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经济学人：地震学与海啸
Science and Technology 科技
Seismology and tsunamis 地震学与海啸
Making waves 掀起新浪潮
A better tsunami-prediction system is now under development
更精准的海啸预测系统现已在开发中
GEOLOGISTS have long known that some marine earthquakes generate fierce tsunamis and some do not.
地质学家们早已知道有的海洋地震会引起强烈海啸，而有的则不会。
But, as the situation in Japan makes painfully clear, there is no good way for people being tossed around by a tremor to know the difference until a wave arrives.
但是，日本的惨痛教训告诉我们，被地震震得惊慌失控的人们根本意识不到一场海啸即将到来（在海啸到来之前，被地震震得惊惶失措的人们对此一无所知。）。
A new earthquake-monitoring system developed by Andrew Newman and Jaime Convers at the Georgia Institute of Technology may, however, help to change that.
而现在，由乔治亚理工学院的安德鲁?纽曼与亚伊梅?康弗斯共同研发的最新地震监测系统有望改变现状。
During an earthquake, the Earth's crust is uplifted. If the epicentre is on the seabed, that also lifts the water above the bed, creating a wave.
地震时，地壳板块隆升。如果震中位于海底，板块运动带动上方海水起伏，形成波浪。
However, the size of this wave varies with the nature of the uplift.
波浪大小因板块隆升性质而定。
For tsunami-generating purposes, earthquakes can generally be divided into two sorts. Deep ones (as a rule of thumb, those below 20km, or 12 miles) generate small or non-existent tsunamis because their uplifting effects are absorbed by the overburden.
按照是否引发海啸，地震可分两类。一是深震（一般在20km或12英里以下），隆升通常被表层所吸收，因此不引发海啸或只引发小型海啸。
Shallow ones (above 20km), whose full crust-displacing force is felt at the surface, are the danger.
二是浅震（20km以上），由于地表震感强烈，因此也更危险。
The problem is deciding which is which.
当前的问题是如何区分这两者。
Once all the data are in, an earthquake's depth can be worked out with reasonable accuracy.
只要有全面的数据，则可较精准地测算地震的深度。
But that takes time.
然而，这一过程需花费一定时间。
The recent Japanese quake, for example, was thought initially to have happened 83km down. The latest measurements suggests its depth was actually 30km.
例如，近期日本地震最初深度测算为地下83km，而最近的一次测算结果却显示，深度实为30km。
Normally, that would still put it in the class of safe earthquakes, but it was so powerful that the usual rules did not apply.
通常来说，30km仍可划入安全等级。但此次地震能量巨大，以往的经验概不管用。
The secret of the new method is that depth changes an earthquake's character in ways other than just its tsunami-generating propensity.
新系统的秘密在于地震深度对地震性质的改变不仅仅停留在是否引发海啸的问题上。
The rupture in the rock that causes a deep earthquake propagates rapidly&at about 3km a second.
岩层断裂引发深震传播速度很快&&大约3km/秒。
A shallow rupture moves more slowly: 1?km a second is common.
而浅震传播速度较慢：一般约1.5km/秒。
The speed seems related to the rigidity of the rock that is rupturing, and deep rock, which is under more pressure, is more rigid.
速度可能与断裂岩层的坚硬程度有关，深层岩体受压力更大，也更坚硬。
Shallow rocks bend, and that slows the rupture down.
浅层岩体有韧度，可减缓断裂。
The effect is to give seismologists a tool they can use to make an instant estimate of an earthquake's depth and thus, if it is submarine, the risk of its creating a big tsunami.
地震学家可据此迅速估算地震深度，如果是海洋地震，还能估算地震是否引发强烈海啸。
The system Dr Newman and Mr Convers have developed taps into hundreds of seismic monitoring stations around the world.
纽曼博士与康弗斯先生研发的新系统接入了世界各地几百所地震监测站。
When an earthquake is detected, the software immediately looks at the size of the tremor and the location of its epicentre.
当检测到地震时，该系统软件立即测算地震规模与震中位置。
If the quake's magnitude is greater than 6.5 and the epicentre is underwater, it then requests information from the relevant stations on how long the earthquake took from beginning to end.
如果级数超过6.5级且震中位于水下，系统则要求相关监测站报送地震全程持续时间。
That allows it to work out how quickly energy was released by the earthquake, and thus how fast the rupture propagated.
