2017年12月28日

跨年夜的捷運影響地球磁場?—大眾捷運系統造成地球磁場觀測的擾動

顏宏元/國立中央大學地球科學學系教授兼系主任,研究領域為重磁測勘、地體構造物理學。

陳界宏/時任國立中正大學地球與環境科學學系副教授,現職中國地質大學(武漢)固體地球物理學系,研究領域為地磁學、地震前兆。


位於陽明山國家公園的地磁觀測站是為了監測臺灣北部地區火山活動,但長期在特定時間記錄到明顯的擾動訊號,干擾幅度約為3~5 nT(奈特斯拉,nano-tesla)。經研究發現,地磁觀測站長期受到擾動是臺北捷運系統的供電和回流電流不平衡造成。

地球磁場
在求學階段,大家都做過「磁鐵吸鐵屑」實驗(圖一),鐵屑會沿著磁力線排列,磁力線越密集的地方代表磁場強度較強。其實,因為地球磁場的緣故,在我們的周遭空間分布著不同密度的磁力線,磁力線的疏密就如磁鐵吸鐵屑實驗一樣,意謂著周遭磁場強度有所不同。

圖一:鐵屑會沿著棒狀磁鐵產生的磁力線排列。
(Wikipedia)
戰國時期人類已經發現了磁石能吸引鐵的現象。偶然間發現條狀的天然磁石竟然都會固定指向南北方向(向南與向北),因此就應用磁石磨成指南針,並藉它來辨別方向。但當時還不知道為什麼指南針會一直指著南北方向?其實這就表示地球有磁場存在的證據。

雖然對於地球磁場的起源,至今仍未找到一個令人滿意的答案,但科學家們根據長期對地球磁場的觀測資料,已基本掌握了地球磁場的分布與變化規律。地球的磁場分布如圖二所示,它阻擋絕大部分高速太陽風所造成的輻射能,為地球提供了一個無形的屏障。地球磁場強度因地點不同而有所差異,地球磁場最強是位在加拿大東北部的「地磁南極」,其強度可達66000 nT;最弱則是在南美洲的24000 nT,臺北的地磁場強度約為45000 nT。

地球磁場強度亦會隨時間而變化,大家最熟悉地球磁場短期且顯著的變化就是「磁暴」現象。當磁暴發生時,太陽風中的帶電粒子會順著地磁場的磁力線方向運動,與大氣中氣體分子碰撞放電,在極區或較高緯度地區引發瑰麗、且瞬息萬變的「極光」。其他如大地震、隕石雨、甚至海洋波動等,都會造成地磁場微弱的擾動情形。至於都會區大眾運輸系統營運會引起地球磁場的擾動,我們則是在無意間被發現的。
圖二:地球磁場分布是從地表到磁層頂。

發現地磁紀錄異常
大屯火山群位於臺北盆地正北方,主要由七星山、紗帽山及磺嘴山等20 餘座火山組成,一般認為是因菲律賓海板塊往北隱沒作用所造成。根據最新研究發現,在大屯火山群下方地殼深部有岩漿庫的存在;另由火山灰研究指出大屯山之最後一次噴發可能在5000~6000 年前,所以將大屯火山群歸類為「休眠的活火山」。為了即時監測大屯火山活動,在陽明山國家公園菁山自然中心成立「大屯火山觀測站」,該觀測站在大屯火山群及其周邊設置多項即時火山監測儀器,其中於「大屯火山觀測站」下方安裝一套三分量地磁觀測設備,稱為陽明山地磁觀測站(YMM,圖三)。

圖三:(a)三分量地磁感應器是被埋在地底下(施工過程所拍攝)。
(b)透過FRP 內的傳輸裝置,將所觀測到的地磁資料傳送到紀錄中心。
地磁感應器則是埋在FRP 左上方的樹林裡。(a 為陳俊榕攝影、b 為顏
宏元攝影)

我們檢視該地磁觀測站的資料時,無意間看到2013 年元旦清晨1點30分到4點30分的地磁資料,與平常同時段所記錄的地磁資料有異。平常在清晨1 點30 分到4 點30 分的地磁資料,與其他時間比較是相對穩定的,一般認為是因地磁觀測站背對著太陽,加上電離層潮汐作用變小所致;不過元旦清晨1 點30 分到4 點30 分的地磁資料似乎受到干擾,造成地磁場擾動的振幅和頻率超過其他時間,甚至比白天還嚴重。

大膽假設、小心求證
到底是什麼原因造成影響地球磁場觀測?我們絞盡腦汁假設一些可能的原因,是跨年用電量大增因而造成地磁場擾動嗎?還是因電力調配而使得關渡變電所電流量改變?與核電廠供電有關嗎?地球外部磁場突然改變?研究團隊抽絲剝繭,陸續將前述可能造成地磁場擾動的原因排除。最後想到捷運系統跨年營運不收班,難道是捷運系統營運造成地磁場的擾動嗎?研究團隊經討論後就「大膽假設」──元旦清晨1點30分到4點30分地磁場的擾動與捷運系統跨年營運不收班有關?決定從同年底12月30日至隔年的1月2日進行觀測,再看看隔年元旦清晨同一時段是否觀測到相同的地磁場擾動訊號。

