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海洋教育Podcast系列》海下所副教授邱永盛談「海裡的亮光-聲納」

遠離波光粼粼的海面,生物如何在伸手不見五指的海底生活?教育部國立教育廣播電台邀請國立中山大學海下科技研究所副教授邱永盛分享「海裡的亮光-聲納」,說明海洋聲學的廣泛應用。

邱永盛首先說明,由於海水會吸收電磁波跟光波,而且陽光只能照射得到海水表層,因此海洋大部分的區域是暗的,唯一的溝通媒介便是聲波。許多生物在海中都是聽覺動物,依靠聲音做為溝通媒介,不同區域有不同聲音特性,生物會透過聽覺來認識環境。「環境在不同時間會有不一樣的聲音」,閉上眼想像,早上八點鐘坐在五福路與中華路的交叉口區塊,會在尖峰時刻聽到車陣轟隆的嘈雜聲;時間到了晚上九點,汽、機車來往的聲音逐漸降低;到了凌晨一、兩點,偶有零星重機引擎聲劃破寂靜的夜晚。當生物只能夠靠聽覺辨識環境發生什麼事時,就要靠鳴唱跟聽,來感知周遭環境藉以覓食,如同張開眼睛認識環境一樣。

除了海洋生物需要依靠聽覺生存,人類若要進行海底探勘,也只能透過聲音來探索海洋環境。邱永盛表示,在教育上,自己會強調人類進入水下世界其實要跟生物一樣謙卑,因為同樣要用聲波才能夠溝通、探索海洋。如果要知道水深、水下地形、材質、捕撈魚群都要依靠聲納,而無法透過雷達電磁波來傳遞資訊。

聲音雖然可以作為探索海洋環境的媒介,然而聲音在水中會扭曲,因此會干擾到觀測結果。聲音之所以會扭曲是因為很多聲音重疊而造成扭曲,第二個原因是聲音在不同介質中傳遞時會轉彎,在水溫高的淺層海水聲速較快,然而海水在躍溫層(thermolcline)急遽下降,此時聲音會往海水較冷的下方轉。聲音轉彎的原理就像是10人11腳的遊戲,當右邊的人走得快,左邊的人走得慢,整排人就會漸漸往左轉,會往慢的一方傾斜。因此聲音在水下會往海水冷的地方,也就是往下轉,下方有可能是海床,而海床是很好的吸音材料,此時聲納就會被吸收而無法看到遠處的海底環境。

他提到,聲納的發展源於第一次世界大戰,為了防止潛水艇潛入己方海域,會先使用被動聲納在海域裡巡弋,辨別潛水艇的聲音,再使用主動聲納檢視周遭環境;相對的敵方潛艇要降低音量安靜行進才不會被發現,或是藉由蒐集水文資料,躲入聲納無法偵測的角落。

除了軍事國防,聲學的應用相當廣泛,如觀測離岸風機打樁所造成的噪音對生物所造成的影響,過往只能透過鯨豚觀察員在日間觀察,如今可以藉由聲納長期聆聽食物鏈上、下各種物種的發聲行為來補足。此外聲學也在養殖漁業中有所應用,例如養殖漁業投放飼料是定時餵食或乾脆憑感覺,無形中可能浪費許多飼料,未食用的飼料沉降在水底也會汙染水質,此時便可以藉由監測,魚吃飼料的聲音降低時便可停止投放飼料。除了可以使用被動式聲納監測水下的聲音,也可以用主動式聲納發出不同頻率的聲音來判別魚的大小,大隻的魚可以共振掉較低頻的聲音,小隻的魚可以共振掉較高頻的聲音,在後端聽音就可以辨別魚的大小。

邱永盛提到,過去被認為發展較窄的聲學領域如今已在離岸風電、綠能、國防、養殖漁業等產業應用廣泛,他認為,每項科學都有其存在的必要性,他鼓勵學生擇己所愛,相信只要堅持不懈,在時機來臨時,努力終能開花結果。

為促進海洋相關知識及議題的普及,國立中山大學與國立教育廣播電台合作推出海洋教育系列訪談節目,希望藉此讓大眾更認識海洋。教育部國立教育廣播電台高雄分台「Tea Time時光」https://www.ner.gov.tw/program/5a83f4eac5fd8a01e2df0157/

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