如果發生核戰爭，躲在海洋暗處的它們將為戰爭畫上句號_風聞

　　撰文 七君

　　大家可能不知道，如果發生核戰爭，有一類武器將為核戰爭畫上句號。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射核彈頭的彈道導彈潛艇：美國、英國、法國、俄國、印度和中國。

　　喬治·華盛頓級戰略核潛艇 圖片來源：wikipedia

　　彈道導彈核潛艇通常在大洋中秘密巡航，並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爭和衝突的核威懾。

　　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，該文件上註明了英國因為核打擊而國家滅亡時該潛艇要執行的任務。

　　這個任務是以下幾個選項之一：使用核武器報復；不採取報復行動；根據形勢自行判斷；將潛艇交給盟軍國家指揮。英國《衞報》在2016年7月的報導顯示，這些選項可能還包括：“若美國還存在，則接受其命令”。

　　這封信叫做“最後手段之信” （letter of last resort），由新上任的英國首相親自撰寫，寫完後交給四名彈道導彈潛艇艦長保管。每任首相任期結束時，最後手段之信會被銷燬。

　　英國三叉戟核潛艇 圖片來源：wikipedia

　　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目標就是行動隱蔽，避免被敵人發現。

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

　　英國前衞號核潛艇（左）和法國凱旋級核潛艇（右）。圖片來源：BBC

　　而為了做到隱蔽，各國除了加緊研發妨礙偵查的高科技材料和技術，還要善於利用海洋中的天然隱身區——聲影區（shadow zone）。

　　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，即聲納技術。

　　聲納技術示意 圖片來源：wikimedia

　　實際上在水下，聲音並不像我們想象的那樣，像陽光一樣往四面八方發射。在海水中，聲音的傳播被限制在了一些特定區域中，而一些區域是聲音無法到達的，它們就是聲影區。利用這些區域，潛艇就可以玩失蹤。

　　要理解這些可以玩隱身的聲影區是怎麼產生的，就要了解一下聲音在水下的傳播。

　　中學教過，聲音在水中的傳播速度比在空氣中快。但實際情況比這要複雜。温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，聲速隨着深度略微增加。到了一定深度，聲波的傳播速度隨着深度增加而減少。而在更深的水域，聲速就開始隨着深度增加而增加。

　　聲速隨深度變化的聲速剖面圖（橫座標是聲速，縱座標是深度）。圖片來源：fas.org

　　這有什麼意義呢？

　　就拿光來説。光從空氣照入水中時會發生折射，同時進入水中後光的速度降低。

　　圖片來源：psu

　　其實折射的原理也可以換一種説法：光會向着光速更小的介質彎折。不僅是光，聲波也有這樣的情況：聲波會向聲速更小的介質彎曲。

　　由於靠近海面的地方，聲速隨着深度增加而略有上升，因此在這裏聲波傾向於向水面彎折，畫成圖是這樣的——

　　折音層 圖片來源：fas.org

　　這個區域就叫折音層（surface duct）。在海水錶面附近發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。

　　然而在更深的水域，聲速隨着深度增加而減少，因此聲波傾向於向下彎折。

　　當聲速隨着深度減少時，聲波向下彎折。圖片來源：fas.org

　　而到了聲速的拐點之後，聲波的傳播速度就會逐漸增加。這裏就出現了一個有趣的現象。

　　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聲波道和聲道軸（虛線）。 圖片來源：fas.org

　　説到聲波道，在大約1千米的海洋深處，有一個特殊的聲波道，叫做深海聲道，或 SOFAR 聲道。在這個深度，聲速達到最小，因而附近的聲音會被困在 SOFAR 聲道中，傳播到數千甚至數萬千米遠的地方。

　　海洋中的遠距離聲音傳播通道 SOFAR 聲道。圖片來源：NOAA

　　那麼在 SOFAR 聲道中會聽到什麼聲音呢？

　　這個聲道里充滿了鯨的歌聲。早在20世紀70年代就有研究者發現，SOFAR 聲道中常常出現鬚鯨，如長鬚鯨（Balaenoptera physalus）的聲音。一些研究者認為，鬚鯨早就洞悉了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。

　　而現在，因為 SOFAR 的特性，科研人員常常把水聽器放置在這個區域用於監聽數萬千米外的聲音。

　　長鬚鯨（Balaenoptera physalus）圖片來源：wikimedia

　　説到這裏，一些同學看出問題來了：既然聲速最小的區域會吸引聲音，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，這個區域就叫做聲影區。聲影區是排斥聲音的地方，因此敵人的聲納也探測不到這兒，潛艇都喜歡躲在這個天然安靜的地方，避免被聲納發現。難怪聲影區的深度也在軍事研究中被叫做最佳深度（best depth，BD)。

　　聲影區（shadow zone） 圖片來源：fas.org

　　當然，如果要搜尋其他潛艇的聲音就不能躲在聲影區了，而需要在靠近聲波道中心，也就是聲道軸附近檢測信號。一些儀器專門用於在聲道軸採集訊號，比如聲納浮標（sonobouys）。

　　聲影區聽起來很不可思議，但其實我們平時在生活中也能遇到。

　　圖片來源：pixabay

　　不知道大家有沒有在夏日去開闊的野外露營的經歷。如果你留心的話就會發現，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鬆傳到你這裏。這是怎麼回事？

　　實際上，這就是聲影區的作用。

　　剛才説過，水中會出現聲影區，而這是因為聲音傾向於向聲速更小的區域彎折。這一點其實也適用於氣體。

　　空氣中聲速和氣温成正比（聲速 =331 + 0.6×温度）。在夏日的白天，地面温度最高，那裏的聲速也最大。離地面越遠，聲速越小。所以在白天，聲音的傳播是這樣的——

　　圖片來源：psu

　　你可以看到，聲波向聲速更小的區域，也就是向上彎折了，而靠近地面的一些地方就產生了聲影區。聲影區裏的人顯然聽不到聲源發出的聲音。

　　而到了晚上，情況就完全倒轉了，高處的温度更高，聲速更大。因此，聲波的傳導是這樣的——

　　圖片來源：psu

　　在夜晚，聲影區在高處，而原本地面附近的聲影區消失了。這就是為什麼，到了晚上就能聽見白天聽不見的聲音了。想想還是有點瘮人的。

　　實際上，空氣中的聲影區可能還對戰爭結果造成了影響。

　　南北戰爭的七松之役的場景。圖片來源：civilwarwiki

　　比如在1862年5月-6月的七松之役 (Battle of Seven Pines)中，聯盟軍將領約瑟夫·約翰斯頓 (Joseph E. Johnston)寫道：“由於大氣的特殊情況，步槍射擊的聲音沒有傳到我方。因此我把前進訊號推遲到了4點。”

　　換言之，約翰斯頓因為注意到了敵軍躲在了聲影區而做出了不同的戰略抉擇。最終這張戰役中聯盟軍的傷亡人數為六千多人，比對方多了一千有餘。

　　而在第二次英荷戰爭中，英國的許多地方聽到了英國海軍和荷蘭海軍作戰的聲音，而海面上的聲影區的一些船隻卻因為沒有聽到戰爭的聲音而沒有介入戰爭。

　　這樣看來，夏天的悶，其實是悶熱和耳悶兩種體感啊。

　　據説當時是這樣撞上的：“你瞅啥？”“沒瞅着。”“duang”