互动科普

利用声音和光的反射探测鱼群和台风

1912年发生了一件震惊世界的海难，豪华客轮泰坦尼克号在进行它的处女航时触冰山沉没。灾难的原因，是船员在突然发现前方有漂浮的冰山时已经为时过晚，来不及避让，与之发生了碰撞。

冰山是漂浮在海洋中的巨大冰块，除了露出水面的部分，还有隐藏在水下的部分。为了航行的安全，必须提前探测出这些冰山的位置和它们在水下部分的形状，及时采取避让措施。但是，光进入水中会迅速减弱，无法用于水下观测。以那次海难为契机，不久就开发出了一种利用“声音反射”的水下“观测”技术。

现在得到广泛应用的“鱼群探测仪”就是利用超声波的反射来搜索水下的鱼群。那么，如何根据反射声来确定鱼群的位置呢？

这里的关键是“反射声次数”。渔船向下方海水发出超声波，在没有鱼群时，只能听到从海底反射回来的声音。在有鱼群时，则在听到一次反射声之后还能够听到又一次反射声。那第一次听到的是从鱼群反射回来的声音，第二次听到的是从鱼群下方的海底反射回来的声音。如果听到了两次反射声，便可以判断在海底和海面之间存在着某种“东西”。

与在海水中不同，在陆地上，光能够比声音传播更远的距离。因此，探测远处台风的位置利用的是属于光的无线电波。

图1. 利用反射波探测看不见的物体

图解表现了应用声音的反射来探测冰山的水下部分和鱼群的技术，以及应用光（无线电波）的反射来探测远方台风的技术。在水中容易传播声音，在空气中容易传播光，根据不同情况选用这两种技术之一。

为什么在夜里更容易听到远处火车的声音?

读者大概都会有这样的经验：在夜里更容易听到从远处传来的火车鸣笛声、除夕的钟声或者建筑工地的机器声。许多人都会说，这是因为夜里比白天安静，所以容易听到远处的声音。这只是原因之一。

你是否知道主要原因是声音在夜里行进的弯曲情况与在白天不同呢？原来，白天地面受到太阳光照射，被加热变暖，结果使得靠近地面的空气也随之变暖。声音具有在热空气中传播速度更快的性质。于是，从地面发出的声音的行进方向就会向上弯曲。所以，在白天，从地面发出的声音难以传播至远处。

在夜里，地面冷却，靠近地面的空气也随之冷却。相对而言，这时上空的空气的温度较高，而地面附近的空气的温度较低。于是，同白天相反，在夜里声音在上空传播的速度更快，行进方向改而向地面弯曲。所以，在夜里声音可以传播至很远，我们能够听到在白天听不到的那些远处的声音。

你是否有过这样的经历：在炎热的夏天，你看见前方路面上有一摊亮晃晃的积水。待你走到跟前，什么也没有。抬头望远处，你又看见前方路面上有一滩积水。这就是光的折射所产生的一种现象。

出现这种幻影的道理如下：盛夏的太阳光照射在道路上，加热路面，使靠近路面的空气温度升高。这时，光在靠近路面的空气中的传播速度较快。在下图显示的这个例子中，汽车将太阳光反射到前方的路面，由于光在贴近路面的空气中的传播速度比上方空气中的速度快，结果，光发生折射，向上弯曲行进，最后到达远处路人的眼中。这个人从来自路面方向的光看到前方的汽车，便习惯地认为那里有像镜子一样映照出远处汽车的一摊积水。

地球内部传播着人耳听不见的声音

地球的内部是什么样子？虽然无法直接看见，却可以通过声音来了解。在右页图解绘出的地球内部的示意图上可以看到“地幔”、“外核”和“内核”等结构，这是通过调查和分析作为声音的地震波在地球内部的传播方式而了解到的。

地震波是在地震发生后传播至世界各地的各种各样的振动，具有声音的特性。

最先传播至世界各地的地震波是“P波”（Primary Wave：一次波）。P波是同空气中声音一样的“疏密波”。

紧随P波之后传来的是“S波”（Secondary Wave：二次波）。S波的行进方式不同于疏密波的P波，是像蛇一样左右摆动着前进的“横波”。

S波也是声音的一种。不过，S波只能在“固体”中传播。这个性质能够为查明地球内部的结构提供许多重要线索。

在日本鹿儿岛发生的那次地震，位于地球背面对应地点的巴西检测到了传播至那里的P波，却没有检测到S波。这意味着在地球的中心存在着一个传播P波而不传播S波的结构，由此知道地球中心有一个叫做“外核”的液体部分。

在世界各地监测不同地点发生的地震传播至那里的地震波的时间和强度，对这样得到的大量数据进行认真分析，便能够查明地球内部的结构。

光是像S波那样的横波。光的振动可以是在与行进方向垂直的任何方向，并不限于在“上下”和“左右”。太阳光中包含有在各种各样横方向振动的光。如果从具有各种各样横方向振动的光中选择出只在某一个特定横方向振动的光，就得到“偏振光”。

我们无法区别偏振光的振动方向，但是有些昆虫，比如苍蝇，可以区别偏振光的振动方向。

图2. 利用“声音折射”探测地球内部的结构

图解绘出了在日本鹿儿岛发生地震时地震波在地球内部传播的“路径”。地震波也是声音的一种，根据在地球各地监测到的传播至那里的地震波的特征查明了地球的内部结构。

地震波中的P波是疏密波，可以在任何物质中传播，因而能够被设置在地球背面的监测点监测到。不过也有P波不能直接达到的区域，这就是从地球中心向外看，离开“震中”（发生地震的地点）的角度从103°〜143°的这个区域，这里是P波的“阴影区”。P波能够传播到地球的背面，为什么却有一个阴影区呢？

P波在地幔中传播会发生折射而返回到地表（A区），这是因为在地幔中传播时，位置越深速度越快。只在地幔中传播的P波，返回地表的最远地点就是103°的位置。

偏向地球中心行进的P波会进入外核（B点）。由于地幔中的声速大于外核中的声速，P波在两者的交界面发生折射，能够最终到达地球的背面。地表上143°的位置，是穿过外核的P波返回地表距离震中最近的地点。

如上所述，由于存在着外核，P波无法到达103°〜143°这个区域，于是这里就成为地震波的阴影区。阴影区的存在不但证明地球内部有一个外核，还能够由此推算出外核的大小。

（本文发表于《科学世界》2011年第7期）