從神靈到自然現象,地震儀如何幫助近代日本「看見」地震?

在地震觀測技術(地震計)正式投入地震觀測前,過去對地震的研究不能稱為「看見」地震,而是一種近似於「感受」的紀錄,地震是什麼,對人們來說仍是一團迷霧。

日本傳統文化中已有對地震的解釋,例如地震是世人違背了正法、以惡法為依歸,導致善神、聖人皆離日本遠去,惡鬼、外道猖獗才引起這些變異。當時的朝廷、幕府則會請陰陽師或是僧侶,透過宗教祭儀的手段替國家解難。[1]

另一說是地底下住著一隻巨大鯰魚,由於祂的作亂才導致地震。〈日日新報〉有一則新聞報導這類說法:「地震迷信吾儕所住地軸,有一尾大震鯰魚,地鎮神捕而毫無動之,震鯰不堪苦悶,是得閒僅搖尾端,為之大地大震,是我國自古之傳說也」。[2]

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安政江戸地震(1855年)と鯰絵 (5 Ansei Edo jishin 1855 to namazu-e).(Source: Wikipedia

日本這些觀念其實跟世界各地的地震解釋相當類似,多將地震詮釋為神靈對人們的行為降下災厄,人類對地震的觀察最終是以神格化的自然作結,地震是什麼不是最重要的事,「啟示」才是。

明治時代的新地震觀測技術

隨著歐美列強來到東亞,日本進入明治維新的時代後,對於地震的認識也有了巨大的轉變。當時的明治政府聘僱許多的外國教師來到日本進行教學,希望能盡快趕上歐美國家的文明,這其中也包含了地震觀測技術的引進。

明治五年(1871),日本政府御雇了荷蘭人教師沃貝克(Guido Herman Fridolin Verbec),他利用平滑的大理石板放上四個水晶球,並在上面放上厚重的木板,木板底端有描針,當大地出現挪移時,木板會因為慣性而留在原地,描針則會在大理石上描繪出大地的移動,可以說是初階的地震觀測技術。

另一種則是在明治七年(1873),工部省測量司從義大利購入帕爾米耶里(Palmieri)地震計,此機器必須在U形管中置入水銀並讓鐵片浮起,並記錄鐵片浮起時的情況與地震發生時地面的震幅。[3]

從明治九年(1875)東京氣象台創立時,這臺地震計就作為地震觀測的正式器材使用,並交由英國的觀測教師在赤坂葵町三番地的官舍進行觀察。

然而,這些裝置起初都非常原始,沃貝克的方法在描針上的摩擦並不清楚,而地震計雖能捕捉地震的存在,但因為裝置非常複雜,對於地震幅度的記錄也遠遠不夠,以至於難以在地震研究上提供有效的紀錄。[4]

日本地震學會誕生

到了 1875 年,出生於英格蘭的米爾恩(John Milne),受聘擔任東京工部大學的地質與礦業教授。米爾恩早期從皇家礦業學校授業結訓,曾加入考察隊前往埃及研究西奈山,對地質有相當程度的認識。

米爾恩(John Milne)。(Source: Wikipedia

在日本教書的米爾恩不久就經歷橫濱強震(1880 年 2 月 22 日),這樣的地震對他與沒見過地震的外國人們產生相當大的刺激,在米爾恩的呼籲下,相關的技術者及日本有志者很快地創立了「日本地震學會」,由米爾恩擔任副會長。[5]

該研究在當年的四月底展開,首次主題是製作正確的地震紀錄,負責此專案的人即為米爾恩(John Milne)與尤因(James Alfred Ewing)。他們先確立了地震儀器的「不動點」,以此為基礎推測使用振子(鐘擺)來確保周期的長度是最佳的測量方式。

尤因(James Alfred Ewing)。(Source: Wikipedia

他們原本想將儀器設置成立鐘式,但發現若要延長周期的長度,則立鐘式的體積將會不斷變大,因此改用水平式振子(擺錘),成功研製出ユーイング式的水平振子(擺錘)地震計。[6]這臺水平振子地震計從 1883 年開始運作,是最早統一的標準地震計,設置於東京氣象台與全國十七處氣象官署,也是日本首次以官方身分透過地震計記錄地震。[7]

尤因在日本時,有一位日本籍的助理關谷清景。關谷清景生於安政元年,他 16 歲時被選為為數不多的貢進生,進入東京的大學南校就讀,隨後成為開成學校的留學生,前往英國學習機械學。後來關谷不慎得了肺病,只好返回日本休養,並轉往神戶師範大學理化學任教,也就是在那裡,關谷被邀請前往東京擔任尤因的助手。[8]

當尤因返國後,關谷接續著尤因的目標,想在全國設置測候站。但那是地震計還未普及的時代,地震報告大多還是以人的體驗為準,就算設置能記錄地震波的測候站,也沒有辦法將地震波分類。

為此,關谷創建了微震、弱震、強震及烈震四種等級的量表,用來替地震的搖晃程度設立基準,並首度被明治政府採用,此創建在之後的明治三十一年,經過改訂增補為微震(感ナシ)、微震、弱震(弱キ方)、弱震、強震(弱キ方)、強震、烈震七個等級,[9]來表示相對的搖晃程度。

