沈積物的海底溜滑梯──淺談濁流與海底峽谷

一九九○年代，冷戰終於結束，蘇維埃政府在海中布下的潛水艇威脅也隨之消散，於是海軍提供克拉克與其他專家機會，讓他們透過 SOSUS 的水下麥克風觀測、記錄大海裡的各種聲音。透過聲音頻譜——也就是 SOSUS 系統將接收到的聲音轉換為視覺圖像——克拉克無庸置疑地看到了藍鯨正在歌唱的跡象。

光是第一天克拉克就發現，單一個 SOSUS 感測器所記錄下的藍鯨叫聲比過去所有科學文獻所記載的加起來還要多。大海中充斥著鯨魚的歌聲，而這些聲音則來自無比遙遠的彼方。克拉克估算，記錄下他聽見的那股歌聲的感測器，距離聲音的主人有兩千四百公里之遠。藉由位於百慕達的水下麥克風，他竟能夠聽見遠在愛爾蘭的鯨魚歌聲。

於是他說：「當時我心想：『羅傑的想法沒錯。』我們實際上真的可以探測到橫跨整個海洋盆地的鯨魚歌聲。」對於海軍的分析專家來說，這些聲音就是他們每天工作都會遇到的正常現象，而這些聲音與工作內容無關，所以根本不會被標記在聲音頻譜上，也因此就被忽略了。然而對克拉克來說，這卻是令他茅塞頓開的驚人發現。

穩定規律的「歌聲」其實是一種探測手段？

雖然藍鯨與長須鯨的歌聲能夠跨洋越海，卻沒人知道鯨魚是否真的會在如此遙遠的距離下互相溝通；畢竟牠們很有可能只是在用極大的音量對附近的同類示意，只是音波剛好傳到了很遠的地方去而已。不過克拉克又指出，鯨魚會一次又一次地不斷重複同樣的音頻，甚至也會精準維持音與音之間的間隔長度。鯨魚會在浮出水面呼吸時停止歌唱，回到水中繼續歌唱卻也會落在剛剛好的拍子上。他說：「所以牠們唱歌並不是隨興而至的舉動。」這種現象令他想起了火星探測車為了傳送資料回地球所發出的那種重複的連續訊號。假如人類想設計出能夠跨越海洋進行溝通的訊號，大概也會想出類似藍鯨歌聲的形式吧。

鯨魚歌聲或許也有其他用途。牠們發出的每個音都能持續好幾秒，而其波長更是好比足球場的寬度。克拉克曾問過他在海軍的朋友，假如他有發出這種聲音的能力，可以拿來幹嘛？

「那我就能摸透整個海洋。」他的朋友如此回答道。這話的意思是，他能夠藉此刻畫出深海的地景，透過傳至遠方的次音波回音，他就能辨識出海底山稜與海床的位置。地球物理學家也肯定能運用長須鯨的歌聲來了解各處的地殼密度。那麼，鯨魚到底用這種聲音來做什麼呢？

克拉克從鯨魚的動作中看出了答案；透過 SOSUS，他發現藍鯨出現在冰島與格陵蘭之間的極地水域中，一路蜂擁直奔——還是該說是鯨擁？——熱帶地區的百慕達，旅途中一路歌唱。他也看過鯨魚在深海的群山間左彎右拐，在幾百英里間的深海地景之中蜿蜒前進。「看到這些動物的移動方式，就會感覺牠們大腦裡似乎有著以音波構成的海洋地圖。」他如此說道。

他也猜測，鯨魚在長長的一輩子裡，會不斷累積大腦中的聲音記憶，隨之擴增儲存在大腦裡的海洋地圖。克拉克也還記得，曾有位資深海軍聲納專家告訴他，大海裡每個地方都有它專屬的聲音。克拉克告訴我：「他們說：『讓我戴上耳機，我不用看就能直接告訴你現在位於拉布拉多還是比斯開灣的海域。』而我就想，假如人類累積了三十年的經驗就能做到這個地步，何況是演化了一千萬年的動物呢？」

