地震的「喀喀」聲，為什麼
比「搖晃」先來？
地震發生時，一開始會先有細小的喀喀聲，稍晚才會有劇烈的搖晃。這個順序幾乎每次都一樣。原因是地底下同時出發了兩種波，只是其中一種先到達。而這幾秒鐘的差距，正是緊急地震速報得以成立的關鍵。
地震來臨時，很少一開始就劇烈搖晃。通常會先有喀噠喀噠、細碎的晃動，有時只是餐具輕輕作響的程度。
在你意識到「是地震嗎」的幾秒之後，大幅度的搖晃才會到來。這才是重頭戲。架上的物品掉落、身體站不穩，通常都是這個階段造成的。
震央越遠，這兩者之間的間隔就越長。如果覺得「間隔滿長的」，就代表震源比較遠。
明明是同一場地震發出的搖晃，為什麼會分成兩次抵達呢？
一種是推拉的波，另一種是晃動的波。兩者從同一地點同時出發，但傳遞速度不同。
先抵達的推拉波搖晃較小，之後抵達的晃動波則搖晃較大。所以順序會是「先小後大」。
這個時間差不是偶然，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、伸展 ― 改變體積的變形方式
- 錯動 ― 體積不變，只讓形狀橫向歪斜的變形方式
而物質對於壓縮的抵抗力較強，對於錯動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簡單。
波的速度，抵抗力越強就越快，質量越重就越慢。就像繃得越緊的弦音調越高（波速越快）一樣。
因此，利用抵抗力較強的「壓縮」方式傳遞的推拉波較快，利用抵抗力較弱的「錯動」方式傳遞的晃動波較慢。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。
接下來要說一個令人驚訝的故事。晃動波無法在液體中傳遞。液體沒有「維持形狀的力量」，被錯動後不會恢復原狀，因此無法以波的形式傳遞。
20世紀初，一群蒐集全球各地觀測站在大地震後所得紀錄的人，發現了一件事：在地球另一側的某個範圍內，晃動波完全沒有傳到。
解釋只有一個：地球內部存在液態層。這個誰都沒親眼見過、位於地下數千公里的構造，僅憑地面搖晃的紀錄就被揭露了出來。我們之所以知道「地球的外核是液態的」，正是拜這項觀測所賜。
幾秒鐘的差距，讓警報成為可能
緊急地震速報，利用的正是這個時間差。
靠近震源的觀測點先捕捉到先抵達的推拉波，並以電子訊號傳送這項資訊。電子訊號的速度遠比地面的波快，因此在大幅搖晃抵達之前，警報就能送達。
不過，這個方法有無法避免的極限。
- 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。直下型地震有時會是先搖晃、警報才響
- 因為是以最初幾秒估算規模，之後可能會被修正。有些地震一開始很小、之後才變大，光憑起始的波形無法完全掌握最終規模
- 可爭取的時間，最多也只有幾十秒。必須事先決定好在這段時間內能做什麼
- 先保護頭部，壓低姿勢躲進堅固的桌子底下並抓住桌腳。沒有桌子的話，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、高大的家具與懸掛的照明燈具。
- 不要慌張跑到外面，也不要衝去關火外面有掉落物的危險。瓦斯爐的火，要等搖晃停止後再關。現在的瓦斯器具大多能感應搖晃自動停止，勉強靠近反而更危險。
- 搖晃停止後，先確認人身安全再行動用拖鞋或鞋子保護腳底（玻璃碎片可能散落一地），確保逃生出口暢通。若有人受傷，撥打119。在有海嘯風險的地方，不要等警報，立刻前往高處避難。
從「間隔」可以推算出距離
試著數一數，從喀喀聲開始到搖晃來臨之間經過了幾秒。把這個秒數乘以大約8，就能得出到震源的大致距離（公里）。
5秒的話約40公里，10秒的話約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。如果一開始就被劇烈地往上頂起，就意味著地震發生在正下方或附近。
在家中可以驗證的事
- 把一條較長的彈簧（線圈狀玩具）伸展在地板上，抓住一端
- 把手上這端快速前後推動，就會看到被壓縮的部分往前跑，這就是推拉波
- 把同一條彈簧（或繩子）的一端左右甩動一下，就會看到橫向的鼓起往前跑，這就是晃動波
- 試著把彈簧調緊或調鬆，比較看看哪一種比較快
- 接下來，試著左右甩動裝了水的方盤邊緣，就會發現橫向的變形無法原封不動地傳遞出去
同樣是彈簧，光是甩動方式不同，就能看到完全不同的傳遞方式。而水無法傳遞橫向的變形——這正是「晃動波無法通過液體」，也是查出地球內部是液態的關鍵線索。廚房裡的方盤，和地球的核心，是靠同一個道理連在一起的。
