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海洋下的風暴:南海巨大內波生命史

劉珈均
・2015/05/20 ・2914字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 572 ・九年級

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圖/楊穎堅提供

台美雙方長期合作海洋科學計劃,歷時15年透徹解析了南海內波生成、傳遞、變形、破碎、翻轉到消散的「生命史」,研究成果刊於521期(5月7日)的國際知名學術期刊《自然》(Nature),論文有來自台韓法美25單位的42位共同作者,其中8位為台灣學者。以往過去內波相關研究多偏重於現象觀察,此為首次解析內波完整的周期與樣態,也改寫了海洋學教科書。

足足50層樓高的南海內波

內波(internal wave)是一種因海水密度垂直分層而引發的波動,發生於海面下。近海面處的海水因對流、波浪運動等「攪拌」,形成密度均勻的混合層,但繼續往下,海水密度受溫度鹽度影響而分層明顯,分層界面受到擾動便產生內波。就像常見的一款玩具,密封玻璃盒內有兩種液體,小企鵝漂浮於藍色液面,搖晃時,液體表面和液體之間皆會產生波浪。

台菲之間的呂宋海峽中,南北向的恆春海脊與巴坦海脊相隔約一百公里,高度也相差不遠(分別為2500公尺與2000公尺高),在此特別的環境條件下,造就了振幅達150公尺的巨大內波,台大海洋研究所教授詹森形容:「這像是波浪的腳打結,自己絆到自己。」波浪行經兩個海脊,連續絆了兩次而堆高振福。台大海研所助理教授張明輝解釋,其他地區如美國、大西洋、泰國與緬甸西邊的安達曼海,內波振幅平均只在50公尺左右,南海內波是目前已知全球最大的內波。

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南海內波剖面圖。photo:Alford et al., 2015, Nature
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南海內波示意圖,圖中建築為127.4公尺高的台電大樓。圖/楊穎堅提供

據團隊研究,南海內波在兩個海脊之間生成,往西行進至東沙臺地,因深度變淺、波速變慢才變形、破碎、翻轉而消散,影響範圍約在北南海至東沙之間400公里,內波從生成到消散約兩天半。

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南海內波可使海水在數分鐘內下沉超過150公尺,水溫驟變12℃以上。內波由潮汐引起,逢大潮時內波也較大,台大海研所副教授楊穎堅說,內波強度亦隨季節變化,春夏季節較大。

內波的影響

內波對海面上的船隻影響不大,但對水下航行與海洋工程的安全影響甚深,海中的結構物如鑽油平台底柱會受到強大的扭力而毀損;內波對生態影響則有好有壞,詹森說,內波會將深海的營養鹽與一些深水海洋生物帶到表層,利於浮游藻類光合作用,成員也觀測到鯨豚會追逐內波覓食;內波有時會將冷水往上推,南灣和東沙島海水均溫因而比大堡礁等地區低,珊瑚礁白化率也較低,壞處則是溫度過低可能讓珊瑚冷休克。

過去幾起潛艇事故也被懷疑是內波所為,潛艇突然被一股力量拉往深海而失事。詹森解釋,潛水艇一般航行於水深100公尺處,臨界深度為水下500公尺,超過此深度潛艇會無法承受水壓。當潛艇遇到內波,突如其來的密度變化會影響潛艇的浮力,潛艇可能失去浮力往下沉,加上被內波迅速往下帶,潛艇承受不住高壓而被擠碎,「整個過程只有十幾分鐘,潛水艇上的人來不及反應。」楊穎堅說。另一方面,內波具有軍事應用潛力,因其會折射聲波,若潛艇跟著內波航行,聲納無從發現潛艇行蹤。

內波不定時生成,不過楊穎堅說,既有觀測資料搭配衛星觀測,技術上已可達到內波預報。

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從衛星看南海內波。圖/楊穎堅提供

無心插柳的研究 「雜訊」躍身期刊論文

2000年初台美合作在東沙島附近作海洋聲學研究,探討聲音在海面下的傳播情況,儀器全數順利回收,豈知偵測所得數據雜亂無章,根本不能用,實驗失敗,團隊還發現海溫在十幾分鐘內降了12℃的怪象。後來團隊發現低溫與雜訊都是內波所致,「波動把儀器亂甩,弄出一堆噪音。」楊穎堅說,為了解決問題,團隊轉而探討內波,一路追著內波回溯到呂宋海峽,詹森笑說:「結果當時那些不要的『雜訊』變成我們現在登在Nature的論文。」