这一信息可帮助计算地震能量释放速度，并以此计算岩层断裂速度。
An energy-release rate indicating a rupture rate of 1?km a second or less sets the alarm bells ringing, for the earthquake has probably spawned a tsunami&though the system is also sensitive to the actual earthquake magnitude, and adjusts accordingly, so it did not miss the tsunami-creating potential of the Japanese earthquake either.
岩层断裂速度达1.5km/秒以下的能量释放速度将会拉响警报，而这时极有可能引发海啸&&尽管如此，该系统也能检测出地震级数并作出相应调整，因此也检测出了日本地震会引发海啸的风险。
The two researchers tried their invention out last year and analysed a great many quakes, including one of magnitude 7.8 that happened on October 25th in western Indonesia.
两位研究者去年对该发明进行了测试，用以分析了许多地震，包括去年10月25日印尼西部发生的里氏7.8级地震。
The epicentre was 70km from the Mentawai islands, and the quake was felt there only weakly.
震中位于距民大威群岛70km处，岛上只有轻微震感。
But it still raised a devastating tsunami (see picture above) that killed more than 400 islanders.
但是，地震随后引发了一次破坏力极强的海啸（见上图），导致400多位岛民死亡。
The system quickly detected this quake and the two researchers reported recently in Geophysical Research Letters that it automatically identified the tsunami threat 8? minutes after the earthquake began.
该系统迅速检测到印尼地震，两位研究者近期在向《地理物理研究快报》的报告中指出，系统在地震开始后8.5分钟自动检测到震后海啸威胁。
It then ran a series of checks, and after 16? minutes was completely certain that conditions were right for a tsunami to form.
随后，系统启动了一系列检查程序，震后16.5分钟便完全确定海啸即将发生。
Since it took 35 minutes for the tsunami to come ashore, the system could, had it been used to sound the alarm, have given people 18? minutes to flee.
因为海啸将在震后35分钟后到达，如果使用该系统发出警报，则为人们赢得了18.5分钟宝贵的逃生时间。
Unfortunately, it was not then attached to any sort of alarm that could let the Mentawai islanders know that they were in danger.
不幸的是，该系统当时还未与警报系统结合，因此无法及时通知民大威群岛岛民海啸险情。
With luck, such a lack of warning will not happen again.
而幸运的是，缺乏警报机制的这种情况以后不会再有了。
By the summer the system should be hooked up to alarms around the world, and will be able to determine tsunami risk within seven minutes of a shock being detected.
今年夏天之前，该系统将会与全世界警报系统相连接，并将会在检测到地震后7分钟内确定海啸发生的概率。
