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鯨豚的水下聊天室,與鐵達尼號最後的求救──《茶杯裡的風暴》

在墨西哥西北方的海岸與太平洋之間,有一個長達一千多公里的加利福尼亞灣,向南連接太平洋。海灣內的海域受到兩側高聳山脈的保護,而這些山區大多仍維持原始的狀態。

許多海洋生物在遷徙的過程中,都會進入這個區域休息與覓食。這裡的海象較為安穩,漁夫也可以乘著小船悠閒地捕魚。白天的陽光讓藍色的海面波光瀲灩,漁船受到海浪的搖晃而吱吱作響,這是平靜大海上唯一的聲音。忽然,一隻海豚從一望無際的海面一躍而出,然後伴隨飛濺的水花回到海中,水面上的世界很快地恢復如常的平靜,但實際上,海面下卻一直是個喧鬧的生態系統。

每隻海豚都可以透過前額的組織發出尖銳的聲音。圖/Pixabay

鯨豚的水中廣播聊天室

海豚潛入水中時,會開始發出高頻的口哨聲(whistle)來識別身分,並利用脈衝式的聲音(clicks)與海豚群交談。每隻海豚都可以透過前額的組織發出尖銳的聲音,這些聲音會藉由海水傳遞到其他海豚的身上,而海豚的下顎骨則會收集聲音,然後傳到內部的中耳產生聽覺。

海豚不斷發出的口哨聲、脈衝式的聲音和啁啾聲(chirps),會形成一個吵雜的環境,但是這些聲音不只幫助海豚溝通,還可以用來感測周圍的環境。海豚群時常在海面附近玩耍與呼吸,但是往往在忽然之間,牠們就會整群開始下潛,進入海洋更深更藍之處,因為牠們要執行一項重要的任務:狩獵。

海面上充斥的陽光到了海下會迅速被吸收,因此光可以傳達的訊息非常有限;換句話說,視覺在海面下越深的地方就越沒有用處。雖然海豚擁有視覺,可以在淺層的海水中和跳出海面時使用,但對於光線的感知能力卻相當有限,無法區分顏色。這是因為在海中,顏色幾乎沒有變化,因此牠們的眼睛在演化上就不會出現對應的需求。雖然鯨魚身處在一個湛藍的世界中,不過牠們無法感受到藍色,海水對他們而言相當灰暗。可是鯨魚仍能看到魚身上反射的閃爍光點,這也證明動物之所以看到什麼,完全是依照牠們的需求演化而來。

海水的表面就像一面《愛麗絲夢遊仙境》的鏡子,雖然我們要穿過它不難,但是對於波來說,它卻隔開了兩個世界。海面上的聲波大部分不會進入海水裡,會從表面反彈回空氣中,至於海洋中的聲音也會留在海裡。空氣中的光波傳遞,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獲得關於周圍環境的訊息,聲音是比光更好的選擇,除非是在海面附近,並且是觀察近距離的東西。

雖然海豚擁有視覺,可以在淺層的海水中和跳出海面時使用,但對於光線的感知能力卻相當有限,無法區分顏色。圖/Pixabay

海洋當中的聲音非常豐富。海豚能夠發出人耳聽不見的超音波,頻率是我們聽覺極限的 10 倍,而發出與接收這些短波長(高頻率)的聲波,意味著海豚可以利用回聲來獲得精確的定位,並感知到物體的細節。但是高頻率的聲音無法傳遞太遠,因此在一段距離之外,就不會聽到海豚群喋喋不休的聲音。不過若是頻率較低的聲音,就能傳遞得比較遠,例如一艘遠洋漁船引擎發出的轟轟聲,或是槍蝦(snapping shrimp)發出的衝擊聲,以及深海中一些低頻聲音,只是這些對於海豚來說都是聽不見的。

鬚鯨需要與遠距離的鯨魚溝通,衰減緩慢的低頻聲音是更好的選擇。圖/Roderick Eime@Flickr

低頻而遠播的鯨魚頻道

不過也有另外一群海洋動物會使用較低頻的頻道來溝通,牠們就是鯨魚,發出的聲音可以傳到數十公里外。此外,因為鯨魚不需要使用回音定位(echolocation),也就不會像海豚一樣發出高頻的聲音。於是,例如鬚鯨(baleen whales)需要與遠距離的鯨魚溝通,衰減緩慢的低頻聲音是更好的選擇。鯨魚聽不到海豚的高頻聲音,海豚聽不到低頻的鯨歌,但這些都發生在海洋當中,因此海洋生物透過選擇不同的頻段,發出或接收屬於自己族群的豐富訊息,可以生活在相近的區域,卻又不會彼此干擾。

即使海洋中有光波也有聲波,但是不同於海面上或陸地上的世界,聲音是在海中傳遞訊息最重要的方式,因此鯨魚與海豚都是色盲,畢竟在海裡的光線已經缺乏細節,深一點的地方甚至是漆黑一片。

然而海洋內的聲波與大氣中的光波,還是有相似之處。一如波長越長的聲波可以長途傳遞訊息,波長較長的光波也可以在大氣內傳遞相當遠的距離,不會快速衰減。就在一百多年前,人類開始利用波長非常長的無線電波通訊,因為我們生活在大氣中,光波傳遞的效率遠比聲波來得好。無線電波最早用於橫跨大洋的通訊,當年的鐵達尼號要是可以善用這套系統,接收並重視另外一艘船發出的警告訊息,也許就不會沉沒了。

