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皮蛋、眼球、折射率:為何烏賊的球狀水晶體不會產生球面像差?

物理雙月刊_96
・2018/01/26 ・3851字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 602 ・九年級

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  • 文/Sung Chang(譯者:林中一教授)

深海是一個昏暗的世界,抵達海面下 300 公尺深的陽光量大約只是照在海面的萬分之一。烏賊的眼睛為了適應那些低光的深海狀況,演化出了球形水晶體。從透鏡光學的角度來看,在固定透鏡半徑之下,球形透鏡的焦距最短;使得相對於同樣的虹膜成像的大小,球形透鏡最佳化了眼睛開口的尺寸。

不像人類的橢圓形水晶體是透過改變眼球形狀來調整焦距,烏賊的水晶體焦距是固定的。烏賊是藉著移動水晶體來聚焦。然而球狀水晶體會產生球面像差,而且會隨著聚焦能力的增強,產生的像差會更形嚴重。

圖/物理雙月刊

1854 年的馬克士威(James Clerk Maxwell)理論證明了,如果折射率能夠以到透鏡中心距離的二次函數(簡言之,就是由內而外由大到小)做變化的話,則球形透鏡可以避免產生球面像差。然而「演化」比馬克斯威早了好幾百萬年就達成這回事了。烏賊,就像上圖看到的那一隻,還有一些魚類,早就已經在使用漸進折射率式的水晶體。藉著構成水晶體的 S-晶狀體蛋白密度的徑向變化──中心的密度高而邊緣的密度低──形成烏賊眼球的折射率梯度。

美國賓州大學(University of Pennsylvania)的史維妮(Alison Sweeney)與她的同僚們解答了一個困惑大家已久的生物難題:

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有漸進式折射率的烏賊眼睛的水晶體,如何建立其中的蛋白質梯度,並保持均勻的透明度?

團隊發現烏賊水晶體裡的細胞會隨著其徑向位置,將大約 40 種差異極細微的 S-晶狀體蛋白變體以不同的比例混合。所有的混合物都形成凝膠──或至少形成蛋白質的空間網絡──但其密度會隨著位置不同而變化。凝膠化防止了蛋白質聚集成不透明的結塊,也抑制了會造成視覺失真的局部密度擾動。

多種 S 晶狀體蛋白,自組裝為折射率漸進的水晶體

烏賊水晶體裡的 S-晶狀體蛋白的變體都相當相似,都有一個近乎球形的本體加上兩支彈性的兔耳形的環狀圈圈,這些環的長度不一,從三個氨基酸到幾百個氨基酸都有,而且氨基酸排列的順序也很不同。

史維妮在 2000 年中期還在讀研究所的時候,就從演化生物的觀點著手處理過烏賊水晶體的問題。她早就知道許多不同的 S-晶狀體蛋白都是一個叫做「麩氨基硫轉移酵素」(glutathione S-transferase)的演化親戚,那個酵素具有中和有毒分子的功能。

她解釋道:「演化通常是有助於削減一些東西的。」

演化壓力通常會刪除許多突變的拷貝,但是史維妮的研究顯示,自然選擇的結果卻保留了所有那些 S-晶狀體蛋白的變體。這個發現指出,這些蛋白質變體具有些微不同的結構,可能具備若干功用。(Sweeney et al., 2007)

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依據史維妮的觀點,這裡的物理亮點在於「自組裝」。當烏賊的眼睛完全成形時,水晶體細胞會將其細胞核和核酸醣小體排出,留下的 S-晶狀體蛋白的質量超過總非水質量的 95%。但是,神奇的事情在於,這些蛋白質在細胞內透過自組裝產生了適當的密度,使得水晶體的折射率產生梯度的變化(邊緣折射率為的 1.3 ,中心的折射率為 1.6,相當接近海水的折射率)。在水晶體的核心,這些蛋白質擠壓得是如此緊實,把細胞中的水份完全的擠出。而在外緣,水晶體的密度則接近水的密度。

當史維妮在 2012 年到了賓州大學的時候,她決定挑戰水晶體的物理。博士後蔡晶(Jing Cai)回想起她的第一個任務就是去捉烏賊。捉到之後,蔡就將烏賊的水晶體切成四個環狀層(如圖1 中的嵌入圖所示)。

