用声音探索海洋内部

  SOSUS因其运用限距远,已被证实是我们获取了解地球天气和气候的关键信息的重要仪器。尤其是该系统使研究者开始全球规模的海洋温度测量——这些测量是解决海洋和大气之间热转换迷团的关键。海洋对决定空气温度起着巨大的作用——海洋上层仅几米的热容量就相当于整个大气的热量。

  随着全球变暖的证据越来越明显,全世界的科学家都在努力测定已观测到的变暖趋势有多少只不过是自然气候循环的部分,有多少是因为燃烧矿物燃料和其它人类活动造成的。目前模拟全球气候和预测气候变化的数字模式被全球许多地方尤其是海面以下地方的温度测量不足而绊住了脚。

  1978年,Scripps海洋地理研究所的沃尔特·曼可(Walter Munk)和麻省理工大学的卡尔·乌恩思科(Carl Wunsch)建议用电脑帮助的X线断层照相术——CAT扫描仪——的方法论来研究并监视约1,000千米(600海里)范围的海洋。医学CAT扫描仪通过综合从不同角度拍摄的许多不同的X线得到的信息构出三维影像。CAT扫描仪的海洋对应物——海洋声音X线断层照相术——可以综合来自低频的声音,而不是X线的信息。

  因为在海洋里水平传播的声波,其速度主要是受温度影响的。所以,两点间一条声波的传播时间是沿途平均温度的敏感指示。从深层声音通道向多个方面发射声音可以为科学家提供跨越全球大片地区的测量值。海里的几千个声音通道可以拼凑成一幅全球海洋温度的地图。通过长时间沿同一通道反复测量,科学家可以记录几个月或几年以上温度的变化。

  1983年,现在宾西法尼亚州大学的约翰·斯贝思伯格(John Spiesberger)和密执根大学的卡特·迈兹戈(Kurt Metzger)提供了第一个试验证据,表明X线断层照相式有可能穿越整个海盆——这比Munk和Wunsch的建议更进了一步。斯贝思伯格(Spiesberger)和迈兹戈(Metzger)从夏威夷Oahu海底的一处向东北太平洋的九个美国SOSUS接听部队发射了4000千米(2,300海里)的声音脉冲。通过1987年和1989年重复这一试验,斯贝思伯格  (Spiesberger)和迈兹戈(Metzger)第一次表明声音穿过一个海盆的传播时间的极小变化都可以反映出沿声音通道的水温变化。在这一试验中传播时间降低的2/10秒,约等于摄氏1/10度的平均温度增长。

  1989年,曼可(Munk)和澳大利亚联邦科学和工业组织的安得鲁·弗贝思(Andrew Forbes)建议十年内定期全球范围内发射声音,以力图监视气候变化。为了确定信号是否足够稳定,以获得跨越半个地球的测量值。他们在南印度洋上一个无人居住的澳大利亚岛,Heard岛附近安置了一个声音发射机,在除北冰洋外的所有大洋中设有接收器。1991年1月有5天,由美国领导的,来自九个国家的科学家,从Heard岛岸边的一艘船上发射声音,十六个接收点捕捉到了来自远在18,000千米(11,000海里)外的深层声音通道的信号。测量温度变化不是这次试验的目的,跟踪到的有足够精确度的信号表明全球X线断层照相术是可行的。

  Heard岛的试验发起了1992年由Scripps的沃尔特·曼可(Walter Munk)领导的,有来自13个国家的科学家参与的海洋气候的声音温度计(ATOC)项目,主要目的是在太平洋建立海洋温度基线,并以此测量变化。因为考虑到声音对海洋哺乳动物可能产生的影响,ATOC发射被搁置到1996年。但是,1994年4月,由科学应用国际联合组织的皮特·迈克哈维斯基(Peter Mikhalevsky)领导的一只由美国和俄罗斯科学家组成的小组发射了穿过北冰洋的声音,并得出了令人震惊的发现。这一跨北冰洋的声音传播(TAP)试验不仅证明远程声音温度计在冰雪覆盖的北冰洋的可行性,而且传播时间的测量还揭示出了与过去在北冰洋深处沿传播通道测量的温度相比,近摄氏0.4度(华氏0.72度)的平均变暖。潜水艇和破冰船的广泛测量进一步证明了令人信服的北冰洋温度变化,现在这已成为更细致的新研究的焦点。TAP试验发起了1995年美俄联合用水下声音观察北冰洋气候的项目(ACOUS, 来自希腊语akouz,意为“听”!)。虽然先进行的ATOC项目到1999年会结束,但是ACOUS和其它的声音监视项目仍在继续。

  研究人员也通过其它声学技术来监测天气变化,例如,华盛顿大学的海洋学家维夫·尼斯特恩(Veff Nystuen )利用声音来测量海洋的降雨量。通过监测全球降雨模式,可以使我们更好地了解厄尔尼诺现象和天气变化的模式。从1985年开始 尼斯特恩(Nystue)n就利用水下听诊器开始监测海洋的降雨量。通过声音不仅可以测出降雨率,还可以测出降雨的形式(是毛毛细雨还是暴风雨) ,如果把这种方法作为测量降水的标准,我们就会知道海洋的降水模式及大小。


从1991年进行的Heard岛的可靠性测试中,从南印度洋上的Heard岛
近海岸发出的低音被18,000多千米以外的地方探测到

  从达·芬奇启发人们听水下船的声音的那个世纪以来,许多研究者为利用声音在水中传播方式的技术发展作出了贡献。从潜水艇战和探测水下爆炸物这些军事应用到监视气候变化和研究海洋生物这些科学性的尝试,我们已经看到了现代社会从那些追寻自然研究的基本问题答案的研究中获得了多么大的益处。

这篇文章的作者:
Victoria Kaharl, David Bradley, Kenneth Brink, Christopher Clark, Christopher Fox, Peter Minkhalevsky, Walter Munk, Jeffrey Nystuen, Gary Weir

计划由美国科学院实施。
美国科学院坐落在华盛顿特区。许多著名科学家在这里从事研究工作。学院致力于向公众普及科学技术知识。一百多年来,它一直为国家服务,提供客观的学术建议。这个计划的网址:http//www2.nas.edu/bsi. 所有的一系列文章都可以在这里找到。计划的资助由Pfizer基金会和国家科学研究院提供。办公室地址:
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