以現今視角來看,此震度表的精確度仍有加強空間,但卻是將地震震度的「感受」量化的標準量表,把過去以人體或是物體搖晃程度的標準統一,並給予不同程度的判準,消弭了因個人感受不同,導致難以判斷震度的情況。更重要的是,這是第一套被明治政府採用的震度計量表,它滿足了日本長期面對地震侵襲,必須要有一套標準來測量震度的困擾。

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米爾恩地震儀與日本自產的地震

回頭來看,由於尤因返國的時間較早,而米爾恩則長期待在日本,因此之後日本的地震學發展直至大正年間皆受到米爾恩(John Milne)的影響。

米爾恩不但編寫了日本的地震年表,記錄過去四百年來較為重大的地震;還調查了日本不斷發生的地震。米爾恩發現,日本地震發生點多位於太平洋沿岸,而不是火山地區,由此他初步構思出板塊地震帶的想法。米爾恩也做過各種實驗,例如利用重錘與火藥製造人工地震來讓地震針記錄,透過這些實驗紀錄,他製作、改良了不少日本的地震儀器,其中米爾恩式水平振子地震儀更被採納為地震偵測的標準儀器,擴及至全世界。[10]

米爾恩的地震儀(Milne seismometer)相較於過去的地震儀更加精準,經由此儀器記錄地震波,後來的研究者成功辨別出 P 波、S 波與表面波的差別,[11]並利用三種波在地震儀器上的紀錄,發現 P 波總是第一個到達,隨後是速度較慢的 S 波與表面波。[12]

到了 1900 年代,曾為關谷清景的助理大森房吉繼續地震儀的改良,被後世喻為「日本地震學之父」的他發明了大森式地震儀,除了他之外,田中館愛橘(建立了地震研究所)、今村明恆(地震學者)及田丸卓郎(田中館愛橘之弟子,物理學家)等人也不斷研發新型的地震儀。至此,日本開始使用由國人設計的地震儀記錄地震,而地震觀測所亦隨之增加,光是日本境內就有高達 110 間的地震觀測所。

大森房吉。(Source: Wikipedia

日本之外的世界,當時地理學界正逐漸發現莫氏不連續面(1906 年),他們利用走時曲線(travel time curve)計算地底構造的赫格洛茲-維歇特法,並確立了地核的存在等。

同時,日本也從地震紀錄中發現了新的知識面向,例如今村發現了洛夫波(表面波的一種),大森則是藉由能夠捕抓到 P波初動訊號的地震儀,藉由初期微動的時間來演算出震央的距離,即大森公式。[13]

松代地震觀測所收藏的大森式地震儀。(Source: Wikipedia

由於地震儀器的輔助,不僅解開了地球內部構造組成,更重要的是,它將地震化成一組組的波呈現在繪圖紙上,研究者可透過記錄波到達的時間進而推算震源地。透過這些地震儀器,不同類型的波雖有不同的波型,卻都有著可以被反覆驗證的曲線,地震成為一種可以判讀且標準一致的數據,地震學的研究因而有了突破性的進展。

地震終於從人們的感受、純文字記述,轉化為儀器觀測上的數據,其內涵已與過去截然不同。地震儀器幫助人們真正地「看見」地震,地震不再是上帝或神靈的工具,而是跟下、颳風一樣,是再「自然」不過的現象。

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[1] 北原系子,《日本災害史》,東京都:吉川弘文館,2006,頁 99-100。

[2]〈亞鉛歐鐵/地震迷信〉,《台灣日日新報》,1911 年 06 月 14 號,第二版。

[3] 〈地震學の黎明時代 日本最初の地震計は大理石板に四つの水晶球〉,《台灣日日新報》,1937 年 12 月 18 號,第三版。

[4] 萩原尊禮,《地震学百年》,東京:東京大学出版會,1982,頁 2-3。

[5]穆森(Roger Musson)著,《地震與文明的糾纏》,臺北市 : 遠見天下文化出版,2013,頁 68-69。

[6]萩原尊禮,《地震学百年》,東京:東京大学出版會,1982,頁 6-8。

[7]淺田敏,《地震 : 発生・災害・予知》,東京:東京大学出版會,1975,頁 127。

[8]花房吉太郎,《日本博士全傳》,東京都:日本図書センタ,1990,頁 232-233。

[9]萩原尊禮,《地震学百年》,東京:東京大学出版會,1982,頁 28。

[10]萩原尊禮,《地震学百年》,東京:東京大学出版會,1982,頁 30-32。

[11] P 波性質與音波相似,質點運動和波傳播方向一致,速度最快;S 波又稱剪力波,質點運動與波傳播方向垂直,產生前後左右在水平方向的震動,速度次之;表面波則沿著地球表層或地球內部介面傳播。中央氣象局,《地震百問》,台北市:交通部中央氣象局,2017,頁 18。

[12]趙克常,《地震概論》,台北市:五南圖書出版,2013,頁 20-21。

[13]淺田敏,《地震 : 発生・災害・予知》,東京:東京大学出版會,1975,頁 128-129。

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