圖1. 烏賊眼睛特寫。為了最佳化眼睛的折光能力而不必忍受球面像差,烏賊演化出了一個特殊的球形水晶體。水晶體裡的蛋白質密度具有徑向梯度,也就使得水晶體的折射率在徑向產生梯度。嵌入圖所示為連續蛋白質密度梯度的示意圖,畫在 40%、60%、和 80%相對半徑的圓形虛線就是實驗中將水晶體切片為球形層的位置。© 2014 MBARI

備妥了水晶體之後,史維妮與同僚們就進行 RNA(核糖核酸)定序,而且發現了 53 種獨特 mRNA。團隊無法確定那些 mRNA 中有多少會變成蛋白質。然而,電泳分析顯示有各種不同分子量的 S-晶狀體蛋白出現在各環狀層中(見圖2)。那些蛋白質分子量與 RNA 定序預測的結果相當的吻合。

圖2. 在烏賊眼睛的水晶體內,蛋白質的變形依著沿徑向變化的比例結合。灰色曲線所示為在嵌入圖中標示之水晶體的四個環狀層測量得之蛋白質相對分子量分佈。彩色尖峰為計入由 RNA 排序所訂出之蛋白質變形分子量的高斯擬合(Gaussian fit)分量。下方圖版所示為由各個環狀層的小角度 x-光散射數據所導出之結構模型。在水晶體外緣部分,蛋白質形成鬆散的鍊,其中每個蛋白質連結了兩個,或偶而三個其他的蛋白質。在水晶體核心部分,蛋白質緊密的堆積,每個蛋白質會與四個或更多其他的蛋白質相連結。(改寫自參考文獻1)

研究者們進行了小角度 X-光散射(SAXS)的量測,來觀察有哪幾種蛋白質結構出現。史維妮的團隊原本希望在 SAXS 實驗中能觀察證據,證明蛋白質間有相斥作用防止蛋白質形成不透明的團塊。單純的相斥作用會造成在低散射角的 X-光強度降低。但是研究者觀察到相反的結果,散射 X-光的強度隨著散射角的增大而連續降低──這是表示蛋白質間很可能反而互相有吸引作用

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用皮蛋與凝膠來解釋烏賊眼睛

在研究團隊奮力的要瞭解吸引作用是如何發生的時候,英國劍橋大學(Cambridge University) 的艾瑟(Erika Eiser)正好在賓州大學訪問。艾瑟當時研究過皮蛋裡蛋白的轉變。皮蛋是中國傳統佳餚,傳統製作的方式需將生蛋埋在鹼性泥土長達幾周幾個月。在鹼性泥土中蛋黃會變成墨綠色,而蛋白則轉變成棕色的透明凝膠。

艾瑟注意到史維妮的烏賊水晶體實驗觀察到的結果,和她在皮蛋中發現的吸引作用十分相似。艾瑟運用「補丁膠狀體理論」(patchy colloid theory)來解釋吸引作用;所以她建議史維妮參考羅馬大學的賽奧提諾團隊(Francesco Sciortino’s group at the University of Rome)有關補丁膠狀體理論的論文(Bianchi et al, 2006) 。蔡晶提到:「史維妮到她的面前對她說,『我們來試一試這些補丁顆粒(理論)吧!』結果完全行得通。」

圖/ FotoosVanRobin@wikimedia

補丁膠狀體理論用黏性的表面補丁來處理球形膠狀體顆粒間的交互作用。顆粒的表面若是有較大片或更多數目的補丁就能與更多的相鄰顆粒相作用,反之補丁越小或越少,能作用的相鄰顆粒就越少。這個理論用在烏賊的水晶體,就是將個別 S-晶狀體蛋白的球形本體當作膠狀體顆粒,而它的那兩隻兔耳狀圈圈則視為黏性的補丁

在水晶體的外緣部分,有長圈圈的顆粒(蛋白質)數量較多居主導地位;這類顆粒之間易於產生圈圈與圈圈之間的連結。分子動力學(Molecular dynamics)模擬顯示相鄰的蛋白質的圈圈之間是透過氫鍵相依附。這種狀況可以用有兩塊補丁的顆粒來代表。

