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海床底下的地質結構長怎樣?讓鯨魚唱給你聽

Yubari
・2021/04/06 ・2345字 ・閱讀時間約 4 分鐘

深海之下,有著許多的資源蘊藏在其中,例如天然氣、石油、金屬礦床等等,然而要找到這些珍貴的資源,就必須要先知道海床之下的地質構造,才能有效率地進行開採。怎麼樣才能知道海底下是什麼樣子呢?美國奧勒岡州立大學 (Oregon State University) 的兩位科學家在近日發表了一種新方法,那就是聽鯨魚唱歌1

科學家如何透過神秘的鯨魚之聲,研究海底下的世界?讓我們先從地震說起吧。

地下構造長怎樣,科學家用聽的

要知道海底之下有什麼,最簡單的方法,莫過於直接鑽井下去一探究竟,但是在海底鑽井可是一門大工程,光是鑽一口井就會花費大量的時間及成本,因此在鑽井之前,必須仰賴其他的方式進行探測,而最常使用的方式之一便是所謂的「震測」。

震測顧名思義,就是利用震動來進行測量。當地震發生時,地震波會在地底下傳遞,而地震波在不一樣的地層之中有著不同的速度。這使得地震發生後,行經不同路徑的地震波,抵達同一個地點的時間會有差異,而也是因為這個差異,讓科學家可以藉此推測地底下的構造是如何。

然而地震的發生並不是人為可以控制的,因此除了自然的地震以外,有時也需要一些超自然人為的震動,其中最常見的方法就是用空氣槍 (air gun) 產生聲波,再藉由聲波在地層中的傳播來得到震測結果。

不同路徑的波抵達接收站的時間會不一樣,科學家可以藉此推測到地底下的構造,圖中的震波來源為船下的空氣槍系統。圖/JEMSTEC

為了監測奧勒岡州外海的斷層,研究團隊 Kuna 和 Nábělek 等人在 2012 及 2013 年之間,總共施放了 54 個海底地震儀 (Ocean-bottom seismometer)。然而,除了地震波的訊號以外,他們意外地發現了一些不一樣的訊號。

海洋裡的大聲公:長鬚鯨

海底地震儀所接收到的神祕訊號,在 Kuna和Nábělek 的好奇研究之下,終於發現聲音的主人──長鬚鯨。是的,你不敢相信鯨魚在身邊~♪

長鬚鯨 (Balaenoptera physalus) 是僅次於藍鯨的現今第二大生物,體長最多可達 26 公尺,體重最高為 80 公噸,長鬚鯨也是海中數一數二的游泳高手,最快的速度約是 15 節(時速約 28 公里)。善於游泳的長鬚鯨會隨著季節進行長距離的遷徙,廣泛分布在全球的海洋之中,絕大多數的大洋中都可以發現牠們的蹤跡。

而被地震儀記錄到的,正是長鬚鯨的歌聲,它的歌聲不像大翅鯨的長音,而是類似於鼓聲的短音(歌聲在此),一唱便可以連續數十幾個小時,只有在水面換氣時會短暫停止。長鬚鯨的聲音最高的記錄為 189 分貝,相當於大型船艦航行時發出的聲音,巨大的聲響足以在海洋中傳播數百公里之遠。

發現了如此宏亮又長時間的聲音訊號,讓 Kuna 和 Nábělek 想到,是否可以利用鯨魚的歌聲來繪製震測剖面圖呢?於是發現了歌聲的主人之後,他們又繼續分析起鯨魚的歌聲。

長鬚鯨體型修長,是僅次於藍鯨的現今第二大的生物。圖/Wikimedia Commons

來自鯨聲的震測剖面

Kuna 和 Nábělek 發現,訊號中長鬚鯨歌曲是由兩種頻率不同的叫聲相互交錯組成,一種是頻率約在 20-25 赫茲的高頻音,另一種則是大約 15-20 赫茲的低頻音。為了減少低頻噪音的影響,他們只選用高頻音作為分析對象,每首歌所包含的叫聲次數為 212-593 次,每次叫聲的間隔大約是 30 多秒。