It will then be up to local authorities to have evacuation plans in place.
随后则由地方政府开展撤离计划。
But they will no longer be able to say they did not see it coming.
到那时，政府便不可能再推脱说不知道海啸会来了。
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[责任编辑：elly]
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这些房屋科技可以让人在地震中活命
来源：作者：光谱责编：汐元
像地震这样的天灾总会降临在人们的头上，成功预测和有效抵御它们，成为天文和地理学家、工程师奋斗终生的目标。然而，在现实中，再强大的地震预测机制也很难打出足够的提前量，让受灾地区人民提前撤离。但这并不意味着地震学家的学术工作没有意义：他们为另一群人——建筑工程师们——提供了最关键的抗震指导，告诉了这些工程师应该在哪些地区建造抗震等级多高的建筑物。接下来的事情，就交给工程师了。这些绝顶聪明的天才研发出了许许多多种增强建筑物强度，或提高其耐受能力的技术，当中许多你可能从来没见过，甚至没想象过会出现。今天，让我们见识世界上最厉害的&10种建筑物抗震科技——感谢它们和发明它们的工程师吧。1.悬浮结构绝大多数建筑物都不是你所见到的样子，为了稳固，在表面之下还有地基以及利用地基建设的地下室。然而，地基/地表建筑一体化的结构在抗震方面并不理想，当发生足够强大的地震时，地基被挤压和振动造成的形变足以对地表以上的建筑带来灾难性的破坏。工程师入场了，带来了一种充满创造力的新结构——悬浮结构：将地表建筑和地基分离开来，中间加上由培林（bearing）组成的「悬浮层」，当地震袭来时，地基发生的剧烈晃动对地表建筑造成的影响将被极大地减小。地震多发国家日本的工程师更加时髦：建筑的传感器感知到地震波，在半秒钟内启动一个压缩装置，将地表建筑和地基之间的充满高压气体，让建筑物真的「浮」在地基之上。地震结束后，压缩装置开始泄压，房屋又能恢复到原来的地基结构之上——没人受伤，地表房屋也没有遭到破坏，皆大欢喜。2.减震器你最熟悉的减震器在汽车里：简单来说，这是一套由弹簧和液压系统组成的结构，能够将汽车行驶当中产生的震动吸收转化，从而让驾驶和乘坐汽车的人感觉舒服一点。如果没有减震器，那么当你开车路过减速坎的时候可要小心点了，因为每一道坎都足以让你的脑袋顶穿车顶棚……建筑工程师将减震器应用到了建筑当中。和汽车当中大部分垂直放置的减震器不同，建筑物当中的减震器水平或倾斜放置在每一楼层当中，当地震发生时建筑物的扭动使得楼层之间产生水平方向的动能，而减震器将动能的一部分呢吸收转化为热能，从而降低了这种动能对建筑物带来的撕裂效应。3.阻尼器你去过台北101大楼吗？如果去过的话，那你一定对楼顶金色大球印象深刻吧？101大楼还推出过以这个大圆球为原型的吉祥物「Damper Baby」。其实，大圆球是101大楼的「定楼神球」——风阻尼器，学名叫做Tuned Mass Damper（调谐质量阻尼器）。对于101这样的摩天塔状大楼来说，不需要地震，当风力达到足够大时就足以对建筑物产生形变，使得居于其中的人感觉到「震感」。而大圆球被放置在楼顶，当外力作用于建筑物的时候，建筑物的摆动产生的能量会被传导至大圆球，而大圆球的质量刚刚好可以在建筑物整体摆动时，由于惯性的作用向相反方向摆动，从而中和建筑物的形变。是不是很好玩？4.可更换钢连梁「保险丝」燃烧自己，保卫生命。大多数人的生活中可能只见过空气开关了——还记得以前的保险丝吗？保险丝可以承受一定程度的电流，而当电流强度超过额定情况时，保险丝就会熔断，从而将整个电路切断，保护电器进而保护人身安全。工程师将保险丝的逻辑应用到了建筑当中。钢架结构建筑物由于金属的特性本身具有一定的弹性，从而可以吸收一定程度的震动能量。除了钢结构之外，建筑工程师还将在整个建筑物从头到脚用垂直的可更换钢缆「缠紧」。这些钢缆就像皮筋一样，可以将整个结构受力。当地震发生时，钢缆可以吸收相当大一部分的动能，保持建筑物的结构端正。一旦受力过高，钢缆会向保险丝一样崩断，将能量释放给钢结构以及其他的钢缆。就像保险丝一样，钢缆是可替换的——勒紧自己，保卫生命！5.摇摆墙高科技往往意味着高造价。对于抗震要求不太高的建筑物来说，在有限的造价内实现足够的抗震等级，建筑师往往会采用core-wall（核心墙）技术：在建筑物的中心位置（通常是电梯井的四周）砌筑强化钢筋混凝土墙。摇摆墙则是在核心墙上继续加装前面提到的一些弹性强化装置，比如可调节的钢筋等。