地震的「喀喀」聲，為什麼會比
「搖搖晃晃」先來？
地震發生時，一開始會先有輕微的喀喀晃動，稍晚才會有大幅度的搖晃。這個順序幾乎每次都一樣。原因是地底下同時出發兩種波，只是其中一種先到達。而這幾秒的時間差，正是「緊急地震速報」得以成立的關鍵。
地震來臨時，很少會一開始就劇烈搖晃。通常會先有喀噠喀噠般的細微晃動，有時甚至只有碗盤微微作響的程度。
在你察覺「是不是地震」的幾秒之後，大幅度的搖晃才會到來。這才是主戲——架上的物品掉落、身體站不穩，通常都是這個階段造成的。
震源愈遠，這兩種晃動之間的間隔就愈長。如果感覺「間隔拉得很長」，就代表震源在遠方。
明明是同一個地震產生的搖晃，為什麼會分成兩次抵達呢？
一種是推拉波，另一種是搖擺波。兩者從同一個地方同時出發，但傳播速度不同。
先到達的推拉波晃動較小，之後才到的搖擺波則晃動較大。所以順序是「先小後大」。
這個時間差並非偶然，而是由地面這種物質的性質所決定的。讓我們依序來看。
為什麼推拉波比較快？
像地面這樣的固體，有兩種「變形方式」。
- 壓縮・拉伸 ― 會改變體積的變形方式
- 剪切 ― 體積不變，只讓形狀橫向歪斜的變形方式
而物質對「壓縮」的抵抗力較強，對「剪切」的抵抗力則相對較弱。想像一下橡皮擦：要把它壓扁很費力，但要把它橫向扭轉卻很容易。
波速的原則是抵抗力愈強就愈快，質量愈重就愈慢。這就跟繃得愈緊的弦，音調愈高（波速愈快）是同樣的道理。
所以，利用抵抗力較強的「壓縮」方式傳播的推拉波比較快，而利用抵抗力較弱的「剪切」方式傳播的搖擺波比較慢。這個順序不會顛倒。
順序之所以不同，是因為地面對變形的抵抗力不同。
從這裡開始，會連結到一個令人驚訝的故事。搖擺波沒辦法在液體中傳播。液體沒有「維持形狀的力」，所以就算被剪切也不會恢復原狀，因此無法以波的形式傳遞。
20世紀初，有人蒐集了大地震後全球各觀測站的紀錄，發現了一件事：在震央另一側的某個角度範圍內，搖擺波完全沒有抵達。
這只有一種解釋：地球內部存在液態層。誰也沒見過的地下數千公里構造，僅憑地面搖晃的紀錄就被揭曉了。我們之所以知道「地球的外核是液態」，正是拜這項觀測所賜。
幾秒的時間差，讓警報得以實現
緊急地震速報，利用的正是這個時間差。
靠近震源的觀測站會先捕捉到較快抵達的推拉波，再將這項資訊以電子訊號發送出去。電子訊號的速度遠比地面的波動快得多，所以能在大幅搖晃抵達之前送出通知。
不過，這種方式有無法避免的極限。
- 震源太近就來不及。如果地震發生在正下方，兩種波幾乎同時抵達。直下型地震有時會先搖晃、警報才響起
- 因為是用最初幾秒推估規模，之後可能會被修正。有些地震一開始很小，之後才變大，僅憑初動無法完全判斷最終規模
- 可爭取的時間，最長也只有幾十秒。必須事先決定好這段時間內該做什麼
- 先保護頭部，壓低身體躲進堅固的桌子下方並抓住桌腳。如果沒有桌子，就到不會有東西掉落、倒塌或移動過來的地方。遠離窗戶玻璃、高大家具和吊掛式照明。
- 不要慌張跑到外面，也不要衝去關火戶外有掉落物的危險。瓦斯爐的火要等搖晃停止後再關。現在的瓦斯設備多半會感應搖晃自動熄火，勉強靠近反而更危險。
- 搖晃停止後，確認安全再行動用拖鞋或鞋子保護腳底（玻璃可能散落一地），並確保出口暢通。如有人受傷，請撥打119。若身處有海嘯風險的地區，不要等警報，立刻前往高處避難。
從「間隔」可以推算距離
試著數一數從喀喀聲開始到搖搖晃晃出現之間經過了幾秒。把這個秒數乘以大約8，就能得到到震源的大致距離（公里）。
5秒約為40公里，10秒約為80公里。雖然相當簡化，但這是19世紀在日本發現的關係式，至今仍被當作參考標準使用。