圖/WikimediaCommons

曾經的海上巨人,成為最有名的船難悲劇

1912 年 4 月15 日的凌晨,就在鐵達尼號撞擊冰山後一個小時內,北大西洋的海面上有少數無線電波的圓形脈衝,間歇性地往外擴張,越往外就越弱,並逐漸消失。有些波紋抵達遠處的接收天線,訊息就成功地傳遞到遠方。其中最強烈的波紋,是位於加拿大紐芬蘭南方650 公里處,來自電報員傑克.菲利浦(Jack Phillips)的求救訊號。

傑克利用當時最強大的海上無線電發報機,不斷向周邊的船隻發送訊息,告訴他們世界上最大的船--鐵達尼號正在下沉,並且請求救援。傑克藉由發報機送出的電子脈衝訊號,從甲板上的漏斗狀電線引導到上方的天線,而高高橫掛在空中的天線藉由振盪的電流放出強烈的無線電波,因此在廣大區域內的船隻,藉由船上的天線都能收到訊號,並且解讀訊號中的訊息。

電報之所以能夠發送出去,是因為無線電在天線上產生後,會朝四面八方擴散出去, 因此你不需要知道接收者所在的位置,所有在周邊的天線都能接收到無線電訊號。鐵達尼號發出的無線電波,可以傳達數百公里遠,在這範圍內的許多船隻,例如卡柏西亞號(Carpathia)、波羅的號(Baltic)、奧林匹克號(Olympic)等等,接收到求救訊號之後即刻前往救援。雖然電報所能夠傳達的訊息相當有限,以今日的角度看起來非常原始,但這是人類最早的海上通訊方式。如果鐵達尼號的悲劇提早二十年發生,那麼這場災難將會無聲無息地沒入冰冷的海水內,而在一週之後,人們才知道這艘船消失了。

沉沒的鐵達尼號。圖/Wikipedia

事實上,鐵達尼號航行的前十年,人類才第一次將無線電應用在橫跨海洋的通訊。只是那個發生在凌晨的恐怖船難,即使附近的船隻盡力救援,但現場黑暗而混亂,許多救援的船也只能無奈地看著悲劇發生。

這些像鋼琴斷音彈奏的電報,並不是隨機的訊號,而是先藉由固定模式編排,以此代表一連串的訊息。當電報員將安排過的訊息,藉由一些裝置讓天線產生無線電波後,它就會以光速往外傳播出去。人類從此進入大量無線電通訊的時代。

迴響天空的求救電波

鐵達尼號的嚴重船難之所以有名,有一部分是因為它發生在一個新時代的開端,顯示出無線電波的巨大通訊潛力,能夠發出求救訊號,讓卡柏西亞號在兩個小時後趕來救援,及時挽救許多人的性命,但同時也暴露出當時的無線電系統有著巨大的瑕疵。電報傳遞的訊息往往會互相干擾,鐵達尼號在出事之前曾經收到另外一艘船的冰山警告,當時鐵達尼號正在與另一方通訊,使得同時間還有其他訊號混雜在其中,造成聽報、發報混淆的狀況,因此有些訊息的片段就會遺失,或是根本沒聽到。

在當時,發送電報必須要透過其他方式通知對方打開收報機,而且船上發報的系統實際上只是一個開關,藉由開開關關的方式傳遞訊息,再者所有船上的無線電報系統都共用一個頻道。鐵達尼號並非只有透過無線電求救,同時也發射求救照明彈(distress flares),當時鄰近的加州人號(Californian)曾試圖以摩斯信號燈(Morse lamps)與其聯繫。

無線電通訊還有一個方式可以讓它傳遞更遠--當無線電進入大氣層上方(電離層的位置)時,會像遇到鏡子一般地反射回來,因此鐵達尼號的求救訊號不只在海面上向外擴散、掠過,還會藉由反射而傳遞到更遠的地方(因為地球的表面是曲面,如果不經由大氣層的反射,那麼直線傳播的無線電波,將使得在水平線的另外一方無法接收到訊息),達成無線電跨越大洋的通訊。藉由電離層這片「鏡子」,無線電波得以從高空反射到地平線的另外一端,但是對於波長較短的可見光而言,電離層不再是一面鏡子,因此傳遞的距離相當有限。

夜空中充滿電報員傑克發送的無線電波,試圖向所有正打開收報機的船隻傳達求救訊號與鐵達尼號的位置,直到最後,海水淹入電報室、而他也隨之殉職為止。由於無線電的通訊,趕來救援的船隻得以讓載滿 2223 人的鐵達尼號在沉沒時,能有 706 人倖存,這些因為無線電而獲救的人,也見證了往後無線電通訊的發展,從沉默無聲到滿天喧囂,透過這些看不見的波,讓人類的通訊發生史無前例的變革。如今,無線電訊號覆蓋地球所有的角落,人類彼此的通訊達到歷史上從未有過的便利。

 


 

 

本文摘自泛科學2017年8月《茶杯裡的風暴:丟掉公式,從一杯茶開始看見科學的巧妙與奧祕》,三采文化出版。

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