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由水晶體外緣向內移動,(蛋白質)兔耳狀圈圈開始變短,而且偶而會有三個蛋白質各出一支圈圈結在一起而形成分枝鍊,這個就可以對應有三個補丁的顆粒。當圈圈長度更短時,圈圈本身就可以連結到其他蛋白質的本體而形成更緊密的分枝網路;這種情形就可看為有超過三個補丁的顆粒。在水晶體核心部分,蛋白質將體積完全填滿,個別的蛋白質可能和四個或更多的蛋白質黏在一起。

補丁理論預測那些補丁膠狀體顆粒即使在低濃度之下還是能自然連結成鍊,這個結論解釋了賓州大學的研究者之前所遇到的一個實驗困難。一般來說,這一類研究的典型作法是,先把蛋白質稀釋並將不同類蛋白質分離,再對溶液中分離出的蛋白質做散射實驗以觀測它們的散射特性。但是這種作法對 S-晶狀體蛋白失效。

史維妮解釋說道:「不論我們怎麼稀釋烏賊水晶體中的蛋白質,它們總是成鍊。」

賓州大學團隊的研究內容可能藏有一個缺失,就是她們在分析 X-光數據時,其中一個參數為「形狀因子」(form factor),主要用來代表蛋白質的散射特性;他們在此使用了 S-晶狀蛋白質的平均值,但是實驗樣品含有許多 S-晶狀體蛋白的變體,每一個變體實際上都有它自己的形狀因子。然而史維妮和蔡晶主張各個蛋白質變體的形狀因子變化不大,不會影響她們的結論。

控制蛋白質的種類與比例,就控制了眼睛的折射率

史維妮團隊推測,當水晶體生長時會有新的細胞產生,基因會讓 S-晶狀體蛋白的變體保持特定的比例。依據補丁理論,當濃度超過某個門檻後之後補丁顆粒就形成凝膠,該濃度的門檻則是由組成顆粒上的補丁數所決定的。當凝膠化發生後,mRNA 就不再能在細胞裡四處移動了,這也就終止了蛋白質的製造。

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在水晶體的外緣部分,佔主導地位的長圈圈蛋白質導致平均每一個顆粒有兩個補丁。在核心部分,佔多數的短圈圈蛋白質意謂著一個顆粒上有更多的補丁。而補丁數目越大,蛋白質的堆積就越緊密。隨著水晶體內蛋白質密度的徑向變化,產生了折射率的梯度變化。

史維妮指出,烏賊的水晶體看來是第一個被發現可以由補丁膠狀體理論所解釋的自然系統。她問道:「我們能從那個自然系統學到些甚麼呢?」

參考資料

 

  • 本文感謝Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today, November 2017 雜誌內(Physics Today 70, 10, 26 (2017); https://doi.org/10.1063/PT.3.3718);原文作者:Sung Chang。中文譯稿:林中一教授,國立中興大學物理系。
  • Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates that Physics Today (American Institute of Physics) authorizes Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Sung Chang, and are published on Physics Today 70, 10, 26 (2017); https://doi.org/10.1063/PT.3.3718). The article in Mandarin is translated by Prof. Chung-Yi Lin, working on Department of Physics, National Chung Hsing University.

本文轉載自《物理雙月刊》原文為《烏賊球狀水晶體中的漸進式折射率是怎麼變出來的

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除了蚯蚓、地震魚和民間達人,那些常見的臺灣地震預測謠言
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/02/29 ・2747字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

災害性大地震在臺灣留下無數淚水和難以抹滅的傷痕,921 大地震甚至直接奪走了 2,400 人的生命。既有這等末日級的災難記憶,又位處於板塊交界處的地震帶,「大地震!」三個字,總是能挑動臺灣人最脆弱又敏感的神經。

因此,當我們發現臺灣被各式各樣的地震傳說壟罩,像是地震魚、地震雲、蚯蚓警兆、下雨地震說,甚至民間地震預測達人,似乎也是合情合理的現象?

今日,我們就要來破解這些常見的地震預測謠言。

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漁民捕獲罕見的深海皇帶魚,恐有大地震?

說到在坊間訛傳的地震謠言,許多人第一個想到的,可能是盛行於日本、臺灣的「地震魚」傳說。

在亞熱帶海域中,漁民將「皇帶魚」暱稱為地震魚,由於皇帶魚身型較為扁平,生活於深海中,魚形特殊且捕獲量稀少,因此流傳著,是因為海底的地形改變,才驚擾了棲息在深海的皇帶魚,並因此游上淺水讓人們得以看見。

皇帶魚。圖/wikimedia

因此,民間盛傳,若漁民捕撈到這種極為稀罕的深海魚類,就是大型地震即將發生的警兆。

然而,日本科學家認真蒐集了目擊深海魚類的相關新聞和學術報告,他們想知道,這種看似異常的動物行為,究竟有沒有機會拿來當作災前的預警,抑或只是無稽之談?