南海內波存在已久,但早年觀測資料不全,沒引起科學家注意。張明輝解釋,早期海洋科學家偏重觀測尺度較大的運動,十幾分鐘的內波置於十幾小時的觀測資料中相當於雜訊。直至1990年代美國石油公司在南海探勘石油,鑽油式平台作業中途遇強流而斷纜,調查後發現是內波所為,南海內波才漸受重視,但過去沒有科學家全程觀測過。

南海地區政治議題相當複雜,台灣的特殊政治地位提供學術單位些許自由空間進入南海作研究,15年來,台美雙方出動研究船於南海探測共計87航次。詹森負責數值分析,搭配衛星資料找出內波可能出現的「熱點」,被其他人戲稱為「在岸上遙控大家作實驗的人」,張明輝則為主導船上實驗的科學家,他說主要方式有為期幾個月的錨定或為期幾天的船測,放一串儀器測量溫度、鹽度、壓力與海流,也有利用水下滑翔機探測。

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張明輝說,內波來的時候可直接看到,因為內波會造成表面碎浪,研究船也配有雷達系統偵測內波。當內波來時,就把船移過去投放儀器。圖/楊穎堅提供

「出海就是在玩命」 船上生活實況

許多人對海洋懷著浪漫想像,真實的船上生活是如何呢?楊穎堅說:「在船上不打更,24小時作業!因為航次太難申請了,且出海每天都在燒成本。」而楊穎堅身為團隊領導人,必須時時掌握情況,不像其他人能輪班值勤。出海的風險也相當大,「許多人沒出過海,不清楚海洋研究過程,出海就是去玩命的。」詹森說,風浪大、暈船是家常便飯,還有許多突發狀況如機器故障、成員生病、遇鋒面,「有風浪我都不敢待船艙,寧可帶救生衣到上面,萬一怎麼樣起碼可以跳出去。」詹森說多年來研究最大感想是:「不要有人定勝天的想法。」

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楊穎堅就有驚險經驗,海研三號出海半途突然沒電、不動了,張明輝補充:「船沒電代表你不能控制船,只能在海上隨波逐流,附近有陸地或暗礁撞上去就完蛋,是非常危險的事。」幸好後來船啟動了,但只能往前,無法轉彎或煞車,船長把船開近高雄港再關掉動力,請港務局派船把海研三拖進港。「當時從早上十點繃緊神經到晚上八點進港,壓力才卸掉,我掏個腰包請全船吃豬腳麵線收收驚。」楊穎堅回想時仍餘悸猶存。

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臺美內波研究團隊夜以繼日的於海研一號上進行探測工作。圖/楊穎堅提供

未來研究方向

「了解海洋的變動就能了解氣候的變遷。」詹森表示,內波對於數值模式的模擬結果有很大影響,但以往的全球氣候變遷模型都沒有納入內波。洋流運動與氣候變遷有緊密關聯,若把內波納入模擬,或許就能大幅精進電腦數值模式的可靠度。

內波有可能將冷水或溫水帶往海面,一些學者認為,某些巨大內波造成的海面溫度變化可能影響颱風強弱,不過這還只是個點子,有待未來研究。黑潮的樣貌也是團隊近年感興趣的研究題目,「用現在比較先進的儀器探測,發現黑潮根本不是以前課本上所學那樣,要重新研究。」

楊穎堅也說,內波觀測或許不能「直接地」支援海嘯或地震預報,但執行科學任務時所累積的技術與知識可以間接幫助其他海洋研究。

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Glider
海研一號的研究人員正在回收水下滑翔機。圖/楊穎堅提供