2013年底,除了確定YMM站正常運作外,還特別在內湖(T1)及新店(T2)山區分別架設臨時地磁觀測站(圖四),以了解是否只有YMM站記錄到地磁的擾動?這兩個臨時地磁觀測站是採用「質子進動磁力儀」,他是最常被用來量測地球磁場強度的儀器。檢視45小時所記錄到的地磁場連續紀錄,令我們非常的振奮和訝異。於45小時的紀錄中,只有在元旦清晨1點30分到4點30分有觀測到地磁場受到擾動的情形,受擾動的地磁紀錄與去年同一時段相同;而在12月31日及1月2日的相同時段並沒有偵測到地磁場受到擾動的情形(圖五a),這個結果令我們相當的振奮。但令我們訝異的是除了在YMM站記錄到與去年相同的擾動訊號,臨時架設在內湖(T1)及新店(T2)山區的地磁觀測站,在元旦清晨1點30分到4點30分也記錄到地磁場受到擾動的情形,換言之,在臺北盆地的南北邊都偵測到地磁場受擾動的情形。根據這45小時的地磁資料,初步證實了我們的假設──地磁場的擾動應該與捷運系統營運有關。

圖四:這次研究地磁觀測站的位置圖。YMM:陽明山地磁觀測站;HLG:花蓮縣光復鄉地磁觀測站;T1:內湖臨時地磁觀測站;T2:新店臨時地磁觀測站。(Chen C. H., et al., Artificial magnetic disturbance from the mass rapid transit system in Taiwan, Terra Nova, 2017.)

圖五:(a)在元旦清晨1點30分到4點30分有觀測到地磁場受到擾動的情形;而在12月31日及1月2日的相同時段並沒有偵測到地磁場受到擾動的情形。(b)YMM和HLG兩個地磁觀測站的資料,可以清楚看出紀錄有明顯的差異,除了清晨1點30分到4點30分之外,YMM站的振幅通常是HLG站的5倍。(Chen C. H., et al., Artificial magnetic disturbance from the mass rapid transit system in Taiwan, Terra Nova, 2017.)


為了要完全確認我們的假設,仍然繼續「小心求證」及相關問題的研究。中央研究院地球科學研究所與中央大學地球科學系為了進行「臺灣地區地震前兆研究」,在花蓮縣光復鄉安裝與「大屯火山觀測站」相同的三分量地磁觀測站(HLG)。HLG站每天的雜訊程度維持在0.01 nT和-0.01 nT之間(圖五b),表示這是一個非常穩定且不受外界干擾的地磁觀測站。比對YMM和HLG兩個地磁觀測站的資料,可以清楚看出紀錄有明顯的差異,除了清晨1點30分到4點30分之外,YMM站的振幅通常是HLG站的5倍(圖五b)。在圖中大約上午9~10點、晚上6~8點和半夜11點到隔日清晨1點30分,這三個時段的雜訊程度變大。前兩個時段恰巧是大眾捷運系統每日運輸尖峰時段;第三個時段則是由於列車駛回捷運機場進行維修。由於這三個時段捷運系統的用電量需求增加,因而加強了地磁紀錄中的雜訊程度。在3小時捷運系統不供電的(即1:30~4:30)期間,YMM和HLG站沒有發現雜訊程度受干擾的情形。45小時連續擾動、地磁紀錄中的雜訊程度和大眾捷運系統運行時間有高度相關性,都證實地磁場受擾動與臺北都會區捷運系統營運有密切的相關。

討論和分析
為降低建設成本,絕大部分大眾捷運系統都以第三軌供應直流電來驅動列車,負回流電流再透過鋼軌匯集到負電端,形成迴路。臺北都會區捷運系統列車就是使用「集電靴」的裝置,由供電軌取得750伏特的直流電供電聯車使用,負載電流負回流經由軌道送回負電端。由於鋼軌對地不可能完全絕緣,就在回送過程有部分電流從鋼軌洩出流入大地。

至於捷運系統營運如何造成地磁場擾動,我們選擇在臺北動物園站與木柵站之間,臨景美溪畔的停車場進行實驗,分別在捷運路線下方和其兩側架設臨時地磁觀測站,證實捷運系統營運期間有電流洩漏至地下。根據我們在YMM站(距離捷運淡水線6.4公里)所偵測到3~5 nT的地磁場擾動,推測是由於臺北捷運系統鐵路內的供電和回流電流不平衡造成的,推估經由軌道洩漏電流大約為300安培。然而,洩漏電流的強度與驅動列車電流的強度成正比,所以在臺北捷運系統的尖峰時段,直流電的強度保持在2000安培左右,有時達到最高約5000安培。大家所熟悉的「安培定律」,就是說當有電流通過一條導線時,在導線附近會產生一個環狀磁場。依安培定律就不難想像捷運系統的營運,的確會造成地球磁場強度的擾動。儘管各國的捷運系統不盡相同,但其運轉所造成地磁場擾動仍是值得進一步關注且有趣的議題。

延伸閱讀
1.陳南鳴、柯博仁,〈軌道列車電力牽引系統運轉理論分析、量測、控制與改善---總計畫暨子計畫一:高運量捷運列車電力牽引系統運轉理論分析與再生煞車能源轉換原理探討(III)〉,科技部計畫,2014年。
2.Chen C. H., et al., Artificial magnetic disturbance from the mass rapid transit system in Taiwan, Terra Nova, 2017. 





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