论文部分内容阅读
在现代化的战争武器中，潜艇是最不易被敌人发现的。所以，很多国家把一部分核弹头装载在潜艇上，以出其不意地打击敌人来形成核威慑。
潜艇之所以隐蔽性好，一个重要的原因是电磁波信号在水下衰减很快，因此不能用类似雷达的装置来探寻它。事实上，为了跟地面联络，或者为了校正航向，潜艇自己都要浮出水面才能接收电磁波信号。
不是有声纳么？没错，目前声纳是探测潜艇的常用手段。跟蝙蝠一样，声纳利用了超声波反射的原理。根据海洋的不同条件，声纳可以监听15千米以内的潜艇。在这范围之外，监听效果就不怎好了。但想一想，方圆15千米比起3亿平方千米的大海，又算得了什么？此外，很多国家正在研制防声纳的“隐形潜艇”，一旦成功，连声纳也将失去用处。
但潜艇真是不可追踪的吗？不，科学家正在研究一些新的侦察潜艇的技术。在这些技术面前，即使未来的隐形潜艇也难保不露行踪。
存在“化石湍流”
早在冷战时期，在声纳技术落后的情况下，苏联曾探索过另一种跟踪潜艇的办法。这项技术涉及识别潜艇的尾迹。这些尾迹是潜艇驶过之后，被搅动的海水上升到海面形成的。苏联人声称，他们能根据这种尾迹，利用舰载雷达或飞机，甚至卫星来跟踪潜艇。
西方人最初对此深表怀疑。没错，潜艇会在其身后留下被搅动的湍流，但根据当时科学界对湍流的理解，它们应该在几分钟之内就会消失，或者跟其他的水流合并，变得难以辨认。试想一下，把你的手放在浴缸里搅动几下，产生的湍流难道不是分解成越来越小的水流，最终会消失不见么？
不过，在任何情况下都是这样吗？有没有相反的情况呢？这在理论上却是一个长期悬而未决的问题，因为虽然像蜂蜜这样浓稠的流体流动时，科学家可以预测它产生的湍流，但一旦涉及较少粘性的流体（比如水）时，湍流就变得不可预测了。
到了20世纪60年代，相反情况的存在终于在实验室得到证实。一位叫卡爾·吉布森的美国海洋学家在研究风洞、水洞以及潮汐中形成的湍流时，发现了一种“化石湍流”。所谓“化石湍流”，是一种形象的说法，意指那种能存在时间很长，以至于能像化石一样记录过去发生的事件的湍流。这种湍流是几股小湍流合并，一级级放大到一定规模之后形成的。
随后，科学家在电脑模拟中，也证实了其存在。
尾迹露行踪
但在实验室之外是不是存在？为了弄清这个问题，2002年，吉布森参加了一个环境项目，该项目研究某海湾废弃管道对水流的影响。
研究人员在水下部署了一系列的传感器，来测量水在XYZ三个方向的流速。用这些数据，吉布森描绘出不同位置的湍流。他发现，传感器检测到一些湍流，它们在上升到表面时规模会变得越来越大。
然后，他分析了海洋的卫星照片，试图寻找洋面亮度的微小变化。尽管管子铺设在水下70米深处，但在卫星照片上他还是观察到了洋面亮度的异常，而且异常的位置与传感器记录的位置刚好符合。此外，他搭乘飞机在离海面12千米的高空，也观察到了这些湍流的痕迹。这一切意味着“化石湍流”在自然界是真实存在的。
当然，潜艇在水下大约300米甚至更深处活动，远比那些管道深，但潜艇体积庞大，所以吉布森认为，他的结论外推到水下300米的潜艇应该也不会有问题。据他估计，一艘潜艇所产生的“化石湍流”可持续很多天。
这项研究告诉那些正在制造潜艇的人，应该设法减少潜艇产生的尾迹，这个问题不解决，未来的隐形潜艇也一样不安全。事实上，俄国人在这方面下了很大的功夫，比如他们在潜艇上装备了涡旋衰减器和不会产生湍流的螺旋桨。
随便插一句。既然潜艇的尾迹可暴露其行踪，但为什么除俄国外，当初没有引起各国的重视呢？这恐怕是这种尾迹不去特别注意，不容易被发现的缘故吧。
德拜效应和磁场检测
我们并不确切地知道，俄国人是否真的能够通过潜艇尾迹来跟踪潜艇，但是无论如何，还有其他方法可以找到这些金属庞然大物。