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可惜的是,科學家認為,地震魚與地震並沒有明顯的關聯。當日本媒體報導捕撈深海魚的 10 天內,均沒有發生規模大於 6 的地震,規模 7 的地震前後,甚至完全沒有深海魚出現的紀錄!

所以,在科學家眼中,地震魚僅僅是一種流傳於民間的「迷信」(superstition)。

透過動物來推斷地震消息的風俗並不新穎,美國地質調查局(USGS)指出,早在西元前 373 年的古希臘,就有透過動物異常行為來猜測地震的紀錄!

人們普遍認為,比起遲鈍的人類,敏感的動物可以偵測到更多來自大自然的訊號,因此在大地震來臨前,會「舉家遷徙」逃離原本的棲息地。

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當臺灣 1999 年發生集集大地震前後,由於部分地區出現了大量蚯蚓,因此,臺灣也盛傳著「蚯蚓」是地震警訊的說法。

20101023 聯合報 B2 版 南投竹山竄出蚯蚓群爬滿路上。

新聞年年報的「蚯蚓」上街,真的是地震警訊嗎?

​當街道上出現一大群蚯蚓時,密密麻麻的畫面,不只讓人嚇一跳,也往往讓人感到困惑:為何牠們接連地湧向地表?難道,這真的是動物們在向我們預警天災嗎?動物們看似不尋常的行為,總是能引發人們的好奇與不安情緒。

如此怵目驚心的畫面,也經常成為新聞界的熱門素材,每年幾乎都會看到類似的標題:「蚯蚓大軍又出沒 網友憂:要地震了嗎」,甚至直接將蚯蚓與剛發生的地震連結起來,發布成快訊「昨突竄大量蚯蚓!台東今早地牛翻身…最大震度4級」,讓人留下蚯蚓預言成功的錯覺。

然而,這些蚯蚓大軍,真的與即將來臨的天災有直接關聯嗎?

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蚯蚓與地震有關的傳聞,被學者認為起源於 1999 年的 921 大地震後,在此前,臺灣少有流傳地震與蚯蚓之間的相關報導。

雖然曾有日本學者研究模擬出,與地震相關的電流有機會刺激蚯蚓離開洞穴,但在現實環境中,有太多因素都會影響蚯蚓的行為了,而造成蚯蚓大軍浮現地表的原因,往往都是氣象因素,像是溫度、濕度、日照時間、氣壓等等,都可能促使蚯蚓爬出地表。

大家不妨觀察看看,白日蚯蚓大軍的新聞,比較常出現在天氣剛轉涼的秋季。

因此,下次若再看到蚯蚓大軍湧現地表的現象,請先別慌張呀!

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事實上,除了地震魚和蚯蚓外,鳥類、老鼠、黃鼠狼、蛇、蜈蚣、昆蟲、貓咪到我們最熟悉的小狗,都曾經被流傳為地震預測的動物專家。

但可惜的是,會影響動物行為的因素實在是太多了,科學家仍然沒有找到動物異常行為和地震之間的關聯或機制。

遍地開花的地震預測粉專和社團

這座每天發生超過 100 次地震的小島上,擁有破萬成員的地震討論臉書社團、隨處可見的地震預測粉專或 IG 帳號,似乎並不奇怪。

國內有許多「憂國憂民」的神通大師,這些號稱能夠預測地震的奇妙人士,有些人會用身體感應,有人熱愛分析雲層畫面,有的人甚至號稱自行建製科學儀器,購買到比氣象署更精密的機械,偵測到更準確的地震。

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然而,若認真想一想就會發現,臺灣地震頻率極高,約 2 天多就會發生 1 次規模 4.0 至 5.0 的地震, 2 星期多就可能出現一次規模 5.0 至 6.0 的地震,若是有心想要捏造地震預言,真的不難。 

在學界,一個真正的地震預測必須包含地震三要素:明確的時間、 地點和規模,預測結果也必須來自學界認可的觀測資料。然而這些坊間貼文的預測資訊不僅空泛,也並未交代統計數據或訊號來源。

作為閱聽者,看到如此毫無科學根據的預測言論,請先冷靜下來,不要留言也不要分享,不妨先上網搜尋相關資料和事實查核。切勿輕信,更不要隨意散播,以免造成社會大眾的不安。

此外,大家也千萬不要隨意發表地震預測、觀測的資訊,若號稱有科學根據或使用相關資料,不僅違反氣象法,也有違反社會秩序之相關法令之虞唷!