结果就是在较低的造价上实现了建筑的核心结构具有足够的震动耐受性。6.地震波「隐形衣」地震不是简单的地面来回震动，它没你想象的那么简单。震源发出地震波，具体体现为地表以下内部传递的实体波，和更复杂的、多种波型经过多次折反射在地表传递的表面波。地震波，和光波一样，都是一种波。人们总是憧憬着隐形衣的问世，光可以直接穿过这种材质，不会让掩盖在材质后面的人或物显现出来（可以参考《碟中谍4》里伊森·亨特和他的伙伴班吉在克林姆林宫地下室通道里曾经使用过的「障眼幕布」，虽然实现原理不同，不过效果差不多，见下图）。然而这种材质的物料，从组成的粒子大小和例子的排列结构上都十分特殊，以至于现实生活中非常难以实现……所幸，地震波相比光波来说，因为频率、波长等参数的关系，想要实现「隐形」更容易一些，更何况隐形根本不需要那么严格，只需要将地震波偏振到其他方向，即可让「隐形衣」所保护的建筑免受地震波的波及。2013年一次试验中，法国科学家在5米深的地下用点阵的方式排布了一系列直径0.3米左右的高强度塑料材质的圆柱。从地表下传来的地震波的动能，在进入之后被锁定在了这个结构当中，然后被平移到了结构的外侧，从而有效降低了结构上方的建筑物所接受到的动能。然而，一种型号的「隐形衣」往往只对特定频率的地震波有效，而真实情况中的地震波往往是多种多样的。前面提到的表面波才是造成伤亡的最大原因，而这种结构对表面波几乎没有效果；更何况这种结构本身就很脆弱，在对抗大地震时自身也脆弱的不堪一击……但，有效果总比没效果好，对吧？7.形状记忆合金建筑当中主要采用两种材料：（钢筋）混凝土和钢铁，因为他们的坚固性较高。但是，抗击地震不仅需要坚固性，还需要耐受力。耐受力高的材质在地震发生时可以产生形变而吸收地震的动能，同时将动能转化为其他形式的能量。而一旦动能太过强大，材质的形变程度超过其可耐受的程度，就会直接断裂、破碎。人类社会最早使用极为粘土结构建造房屋，后来他们不满足于简单的粘土结构，开始使用木头；还不满意，有了砖木混合；还不满意，有了混凝土；依然不满意，有了钢筋混凝土；仍然不满意，有了纯钢架结构。但即便是最为坚固的钢架结构依然会有耐受力不足的情况。于是，材料科学家和建筑工程师开始考虑使用一种更为强大的材质：形状记忆合金（Shape Memory Alloys）。由镍和钛组成的镍钛记忆合金可以比现有的建筑用钢在弹性上提升30%的水平。当一次足够灾难性的地震发生，连钢架都因为强大的动能被撕裂的时候，形状记忆合金和钢筋混凝土建成的建筑物依然坚挺。这种合金在被人们形象地成为「智能合金」。它就像你的记忆枕一样，可以在你躺下的时候用最合适的姿势承受脑袋的质量，在你起床的时候回复原来的形状。形状记忆合金用在建筑上并不一定能回复到100%原模原样，但至少建筑里的人没事，财产受到的影响不大，足够伟大了。哦对了，矫过牙吗？镍钛记忆合金就是你钢牙里的那条金属线哈~8.碳纤维加固改造在刚刚发生的尼泊尔大地震中，人员伤亡和财产损失是一方面，许多历史遗产建筑遭受的损失更是无法估量。保护这些年久失修的古建筑，提升其抗震性，可能远比修建新的抗震建筑在过去重要，然而尼泊尔过去没有把握住这样的机会。警钟已经敲响，我们该怎样提升这些在建设过程中没有考虑抗震性能的建筑？工程师们用碳纤维和尼龙、聚酯、乙烯基质等化纤材质的线缆缴合在一起，捆绑在建筑物的承重结构上，比如桥梁的桥墩，建筑物的承重墙，从而用较低的成本实现对非抗震结构建筑物的抗震加固改造。这种方式叫做FRP——Fiber-Reinforced Plastic wrap。研究显示，经过这种方式进行多次加固的建筑物抗震能力能够获得20-40%的提升。9.生物材质蜘蛛和海蛎子，给材料科学家和建筑工程师带来了新的灵感。在单位粗细和数量上对比，蜘蛛丝比钢铁还要坚韧。然而材料科学家们发现蜘蛛丝拥有一种特别有趣的、「非线性」的坚韧表现：当被拽压变形时，蜘蛛丝的韧度先提升；当力度到达一定程度时，蜘蛛丝开始变得柔软以应对形变；力度继续提高，蜘蛛丝又开始变得坚韧——很显然，彼得·帕克充分利用了这一点。生物学家们还发现了海中的一些有壳软体动物和他们的壳相连的那段部分（对，就是你们经常吃的瑶柱）在坚固和柔软之间的配比极为合适——大约为4：1。这种配比使得这些贝壳类生物在面对海上的风浪时得以存活。好吃，救命……10.纸板相对较复杂的多层纸板结构极为坚固——这其实并不需要科学家去研究，把你家买电器产品留下的纸板箱多折几层就能发现了。日本建筑师有坂茂将纸板卷成筒，刷上用作密封、粘合和防水保温的有机高分子材料聚氨酯，当做建筑物的主要框架材料。2011年2月新西兰百年大教堂因地震倒塌，夺走了近200条人命。现在，原址上拔地而起的新大教堂就是用上面描述的这种纸板筒结构，加上加固用的木梁建成的。纸板结构非常坚固，兼具弹性，质量极轻。用这种材质结构建造的建筑，抗震性能较好；一旦倒塌，也比传统的混凝土/钢架结构建筑对人员和财产造成的损害小到不知道哪儿去了……上完厕所，也许你应该重新认识一下用完的纸卷筒……
