如果发生核战争,躲在海洋暗处的它们将为战争画上句号
2020-12-31 07:25

如果发生核战争,躲在海洋暗处的它们将为战争画上句号

本文来自微信公众号:把科学带回家(ID:steamforkids),作者:七君,题图来自:视觉中国


大家可能不知道,如果发生核战争,有一类武器将为核战争画上句号。这类武器就是弹道导弹核潜艇。


许多国家拥有潜水艇,但目前只有6个国家被公认拥有能发射核弹头的弹道导弹潜艇:美国、英国、法国、俄国、印度和中国。


乔治·华盛顿级战略核潜艇 图片来源:wikipedia


弹道导弹核潜艇通常在大洋中秘密巡航,并能在自身遭受核打击和国家被摧毁的情况下对敌方实施报复,因此被视为可以避免战争和冲突的核威慑。


比如,英国的4艘核弹道导弹潜艇都携带一份秘密指示文件,该文件上注明了英国因为核打击而国家灭亡时该潜艇要执行的任务。


这个任务是以下几个选项之一:使用核武器报复;不采取报复行动;根据形势自行判断;将潜艇交给盟军国家指挥。英国《卫报》在2016年7月的报导显示,这些选项可能还包括:“若美国还存在,则接受其命令”。


这封信叫做“最后手段之信” (letter of last resort),由新上任的英国首相亲自撰写,写完后交给四名弹道导弹潜艇舰长保管。每任首相任期结束时,最后手段之信会被销毁。


英国三叉戟核潜艇 图片来源:wikipedia


因此,大家应该能够理解,为了能完成这样的“末日”任务,弹道导弹核潜艇的首要目标就是行动隐蔽,避免被敌人发现。


目前弹道导弹核潜艇持有国的行动隐蔽到了连盟友都发现不了的程度。2009年2月3号,因为互相都隐藏得很好,英国海军的前卫号战列舰在大西洋东部巡航时和法国凯旋级核潜艇发生碰撞,场面非常感人。


英国前卫号战列舰(左)和法国凯旋级核潜艇(右)。图片来源:BBC


而为了做到隐蔽,各国除了加紧研发妨碍侦查的高科技材料和技术,还要善于利用海洋中的天然隐身区——声影区(shadow zone)



光等电磁波在水中的传播情况不佳,因此在水下辨明方位和勘探主要靠的是声波,即声纳技术。


声纳技术示意 图片来源:wikimedia


实际上在水下,声音并不像我们想象的那样,像阳光一样往四面八方发射。在海水中,声音的传播被限制在了一些特定区域中,而一些区域是声音无法到达的,它们就是声影区。利用这些区域,潜艇就可以玩失踪。


要理解这些可以玩隐身的声影区是怎么产生的,就要了解一下声音在水下的传播。


中学教过,声音在水中的传播速度比在空气中快。但实际情况比这要复杂。温度和压强是声音在水下传播速度的主要影响因素。综合来看,靠近水面的地方,声速随着深度略微增加。到了一定深度,声波的传播速度随着深度增加而减少。而在更深的水域,声速就开始随着深度增加而增加。


声速随深度变化的声速剖面图(横坐标是声速,纵坐标是深度)。图片来源:fas.org


这有什么意义呢?


就拿光来说。光从空气照入水中时会发生折射,同时进入水中后光的速度降低。


图片来源:psu


其实折射的原理也可以换一种说法:光会向着光速更小的介质弯折。不仅是光,声波也有这样的情况:声波会向声速更小的介质弯曲。


由于靠近海面的地方,声速随着深度增加而略有上升,因此在这里声波倾向于向水面弯折,画成图是这样的——


折音层 图片来源:fas.org


这个区域就叫折音层(surface duct)。在海水表面附近发出的声音容易被困在折音层中。但同时,不向下折射损失能量也让折音层的声音可以传播得更远。


然而在更深的水域,声速随着深度增加而减少,因此声波倾向于向下弯折。


当声速随着深度减少时,声波向下弯折。图片来源:fas.org


而到了声速的拐点之后,声波的传播速度就会逐渐增加。这里就出现了一个有趣的现象。


因为拐点处的声速最小,所以上下的声音都会向拐点这边弯折。换言之,这个区域的声波会被困在一个通道里,这个通道就叫声波道(sound channel),而声速最小处的平面也叫做声道轴(sound channel axis)