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​地震預測行不行?還差得遠呢!

由於地底的環境太過複雜未知,即使科學家們已經致力於研究地震前兆和地震之間的關聯,目前地球科學界,仍然無法發展出成熟的地震預測技術。

與其奢望能提前 3 天知道地震的預告,不如日常就做好各種地震災害的防範,購買符合防震規範的家宅、固定好家具,做好防震防災演練。在國家級警報響起來時,熟練地執行避震保命三步驟「趴下、掩護、穩住」,才是身為臺灣人最關鍵的保命之策。

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水面艦如何找到潛水艇?潛水艇如何隱藏自己?——潛艦與反潛的捉迷藏
PanSci_96
・2023/11/25 ・5953字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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潛水艇到底有多重要?

最近關於潛水艇的新聞可不少,首艘國造潛艦「海鯤號」下水典禮、中國 093 潛艇「疑似」失事、前陣子還有烏克蘭使用導彈與無人機成功襲擊俄羅斯基洛級潛艇的新聞,潛水艇的關注度一時間高了不少。

但是你一定好奇,潛水艇對國防來說,真的很重要嗎?還有,現代觀測技術那麼發達,在這些儀器的眼皮之下,潛艇真的還能保持隱形嗎?

反潛方怎麼找到藏匿海中的潛艦?

潛水艇以安靜、隱蔽著稱,有著極重要的戰略價值,不僅可以水下布雷、隱蔽投送兵力與物資;它難以被發現的特性,更是打擊水面艦的刺客,往往能讓敵人不敢越雷池一步。

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當然,要造一艘能潛在水下的潛艇肯定不簡單,畢竟如果在水面下出事了,很難立即取得救援,安全的要求遠高於其他載具。另一方面,以隱蔽為最高原則的潛艦,從引擎、外型、武器到主動聲納,都需要新科技的改進,來讓自己發出的聲音降到最低。

但潛艦與反潛就像臥虎捉藏龍,如果能隨時掌握這隻水中蛟龍的動向,潛艦的威懾力就會大幅降低,甚至能將其一網打盡。因此相對地,隱蔽的技術進步時,反潛的技術也有所突破,透過光學、聲學、磁場等技術,要讓潛艦原形畢露。

潛艦與反潛就像臥虎捉藏龍。圖/imdb

既然我們知道潛艦的隱蔽性是最高考量,現在我們就站在反潛方,來看看如何抓出一艘潛水艇。
主動偵查其實跟「通訊」很像,都是傳送一個訊息到目標物,再接收傳回來的訊號。只是通訊的訊號是對方主動回傳回來的。主動偵查呢,則是訊號碰到目標物再反射回來被我們接收。沒錯,這跟蝙蝠的回聲定位很像,只是一個在水面上,一個在水裡。

為什麼水中使用的是「聲納」而非「雷達」?

現代遠距無線傳輸的方式主要有兩種,電磁波通訊與聲波通訊。在水面以上,我們通常以電磁波傳輸,因為在空氣中這麼做最有效率,因此不論是無線通訊還是手機微波訊號,多是以電磁波的形式在傳輸。
可惜這個方法到水中就不管用了,為什麼呢?電磁波穿過水的時候會因為兩個原因,讓強度快速衰減。一是電磁波容易被水吸收,二是電磁波與水分子碰撞會產生散射,舉例來說,太陽光也是電磁波的一種,而太陽光就會因為在海水中散射,而讓海看起來是藍色。

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太陽光就會因為在海水中散射,而讓海看起來是藍色。圖/unsplash

這種電磁波衰減的程度有多少呢?具體來說,在最清澈的海水中,可見光每前進 1 公尺,亮度就會衰減 4% 。如果想使用無線電通訊,以一個頻率 1000 赫茲的電磁波來說,每向前進一千碼(大約 900 公尺),訊號強度就會減少 1300 分貝。這邊說明一下,「分貝 dB 」不只是聲音音量的單位,而是可以用在各種需要表達強度比例的單位。