漫長的迴響～不同時間尺度下的認知

不過關於鯨魚聽力的尺度，還是有令人費解之處。鯨魚的叫聲確實可以傳遞到很遠的地方，但卻也很花時間；在海裡，音波一分鐘只能傳五十英里（約八十公里）遠，因此假設一隻鯨魚聽見另一隻鯨魚在一千五百英里（約二四一四公里）之外發出的叫聲，這隻鯨魚得在半小時以後才能聽見對方的歌聲，就像天文學家觀測到的星光其實是恆星在很久很久以前散發出的光芒一樣。假如某隻鯨魚想探測五百英里（約八百零四公里）之外那座山的位置，牠得等上十分鐘才能接收到自己叫聲的回音，這感覺起來似乎有點荒謬。

然而各位想想，藍鯨在水面上的心跳一分鐘約為三十下，潛入水下後卻會下降至一分鐘只跳三次。這麼一想，鯨魚生命中的時間尺度想來一定與人類相當不同吧。倘若斑胸草雀能夠在單一個音裡就聽見以毫秒為單位的美麗音頻，也許藍鯨分辨同樣潛藏在聲音中的祕密訊號的時間尺度則是分或秒。若要想像鯨魚的生活樣貌，「你得發揮想像力，以完全不同的次元思考。」克拉克對我說道。

他認為這兩種體驗的差異應該就像先用玩具望遠鏡注視夜空，再改用美國太空總署架設在太空的哈伯太空望遠鏡一覽星羅棋布的壯麗星辰。一想到鯨魚，他的世界彷彿就變大了，不管是空間還是時間的尺度，都更加遼闊。

——本文摘自《五感之外的世界》，2023 年 8 月，臉譜出版，未經同意請勿轉載。

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《反演水深、判釋水稻田　福衛五號影像多元應用》
• 劉珈均｜泛科學

「透視」海底，用福五影像逆推東沙環礁水底地形

中央大學太空及遙測中心的副教授黃智遠、副教授任玄及副教授曾國欣選定東沙環礁，測試福衛五號影像反演水底地形的能力。成果顯示，在訓練資料品質佳的情況下，以福五影像建置水底地形的精度與超高解析度衛星影像的成果相當，可協助內政部產製電子航行圖、環境監測、生物棲地研究等。 

傳統常以船隻搭載聲納，或飛機搭載光達的方式量測水深，這兩種方式皆須現地量測，精度高，但成本也高，且淺海與爭議水區的量測會受限。多光譜光學衛星影像能穿透約 20 公尺深的潔淨水體，成為廣泛調查淺水域的潛力方式。

要以衛星光譜影像反演水深，仍需收集訓練資料（例如地形的現地量測資訊）當作「教材」，讓電腦建立正確的模式參數。「沒有太多人為擾動影響、卻又要有高品質的訓練資料 ，同時符合這兩個條件的就選東沙環礁了！」東沙環礁有精密的光達測深資料，還有海水潔淨、淺水域面積廣大等優點。

此項技術的訓練方式是，輸入衛星影像各波段數值（主要為透水較佳的綠光波段）及其對應的實際水深訓練網路，網路模式訓練完成之後，輸入目標區域的衛星影像數值，就能推算出每個像素對應的水深資訊。

為了衡量福五影像的表現，團隊也拿超高解析度商用衛星 WorldView2 的影像反演水深，比較兩者成果。福五反演的水深成果精度達 1.62 公尺，雖略遜於 WorldView2 的 1.26 公尺，但相差不遠。

黃智遠解釋，相較於房屋、橋梁等地物地貌，水下自然地形的局部變化通常較小，所以對於衛星影像空間解析度的要求也較低。在反演水深的應用上，使用福五或超高解析度衛星的差異不大，福五反演僅局部區域比實際地形略深。

光譜反演的挑戰在於訓練資料蒐集困難，不過，透過衛星影像產製水深還有另一種稱為「立體對測量」的方法。福衛五號可以對地「立體取像」——人的視覺因左右眼視角差異而能感知立體，資料也能整合不同角度的衛星影像產生視差，萃取出目標物的數值地形模型，再以此當作訓練資料，進行模式訓練、反演水底地形。

過去團隊與內政部合作，在東海南海的許多島礁進行水深反演，已累積起一套決策樹，考量目標區域具備的資料庫、資料品質、成本等，可為不同地區挑選、整合不同的水深產製方式。