一种方法是探测海水的磁场变化。我们都知道，海水的盐度很高，水中溶解了大量的钠离子和氯离子，它们都带有电荷。当有东西搅动海水时，由于离子的质量不同，钠离子和氯离子会以不同的速率运动。我们知道，运动的电荷要产生磁场。本来，正负离子若以同样的速率朝同一方向运动，所产生的磁场会彼此抵消。现在，尽管它们运动的方向相同，但氯离子由于质量较大，运动得比钠离子慢，所以磁场就不能抵消了。这种现象叫“德拜效应”，是荷兰物理化学家德拜于20世纪30年代发现的。
尽管一艘潜艇在水中留下的磁场，随着时间的推移会变得非常微弱，但也并非不可检测。英美两国的海军目前都在研究检测微弱磁场的技术。
“冷迹”与“热迹”
此外还有另一个选择，这取决于海水的另一个独特的属性：海洋中的水，由于温度、密度不同，是分层的。最上层的水温度最高，密度最小。轮船、鲸鱼和潜艇把水层搅拌之后，底下较冷的水就流向了表面，并在表面留下“冷迹”。
我们知道，任何物体都会发出红外线，温度不一样，发出的红外线波长也不一样。利用这一点，红外线可用于成像。反映在图像上，不同温度的地方，颜色也不一样。
加拿大科学家开发了一种红外线成像仪，用来追踪在水下几米深处活动的自制小型潜艇。这些自制潜艇一般被毒品贩子用于水下走私毒品。目前，这种红外线成像仪已装备了美国海岸警卫队。
当然，一旦潜艇处在水下数百米深处，这项技术就鞭长莫及了。不过，对于侦察核潜艇也许并非毫无希望。
核潜艇需要从其反应堆中发散热量，功率可达兆瓦。反应堆需要用海水冷却，因此潜艇会在其身后留下大量热水。这些热水因密度较小而缓慢升至水面。一项研究表明，一艘核潜艇驶过的洋面，其温度将比周围海水高出差不多0.005℃，而且可以持续数小时。这种“热迹”也可以通过红外线成像来探测。
当然，目前的红外线成像仪只能检测到最低至0.02℃的差异，但一款可轻松检测到0.001℃到0.005℃温差的成像仪已经在生产中了。
最后，随着智能技术的发展，人们已经研制出水下机器人。这些机器人造价低廉，可在海洋中大量投放。它们像水中的密探一样，将让潜艇防不胜防。
你瞧，这么多技术正在打破潜艇不可追踪的神话。
潜艇之所以隐蔽性好，一个重要的原因是电磁波信号在水下衰减很快，因此不能用类似雷达的装置来探寻它。事实上，为了跟地面联络，或者为了校正航向，潜艇自己都要浮出水面才能接收电磁波信号。
不是有声纳么？没错，目前声纳是探测潜艇的常用手段。跟蝙蝠一样，声纳利用了超声波反射的原理。根据海洋的不同条件，声纳可以监听15千米以内的潜艇。在这范围之外，监听效果就不怎好了。但想一想，方圆15千米比起3亿平方千米的大海，又算得了什么？此外，很多国家正在研制防声纳的“隐形潜艇”，一旦成功，连声纳也将失去用处。
但潜艇真是不可追踪的吗？不，科学家正在研究一些新的侦察潜艇的技术。在这些技术面前，即使未来的隐形潜艇也难保不露行踪。
存在“化石湍流”
早在冷战时期，在声纳技术落后的情况下，苏联曾探索过另一种跟踪潜艇的办法。这项技术涉及识别潜艇的尾迹。这些尾迹是潜艇驶过之后，被搅动的海水上升到海面形成的。苏联人声称，他们能根据这种尾迹，利用舰载雷达或飞机，甚至卫星来跟踪潜艇。
西方人最初对此深表怀疑。没错，潜艇会在其身后留下被搅动的湍流，但根据当时科学界对湍流的理解，它们应该在几分钟之内就会消失，或者跟其他的水流合并，变得难以辨认。试想一下，把你的手放在浴缸里搅动几下，产生的湍流难道不是分解成越来越小的水流，最终会消失不见么？
不过，在任何情况下都是这样吗？有没有相反的情况呢？这在理论上却是一个长期悬而未决的问题，因为虽然像蜂蜜这样浓稠的流体流动时，科学家可以预测它产生的湍流，但一旦涉及较少粘性的流体（比如水）时，湍流就变得不可预测了。
到了20世纪60年代，相反情况的存在终于在实验室得到证实。一位叫卡爾·吉布森的美国海洋学家在研究风洞、水洞以及潮汐中形成的湍流时，发现了一种“化石湍流”。所谓“化石湍流”，是一种形象的说法，意指那种能存在时间很长，以至于能像化石一样记录过去发生的事件的湍流。这种湍流是几股小湍流合并，一级级放大到一定规模之后形成的。
