鲸豚的水下聊天室,与铁达尼号最后的求救──《茶杯里的风暴》

在墨西哥西北方的海岸与太平洋之间,有一个长达一千多公里的加利福尼亚湾,向南连接太平洋。海湾内的海域受到两侧高耸山脉的保护,而这些山区大多仍维持原始的状态。

许多海洋生物在迁徙的过程中,都会进入这个区域休息与觅食。这里的海象较为安稳,渔夫也可以乘着小船悠闲地捕鱼。白天的阳光让蓝色的海面波光潋滟,渔船受到海浪的摇晃而吱吱作响,这是平静大海上唯一的声音。忽然,一只海豚从一望无际的海面一跃而出,然后伴随飞溅的水花回到海中,水面上的世界很快地恢复如常的平静,但实际上,海面下却一直是个喧闹的生态系统。

每只海豚都可以透过前额的组织发出尖锐的声音。图/Pixabay

鲸豚的水中广播聊天室

海豚潜入水中时,会开始发出高频的口哨声(whistle)来识别身分,并利用脉冲式的声音(clicks)与海豚群交谈。每只海豚都可以透过前额的组织发出尖锐的声音,这些声音会藉由海水传递到其他海豚的身上,而海豚的下颚骨则会收集声音,然后传到内部的中耳产生听觉。

海豚不断发出的口哨声、脉冲式的声音和啁啾声(chirps),会形成一个吵杂的环境,但是这些声音不只帮助海豚沟通,还可以用来感测周围的环境。海豚群时常在海面附近玩耍与呼吸,但是往往在忽然之间,它们就会整群开始下潜,进入海洋更深更蓝之处,因为它们要执行一项重要的任务:狩猎。

海面上充斥的阳光到了海下会迅速被吸收,因此光可以传达的讯息非常有限;换句话说,视觉在海面下越深的地方就越没有用处。虽然海豚拥有视觉,可以在浅层的海水中和跳出海面时使用,但对于光线的感知能力却相当有限,无法区分颜色。这是因为在海中,颜色几乎没有变化,因此它们的眼睛在演化上就不会出现对应的需求。虽然鲸鱼身处在一个湛蓝的世界中,不过它们无法感受到蓝色,海水对他们而言相当灰暗。可是鲸鱼仍能看到鱼身上反射的闪烁光点,这也证明动物之所以看到什么,完全是依照它们的需求演化而来。

海水的表面就像一面《爱丽丝梦游仙境》的镜子,虽然我们要穿过它不难,但是对于波来说,它却隔开了两个世界。海面上的声波大部分不会进入海水里,会从表面反弹回空气中,至于海洋中的声音也会留在海里。空气中的光波传递,往往有效而快速,但是光波到了海中就很容易被吸收;因此如果你在海中要获得关于周围环境的讯息,声音是比光更好的选择,除非是在海面附近,并且是观察近距离的东西。

虽然海豚拥有视觉,可以在浅层的海水中和跳出海面时使用,但对于光线的感知能力却相当有限,无法区分颜色。图/Pixabay

海洋当中的声音非常丰富。海豚能够发出人耳听不见的超音波,频率是我们听觉极限的10 倍,而发出与接收这些短波长(高频率)的声波,意味着海豚可以利用回声来获得精确的定位,并感知到物体的细节。但是高频率的声音无法传递太远,因此在一段距离之外,就不会听到海豚群喋喋不休的声音。不过若是频率较低的声音,就能传递得比较远,例如一艘远洋渔船引擎发出的轰轰声,或是枪虾(snapping shrimp)发出的冲击声,以及深海中一些低频声音,只是这些对于海豚来说都是听不见的。

须鲸需要与远距离的鲸鱼沟通,衰减缓慢的低频声音是更好的选择。图/Roderick Eime@Flickr

低频而远播的鲸鱼频道

不过也有另外一群海洋动物会使用较低频的频道来沟通,它们就是鲸鱼,发出的声音可以传到数十公里外。此外,因为鲸鱼不需要使用回音定位(echolocation),也就不会像海豚一样发出高频的声音。于是,例如须鲸(baleen whales)需要与远距离的鲸鱼沟通,衰减缓慢的低频声音是更好的选择。鲸鱼听不到海豚的高频声音,海豚听不到低频的鲸歌,但​​这些都发生在海洋当中,因此海洋生物透过选择不同的频段,发出或接收属于自己族群的丰富讯息,可以生活在相近的区域,却又不会彼此干扰。

即使海洋中有光波也有声波,但是不同于海面上或陆地上的世界,声音是在海中传递讯息最重要的方式,因此鲸鱼与海豚都是色盲,毕竟在海里的光线已经缺乏细节,深一点的地方甚至是漆黑一片。

然而海洋内的声波与大气中的光波,还是有相似之处。一如波长越长的声波可以长途传递讯息,波长较长的光波也可以在大气内传递相当远的距离,不会快速衰减。就在一百多年前,人类开始利用波长非常长的无线电波通讯,因为我们生活在大气中,光波传递的效率远比声波来得好。无线电波最早用于横跨大洋的通讯,当年的铁达尼号要是可以善用这套系统,接收并重视另外一艘船发出的警告讯息,也许就不会沉没了。