在声速达到最小时会出现声波道和声道轴(虚线)。 图片来源:fas.org


说到声波道,在大约1千米的海洋深处,有一个特殊的声波道,叫做深海声道,或 SOFAR 声道。在这个深度,声速达到最小,因而附近的声音会被困在 SOFAR 声道中,传播到数千甚至数万千米远的地方。


海洋中的远距离声音传播通道 SOFAR 声道。图片来源:NOAA


那么在 SOFAR 声道中会听到什么声音呢?


这个声道里充满了鲸的歌声。早在20世纪70年代就有研究者发现,SOFAR 声道中常常出现须鲸,如长须鲸(Balaenoptera physalus)的声音。一些研究者认为,须鲸早就洞悉了SOFAR 声道的秘密,因此会利用这个水下通道和大洋彼岸的同伴通讯。


而现在,因为 SOFAR 的特性,科研人员常常把水听器放置在这个区域用于监听数万千米外的声音。


长须鲸(Balaenoptera physalus)图片来源:wikimedia


说到这里,一些同学看出问题来了:既然声速最小的区域会吸引声音,那是不是声速最大的地方会排斥声音呢?


确实是这样的,声速最大的水域相对安静,这个区域就叫做声影区。声影区是排斥声音的地方,因此敌人的声纳也探测不到这儿,潜艇都喜欢躲在这个天然安静的地方,避免被声纳发现。难怪声影区的深度也在军事研究中被叫做最佳深度(best depth,BD)


声影区(shadow zone) 图片来源:fas.org


当然,如果要搜寻其他潜艇的声音就不能躲在声影区了,而需要在靠近声波道中心,也就是声道轴附近检测信号。一些仪器专门用于在声道轴采集讯号,比如声纳浮标(sonobouys)


声影区听起来很不可思议,但其实我们平时在生活中也能遇到。


不知道大家有没有在夏日去开阔的野外露营的经历。如果你留心的话就会发现,白天你虽然可以看到几百米远的人,但却听不到他们的声音。然而到了晚上,那边的人的声音却会轻松传到你这里。这是怎么回事? 


实际上,这就是声影区的作用。 刚才说过,水中会出现声影区,而这是因为声音倾向于向声速更小的区域弯折。这一点其实也适用于气体。 空气中声速和气温成正比(声速 =331 + 0.6×温度)。在夏日的白天,地面温度最高,那里的声速也最大。离地面越远,声速越小。所以在白天,声音的传播是这样的——


图片来源:psu


你可以看到,声波向声速更小的区域,也就是向上弯折了,而靠近地面的一些地方就产生了声影区。声影区里的人显然听不到声源发出的声音。 而到了晚上,情况就完全倒转了,高处的温度更高,声速更大。因此,声波的传导是这样的——


图片来源:psu


在夜晚,声影区在高处,而原本地面附近的声影区消失了。这就是为什么,到了晚上就能听见白天听不见的声音了。想想还是有点瘆人的。


实际上,空气中的声影区可能还对战争结果造成了影响。


比如在1862年5月-6月的七松之役(Battle of Seven Pines)中,联盟军将领约瑟夫·约翰斯顿(Joseph E. Johnston)写道:“由于大气的特殊情况,步枪射击的声音没有传到我方。因此我把前进讯号推迟到了4点。”


换言之,约翰斯顿因为注意到了敌军躲在了声影区而做出了不同的战略抉择。最终这张战役中联盟军的伤亡人数为六千多人,比对方多了一千有余。


而在第二次英荷战争中,英国的许多地方听到了英国海军和荷兰海军作战的声音,而海面上的声影区的一些船只却因为没有听到战争的声音而没有介入战争。


这样看来,夏天的闷,其实是闷热和耳闷两种体感啊。


据说当时是这样撞上的:“你瞅啥?”“没瞅着。”“duang。”


本文来自微信公众号:把科学带回家(ID:steamforkids),作者:七君

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