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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》

三采文化集團_96
・2017/08/19 ・3799字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 547 ・八年級

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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。

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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。

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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。

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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。

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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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三采文化集團_96
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閱讀在生活中不曾改變, 它讓我們看見一句話的力量,足以撼動你我的人生。而產生一本書的力量,更足以改變全世界

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從 3G 到 6G:行動通信的進化之路
數感實驗室_96
・2024/06/20 ・825字 ・閱讀時間約 1 分鐘

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本文由 國立臺灣師範大學 委託,泛科學企劃執行。 

摩斯發明電報和貝爾發明電話,這些似乎是上古時代的科技,其實都發生在過去兩百年內。而手機,作為近五十年來的產物,又經歷了怎樣的演變呢?

讓我們來探討行動通信是如何從 3G 發展到 6G 的。

1989 年,一張名為《The Great Radio Controversy》的搖滾專輯發布,迅速走紅,登上告示牌熱門榜。雖然專輯的歌詞與通信無關,但它的名字「偉大的無線電爭議」確實讓人聯想到無線通信的歷史。而這張專輯的樂團名為 Tesla,沒錯,這正是向那位傳奇的天才科學家特斯拉致敬。特斯拉對無線通信的貢獻可謂奠基石般的重要,而從 3G 到 6G,行動通信技術又經歷了哪些突破和變革呢?讓我們一起深入了解。

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行動通信的歷史雖然只有短短幾十年,但其中包含的豐富內容實在說不完。從精彩的發明故事到商業競爭,再到行動通信所帶來的社會變革,每一個環節都值得深入探討。而在這集影片中,我們僅僅觸及了冰山一角。

下一集將深入探討 WiMAX 那成功的哥哥——Wi-Fi,也就是大家熟悉的無線區域網路技術。讓我們繼續探索這些改變世界的科技!

更多、更完整的內容,歡迎上數感實驗室 Numeracy Lab 的 YouTube 頻道觀看完整影片,並開啟訂閱獲得更多有趣的資訊!

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數感實驗室_96
76 篇文章 ・ 50 位粉絲
數感實驗室的宗旨是讓社會大眾「看見數學」。 數感實驗室於 2016 年 4 月成立 Facebook 粉絲頁,迄今超過 44,000 位粉絲追蹤。每天發布一則數學文章,內容包括介紹數學新知、生活中的數學應用、或是數學和文學、藝術等跨領域結合的議題。 詳見網站:http://numeracy.club/ 粉絲專頁:https://www.facebook.com/pg/numeracylab/

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電磁波全揭秘:了解頻帶、頻寬、頻率和通信技術的基礎知識
數感實驗室_96
・2024/06/13 ・672字 ・閱讀時間約 1 分鐘

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本文由 國立臺灣師範大學 委託,泛科學企劃執行。 

先前我們介紹了多位為通信科技發展做出貢獻的科學家。現在,我們要深入探討無線通信的技術層面。

無線通信,顧名思義不像傳統的電話或電報那樣需要一條實體的線路來傳遞信號。但這些信號並非憑空傳遞,它們依賴的正是電磁波。

電磁波在現代社會無處不在,從微波爐、手機到基地台,這些設備都會發射電磁波。但其實即使沒有這些科技裝置,電磁波依然存在於我們周圍。什麼意思呢?答案就是:當我們白天走到戶外,看到的光,它其實也是電磁波的一種。

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希望大家掌握了這些電磁波、頻帶、頻寬等基礎知識後,未來在閱讀相關的電信新聞時更加了解他們提到的術語,以及各種縮寫。以後無論是科技發展的動態還是市場新技術,都能更有概念地理解。

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海洋綠洲——花紋海豚棲地利用分析
黑潮海洋文教基金會_96
・2024/02/15 ・3694字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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圖一、花蓮海域的老鄰居花紋海豚

編按:海洋綠洲棲地利用調查截至 2023/10/19 共出航 56 趟調查、共計 435 小時,追蹤時間少於 30 分鐘的花紋海豚航跡將不會被納入此分析。

國際自然保護聯盟在 2016 年開始推動「海洋哺乳動物重要棲息地」( Important Marine Mammal Areas, 下文將簡稱為 IMMAs ),以跨國界的尺度整合瀕危海洋哺乳動物的棲地分佈、移動路線與生存威脅等資料。截至 2022 年,世界上一共劃設了 200 多個 IMMAs(圖二),並且每年持續增加中!隨著能源轉型、貴金屬日益匱乏,新能源、採礦也漸漸由陸地發展到海洋,加上目前海上充斥著各式各樣的船隻、漁具、海洋廢棄物與各式汙染等。秉持「預防勝於治療」的精神,海洋綠洲第二階段的目標即是將東部海域的鯨豚生態資料彙整申請 IMMAs ,透過國際的認證,我們期望能喚起臺灣民眾、政府對鯨豚保育的重視。