反過來說，幾乎沒有間隔的地震，代表震源非常近。如果一開始就被猛然往上頂起般搖晃，就意味著地震發生在正下方或附近。
在家也能驗證
- 把一條較長的彈簧（螺旋狀玩具）拉伸放在地板上，手握住一端
- 握住的一端快速前後推動，就會看到壓縮的部分向前跑。這就是推拉波
- 用同一條彈簧（或繩子）的一端左右甩動一下，就會看到橫向的鼓起向前跑。這就是搖擺波
- 試著把彈簧調緊或調鬆，比較看看哪一種比較快
- 接著，試著左右晃動裝了水的托盤邊緣。你會發現橫向的變形沒有辦法就這樣傳遞出去
同樣是彈簧，只是晃動方式不同，就能看到完全不同的傳播方式。而水無法傳遞橫向變形——這正是「搖擺波無法通過液體」的道理，也是找出地球內部是液態的線索。廚房裡的托盤，和地球的核心，其實是同一個道理。
總結
喀喀聲之所以先到，是因為地面對「被壓縮」的抵抗力強，對「被剪切」的抵抗力弱。利用抵抗力較強方式傳播的波比較快，所以先抵達。這幾秒的時間差讓緊急地震速報得以成立，同樣的性質也讓我們得知了地球的內部構造。
最初的喀喀聲，就是警告。
與其數秒數，不如先保護頭部。
大幅搖晃停止後，在填海造地等地區，地面本身有時仍會因「液化現象」而變得脆弱。這項機制在液化現象的文章中有說明。此外，大地震之後小規模搖晃會持續好幾天的原因，則在「大地震過後，餘震為什麼會持續好幾天？」中討論過。
想知道更多 ― 用語・公式・與教科書的連結從國中理科到研究中的話題，都會明確標示屬於哪個層級
- 國中國中理科課程範圍
- 高中高中「物理基礎」「地科基礎」課程範圍
- 高中＋高中「物理」「地科」，或教科書中列為進階、專欄的內容
- 大學高中不會教，屬於大學專業科目（地震學・彈性理論）的內容
- 研究大學也還沒當作「定論」教授、研究者目前仍在調查中的話題
國中用語：地震相關詞彙
- P波：本文所稱的「推拉波」。取自Primary（最初的）字首。是沿前進方向振動的縱波，會造成初期微動。
- S波：本文所稱的「搖擺波」。取自Secondary（第二個的）字首，是與前進方向垂直振動的橫波，會造成主要搖晃。
- 初期微動持續時間：從P波抵達到S波抵達之間的時間，也稱為P-S時間。
- 震度與規模：震度是當地的搖晃強度，會因地點而異。規模（芮氏規模）則是地震本身的大小，一場地震只有一個數值。
- 震源與震央：震源是地下岩盤開始破裂的位置，震央則是其正上方的地表位置。
高中用公式驗證：數一數小晃動的秒數，就能算出到震源的距離
地震來臨時，一開始會先有喀喀般的小幅晃動，之後才是大幅搖晃。只要數一數兩者之間的秒數，就能算出到震源的距離。
距離 ＝ 速度 × 時間
| 快的波（P波） | 約 7 km/s |
| 慢的波（S波） | 約 4 km/s |
| 中間的秒數 | 小幅晃動持續的時間［秒］ |
在同一瞬間、同一地點，兩種速度不同的波同時出發。距離愈遠，抵達的時間差就愈大。就像馬拉松比賽中，快跑者和慢跑者的差距會隨著距離拉開一樣。
也就是說，「時間差的秒數」本身就是距離的量尺。
設到震源的距離為 D，小幅晃動持續的時間為 t。兩者的抵達時刻分別為 D ÷ 7 與 D ÷ 4，兩者之差即為 t。整理後可得：
D ＝ t × (7 × 4) ÷ (7 − 4)
| 計算分子 | 7 × 4 ＝ 28 |
| 計算分母 | 7 − 4 ＝ 3 |
| 相除 | 28 ÷ 3 ≒ 9.3 |
| 整理成 | D ≒ t × 9.3（km） |
