善用聲影區(qū)，核潛艇這樣在海洋中遁形

七君

核潛艇要善于隱身

英國三叉戟核潛艇

大家可能不知道，如果發(fā)生核戰(zhàn)爭，有一類武器將為核戰(zhàn)爭畫上句號。這類武器就是彈道導彈核潛艇。許多國家擁有潛水艇，但目前只有6個國家被公認擁有能發(fā)射核彈頭的彈道導彈潛艇：美國、英國、法國、俄羅斯、印度和中國。彈道導彈核潛艇通常在大洋中秘密巡航，并能在自身遭受核打擊和國家被摧毀的情況下對敵方實施報復，因此被視為可以避免戰(zhàn)爭和沖突的核威懾。

比如，英國的4艘核彈道導彈潛艇都攜帶一份秘密指示文件，該文件上注明了英國因為核打擊而國家滅亡時該潛艇要執(zhí)行的任務。這個任務是以下幾個選項之一：使用核武器報復;不采取報復行動;根據(jù)形勢自行判斷;將潛艇交給盟軍國家指揮。這份密碼指示文件叫做“最后手段之信”（letter of last resort），由新上任的英國首相親自撰寫，寫完后交給四名彈道導彈潛艇艦長保管。每任首相任期結束時，“最后手段之信”會被銷毀。

因此，大家應該能夠理解，為了能完成這樣的“末日”任務，彈道導彈核潛艇的首要任務就是行動隱蔽，避免被敵人發(fā)現(xiàn)。

目前彈道導彈核潛艇持有國的行動隱蔽到了連盟友都發(fā)現(xiàn)不了的程度。2009年2月3日，因為互相都隱藏得很好，英國海軍的前衛(wèi)號戰(zhàn)略導彈核潛艇在大西洋東部巡航時和法國凱旋級核潛艇發(fā)生碰撞，場面非常感人。

而為了做到隱蔽，各國除了加緊研發(fā)妨礙偵察的高科技材料和技術外，還要善于利用海洋中的天然隱身區(qū)——聲影區(qū)（Shadow zone）。

海洋中的聲影區(qū)是什么

聲吶技術原理示意圖

光等電磁波在水中的傳播情況不佳，因此在水下辨明方位和勘探主要靠的是聲波，即聲吶技術。實際上在水下，聲音并不像我們想象的那樣，像陽光一樣往四面八方發(fā)射。在海水中，聲音的傳播被限制在了一些特定區(qū)域中，而一些區(qū)域是聲音無法到達的，它們就是聲影區(qū)。利用這些區(qū)域，潛艇就可以玩失蹤。

要理解這些可以玩隱身的聲影區(qū)是怎么產(chǎn)生的，就要了解一下聲音在水下的傳播。相信讀中學時老師教過，聲音在水中的傳播速度比在空氣中快。但實際情況比這要復雜，溫度和壓強是聲音在水下傳播速度的主要影響因素。綜合來看，靠近水面的地方，聲速隨著深度略微增加;到了一定的深度后，聲波的傳播速度隨著深度增加反會而降低;而在更深的水域，聲速又會隨著深度的增加而增加。

這有什么意義呢？就拿光來說，光從空氣照入水中時會發(fā)生折射，同時進入水中后光的速度降低。其實折射的原理也可以換一種說法：光會向著光速更小的介質(zhì)彎折。

不僅是光，聲波也有這樣的情況：聲波會向聲速更小的介質(zhì)彎曲。在靠近海面的地方，聲速隨著深度增加而略有上升，因此在這里聲波傾向于向水面彎折，這個區(qū)域就叫折音層（Surface duct）。在海水表面附近發(fā)出的聲音容易被困在折音層中。但同時，不向下折射損失能量也讓折音層的聲音可以傳播得更遠。然而在更深一些的水域，聲速隨著深度增加而降低，因此聲波傾向于向下彎折。

