微中子和鲸鱼
原本想在地中海底探测微中子,结果变成探测抹香鲸的发声研究。这个跨领域合作研究的美妙意外结果,彰显出全面性知识探究的潜在优势。
对义大利西西里岛东部卡塔尼亚港的码头工人与水手而言,眼前景象相当可疑。在二○○五年与二○○六年间,每个月一次,都会有两名陌生人走到码头尾端的小木屋,打开门锁,再拿出一个小盒子,之后再上锁,直到下个月才会再出现。
当地民众对这两人的行为充满疑问,但这两名陌生人总是保证不必担心,声称自己是科学家,盒子里装着电脑硬碟,储存用水底麦克风录下的长期声音资料,而麦克风安置于距海岸二十八公里远的地中海海底。瑞可班尼(Giorgio Riccobene)是义大利国家核子物理研究所的粒子物理学家,他希望证明水底麦克风能用来侦测来自遥远太空的微中子;帕凡(Giovanni Pavan)则是帕维亚大学海洋生物学家,在此协助瑞可班尼处理录音内容里的背景噪音。
但因为这些录音资料的内容,让两人决定隔年重回旧地,不过这次角色互换,由物理学家协助生物学家,探寻的目标也不再是微中子,而是抹香鲸。
这场意外经历源于近十年前,瑞可班尼参与义大利百位科学家组成的“地中海微中子观测站”,希望研究海中微中子。微中子自太空持续来到地球,带来远方超新星生成等珍贵资料。这种基本粒子既不带电,质量趋近于零,也鲜少与其他物质发生反应,故研究微中子需要大型侦测器,而且规模愈大愈好。因此观测站在西西里岛南部外海水深三千五百公尺处,在两立方公里的海域装设数千个光学侦测器,希望在微中子偶尔与水分子反应时,光学侦测器就能捕捉其所产生的微弱光波。
瑞可班尼当时则努力改善侦测成效,他表示,“理论上,高能微中子也会产生可侦测到的声波,因为在水中,声波传导能力优于光线,声波侦测器捕捉微中子反应的机率也较高”。没有人知道这个理论是否行得通,但既然观测站的计划里,也需要水下麦克风为光学侦测器定位,观测站在二○○二年,便希望瑞可班尼进行名为“海洋噪音侦测实验”的可行性研究,地点就位于卡塔尼亚港以东水下二千公尺的测试位置。
噪音控制
为瞭解相关知识,瑞可班尼前往法国巴黎参加微中子声波侦测的工作坊,也立刻注意到人们讨论时忽略一项重点,他指出,“在场没有人提及背景噪音,每个人似乎理所当然地假设深海内噪音很少,但当时也没有公诸于世的资料可供参考”。瑞可班尼返回卡塔尼亚港后,碰巧得知当地的一个环保团体邀请帕文前来演讲,帕文于一九八○年代早期率先使用海洋哺乳类数位录音技术,亦是那一个领域的世界顶尖专家,最适合来解答瑞可班尼的疑问:究竟在深海二千公尺的环境里,背景噪音有多大?