常聽到的「秒數 × 8」，是把這個9.3依實際地下構造調整後的結果（波速會隨深度改變）。大致記成「秒數 × 8〜9 公里」就足夠了。
| 小幅晃動持續 3 秒 | 3 × 8 ＝ 24 km |
| 小幅晃動持續 10 秒 | 10 × 8 ＝ 80 km |
| 小幅晃動持續 30 秒 | 30 × 8 ＝ 240 km |
這裡的解讀方式很重要。秒數長＝距離遠，並不等於安全。如果距離很遠卻還能感受到搖晃，就表示這是一場規模相當大的地震。
反過來說，如果來不及數就已經大幅搖晃，就代表震源很近。無論哪一種情況，都請先保護自身安全，之後再數秒數。
速報是先觀測到先抵達的P波，再通知即將到來的S波的機制。能爭取到的時間，可以用和②相同的方式計算。
| 到震源的距離 | 設為 100 km |
| P波抵達所需時間 | 100 ÷ 7 ≒ 14 秒 |
| S波抵達所需時間 | 100 ÷ 4 ＝ 25 秒 |
| 相減 | 25 − 14 ＝ 11 秒 |
11秒。而且從觀測到發布還需要幾秒的處理時間，實際能行動的時間會更短。
而且震源愈近，這個時間差就愈小。如果距離是20公里，20 ÷ 7 ≒ 3 秒 與 20 ÷ 4 ＝ 5 秒，差距僅有 5 − 3 ＝ 2 秒。發生在正下方的地震，速報是趕不上搖晃的。這不是技術上的問題，而是由波速決定的極限。
所以「等通知來了再想辦法」是來不及的。事先固定好家具、不在睡覺的地方放置可能倒下的東西——這些事先做好的對策，才能確實發揮作用。
地震規模是每增加1，能量就變成約32倍的刻度，並非加法而是乘法增加。
| M7 與 M8 的差距 | 32 倍 |
| M7 與 M9 的差距 | 32 × 32 ＝ 1024 倍 |
「M7 和 M9 只差2」的想法是錯的，實際上差了約1000倍。因為刻度上的數字看起來很小，很容易讓人低估差距的規模。是否理解刻度的意義，會大大影響對同一份地震報告的解讀方式。
高中「秒數×8」是怎麼來的
設到震源的距離為 d，P波與S波的速度分別為 Vp、Vs，則抵達時刻的差為：
t = d/Vs − d/Vp
將此式對 d 求解，可得 d = t × Vp·Vs/(Vp − Vs)。代入數字試試看。
| P波速度 | 約 8 km/s |
| S波速度 | 約 4 km/s |
| 係數 Vp·Vs/(Vp−Vs) | 8 × 4 ÷ (8 − 4) ＝ 8 |
| P-S時間為10秒時 | d ≒ 8 × 10 ＝ 80 km |
※ 實際波速會隨地下構造而變化，因此係數大致落在6〜8之間，請當作參考值使用。
這項關係式以明治時期在日本從事研究的大森房吉等人命名，稱為大森公式。只憑一個時鐘就能算出到震源的距離，至今仍是地科教育的基本內容。
高中＋決定波速的因素
在彈性體中傳播的波速，大致上可以寫成 v = √(彈性模數 / 密度) 的形式。也就是愈硬愈快，愈重愈慢。
這裡，兩種波所使用的「硬度」並不相同。
- P波：Vp = √((K + 4μ/3) / ρ) 同時受體積不易變形的程度 K 與形狀不易變形的程度 μ 影響
- S波：Vs = √(μ / ρ) 只受形狀不易變形的程度 μ 影響
由於P波公式中的項必然較大，數學上就能保證 Vp > Vs。順序在原理上不可能顛倒。以典型岩石而言，比值大約是1.7倍左右。
而且在液體中 μ = 0，因此 Vs = 0，S波無法傳播。本文提到的內容，正是由這一行公式推導出來的。
大學從搖晃紀錄看透地球內部
地震波在地下物質性質改變的邊界上會發生折射與反射，就像光線在玻璃中彎曲一樣。利用這個性質，可以從全球各觀測站接收到波的抵達時刻，反推出地球內部的速度構造。