图/WikimediaCommons

曾经的海上巨人,成为最有名的船难悲剧

1912 年4 月15 日的凌晨,就在铁达尼号撞击冰山后一个小时内,北大西洋的海面上有少数无线电波的圆形脉冲,间歇性地往外扩张,越往外就越弱,并逐渐消失。有些波纹抵达远处的接收天线,讯息就成功地传递到远方。其中最强烈的波纹,是位于加拿大纽芬兰南方650 公里处,来自电报员杰克.菲利浦(Jack Phillips)的求救讯号。

杰克利用当时最强大的海上无线电发报机,不断向周边的船只发送讯息,告诉他们世界上最大的船--铁达尼号正在下沉,并且请求救援。杰克藉由发报机送出的电子脉冲讯号,从甲板上的漏斗状电线引导到上方的天线,而高高横挂在空中的天线藉由振荡的电流放出强烈的无线电波,因此在广大区域内的船只,藉由船上的天线都能收到讯号,并且解读讯号中的讯息。

电报之所以能够发送出去,是因为无线电在天线上产生后,会朝四面八方扩散出去, 因此你不需要知道接收者所在的位置,所有在周边的天线都能接收到无线电讯号。铁达尼号发出的无线电波,可以传达数百公里远,在这范围内的许多船只,例如卡柏西亚号(Carpathia)、波罗的号(Baltic)、奥林匹克号(Olympic)等等,接收到求救讯号之后即刻前往救援。虽然电报所能够传达的讯息相当有限,以今日的角度看起来非常原始,但这是人类最早的海上通讯方式。如果铁达尼号的悲剧提早二十年发生,那么这场灾难将会无声无息地没入冰冷的海水内,而在一周之后,人们才知道这艘船消失了。

沉没的铁达尼号。图/Wikipedia

事实上,铁达尼号航行的前十年,人类才第一次将无线电应用在横跨海洋的通讯。只是那个发生在凌晨的恐怖船难,即使附近的船只尽力救援,但现场黑暗而混乱,许多救援的船也只能无奈地看着悲剧发生。

这些像钢琴断音弹奏的电报,并不是随机的讯号,而是先藉由固定模式编排,以此代表一连串的讯息。当电报员将安排过的讯息,藉由一些装置让天线产生无线电波后,它就会以光速往外传播出去。人类从此进入大量无线电通讯的时代。

回响天空的求救电波

铁达尼号的严重船难之所以有名,有一部分是因为它发生在一个新时代的开端,显示出无线电波的巨大通讯潜力,能够发出求救讯号,让卡柏西亚号在两个小时后赶来救援,及时挽救许多人的性命,但同时也暴露出当时的无线电系统有着巨大的瑕疵。电报传递的讯息往往会互相干扰,铁达尼号在出事之前曾经收到另外一艘船的冰山警告,当时铁达尼号正在与另一方通讯,使得同时间还有其他讯号混杂在其中,造成听报、发报混淆的状况,因此有些讯息的片段就会遗失,或是根本没听到。

在当时,发送电报必须要透过其他方式通知对方打开收报机,而且船上发报的系统实际上只是一个开关,藉由开开关关的方式传递讯息,再者所有船上的无线电报系统都共用一个频道。铁达尼号并非只有透过无线电求救,同时也发射求救照明弹(distress flares),当时邻近的加州人号(Californian)曾试图以摩斯信号灯(Morse lamps)与其联系。

无线电通讯还有一个方式可以让它传递更远--当无线电进入大气层上方(电离层的位置)时,会像遇到镜子一般地反射回来,因此铁达尼号的求救讯号不只在海面上向外扩散、掠过,还会藉由反射而传递到更远的地方(因为地球的表面是曲面,如果不经由大气层的反射,那么直线传播的无线电波,将使得在水平线的另外一方无法接收到讯息),达成无线电跨越大洋的通讯。藉由电离层这片「镜子」,无线电波得以从高空反射到地平线的另外一端,但是对于波长较短的可见光而言,电离层不再是一面镜子,因此传递的距离相当有限。

夜空中充满电报员杰克发送的无线电波,试图向所有正打开收报机的船只传达求救讯号与铁达尼号的位置,直到最后,海水淹入电报室、而他也随之殉职为止。由于无线电的通讯,赶来救援的船只得以让载满2223 人的铁达尼号在沉没时,能有706 人幸存,这些因为无线电而获救的人,也见证了往后无线电通讯的发展,从沉默无声到满天喧嚣,透过这些看不见的波,让人类的通讯发生史无前例的变革。如今,无线电讯号覆盖地球所有的角落,人类彼此的通讯达到历史上从未有过的便利。

本文摘自泛科学2017年8月《茶杯里的风暴:丢掉公式,从一杯茶开始看见科学的巧妙与奥秘》,三采文化出版。

评论已关闭