雙衛星搭檔，提高水稻田判釋精度！

水稻田分佈判釋是行政院農委會農糧署年度重要工作項目，農糧署與臺灣大學理學院空間資訊研究中心教授朱子豪、遙測及資料加值組組長張家豪合作，以福衛五號影像結合合成孔徑雷達衛星影像判釋水稻田，正確性達 92%，大幅提高偵測精度。 

由於雲林有充足的基礎資料可供驗證與訓練模型，研究團隊選定雲林做為研究區域，試驗福五的影像用在水稻田判釋可達多少能力。 

團隊使用福衛五號影像，搭配 22 組歐洲太空總署合成孔徑雷達衛星「Sentinel-1」的開放資料，並試驗了三種方法：僅使用福五（光學）影像、僅用雷達影像、兩者相互搭配。結果顯示，整合兩者的效果最好，判釋正確性最高可達到 92%，高於單用光學或雷達影像的 90%、80%。

「光學衛星最大的限制就是雲！」雲會遮擋目標、影響判釋，而農作物判釋的取像時機又相當關鍵，取像時有雲就沒輒了；合成孔徑雷達衛星會主動發射微波到地面再接收反射波，可穿透雲層，不受雲覆與日照影響，可補強不同時期影像，取得水稻田從插秧、成長、結穗的時序變化資訊。

本研究的突破在於，只用了單一分類器全自動判別的條件下，偵測精度大幅提升，更是首度只用一個時間點、單張光學影像就達到了。團隊對此也相當興奮，「可能因為福五當時在 11 月取像，剛好是水稻結穗時，影像特徵與其他作物差異較大。」張家豪解釋。 

推測了面積，可以進一步推估產量嗎？「一公頃稻作能收成 1,000 公斤或 4,000 公斤，有太多因素影響了。」朱子豪說。溫度、溼度、施肥、天災、病蟲害等都會影響收成，此類研究在平遂的情況下可大致估產，尚難達成精確估產。

掌握物候特徵是判釋關鍵

未來若要擴大範圍，判釋全國水稻田面積，由於各地農民栽種時序、田間管理多變，如何選擇適合的取像時間會是一大挑戰；若要擴展到判釋其他作物，則得視其生長特徵進行更多的分析比對。

張家豪舉例，判別柑橘類的常年果樹、葉菜類極困難，果樹在光學影像上看起永遠是綠色一片，也無足夠的栽種方式差異、生長週期特徵和其他特性可區辨；檳榔、椰子、香蕉從空中看都是放射狀葉片，雖可參考栽種密度與高度，但影像的空間解析度也得提高至 60 公分才能精確判別；蔥、蒜皆屬旱作，需要空間解析度優於 60 公分的影像，搭配如地區性栽種時序、田埂排列鮮明的地表特徵，有機會判釋成功，「但要是田裡混作個青江菜，就分不出來了。」

梅樹是另個成功案例，它在 12 月下旬會落葉，隔年 2 月開花長葉結果。團隊曾執行判釋南投水里梅樹的研究，標定幾個時間取像，「若有某個區域在十月是綠葉、入冬出現裸露地特徵、然後變得白白的（開花）、四月又出現綠葉，那就很可能是梅樹！」但李子與梅樹的影像呈現類似，生長期也相近，要是沒在生長期重疊前順利取像，就會混淆兩者。

以衛星影像判釋作物不光是直白的「看照片」或分析光譜，掌握作物的「物候特徵」才是關鍵。

編按：本文選自《聽見海底的形狀》第十章，講述地質學家瑪莉‧薩普與研究夥伴布魯斯繪製海底地形圖，進而發現中洋裂谷的故事。

研究船來來回回，先拼湊完整大西洋航線

一九五二年九月，瑪莉的辦公室有一落紙箱，紙箱裡是一卷又一卷由博士和他的學生利用亞特蘭提斯號研究船，從一九四七年夏天蒐集至一九五二年九月的聲納紀錄。她另外還有一份記載研究船航線的詳細資料。這五年間，亞特蘭提斯號多次往返美國東岸與歐非兩洲西岸，航線有長有短。每一次的航程路徑──也就是航道（好比動物留下的獸徑足跡）──皆清楚標示在航海圖上。該紀錄亦定期標示經緯度，好讓測得的深度可與測定位置互相吻合。