而鯨魚的位置也可以從聲音來判斷,根據從直線抵達地震儀的聲音訊號,以及經過反射後才抵達的訊號間的時間差,可以推算出鯨魚和地震儀之間的距離。知道了距離之後,還需要方向與深度才能確定鯨魚的位置,地震儀可以記錄方位,但鯨魚的深度卻無法得知,還好長鬚鯨大多只在水下二十米以內的深度活動,因此 Kuna 和 Nábělek 假設鯨魚的深度為十公尺,這樣一來就可以推測出鯨魚所在的位置,也就可以正式開始震測圖的繪製了。

Kuna和Nábělek從三個地震儀中各別分析了兩首歌,總共有六首歌,也就是得到了六個震測結果。結果顯示在每個地震儀的兩首歌之間,所計算出來不論是 P 波和 S 波的波速,或者是玄武岩之上的海洋沉積物厚度,都有著相近的數據,代表了長鬚鯨的歌聲確實可以被用來作為震測的音源。

利用長鬚鯨的歌聲繪製震測圖的原理概念圖。圖/參考資料 1
*不同的箭頭代表不同路徑的聲波、P波、或S波。
*從上到下的分層為水層、沉積物、玄武岩、以及輝長岩質的地層。

未來的震測資料,會變成鯨魚們的專輯嗎?

使用鯨魚的歌聲來繪製震測圖有許多的優點。事實上,傳統常使用的空氣槍,並非在所有地方都可以使用,而人造的巨大聲響更會形成海洋中的噪音污染。因此使用鯨魚的歌聲除了可以補足空氣槍無法使用的範圍,也可以減少海洋中的噪音,更是幾乎全年無休的自動訊號來源,最重要的是用生物取代非生物比較討喜啊,Pui~Pui~

雖然有上述的優點,但這款長鬚鯨震測仍有些缺點,例如長鬚鯨的聲音頻率偏低,難以得到高解析度的結果(作者表示聲音較高的抹香鯨很有潛力),因此只適合在地型構造較為單純的環境下進行。若要觀測複雜的構造,則需要搭配多個地震儀同時進行觀測,或者利用演算法來協助分析數據。

或許有一天,鯨魚的歌聲真的可以取代會造成空氣槍這個目前的必要之惡。到那個時候,如果在海下探險是你的願望,那就放下儀器向鯨魚問路吧!

參考資料

  1. Kuna, V. M. & Nábělek, J. L. (2021). Seismic crustal imaging using fin whale songs. Science, 371, 731–735.
  2. Aguilar, A., & García-Vernet, R. (2018). Fin whale: Balaenoptera physalus. In Encyclopedia of marine mammals (pp. 368-371). Academic Press.
  3. 臺灣大百科全書:海洋震測

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COVID-19 起源迷思:不一定有中間宿主,和市場無關

寒波_96
・2021/04/13 ・2465字 ・閱讀時間約 5 分鐘

COVID-19(武漢肺炎、新冠肺炎)從何而來,是重要的問題。世界衛生組織 WHO 派出特遣隊前往武漢調查,並在 2021 年 3 月底交出 300 頁的報告。

在我看來,這份報告沒有提供任何新的訊息,而且方向偏差嚴重,持續劃錯重點,竟然還獲得一些科學家的稱讚,可謂科學界的恥辱。

圖/取自 經濟學人

被調查的當事人說沒事,所以報告說沒事

導致武漢肺炎的病原體,SARS 二世冠狀病毒 (SARS-CoV-2) 如何產生,WHO 報告列出 4 種可能性:

  • 第一,「非常非常可能」:由動物保毒者(如蝙蝠)先傳染給中間宿主,再感染人類。
  • 第二,「有可能」:由動物保毒者(如蝙蝠)直接傳染給人類。
  • 第三,「可能」:被感染的動物死亡後,被冷凍保存,再傳染給接觸到的人類。
  • 第四,「極端非常不可能」:從實驗室外洩。