圖二、 2016 年至 2022 年,位於世界各地的 IMMAs (黃色為已劃設的 IMMAs 、紅色為候選場址、藍色為潛址、灰色尚未評估,圖片來源 IUCN

要申請 IMMAs ,其中一項重要指標便是要瞭解鯨豚對於花蓮近海這片棲地是否具有休息、覓食與繁殖哺育的重要性,在這項指標下,我們鎖定了花蓮海域最常出現的老鄰居:花紋海豚(Grampus griseus)與飛旋海豚(Stenella longirostris),透過一年四季共 20 趟的調查,我們期望能瞭解長年在花蓮外海走跳的牠們,究竟在哪些區域哺育、繁殖、休息、覓食或社交,同時也希望藉由調查瞭解牠們的行為狀態是否會受到賞鯨、漁業活動的影響?在 2021 年 4 月的試航之後,我們正式展開了為期三年的調查,持續在海上蒐集資料;今年秋天的第一篇電子報,我們將要跟讀者分享這三年來在花紋海豚身上的新發現。

身為稱職的「護花使者」,不打擾的默默跟隨著!

圖三、海洋綠洲北、中、南重點調查區域圖

棲地利用調查的範圍以鹽寮港為南界、和平溪口為北界,之間共劃設北、中、南三個重點調查區域(圖三),觀察花蓮近海最常見的飛旋海豚與花紋海豚的族群樣貌與行為狀態,為了要長時間追蹤鯨豚,一趟海上調查大約會落在 8 – 10 小時。

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圖四、焦點群體採樣,以 5 分鐘為間隔紀錄鯨豚行為

棲地利用的調查方法為「焦點群體採樣 Focal animal sampling 」,跟以往賞鯨點狀的紀錄不同,在海上我們的工作就像是「狗仔」,當我們在預計的重點調查區域範圍遇見飛旋海豚或花紋海豚時,我們會鎖定狀態較穩定的主要群體,以不影響鯨豚行為狀態的前提下,能跟同一群鯨豚多久就跟多久,最久甚至高達 7 小時呢!在調查過程中,辛苦的調查員們會記錄下牠們每 5 分鐘做了些什麼,同時海豚當下的泳向、下潛時間跟角度、個體間距與泳速等都會被詳盡地記錄下來,並搭配錄影、拍照作為判斷狀態的依據(表一)。為了要盡可能記錄鯨豚未受人為干擾的狀態,我們會盡量與鯨豚保持 200 公尺以上距離,用望遠鏡遠遠地觀察,只有最後蒐集水下聲音、拍攝特寫時才會靠近牠們。

表一、花紋海豚的行為狀態列表
備註:賞鯨船靠近鯨豚群體,或是主群體的鯨豚主動跑到我船的航段不會納入分析。

下潛方式可以判斷花紋海豚準備要覓食?

在調查過程中我們有發現花紋海豚出現幾次嘗試覓食的行為——「魚雷式下潛」(圖五),這種下潛方式初次被描述於亞速爾群島(Azores)的研究,當地學者在花紋海豚身上裝置吸盤式資料蒐集器(Data TAG),發現花紋海豚魚雷式下潛時,能在短時間內更快地潛入深海,並且在下潛後,吸盤式資料蒐集器也有錄到花紋海豚搜尋獵物的喀答聲(Clicks)以及滋滋聲(Buzz),由於滋滋聲是齒鯨在最後嘗試覓食時會發出的,證明在魚雷式下潛過後,牠們有在水下嘗試覓食。而讓我們覺得振奮人心的是,我們居然也在花蓮近海紀錄到花紋海豚的魚雷式下潛,說明花紋海豚很有可能在這片海域覓食!

圖五、左-花紋海豚魚雷式下潛、右-一般下潛(Visser et al. 2021
圖六、攝於花蓮近海的花紋海豚魚雷式下潛

來點翻譯蒟蒻吧——看看花紋海豚都在做些什麼?

本次分析採用了 38 群花紋海豚,總共約 84 小時的調查航跡,並使用 3×3 km² 的網格1 分析各個行為狀態的使用區域。透過過去三年的資料來看,我們發現花紋海豚最常在花蓮近海游走,範圍主要在立霧溪以南至芭崎離岸約 15 公里的範圍內,並且在北邊也有少量高比例區域;至於第二常見的社交行為狀態,大略可以分為三個核心區域,由北至南分別是大濁水溪、崇德以及芭崎的外海離岸約 5 公里的範圍內;花紋海豚休息的位置主要位於立霧溪出海口約 7 公里以內的範圍;繞圈徘徊主要在七星潭外海、鹽寮外海約 7 公里以內的範圍;覓食則位在花蓮溪出海口至鹽寮外海約 10 公里以內的範圍。同時我們也發現目擊的花紋海豚群次,有 45.8 % 有出現母子對,而這也代表我們調查的範圍內是花紋海豚育幼的重要區域。