早期的重大成果，就是S波陰影區的發現。1910年代人們發現，在震央角度約103度到143度的範圍內，S波完全無法抵達，因而確立了液態外核的存在。之後又接續發現了內核（固態）（1936年，雷曼）。
目前則使用結合大量地震與觀測站資料、求出三維速度分布的地震波層析成像技術。這項技術被用來推估隱沒板塊的去向與地函的流動，其原理與醫療上的電腦斷層掃描（CT）相同。
研究尚未解開的問題
- 地震預測目前還做不到。「何時、何地、規模多大」這類事前判定的方法，在科學上尚未確立。包括日本在內的各國雖然長期投入研究，但目前普遍認為尚未達到能實用的短期預測程度。在「無法預測」的前提下，目前的重點放在事前準備與地震發生後的即時資訊（緊急地震速報）上。
- 地震一開始的狀態，是否決定了最終規模，目前尚不清楚。大地震和小地震一開始的波形往往很相似。有一派看法認為「一開始很小、之後是否變大是偶然」，也有看法認為「最終規模在一開始就已經決定」，兩種說法尚未有定論。這個問題直接關係到緊急地震速報的精確度——如果後者正確，就能從初動更準確地推估最終規模。
- 「慢滑移」現象的意義，也還在研究中。2000年代發現，板塊邊界會有耗時數天到數月、緩慢滑動的現象，以及伴隨而來的微弱震動。這與大地震的關係備受關注，但是否會成為前兆，目前尚未確定。
- 長周期地震動的預測也是個難題。距離震源很遠的高樓有時仍會大幅搖晃，這與地下沉積層的構造有很大關係。由於地下構造的掌握有其極限，預測仍存在不確定性。
與教科書的對應（依層級分類）
| 層級 | 科目・單元 | 對應本文哪個部分 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科・地震的搖晃與傳播方式／初期微動持續時間 | P波與S波、震度與規模、秒數×8 |
| 高中 | 物理基礎・波（縱波與橫波）／地科基礎・地球內部 | 兩種波的差異、大森公式的推導 |
| 高中＋ | 物理・彈性與波速（多列為進階內容） | v＝√(彈性模數/密度)、液體中S波無法傳播的原因 |
| 大學 | 地震學・彈性理論・地球物理學 | S波陰影區、外核與內核的發現、層析成像 |
| 研究 | 地震學（未解決） | 預測的極限、破裂的成長、慢滑移 |
| ― | 防災教育 | 保護頭部、不要外出、搖晃停止後再行動 |
- 日本氣象廳（気象庁）對地震的解說，以及緊急地震速報機制與限制的說明。
- Shearer, P. M., Introduction to Seismology（地震學的標準教科書）。
- Lehmann, I., P', Publications du Bureau Central Séismologique International, 1936（內核的發現）。
- Obara, K., Nonvolcanic deep tremor associated with subduction in southwest Japan, Science 296, 1679–1681, 2002（深部低頻微動的發現）。
- 日本內閣府（内閣府）及各地方政府關於地震發生時行動與防災準備的資料。
※ 地震波速度與係數會依地下構造而變化。本文所列為一般常用的參考值。
※本文為一般大眾取向的科學解說。地震發生時的行動，請依照氣象單位、消防單位、地方政府的指示以及各地區的防災計畫進行。若身處有海嘯風險的地區，請不要等待警報，立即前往高處避難。文中數值為理解機制所用的參考值。