而到了聲速的拐點之后，聲波的傳播速度就會逐漸增加。這里就出現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象。因為拐點處的聲速最小，所以上下的聲音都會向拐點這邊彎折。換言之，這個區(qū)域的聲波會被困在一個通道里，這個通道就叫聲波道（Sound channel），而聲速最小處的平面也叫做聲道軸（Sound channel axis）。

在聲速達到最小時會出現(xiàn)聲波道和聲道軸（虛線）

說到聲波道，在大約1000米的海洋深處，有一個特殊的聲波道，叫做深海聲道，或稱為SOFAR聲道。在這個深度，聲速最小，因而附近的聲音會被困在SOFAR聲道中，傳播到數(shù)公里甚至數(shù)萬公里遠的地方。

那么在 SOFAR 聲道中會聽到什么聲音呢？這個聲道里充滿了鯨魚的歌聲。早在20世紀70年代就有研究者發(fā)現(xiàn)，SOFAR 聲道中常常出現(xiàn)須鯨如長須鯨的聲音。一些研究者認為，須鯨早就洞悉了SOFAR 聲道的秘密，因此會利用這個水下通道和大洋彼岸的同伴通訊。而現(xiàn)在，因為 SOFAR 的特性，科研人員常常把水聽器放置在這個區(qū)域用于監(jiān)聽數(shù)萬千米外的聲音。

海洋中的遠距離聲音傳播通道 SOFAR 聲道

說到這里，一些同學看出問題來了：既然聲速最小的區(qū)域會吸引聲音，那是不是聲速最大的地方會排斥聲音呢？確實是這樣的，聲速最大的水域相對安靜，這個區(qū)域就叫做聲影區(qū)。聲影區(qū)是排斥聲音的地方，因此敵人的聲吶也探測不到這兒，潛艇都喜歡躲在這個天然安靜的地方，避免被聲吶發(fā)現(xiàn)。難怪聲影區(qū)的深度也在軍事研究中被叫做最佳深度。

當然，如果要搜尋其他潛艇的聲音就不能躲在聲影區(qū)了，而需要在靠近聲波道中心，也就是聲道軸附近檢測信號。一些儀器專門用于在聲道軸采集信號，比如聲吶浮標。

生活中的聲影區(qū)

聲影區(qū)聽起來很不可思議，但其實我們平時在生活中也能遇到。不知道大家有沒有在夏日去開闊的野外露營的經(jīng)歷。如果你留心的話就會發(fā)現(xiàn)，白天你雖然可以看到幾百米遠的人，但卻聽不到他們的聲音。然而到了晚上，那邊的人的聲音卻會輕松傳到你這里。這是怎么回事呢？

夏日白天的聲影區(qū)示意圖

實際上，這就是聲影區(qū)的作用。剛才說過，水中會出現(xiàn)聲影區(qū)，而這是因為聲音傾向于向聲速更小的區(qū)域彎折，這一點其實也適用于氣體，空氣中聲速和氣溫成正比（聲速=331 + 0.6×溫度）。在夏日的白天，地面溫度最高，那里的聲速也最大。離地面越遠，聲速越小，所以在白天，聲音的傳播是這樣的——

你可以看到，聲波向聲速更小的區(qū)域也就是向上彎折了，而靠近地面的一些地方就產(chǎn)生了聲影區(qū)，聲影區(qū)里的人顯然聽不到聲源發(fā)出的聲音。而到了晚上，情況就完全倒轉(zhuǎn)了，高處的溫度更高，聲速更大。因此，聲波的傳導是這樣的——

夏日夜晚的聲影區(qū)示意圖

在夜晚，聲影區(qū)在高處，而原本地面附近的聲影區(qū)消失了。這就是為什么到了晚上就能聽見白天聽不見的聲音了。

（本文經(jīng)授權轉(zhuǎn)載自“把科學帶回家”公眾號，有刪節(jié)）