由於研究船鮮少一出海即一口氣橫越大西洋，因此大部分的航線都經過縝密的編纂規畫。舉例來說，研究船可能從瑪莎葡萄園（麻州島嶼名）沿岸出發，橫越大西洋四分之一的幅度（期間每隔一段距離便使用各種工具進行各式實驗，包括採岩芯、撈取沉積物樣本、測量水溫與鹽度，也許再追加上折射震測），然後返回美國；而另一段航程可能只蒐集「四分之一幅度至大西洋中線」這一段的紀錄。搞不好還有誰搶在所有人之前，一路直奔直布羅陀並蒐集聲納紀錄。因此，瑪莉若想取得從瑪莎葡萄園直達直布羅陀的航道圖，她得像剪輯三十五釐米底片一樣，利用前述三份資料設法拼湊出來。剪接中的航道區段猶如一張張電影分鏡。

著手剪接時，瑪莉眼前總共有六份航道圖：最北的一條始於瑪莎葡萄園，終於直布羅陀；最南的一段介於巴西勒西非（Recife）與獅子山共和國自由城（Sierra Leone, Freetown）之間。這些畫在紙上的航道圖如一條條曬衣繩，恣意隨興地垂掛大西洋兩岸；沒有一條完全水平，大多朝海洋中線下垂。把這六條航線加總統計，可見亞特蘭提斯號已航行超過十萬哩，總共產出三千呎長的聲納紀錄紙，也就是堆在瑪莉辦公室角落那疊紙箱裡的紙卷大軍。

點點相連視覺化，繪製海底地形剖面圖

瑪莉後來回憶，她和布魯斯的期望是呈現北大西洋的「完整模樣」，因此他們的下一步是將那三千呎長的聲納紀錄轉譯成圖像──這可是驚世創舉。為了執行這項任務，瑪莉將幾張布紋紙黏接成條，再畫上六幅橫圖；頂端是最北的航道圖，尾端是最南的航道圖，其他四條則依序畫在兩者之間。每一幅圖皆以縱軸標示深度（刻度為一千、兩千、三千及四千噚），橫軸則以五百哩為單位，標示距離。每張圖皆像極了樂譜：五條橫線，線與線之間有固定間隔，標示距離的直線則就像是小節線。

接下來，瑪莉在圖上標出每一座高峰與低谷的深度，以垂直水平比「四十比一」的幅度放大海底地形的垂直比例。縱軸的一吋相當於一海里（一八五二公尺），橫軸一吋代表四十哩（六四三七三公尺）。瑪莉和布魯斯刻意選擇誇大垂直比例，如此才能看見極可能在無意間忽視的海底細微變化：放大比例後，山脊變得更高（像太妃軟糖一樣朝海平面被延展拉高）；而山谷則顯示往海底深鑿的凹溝。他倆之所以選擇四十比一的比例，理由是最長那段航道需要八七．五吋（近七．五呎）的橫幅寬度。

「當年，我們在製圖這方面還有點天真。」瑪莉說，「所以我們弄了一幅需要好幾張製圖桌才容得下的超大原稿。」要說天真，是因為他們認真做出一份不符雜誌或報紙規格且難以複製翻印的原圖，但亦不失為聰明之舉：正因為原圖超大，他們才能看出那些在「可印刷的尺寸」（瑪莉稱為「正常、可對折的圖紙」）之下，極可能消失不見的細微變化。

在紙上標出一個個註記深度、宛如五線譜音符的黑點後，她將點與點連接起來──這部分就需要仔細斟酌詮釋方法了。在深度方面，她標記的刻度為每一吋畫一點，但點與點之間呢？如此豈不像少了好些音符的樂譜？音樂家可運用在和絃行進、和聲或旋律方面的知識，於視譜過程中創出新曲，順利完成演奏；瑪莉的做法也差不多，只不過她並非即興創作，而是在尚無數據之處插入假設數值，再與已知深度的各標定點相連。這可不是隨意亂連，而是基於地質學家的紮實訓練，步步為營。然而，不是每個人都能像瑪莉一樣，嫻熟演繹不同深度間的連結；就像在鋼琴前坐下來嘗試即興演奏的大有人在，但多數送出的僅是噪音，而非音樂。