圖七、花蓮近海,花紋海豚各項狀態所佔比例(比例以觀察時間計算)
圖八、花紋海豚各項行為狀態比例分布圖(百分比:狀態持續時間/網格內總觀察時間,網格大小為 3×3 km² )

由於調查船追蹤鯨豚時,是平行地跟隨在鯨豚側邊,透過分析船隻追蹤期間的速度,我們也可以概略得知鯨豚的平均泳速。在分析追蹤群體的泳速後,我們發現花紋海豚整體泳速介於 0.5 – 4 節2 ,繞圈徘徊的速度較快,介於 2 – 4 節;而在五種狀態中最慢的為休息,介於 1.2 – 3 節間;覓食跟游走的速度範圍廣,介於 0.5 – 4 節。我們也希望可以了解花蓮近海頻繁的賞鯨活動是否對花紋海豚會造成影響?透過獨立出賞鯨船靠近的航跡,我們發現泳速並無太多變化,但在少數賞鯨船靠近的經驗中,我們發現群體的行為狀態會有些變化,例如群體泳向變得不一致、或賞鯨船離開後群體變得更加分散,甚至也有最後下潛離開的案例。

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圖九、花蓮近海,花紋海豚各狀態泳速

透過棲地利用分析,我們初步瞭解了花蓮近海花紋海豚的關鍵生命週期活動,同時也發現到部分花紋海豚群體有受到賞鯨船的影響,未來我們將會彙整這些分析的數據,並對於保育策略提供更實際的經營管理建議,同時根據本次分析成果,我們也呼籲讀者支持提倡友善賞鯨的商家,讓花蓮近海的老鄰居們持續優游於此。海洋綠洲棲地利用調查需要長時間且耐心的觀察,能累積到今日的成果,我們要向所有參與調查的調查員、合作的船家以及船長表示最誠摯的感謝,同時我們也感謝捐款支持黑潮的企業、民眾、和政府單位,讓海洋綠洲計畫能夠順利執行。

註解

  1. 我們在分析前將花蓮近海切成棋盤方格狀的「網格」,分析每一格中各個狀態所佔的百分比。 ↩︎
  2. 「節(Knot)」為速度單位, 1 節等於 1 海里/小時、或 1.852 公里/小時。 ↩︎

參考資料

  1. Baker, Isabel & O’Brien, Joanne & McHugh, Katherine & Berrow, Simon. (2017). An Ethogram for Bottlenose Dolphins (Tursiops truncatus) in the Shannon Estuary, Ireland. Aquatic Mammals. 43. 594-613. 10.1578/AM.43.6.2017.594.
  2. Visser, Fleur & Hartman, Karin & Rood, Ente & Hendriks, Arthur & Zult, Daan & Wolff, Wim & Huisman, Jef & Pierce, Graham. (2010). Risso’s dolphins alter daily resting pattern in response to whale watching at the Azores. Marine Mammal Science. 27. 366 – 381. 10.1111/j.1748-7692.2010.00398.x.
  3. Affinito, F., Olaya Meza, C., Akkaya Bas, A., Brill, D., Whittaker, G., & Capel, L. (2019). On the behaviour of an under-studied population of bottlenose dolphins in the Southern Adriatic Sea. Journal of the Marine Biological Association of the United Kingdom, 99(4), 1017-1023. doi:10.1017/S0025315418000772
  4. Visser, F., Keller, O. A., Oudejans, M. G., Nowacek, D. P., Kok, A. C. M., Huisman, J., & Sterck, E. H. M. (2021) Risso’s dolphins perform spin dives to target deep-dwelling prey. Royal Society.  https://doi.org/10.1098/rsos.202320
  5. Mann, J. (1999). Behavioral sampling methods for cetaceans: A review and critique. Marine Mammal Science, 15(1), 102–122. https://doi.org/10.1111/j.1748-7692.1999.tb00784.x
  6. 游文志. 2000. 花蓮縣石梯海域賞鯨船對鯨豚行為之影響。國立東華大學自然 資源管理研究所 碩士論文。59pp。
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黑潮海洋文教基金會_96
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  黑潮海洋文教基金會,1998年於花蓮成立,是臺灣第一個為「鯨豚與海洋」發聲的民間非營利組織。最初以鯨豚調查為開端,多年來深耕於海洋議題、環境教育與科學調查,如同一股陸地上的黑潮洋流溫暖而堅定,期許每個臺灣人的心中都有一片海洋。

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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》
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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。

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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

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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。

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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。

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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。

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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。

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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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三采文化集團_96
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