延伸閱讀:科技大觀園〈神祕的巨浪–南海內波〉

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劉珈均
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PanSci 特約記者。大學時期主修新聞,嚮往能上山下海跑採訪,因緣際會接觸科學新聞後就不想離開了。生活總是在熬夜,不是趕稿就是在屋頂看星星,一邊想像是否有外星人也朝著地球方向看過來。

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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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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參考資料

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解密新海研 1、2、3 號身世!造船原來這麼不容易
Suzuki
・2019/11/28 ・2802字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 509 ・六年級

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海研一、二、三號開拓了「臺灣海洋研究元年」,三艘船服務海洋研究快三十年,今年海研一號滿 34 歲,海二、海三也滿 26 歲,為了航行安全與研究永續,老船亟需汰舊換新。

回顧老船的貢獻 臺灣的海洋研究由此啟航:回顧海研一、二、三號的貢獻

今年底、明年初,海研界將迎來三艘新船──科技部耗資 16 億打造的 800 噸海研船「新海研 2 號」、「新海研 3 號」,以及 2200 噸的「新海研 1 號」。三艘預備交船的海研新血續航力更長,希望能讓未來台灣海洋研究更有機會跨出本島海域,帶起另一波海洋研究高峰。

然而,催生三艘 16 億的船並不容易,在海研船籌備小組的老師們眼中,三艘海研船從經費著落、設計、建造、管理單位確認到海試一路走來,走了快十年,可說是得來不易的研究船。

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得來不易的研究船,取名、找保母都充滿挑戰

臺灣海洋大學海洋環境與生態研究所終身特聘教授龔國慶表示,自己 2011 年就已向科技部提議要造新船取代舊船,之後他便開始協助撰寫計畫書爭取經費,過了三年多經費才有著落,並在 2015 年初啟動研究船汰舊換新計畫,終於在今 (2019) 年底前交船。

新海研 3 號在船廠內尚未闔上甲板的情形。圖/張詠斌提供

新海研船的籌備並非一帆風順,期間其實曾發生各種爭議與困難,像是在去年以「五萬元取新名」登媒體版面,而早在這個爭議以前,新海研船歸誰管也引起關注。

科技部原本希望新海研船能從「學校各自管理」,改為「統一由國研院海洋中心管理」,卻引起管理海研一、二、三號的臺灣大學、臺灣海洋大學與中山大學的反彈。

臺灣大學海洋研究所教授詹森表示,雖然能理解科技部期望統一管船、節省成本的立場,但站在教育的角度,船對海洋教學十分重要,因此校方投入很多心血在海一的管理、安全檢驗,甚至積極參與新研究船的設計、儀器的檢驗及管理辦法的訂定,為的就是讓海研船上的教學與研究經驗能夠傳承。

中山大學海科所副教授張詠斌提到,船由學校管理,確實比較便利,海上實習如果遇到天氣不佳,能找空白船期排上去,免去與其他單位溝通和協調的成本。

船歸學校所有亦可降低「政治敏感」。張詠斌表示,研究船因安裝許多儀器,在接近他國海域時都很敏感,學校屬於半民營機構又具有自主性,若遇國家海權紛爭時,較容易處理,而外國也會比較願意讓學校管理的船隻停泊,但如果是國家層級來管理的話,遇到衝突會比較麻煩。

之前海研一號就曾在三貂角被日本保安廳公務船干擾,也曾遭遇中國公務船攔查,在海巡署協助下,事件才終能和平落幕註1,此顯示海權與國家安全問題不得不列入考量。

中山大學海科所張詠斌副教授認為,研究船交由學校管理,對於從事海洋研究時比較不敏感。圖/簡鈺璇拍攝。

學界提出他們的想法,科技部卻拿不定主意。一旦喬不定誰管船,新海研船開工、監工、測試又要由誰來做呢?此事就從 2015 年拖到 2018 年底,科技部才因法規和經費因素,最後拍板定案,由三個學校各自管理海研船。