瑪莉在高高低低的鋸齒線下方點上墨點，成果顯示這六份航道圖呈現的海底剖面實在複雜。六幅海底地形剪影，以墨點標註在看似樂譜的圖表上：大陸棚陡降進入大陸坡，大陸隆堆再緩降進入布魯斯尋尋覓覓的深海平原。百慕達群島浮出海平面。十九世紀晚近，眾海洋學家推敲臆測的寬闊中洋脊也出現了。此外，非深海平原之處亦布滿許多細小如石筍的山脈地貌。這是一項了不起的成就：瑪莉的作品是有史以來最精密詳細的海底地形剖面圖。但她並不滿意，她認為她完全沒發現任何新玩意兒。

慧眼看出 V 型槽口，難道大陸漂移是真的？

說到底，以前也有人製作過這個區域的部分海底剖面圖，其中絕大多數都是一九二五至二七年之間，由德國研究船「流星號」的幾位海洋學家遠征南大西洋時完成的。這些圖在一九三○年代即已公開發表，而全球科學家也早已見過。事實上，布魯斯之所以在把聲納紀錄交給瑪莉時順帶提起深海平原與大陸隆堆，是因為他已經大致看過這些地貌了。但瑪莉反駁他的缺乏想像力。「我覺得這些地貌原本就相當明顯，哪需要這般胡搞瞎搞？」她寫道，「我想找的是更複雜，或者更細微、不易察覺的差異。」以布魯斯的立場來說，她繼續寫道，他想描繪勾勒的是「不曾出現在任何文獻上、值得明確標示出來」的地理特徵；然而，看在她眼裡，這個想法「絲毫不具智能上的挑戰」。她期望能發現更多東西。

這項工作初期就耗去她約莫六周時間。夏去秋來，瑪莉日復一日窩在二樓女兒房，持續研究剖面圖。有時，她和共用辦公室的夥伴會在壁爐生火。她常盯著能眺望哈德遜河景的大窗子，凝視良久。她會花好長一段時間細瞧已確認存在的中洋脊，即海床上抬的寬闊隆起。中洋脊在六幅航道剖面圖上皆清晰可見。也就是說，這道隆起不是單一一座山，而是一條山脈。這時發生了一件事：「當我更仔細研究，試圖解讀與拆解其構造細節時，」她說，「我注意到，在每一幅剖面圖中，中洋脊峰頂附近都有一道頗深的 V 型槽口。」深溝、裂谷。這絕對是新發現。她繼續研究，重複確認聲納紀錄，確定她並未標錯深度。最後她確信她的判斷正確，立刻致電布魯斯。

其結果是兩人首度爆發嚴重爭執。雙手來回比畫，執拗與不願妥協的反覆聲明四射：布魯斯輕蔑大笑，咆哮駁斥瑪莉的女人直覺；瑪莉臉繃得跟拳頭一樣緊。白色布紋紙製成的巨大地圖橫亙在兩人之間，布魯斯用手指猛戳某段裂谷。從這個角度看，崎嶇的海底不也像捕獸夾嗎？瑪莉大罵布魯斯冥頑不靈、食古不化，她說，至少她動腦思考，也想了些東西出來；況且他到底在怕什麼？

她非常清楚他在怕什麼。他們倆都曉得，這道裂谷的存在意味著大陸漂移。魏格納的理論在美國普遍遭到駁斥謾罵，卻也因此廣為人知。比方說，瑪莉就是從密西根教授那兒學到的。許多年後，瑪莉在投稿《自然史》（Nature History）的一篇文章中提到：「假如有一種學說叫大陸漂移，那麼就邏輯而言，極可能涉及『中洋裂谷』這類構造。源自地球深處的新物質自裂谷湧出，將中洋脊一分為二、往兩側推離，也因此推動了不同板塊上的大陸。」她開始描述相關效應，但布魯斯不想聽，也肯定不想看見相關證明。他繞著屋子踱步，手支著腰，指控她做白日夢。瑪莉徹底失去耐性。她得使出最大的氣力阻止自己拿釘書機扔他腦袋。她威脅要再度辭職。同辦公室的其他人早已全員疏散。最後，布魯斯手指著裂谷，飆出這一句──女孩子家瞎扯淡。不可能是那種東西。那看起來太像──