電磁波每減少 10 分貝,就意味能量減小 10 倍。圖/PanSci YouTube

舉例來說,電磁波每減少 10 分貝,就意味能量減小 10 倍。在前進一千碼時減少 1300 分貝,就意味能量會衰退 10 的 130 次方倍,小到等於沒有。在實務上,通常電磁波的極限穿透距離就只有幾十到幾百公尺而已。相比之下,如果從電磁波換成低頻聲波,每一千碼的損失約為 0.01 分貝,跟電磁波相比起來可以說是幾乎沒有損失。

通常電磁波的極限穿透距離就只有幾十到幾百公尺而已。相比之下,低頻聲波可以說是幾乎沒有損失。圖/PanSci YouTube

因此在水中,大家聽到的不會是什麼「雷達」,因為雷達(RADAR)的全名是 Radio Detection and Ranging ,是使用電磁波偵查的技術。在水裡我們用的是「聲納」,是利用聲音當傳輸訊息與探知物體的手段。

此時蝙蝠的回聲定位使漆黑水底頓時明亮起來,聲波在海裡的傳播速度約為每秒 1500 公尺,只要計算我們發出的聲波與接收到聲波的時間差,我們就能辨別物體的距離。例如我們在聲波發出後的 10 秒後接收到反彈的訊號,就代表聲波來回走了 10 秒共 1 萬 5 千公尺的距離,我們和目標物就是這個距離的一半,也就是 7 千 5 百公尺。

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聲納裝載潛水艇上可以成為潛水艇的眼睛,裝在水面艦上,可以成為抓出潛水艇的掃描儀。潛水艇沒有聲納,姑且可以靠海圖小心航行,水面艦沒有聲納,面對潛水艇就只能海底撈針。

潛艦與反潛技術的發展

潛水艇在第一次世界大戰中開始展現出重要的戰略價值,其中最著名的潛艇戰就是德國的 U 艇和德國實施的「無限制潛艇戰」。當時德國的對手英國是個島國,因此便想到利用潛艦封鎖英國,無論是軍艦或商船一律擊沉,希望能拖垮英國的經濟。雖然德國最後未取得戰爭勝利,但潛水艇也確實擊沉了多艘協約國的船艦,立下的戰績是有目共睹。

最著名的潛艇戰就是德國的 U 艇和德國實施的「無限制潛艇戰」。圖/wikipedia

有鑑於此,反潛聲納的技術由此萌芽。第一個主動式聲納在第一次世界大戰期間,被著名物理學家朗之萬發明。 1915 年,第一個潛艇探測器「ASDIC」開始在英國海軍的艦艇上被運用。 1931 年,美國也發明了潛艇偵測裝置,並稱它為「SONAR」,顯然這名字取得比較好,也成為現在最常稱呼這種技術的名稱,聲納。

第一個主動式聲納在第一次世界大戰期間,被著名物理學家朗之萬發明。圖/PanSci YouTube

至此,水面艦就像開了白眼一樣,潛水艇終於無所遁形⋯⋯真的嗎?聲納既然已經發明了百年,為何潛水艇至今似乎仍保有隱蔽優勢呢?在科技發達的現代,聲納為何還是無法抓出所有潛艇?

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很可惜,事情沒有那麼簡單。當大家帶著最新科技和設備準備挑戰潛水艇這個可敬對手,卻突然被隱藏 BOSS 跳出來狠狠地打了臉,他就是:物理。

什麼是「陰影區」?潛艦能夠躲藏的位置?

讓我們回到大家都做過的實驗,準備一個透明杯子裝水,把筷子插入水中。因為光線在穿過不同介質的介面時,會因為速度改變而轉彎,所以筷子插到水杯中會出現偏折,水面上跟下呈現不同角度,看起來就像是被折彎了。

光線在穿過不同介質的介面時,會因為速度改變而轉彎,聲音也是。圖/wikipedia

聲音跟光一樣都是「波」的一種,因此在穿過不同密度的介質時也會產生折射,路徑出現偏折。你說道理我都懂,但海裡面只有水,哪來的不同介質?