總結
喀喀聲會先來，是因為地面對「被壓縮」抵抗力強，對「被錯動」抵抗力弱。利用抵抗力較強那一種變形方式的波比較快，因此先抵達。這幾秒鐘的差距，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，是一個警告。
先保護頭部，再開始數秒。
劇烈搖晃平息之後，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。這個原理在液化現象的文章中有說明。此外，大搖晃過後小搖晃為何會持續好幾天，則在〈大地震過後，為什麼餘震會持續好幾天？〉中討論。
想了解更多的人 ― 術語、公式與教科書的關聯從國中理化到研究中的議題，都會明確標示屬於哪個層級
- 國中國中理化課程範圍
- 高中高中「基礎物理」「基礎地球科學」課程範圍
- 高中＋高中「物理」「地球科學」，或教科書中屬於延伸、專欄性質的內容
- 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
- 研究連大學也不會當作「定論」教授、研究者目前仍在探究中的話題
國中術語：地震的用詞
- P波：本文所稱的「推拉波」。P是Primary（最初）的字首。是沿前進方向振動的縱波，會引起初期微動。
- S波：本文所稱的「晃動波」。S是Secondary（第二）的字首。是與前進方向垂直振動的橫波，會引起主要搖晃。
- 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。
- 震度與地震規模：震度是該地點的搖晃強度，各地不同。地震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：震源是地下岩層開始破裂的地點，震央則是其正上方的地表位置。
高中用公式驗證：數一數小搖晃的秒數，就能算出到震源的距離
地震發生時，一開始會有喀喀作響的小搖晃，接著才是大搖晃。只要數一數中間經過的秒數，就能算出到震源的距離。
距離 ＝ 速度 × 時間
| 快波（P波） | 約 7 km/s |
| 慢波（S波） | 約 4 km/s |
| 中間的秒數 | 小搖晃持續的時間〔秒〕 |
在同一瞬間、同一地點，兩種速度不同的波同時出發。距離越遠，抵達的時間差就越大。就像馬拉松中，快跑者與慢跑者之間的差距會隨距離拉開一樣。
也就是說，「時間差的秒數」本身就是一把距離的量尺。
設到震源的距離為 D，小搖晃持續的時間為 t。兩者各自的抵達時間是 D ÷ 7 與 D ÷ 4，兩者之差就是 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 |
| 整理後 | D ≒ t × 9.3（公里） |
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）。只要大致記住「秒數 × 8〜9公里」就足夠了。
| 小搖晃持續了3秒 | 3 × 8 ＝ 24 公里 |
| 小搖晃持續了10秒 | 10 × 8 ＝ 80 公里 |
| 小搖晃持續了30秒 | 30 × 8 ＝ 240 公里 |
這裡的解讀方式很重要。秒數長＝距離遠＝安心，這是錯的。距離那麼遠卻還能感受到搖晃，就代表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劇烈搖晃，代表震源很近。不論哪一種情況，都請先保護好自身安全，再開始數秒。
速報是一種先觀測到先抵達的P波，再通知稍後才來的S波的機制。能爭取到的時間，可用和②相同的算式求出。
| 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鐘，實際能行動的時間會更短。
而且震源越近，這個差距就越小。若是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，速報根本來不及在搖晃前發出。這不是技術問題，而是由波速決定的極限。
所以「等通知來了才思考」就太遲了。固定家具、不在睡覺的地方擺放可能倒下的物品——這些能事先做好的對策，效果才是確實的。
地震規模是每增加1，能量就變成約32倍的刻度。不是用加法而是用乘法在增加。
| M7 與 M8 的差距 | 32 倍 |
| M7 與 M9 的差距 | 32 × 32 ＝ 1024 倍 |
「M7 和 M9 只差2」是錯誤的想法，實際上約差1000倍。因為刻度上數字看起來很小，容易讓人感受不出差距的實際大小。知不知道這個刻度的意義，會讓人對同一則發布的理解截然不同。