由于资料有限,帕文无法轻易回答,他表示,“几年前,深海录音系统仍无法轻易取得”,他只能确定在深海中,绝不像微中子物理学家假设的那般寂静。
瑞可班尼起先相当惊讶,帕文所预测的噪音音量远高于微中子物理学家预测,不过这不代表微中子侦测便不可行,但“地中海微中子观测站”成员必须先详细瞭解背景噪音后,才有机会找出其中的微中子讯号。
瑞可班尼于是邀请帕文加入“海洋噪音侦测实验”,长期侦测西西里岛海床声音状态,帕文虽无资金可支持计划,仍允诺参与,毕竟这项实验能让他进入前所未见的深海,也能研究人类几乎毫无法知的声波环境,帕文尤其希望测量深海的噪音污染情况,认为这种污染造成过往许多深海鲸类搁浅。
至二○○五年元月,瑞可班尼的团队在测试点安装了四架高感度水底麦克风,并用光纤电缆将资料传回码头边的硬碟,很快他们便开始获得资料,至同年四月时,帕文便开始听取第一份资料。
一如预期,帕文能听见低回而一致的背景噪音,多数来自水流与船舶运行,再加上不时出现可辨别的声响,包括大型船只的涡轮、声纳音波,甚至还有爆炸声,但他特别注意到一种短促而规律重覆的声响,这是抹香鲸的呼吸系统挤压空气时的特殊声音。帕文表示,“抹香鲸可能以这种方式估计海深与猎物距离,就像蝙蝠使用回音一样”。
偶尔听到这种声音并不令人意外,这是动物所能制造的极大声响,在水中最远可传达二十公里,意外之处在于这种声响每个月都会出现,帕文指出, “抹香鲸在此区域并不常见,已知资料显示当地鲜少见到抹香鲸群”,但这些研究通常只依据靠近海面的目击或声音记录,“海洋噪音侦测实验”则资料来自深海,这才是抹香鲸多数时候生活的环境,显示这种动物在当地的数量高于过去预期。
瑞可班尼与帕文持续录音,直到二○○六年十一月,水底麦克风由光学侦测系统原型取而代之,但仍沿用同一条光纤电缆,两位科学家则已累积超过六百小时的录音资料,虽然两人并未侦测到任何微中子,但仍感到满意。瑞可班尼表示,“我当时只希望证明深海录音可行,也可提供高品质资料,我并未预期在此阶段便侦测到微中子”;帕文则明白,这项方式所获取的资料,也不只是背景噪音清单而已。
不过听见抹香鲸是一回事,计算数量与统整可靠数据又是另一回事。原则上,可从声波判别抹香鲸的大小与性别,且若海面声波记录亦出现在深海记录之中,则可能推估抹香鲸的位置与行动方向。帕文指出,“但要达成这项目标,若不研发数学计算软体,就得一项一项用手算”,帕文的团队因为没有研发经费,故只能选择后者的计算法。
不过帕文认为,数据资料已慢慢浮现,抹香鲸在半数录音的期间都曾出现,超过现有估算鲸群规模。帕文的团队也从录音之中,找出季节性规律与社会行为迹象,并在今年九月的研讨会中发表。帕文表示,“鲸群在春秋两季较常出现,其他动物也在相同时节迁徙,或许都属于相似物种”。有时录音里会出现异常且短暂的声响,一般认为具有特殊社会功能,也只有在雄鲸靠近雌鲸群时才会出现,帕文指出,这种声响像是方言,不同鲸群的音调也有别,“地中海地区最常见者为三加一的模式,三短声后再加一声”,但录音显示,二加一的组合频率也高于预期,有可能显示其他地区的鲸群恰好经过地中海。
深海扰动
瑞可班尼目前除了微中子物理学,亦很热衷于生物声学,并让“欧洲海洋观测网络”加入,发展地中海地区的深海探测站网络,虽然该组织的重点在于地球物理学与气候学,但已允诺资助名为“聆听深海”的计划,该计划为期三年,自明年三月起,再度于卡塔尼亚港外装设四部水底麦克风,聆听鲸群发出的声音。
这次录音一次要连续一年,并使用运算法取舍资料;麦克风将定位在方形四角,研究人员详细比对四部麦克风的录音资料后,就能判断鲸鱼的尺寸、速度及方向,也能更准确预估鲸群规模与季节习性。未来这项计划也打算在其他地点架设类似装置,包括直布罗陀海峡附近的卡迪兹湾,帕文指出,“我们想要瞭解的一项重点,在于地中海的抹香鲸究竟是封闭族群,抑或是在各地海洋中悠游”。
瑞可班尼的团队也在持续,进行最后阶段的大型微中子观测活动,若一切都能按照计划,将在二○二○年之前开始,这项大型计划也将包括声波系统,纵然不是用来侦测,也要发挥定位功能,瑞可班尼现在已明白,深海中还有许多背景噪音,也认为还需要更多资料,才能确定能否使用声波侦测微中子,不过当然前提得先获得更多经费。未来所得资料将提供给生物学家、地震学家及其他研究人员使用,帕文肯定会感兴趣,想要研究的物种也不只有抹香鲸,还包括长须鲸及喙鲸,这些鲸鱼的低频声响最适合在深海中记录。
瑞可班尼表示,“人类对深海海床所知甚微,还有许多值得研究的素材,我有预感只要我们能将水深三千五百公尺的资料送上宽频网路,许多人一定会趋之若鹜”。
来源:知识通讯评论
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