第四項「實驗室外洩」是怎樣排除的呢?就是 WHO 調查隊訪問了武漢病毒研究所的人員,看過他們提供的資料,發現查無外洩,於是宣佈查無外洩。

第三項非常明顯是中國官方大力推銷的「冷鏈」,不過 WHO 顯然沒那個恥力背書。

我個人覺得機會最大的是第二項。WHO 調查隊認為第一項機率最高也許正確,但是根據已知資訊判斷,所謂的「中間宿主」也可能根本不存在。

也許有,也許根本沒有中間宿主

許多專家假設中間宿主存在,是因為他們認為 SARS 二世冠狀病毒的祖先以蝙蝠為天然宿主,不可能一步跳到智人,就適應得如此之好。更合理的過程是,蝙蝠先傳染給某種較為類似人類的動物,在這種動物身上發生突變,而獲得感染人類的能力。

病毒演化出感染人類的能力,是一系列試誤的過程:從無法感染人類的祖先病毒,演變為極為適應人類的 SARS 二世冠狀病毒。而公認的事實是,我們知道的 SARS 二世一開始就極為適應人類,勝過任何動物,智人就是最佳的天然宿主。

蝙蝠、駱駝、智人之間的跨物種 MERS 病毒傳播。圖/取自 Outbreak of Middle East Respiratory Syndrome-Coronavirus Causes High Fatality After Cardiac Operations

這兒所謂的「中間宿主」,就是讓病毒試誤的動物。這種「試誤的動物」能不能直接就是人類?當然可以!

SARS 二世冠狀病毒的初期演化,可以分為兩大階段。第一階段是從對人類感染能力不佳的祖先冠狀病毒,經過一系列試誤,演變成以人類為最佳宿主。第二階段才是躍上舞台,成為震撼世界的武漢肺炎。

第一階段的試誤過程,可以在武漢,也可能在任何一個地方發生,不論雲南、廣東、柬埔寨,或是武漢病毒研究所都有機會。對人類感染能力不佳的祖先冠狀病毒,可以在某個地方持續嘗試感染人類,最終累積足夠的突變,成為我們所知道的那個殺手。

如果祖先冠狀病毒直接以人類為中間宿主,完成適應人類的過程,也就等於沒有中間宿主存在,當然是怎麼找都找不到了。堅持一定要找到某種作為中間宿主的動物,是偏執的想法。

當冠狀病毒獲得人傳人的能力,成為 SARS二世以後,仍不一定會造成大流行。假如它好不容易在某個偏鄉誕生,卻沒有接觸到更大的人群,傳播也許不久後就結束了。

不幸的是,SARS二世冠狀病毒出現在人口眾多、交通發達的武漢,又加上中國官僚的掩飾卸責,此後進入第二階段,大都會成為培養病毒的溫床,向全世界散播瘟疫的源頭。

有政府,會做事!圖/取自 關鍵評論網

武漢的市場和病毒起源無關

公開可考的感染者紀錄,最先在 2019 年的 12 月初。引起許多關注的「武漢華南海鮮批發市場」,在瘟疫最初期出現多位病患,而且又販賣不少種動物,符合病毒跨物種從動物傳人的想像。此處卻明顯不是病毒的發源地。

最遲在 2020 年的 1 月底(中國官方獲得資料的日期更早),分析第一批患者的紀錄便可得知,市場並非最初的起源。由已知證據歸納,已知 SARS 二世冠狀病毒的共同祖先,能追溯到 2019 年 12 月的幾個月前,那時已經完成第一階段的試誤過程,準備進入第二階段。

市場只是疫情初期比較明顯,最早被公眾注意到的地點,和病毒起源沒有直接關係;它是初期的輸入端,而非輸出端。病毒在市場廣傳的同時,早已傳播到其他地方,甚至出國深造,於多處同時醞釀。

知道上述資訊超過一年後,WHO 組織的專家團卻依舊將市場列為調查重點,完全是缺乏專業,搞錯方向,浪費資源做虛工。一開始就踏上錯誤的方向,無法取得新的線索毫不意外。

總之,在 SARS二世冠狀病毒的誕生過程中,中間宿主可能存在,但是不存在的可能性沒有比較低;WHO 報告認為極可能透過中間宿主傳播,不符合現有的證據。而 WHO 列為重點的武漢市場,絕對不是起源地。

延伸閱讀

參考資料

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

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