這之間的反覆折騰,對參與規劃新船的學校來說,實在煎熬。詹森教授坦言:「一想到在我當(臺大)海研所所長任內,船沒有了,我就難過得睡不著覺。」

臺灣大學海研所詹森教授從頭參與新海研船的籌備,認為海研船應有教育意涵。圖/簡鈺璇拍攝。

詹森表示,管理船並不輕鬆也很費成本,每年海一的營運費就要 5000 萬以上的臺幣,但船對學校來說真的很重要,本來一度覺得學校可能要沒有船了,好在科技部回心轉意將船交給學校。

新海研的未來任務:擴大研究範圍、啟發學生興趣

常有人說:「臺灣是靠海吃飯!」除了說明臺灣海域有豐富漁獲外,對海洋研究者來講,更是一塊寶地。

臺灣鄰近全球海域溫度最高的「西太平洋暖池區」,長年水溫 25 度以上,與全球海流、聖嬰現象、颱風等等息息相關,話題十足,加上臺灣南北具有海溝,做地球物理、海洋地質亦相當適合。

那麼未來,新的海研船會做什麼事情呢?這三艘新的海研船加裝了海水淡化系統、發電設備,使得航行天數得以增加,新海研 1 號可航行 45 天以上、新海 2 號和新海 3 號則是 30 天以上,因此海洋研究範圍將不只限於臺灣周邊海域。

新海研 1、2 及 3 號。圖/中華民國海洋學會臉書

對此,科技部海洋學門和學界提出了「航向藍海」的研究計畫。張詠斌表示,這個計畫希望結合臺大、海大與中山大學老師的研究專長,預計讓三艘研究船一起航行,開拓「高雄-關島-帛琉」的研究航線,總航行天數為 40 天。

張詠斌提到,此航線會經過颱風生成區、北太平洋馬里亞納海溝、北赤道洋流等特殊的區域,是值得開拓的海洋研究區,離其他國家遠,亦是海洋研究的處女地。

科技部海洋學門與學界一同針對三艘新研究船提出「航向藍海」計畫,規劃高雄至關島、帛琉的研究航線。圖/張詠斌、科技部海洋學門投影片資料

將來科技部規劃進行「北赤道洋流變動對黑潮之影響」、「西太平洋聖嬰-反聖嬰現象之早期觀測」、「颱風生成海域海氣交互作用探測」、「海洋塑膠微粒輸送量觀測」、「馬里亞納海溝深海探測」、「海洋生地化通量及生物資源之長期觀測」、「海洋底床礦物資源探勘」等科學議題的深究。

龔國慶則希望海研船能有更多教育目標,像是 2006 年,海洋大學就曾在教育部計畫的補助下,結合海研二號辦理「黑潮暑期學分班」,讓不限海洋科系的大專院校同學報名參與,透過八天課程帶領大家認識黑潮並至海上實習,做海洋研究報告。

海研一、二、三號在 2005 年曾合體辦理「高中生黑潮探險體驗之旅」,當時吸引 34 位高中生參與,並在船上過夜和做實驗,希望新海研船也能復辦此活動。圖/張詠斌提供

「片段的研究不代表真實,必須長期投入才行,教育也是。」龔國慶表示,前陣子還遇到十多年前參加黑潮暑期學分班的同學向我打招呼,他跟我說還記得海洋學分班的課,這就表示學分班真的能啟發大家對海洋的興趣。

臺灣海洋大學教授龔國慶希望海研船除了研究功能外,亦有推廣海洋教育的使命。圖/簡鈺璇拍攝

龔國慶提到,近年來在科技部產學合作計畫的支助下,大學也與多媒體公司合作,完成了 50 則以「海洋科學與人類生活」為主題的「海洋鮮聞」科普極短片,更獲得通傳會頒發適齡兒童標章。

他希望教育部能在這些珍貴的研究與科普成果的基礎下,接力並持續地支持新海研船辦理各項海洋教育推廣活動,達到臺灣以「海洋立國」為目標的願景。

註解:

  1. 日本船制止「海研一號」研究 海巡署派「南投艦」解危
  2. 海研一號遭陸公務船攔查 關鍵2小時發生什麼事?
Suzuki
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超純社會組學生,對未知的一切感到好奇,意外掉入科技與科學領域,希望在猛點頭汲取知識的同時,也能將箇中妙趣分享給大家。