随后，科学家在电脑模拟中，也证实了其存在。
尾迹露行踪
但在实验室之外是不是存在？为了弄清这个问题，2002年，吉布森参加了一个环境项目，该项目研究某海湾废弃管道对水流的影响。
研究人员在水下部署了一系列的传感器，来测量水在XYZ三个方向的流速。用这些数据，吉布森描绘出不同位置的湍流。他发现，传感器检测到一些湍流，它们在上升到表面时规模会变得越来越大。
然后，他分析了海洋的卫星照片，试图寻找洋面亮度的微小变化。尽管管子铺设在水下70米深处，但在卫星照片上他还是观察到了洋面亮度的异常，而且异常的位置与传感器记录的位置刚好符合。此外，他搭乘飞机在离海面12千米的高空，也观察到了这些湍流的痕迹。这一切意味着“化石湍流”在自然界是真实存在的。
当然，潜艇在水下大约300米甚至更深处活动，远比那些管道深，但潜艇体积庞大，所以吉布森认为，他的结论外推到水下300米的潜艇应该也不会有问题。据他估计，一艘潜艇所产生的“化石湍流”可持续很多天。
这项研究告诉那些正在制造潜艇的人，应该设法减少潜艇产生的尾迹，这个问题不解决，未来的隐形潜艇也一样不安全。事实上，俄国人在这方面下了很大的功夫，比如他们在潜艇上装备了涡旋衰减器和不会产生湍流的螺旋桨。
随便插一句。既然潜艇的尾迹可暴露其行踪，但为什么除俄国外，当初没有引起各国的重视呢？这恐怕是这种尾迹不去特别注意，不容易被发现的缘故吧。
德拜效应和磁场检测
我们并不确切地知道，俄国人是否真的能够通过潜艇尾迹来跟踪潜艇，但是无论如何，还有其他方法可以找到这些金属庞然大物。
一种方法是探测海水的磁场变化。我们都知道，海水的盐度很高，水中溶解了大量的钠离子和氯离子，它们都带有电荷。当有东西搅动海水时，由于离子的质量不同，钠离子和氯离子会以不同的速率运动。我们知道，运动的电荷要产生磁场。本来，正负离子若以同样的速率朝同一方向运动，所产生的磁场会彼此抵消。现在，尽管它们运动的方向相同，但氯离子由于质量较大，运动得比钠离子慢，所以磁场就不能抵消了。这种现象叫“德拜效应”，是荷兰物理化学家德拜于20世纪30年代发现的。
尽管一艘潜艇在水中留下的磁场，随着时间的推移会变得非常微弱，但也并非不可检测。英美两国的海军目前都在研究检测微弱磁场的技术。
“冷迹”与“热迹”
此外还有另一个选择，这取决于海水的另一个独特的属性：海洋中的水，由于温度、密度不同，是分层的。最上层的水温度最高，密度最小。轮船、鲸鱼和潜艇把水层搅拌之后，底下较冷的水就流向了表面，并在表面留下“冷迹”。
我们知道，任何物体都会发出红外线，温度不一样，发出的红外线波长也不一样。利用这一点，红外线可用于成像。反映在图像上，不同温度的地方，颜色也不一样。
加拿大科学家开发了一种红外线成像仪，用来追踪在水下几米深处活动的自制小型潜艇。这些自制潜艇一般被毒品贩子用于水下走私毒品。目前，这种红外线成像仪已装备了美国海岸警卫队。
当然，一旦潜艇处在水下数百米深处，这项技术就鞭长莫及了。不过，对于侦察核潜艇也许并非毫无希望。
核潜艇需要从其反应堆中发散热量，功率可达兆瓦。反应堆需要用海水冷却，因此潜艇会在其身后留下大量热水。这些热水因密度较小而缓慢升至水面。一项研究表明，一艘核潜艇驶过的洋面，其温度将比周围海水高出差不多0.005℃，而且可以持续数小时。这种“热迹”也可以通过红外线成像来探测。
当然，目前的红外线成像仪只能检测到最低至0.02℃的差异，但一款可轻松检测到0.001℃到0.005℃温差的成像仪已经在生产中了。
最后，随着智能技术的发展，人们已经研制出水下机器人。这些机器人造价低廉，可在海洋中大量投放。它们像水中的密探一样，将让潜艇防不胜防。
你瞧，这么多技术正在打破潜艇不可追踪的神话。