大陸漂移，瑪莉說。

大陸漂移，布魯斯說。

兩人沉默對望。除此之外，你還能怎麼解釋這玩意兒？

顛覆認知的革命性發現

一九五二年，「大陸漂移」是頗具爭議的字眼。「在當時，」瑪莉在《自然史》文中寫道，布魯斯和「拉蒙居以及全美科學家，幾乎都認為大陸漂移根本不可能發生。」提到「大陸漂移」多半會引起從輕微焦慮至洩氣恐懼等不同反應，這點依個人對自我腦力的信心而定。美國學者不僅認為陸塊不可能漂移，甚至覺得「這幾乎是某種形式的科學異端邪說。」瑪莉寫道，「如果暗示某人相信大陸漂移說，幾乎等同於暗批此人腦袋肯定有問題。」布魯斯對這項假設的反應近乎恐懼，但瑪莉不然；若要說瑪莉曾感到不安的話，唯一的證據不過就是她在告訴布魯斯之前，曾經一而再、再而三不斷檢查而已。

為了解瑪莉何以敢斷定海底有裂谷──正如大陸漂移說所暗示──必須先迅速回顧一下她曾受過的訓練。在地質學家養成過程中，瑪莉學會如何一葉知秋，透過觀察一塊岩石或一片特殊地域，利用其結構、組成與位置等細節，推演其歷史來由，此即岩石的地形學背景資料，解釋岩石何以與如何形成。據瑪莉表示，在校期間的她「沉迷」、「嗜讀」地形學教科書；不論是學校指定教科書，或是她自己找到的那一本，她皆貪婪飢渴地從第一頁讀至最後一頁。

她也提到一項地質系學生很難躲掉的習作：「通常，你會拿到一張可能來自世界任一地點的方塊地形圖，然後，你必須根據地形地貌，推測這塊土地的地質史。」這套方法是她從陸地上學來的，現在她將同一套程序應用於海底研究：當她看見海床出現一道裂谷，她自問，這道裂谷為何出現在這裡、為何呈現如此模樣。裂谷即裂縫，而這道裂縫龐大且連續，還跟地震活動扯上關係，於是，她能想到最簡單的答案即是大陸漂移。

簡單，卻具革命性：在瑪莉做出重大發現之前，流星號的聲納紀錄已流傳近二十載，卻沒有一個人注意到這道裂谷。除了瑪莉與布魯斯，無人見過大圖版的大西洋中洋脊系統，無人調整比例、壓縮雜訊、凸顯原本不起眼的裂谷，也沒有人將這些黑點和同區域的地震活動連結起來，大膽使用「裂谷」一詞描述其發現。

一九三八年，一位名叫均特．迪里屈（Günter Dietrich）的男子曾於《國際水文評論》（International Hydrographic Review）發表過一篇文章，算是截至當時為止最接近瑪莉與布魯斯的成就。雖然他在一些小海域發現相似的地形模式，迪里屈寫道，不過一旦擴大觀測範圍，「彼此之間是否絕對相關就很難說了。」大西洋中洋脊充滿「一團混亂糾結的峰頂和山谷」。他只看見混亂，瑪莉卻找出模式。誠如布魯斯某次談到的：有人問他，流星號發表那些紀錄時，何以未在科學社群留下深刻印象？布魯斯的答覆是：「沒有人找對方向。直到瑪莉出手才正中紅心。」

當然，布魯斯是後來回顧時才這麼說的。早在一九五二年，他更擔心這道裂谷對於他未來人生的影響；當時他腦中想的是「異端邪說」，而非革命創見。瑪莉將那道裂谷呈現在他眼前，他叫她全部重做一遍。她照辦了。

本文摘自《聽見海底的形狀：奠定大陸漂移說的女科學家》，2017 年 11 月，貓頭鷹出版社出版。