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，則抵達時間的差為：
t = d/Vs − d/Vp
將此式對 d 求解，得到 d = t × Vp·Vs/(Vp − Vs)。代入數值看看。
| 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 公里 |
※ 實際速度會因地下構造而異，係數大致落在6〜8之間，僅供參考。
這個關係式，是以明治時期在日本從事研究的大森房吉等人之名命名，稱為大森公式。因為只靠一支時鐘就能算出到震源的距離，至今仍是地球科學的基本教材。
高中＋決定波速的因素
在彈性體中傳遞的波速，大致可寫成 v = √(彈性模數 / 密度) 的形式。也就是越硬越快，越重越慢。
這裡，兩種波所利用的「硬度」不同。
- P波：Vp = √((K + 4μ/3) / ρ) 抗體積變化程度 K 與抗形狀變化程度 μ 兩者都有作用
- S波：Vs = √(μ / ρ) 只有抗形狀變化程度 μ 起作用
P波公式的內容必定較大，因此數學上也保證了 Vp > Vs，順序在原理上不可能顛倒。以典型的岩石來說，兩者的比值大約是1.7倍左右。
而且液體中 μ = 0，所以 Vs = 0。S波無法傳遞。本文提到的內容，正是由這一行公式推導而來。
大學從搖晃紀錄透視地球
地震波會在地下物質性質改變的邊界處折射、反射，就像光線在玻璃中彎折一樣。利用這個性質，就能從全球各觀測點接收到波的時間，反推出地球內部的速度結構。
早期的重大成果之一，就是S波陰影的發現。1910年代人們發現，在震央角度約103度到143度的範圍內，S波完全無法傳達，因此確立了液態外核的存在。此後又延伸到內核（固態）的發現（1936年，雷曼）。
如今則使用結合大量地震與觀測點資料、求出三維速度分布的地震波層析成像技術，用來推估隱沒板塊的去向與地函的流動，思考方式與醫學上的電腦斷層掃描（CT）相同。
研究尚未解決的問題
- 地震的預測，目前還做不到。「何時、何地、規模多大」事先鎖定的方法，在科學上尚未確立。包括日本在內的各國長年投入研究，但目前公認尚未達到實用的短期預測水準。在「無法預測」的前提下，重心放在事前的防備與事發後的即時資訊（緊急地震速報）上。
- 地震的起始是否決定了最終規模，目前尚不清楚。大地震和小地震在一開始的波形非常相似。有一派認為「一開始小、之後是否變大純屬偶然」，另一派則認為「起始的當下就已決定最終規模」，兩者尚無定論。這是直接關係到緊急地震速報精確度的問題。如果後者正確，就能從起始波形更準確地估算規模。
- 緩慢滑動現象的意義，也仍在研究中。2000年代發現，板塊邊界處存在耗時數天到數月緩慢錯動的現象，以及伴隨而來的微弱震動。這與大地震的關係備受關注，但是否為前兆，目前尚未確定。
- 長週期搖晃的預測也是一大難題。離震源很遠的高樓有時仍會劇烈搖晃，這強烈受到地下沉積層構造的影響。地下構造的掌握程度有限，預測仍存在不確定性。
與教科書的關聯（依層級）
| 層級 | 科目・單元 | 本文對應位置 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化・地震的搖晃與傳遞方式／初期微動持續時間 | P波與S波、震度與地震規模、秒數×8 |
| 高中 | 基礎物理・波（縱波與橫波）／基礎地球科學・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（多屬延伸內容） | v＝√(彈性模數/密度)、液體中S波無法傳遞的原因 |
| 大學 | 地震學・彈性理論・地球物理學 | S波陰影、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、緩慢滑動 |
| ― | 防災教育 | 保護頭部、不外出、搖晃停止後再行動 |
- 日本氣象廳（気象庁）關於地震的解說，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備的資料。
※ 地震波的速度與係數會因地下構造而異。本文所示為一般常用的參考值。
※本文為大眾科學解說。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。在有海嘯風險的地區，請不要等待警報，立即前往高處避難。文中數值僅為理解原理所用的參考值。