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本商品暂无详情。如何辨别一场自然地震和一次核试验？
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如何辨别一场自然地震和一次核试验？
美国地质勘探局的地震学家们认为，朝鲜的确测试了核弹，但这颗核弹并不是氢弹。一颗氢弹的威力，应是朝鲜已经测试过的裂变核弹的数百倍。图片来源：网络在朝鲜宣布测试氢弹之后，美国地质调查局（United States Geological Survey，简称USGS）地震学家的初步分析认为，朝鲜的确测试了核弹，但这颗核弹并不是氢弹。不过，这一结论是如何得出的呢？
首先，要先排除朝鲜将其归因于地震的可能性。地质学家和地震学家们会根据几个因素来判断地表震动是自然事件还是人为事件。第一个是位置，比如震动是否发生在地质断层线上？当地是否有很多采矿活动？等等。另一个因素，是显示在地震仪上的地震波。美国地质调查局地震学家保罗·厄尔（Paul Earle）说，爆炸产生的地震波，与自然形成的地震波是不一样的。
将一个螺旋弹簧放在地面上，拉住其中一头，然后前后移动，会形成不断蔓延的波浪，这被称为剪切波传播（Shear Wave Propagation，又称横波传播），板块构造滑入地表之下就会产生这种地震波。“在爆炸后，很少会有这种侧向移动，”厄尔说。
来源：Prof. Lawrence W. Braile，Department of Earth and Atmospheric Sciences，Purdue University
与此形成对比的是，一次地下的爆炸会产生压缩波（Compressional Wave Propagation，又称纵波）。螺旋弹簧的线圈会伸展开来，但却不会移动。他说，这种波“通常更剧烈”，但延展较小。
来源：Prof. Lawrence W. Braile，Department of Earth and Atmospheric Sciences，Purdue University
那么，朝鲜究竟发生了什么呢？
从数百个地震仪中收集的数据显示，此次事件观测到的位置十分接近丰溪里，朝鲜2013年曾在此进行过1万吨当量的非氢弹核装置试验。“此次波形与之前的核试验相似，”厄尔说。更重要的是，两次震级都为5.1级。
然而，由于没有在朝鲜当地设置地震仪，美国地质调查局对此并不能百分之百地肯定。厄尔说，这会产生较大的误差。他补充说：“如果核爆被完全掩埋并控制在地下进行，震级会小很多。”
白宫表示，此次试验很可能并不是氢弹爆炸，而其他人则对此表现得更谨慎。卡内基国际和平基金会（Carnegie Endowment for International Peace）的詹姆斯·埃克顿（James Acton）说，震级显示核爆当量应该是1万吨，而这还不到最小氢弹爆炸当量的三分之一。
“如果1万吨的观测计算结果是正确的，那么对一次成功的试验来说，此次的核爆当量太显小了，”埃克顿说。不过，目前还不确定爆炸发生的深度。
“朝鲜有多条试验隧道……现在至少有三个不同的入口。此次所用的可能与2013年不同，”他说。
而且，此次试验可能是所谓的“助爆型核弹”（boosted bomb）：当量较小、没有太大的破坏力，不过与传统氢弹有某些相似之处。助爆型核弹使用核聚变来加速传统核弹的核裂变过程，在根本上不同于多数人认可的真正的氢弹，不过这仍可被视为一个不祥的信号。
“如果这是一个可以被描述为氢弹的助爆型核弹的试验，那么这将是迈向制造适合弹道导弹的高密度弹头的重要一步，”埃克顿说。
在美国军方，判断核试验种类是位于佛罗里达帕特里克空军基地空军技术应用中心（Air Force Technical Applications Center，AFTAC）的工作。截至目前，军方的数据与地质调查局相同，显示在前些年就进行过核试验的位置再次发生了5.1级地震。不过，他们在朝鲜也没有地震仪。
尽管如此，地震仪并非军方用来监测炸弹爆炸的唯一装置。“AFTAC拥有空中能力，可以在半空进行空中取样。目前还需要进一步对样品进行分析，”AFTAC发言人苏珊·罗曼诺（Susan Romano）说。
AFTAC使用两架来自内布拉斯加州的波音WC-135“不死凤凰”侦察机对空气样本进行采集，其中一架在2013年朝鲜核试验后就曾参与过收集行动。稍后的分析可能会包括对氢的放射性同位素氚的筛查——氚是助爆型核试验中常用的元素。
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