還真的有,那就是隨著經緯度與深度變化,鹽分、水溫、密度都不同的海水。鹽分、水溫、密度的升高,都會導致聲速變快。而這三者在海中的各處都不會是固定的。例如在不同深度的海水中,深度 1000 公尺內上層海域的斜溫層,當深度越深離海面越遠,海水越得不到太陽的加溫,因此海溫快速驟減,而海溫的降低也會導致聲速降低。深度超過 1000 公尺以後的深海等溫層,溫度、鹽分的變化趨緩,此時壓力會隨著深度增加而增加,海水密度開始小幅度上升,因此聲速緩慢增加。

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每一處海水根據鹽分、水溫、密度不同,都會影響聲速。圖/PanSci YouTube

每一層有不同聲速的海水,就等於是不同的介質,聲波會在不同層的海水之間產生折射。類似的現象也發生在空氣中。在炙熱的沙漠或是天氣熱的柏油路面,偶而會因為空氣的密度分布不均,光線在不同密度的空氣間產生偏折,出現影像在空中出現的錯覺,也就是海市蜃樓的現象。

重點來了,在海裡的折射會是怎麼樣的呢?假設我們有一艘潛的足夠深的潛艇,海面附近的聲納發出一道聲音斜向海洋深處前進,根據決定折射角度的斯乃爾定律,當聲速上升,聲音會偏離介面的法線,偏向兩個液體的交界面。在海中的實際表現,就是聲音產生偏折,漸漸與海平面平行,當偏折的角度超過 90 度,最後甚至會向上偏折,產生全反射。

而斯乃爾定律也告訴我們,偏折的程度跟入射角有關,當角度超過臨界角時,才會產生全反射。根據這些聲波行進路線畫出來的圖,可以看到一塊聲波永遠到達不了的地方,這就是陰影區(shadow zone)。如果潛艇躲藏在這個位置,那麼水面上的敵人就永遠也無法透過主動聲納發現你。

根據這些聲波行進路線畫出來的圖,可以看到一塊聲波永遠到達不了的地方,這就是陰影區(shadow zone)。圖/PanSci YouTube

除此之外,從聲納路徑圖可以看得出來,在水中聲納走的路徑像是 U 字型一樣,會不斷在海面反射,在海中全反射。而線與線之間的空白處,是聲波不會經過的地方,也屬於陰影區。因此實際從水面偵測潛艦時,只有在碰到這些線的時候會收到該點的訊號,如果要抓出敵人,就要在獲知訊號時抓緊時間。

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如何減少陰影區範圍?

為了減少這些陰影區死角的範圍,也有一些有趣但複雜的想法,例如使用拖曳式陣列聲納,一個點不夠,那我就拉一排,減少盲區。或是透過小角度的海底反射,來覆蓋近距離內的更多範圍。然而這也不會只是畫一張圖那麼簡單,平常聲納就要過濾來自自身引擎的噪音,或是因為海底等非目標物的環境反射。多一次反射,就意味會多一道訊號反射到聲納中,要如何將這些訊號區分開來,判斷哪些是海床訊號,哪些是敵艦訊號,就各憑本事。

沒錯,就算有了聲納系統還不夠,海底資訊的掌握度和後期運算更是兵家相爭的關鍵。你想想,就算你知道聲音會隨著密度轉彎,但你知道眼前海域每個深度的實際密度嗎?如果你不知道這些資料,就算接收到訊號,你真的算得出敵艦的位置嗎?

舉例來說,冬天和夏天的海溫不同,聲音偏折的角度不同,能探查的範圍與死角就不相同。當你在不同緯度,不同海域作戰時,所需要的資料也不相同。

冬天和夏天的海溫不同,聲音偏折的角度不同,能探查的範圍與死角就不相同。圖/PanSci YouTube

台灣冬夏兩季分別受東北季風與西南季風吹拂,周圍又有黑潮、中國沿岸流等洋流影響,各層水溫隨季節變化影響劇烈,台灣海峽又因地形原因海流複雜,被稱為黑水溝。在此之上,能掌握好周圍的海流活動,除了能兼顧潛艦的航行安全外,也有助於提升潛艦的隱蔽性。

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潛艦與反潛的無數過招?

海洋的複雜性,構成了潛艦至今仍能維持隱蔽優勢的原因。而這場臥虎捉藏龍的對決到此還沒有結束,我們只介紹了第一招,後面大概還有 99 種招式等待要過招。例如潛艦關掉主動聲納後,如何靠被動聲納安全航行並鎖定目標?

