。中央大學的海嘯研究團隊包括水文與海洋科學研究所與地球物理研究所正朝向結合理論與數值分析來探索未知的海嘯知識。以 2006 年的屏東地震為例，中央大學在水文級海洋科學研究所蔡武廷所長的帶領下，結合吳祚任老師的數值模式與陳柏飛老師的地震模型，成功的以非線性數值模式模擬海嘯的運動（圖），其結果與中央氣象局的潮位站資料比對亦有令人滿意的結果。另外在海嘯溯昇方面，吳祚任老師的實驗室發展出一套三維數值模式，突破以往海嘯研究以波浪理論為主軸的限制，能夠精確計算湧潮對於結構物的破壞力以及對於地表的沖刷力。今後的研究目標以朝向台灣海域海嘯潛在威脅探索、海嘯沖刷後的地形變化、海底山崩的運動模式、海底山崩及海底火山爆發所產生海嘯模擬、海嘯與海潮交互之交互影響為主要研究課題。
圖 12 ，吳祚任老師實驗室對於 2006 年屏東海嘯傳播之模擬。
圖 13 ，吳祚任老師實驗室所發展之三維數值模式可以精確計算海嘯湧潮對於結構物之影響。
十四、 海嘯來臨時如何逃生？
到目前為止，我們都還沒有提到面臨海嘯時的處理措施。海嘯的傳播有其一定的速度，所以遠離震源地區的海岸是有機會提出海嘯預警。當獲知海嘯警報，逃生的方法一定要牢記在心，那就是以位能換取動能。這是什麼意思呢？海嘯的破壞力就在於海嘯相當於一面會不斷往前移動的水牆，動能其大無比。一旦身陷其中，就算是武術冠軍的李連杰也難以脫身。所以逃生的方法就是遠離海水，往高處去移動。海嘯越往高處波壞力就劇減，所以當海嘯警報發佈時，或是見到海水面大規模的退去，就要開始往高處移動。強固的建築物或是高台的地形都是最佳的避難場所。
面對海嘯請不要慌張，海嘯逃生並不困難，但是必須透過教育，讓民眾了解逃生的方法，才能夠減少生命財產的損失。
吳祚任
2007/5/25
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