除了透過聲納,搭載磁性探測儀的反潛機怎麼從異常磁場訊號中辨別海底的金屬潛艇?又或是水面上的聲納會被全反射,那麼改變深度的話是不是就能解決了?實際上,既然在海面上聽不見,反過來把聲納放進海中,放在海水密度最低的「深海聲道通道軸」這個如同光纖般的區域,就能清楚聽到來自遠方的聲音。

諸如此類的軍事科技對弈,就像其他科技一樣,對決永遠不會結束。如果你還有那些想了解的面向,不論是潛艦或是其他軍事科技,也歡迎留言告訴我們。

最後也想問問大家,你覺得潛水艇最大的戰略價值是什麼呢?

  1. 多一種隱蔽武器,多一種威嚇,提升敵人的作戰成本
  2. 突破封鎖線,在關鍵時刻打擊敵人的大型艦艇
  3. 間諜作戰,深入敵後蒐集電訊號與艦艇聲譜特徵,偷偷獲取情報

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【成語科學】雨過天青:天空為什麼是藍色的?傍晚的橘紅色天空又是怎麼形成的?
張之傑_96
・2023/10/06 ・1183字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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下過雨後,天空藍得透明。這個自然現象,衍生出成語雨過天青,比喻情況由壞轉好。雨過天晴也有同樣的意思,不過仍以雨過天青較為正式。閒話少說,讓我們造兩個句吧。

這事挽救及時,現已雨過天青。

雨過天青,您的事可以放心了。

下過雨後,天空藍得透明。圖/pixabay

這個成語還有個故事呢。有一種瓷器,稱為雨過天青,起源於五代‧後周柴世宗。某日臣子請示,皇家瓷器要燒成什麼顏色?柴世宗隨手批示:「雨過天青雲破處,這般顏色作將來。」工匠經過多次實驗,終於燒製出來,這就是有名的「柴窯」。由於沒有作品傳世,柴窯的真面目已無從查考。

談到這裡,該談談這個成語的意涵了。大雨過後,天空為什麼藍得透明?這是因為空氣中的灰塵隨著雨下降下,空氣較為潔淨的關係。喜歡打破沙鍋問到底的小朋友或許還會問:為什麼空氣潔淨、天就較藍?

這要從天空為什麼呈藍色說起。空氣的成份,主要是氮氣和氧氣。晴天的時候,射到地球上的陽光碰到空氣中的氮分子或氧分子,會引起散射作用。藍光的波長較紅光短,散射得較厲害,看在我們眼裡,天空就成為藍色的。

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藍光的波長較紅光短,散射得較厲害,看在我們眼裡,天空就成為藍色的。圖/pixabay

這個道理看起來好像很簡單,但是人類明白這個道理是 19 世紀末的事。1873 年,英國物理學家瑞利是第一位看天看出名堂的人。他的散射理論——瑞利散射,破解了天色的秘密。

在陽光的七種色光中,紅、橙、黃光的波長較長,藍、靛、紫光的波長較短。空氣中的氧分子、氮分子,大小恰好可以散射波長較短的藍光,藍光散了一天,天空當然呈藍色的。

到了傍晚,夕陽西下,陽光打斜裡射過來,較接近地面,而地面的空氣含有較多的水氣和灰塵,粒子比氧分子、氮分子大得多,較容易散射波長較長的紅光、橙光或黃光,艷麗的晚霞就是這樣散射出來的。

陽光打斜裡射過來,而地面的空氣含有較多的水氣和灰塵,較容易散射波長較長的紅光、橙光或黃光。圖/pixabay

如果天上懸浮著小水滴,也就是雲,那又是另一種景象。小水滴比灰塵大得多,各種波長的色光都能被它散射,結果雲就成為白色的。如果雲層較厚較密,陽光穿不過去,就變成了灰色或黑色。白雲蒼狗,不過是陽光玩的把戲而已!

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當雲聚成雨滴的時候,顆粒就更大了,大得具有稜鏡的作用。倘若一邊已出太陽,一邊還在下雨,陽光穿過雨滴,就會形成彩虹。噴泉和瀑布上也可以出現彩虹,原理是一樣的。

張之傑_96
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張之傑,字百器,出入文理,著述多樣,其中以科普和科學史較為人知。