李忠東

事先感知次聲

2014年4月27日，席卷塔斯卡盧薩市的龍卷風(fēng)可能是亞拉巴馬州歷史上最具有破壞力的一次，至少有15人喪生。另據(jù)報(bào)道，密西西比州和阿肯色州各有11人遇難，佐治亞、田納西和路易斯安那等州也接到傷亡報(bào)告。

碰巧的是，加利福尼大學(xué)人口生態(tài)學(xué)家亨利·施特賴拜領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)當(dāng)時(shí)正在田納西州，對一種名叫金翅蟲森鶯的鳥兒進(jìn)行研究。這種鳥不大，只有大約兩枚硬幣重。它們在中南美洲過冬，然后遷徙到五大湖區(qū)和阿帕拉契山地區(qū)繁殖，并在那里撫育幼鳥。為了更好了解金翅蟲森鶯的遷徙行為，研究團(tuán)隊(duì)前往五大湖區(qū)，給一些鳥兒安裝質(zhì)量0.5克的定位器，這種小巧輕便的儀器每隔幾分鐘就會(huì)記錄下它們的精確位置。

在20只裝有定位器的金翅蟲森鶯中，研究人員只收到5只發(fā)回來的數(shù)據(jù)。于是他們跟著鳥兒的飛行路徑前往田納西州東部的昆布蘭山脈，抵達(dá)時(shí)發(fā)現(xiàn)他們追蹤的目標(biāo)不見蹤影，整個(gè)山區(qū)一片寂靜。當(dāng)科學(xué)家通過定位器檢查金翅蟲森鶯的位置時(shí)，才知道這些鳥兒逃離田納西，飛到了佛羅里達(dá)州，其中一只甚至跑到了古巴。然而風(fēng)暴過后，它們又重新飛了回來。明尼蘇達(dá)大學(xué)的人口生態(tài)學(xué)家岡納·克雷默是研究團(tuán)隊(duì)的成員之一，他驚訝地說：“我們原以為金翅蟲森鶯只是躲起來了，從來沒想過它們會(huì)撤離。為了躲避風(fēng)暴，它們在短短5天之內(nèi)飛了1500多千米。”

科研人員對當(dāng)時(shí)的氣象資料進(jìn)行了分析，以便弄清楚是什么神秘的原因使金翅蟲森鶯打破遷徙模式的時(shí)間而展翅離開。原來當(dāng)時(shí)正好有一個(gè)又大又猛的雷暴系統(tǒng)正穿越美國大平原區(qū)，距離田納西州40～900千米遠(yuǎn)。他們認(rèn)為這些鳥兒之所以在雷暴抵達(dá)前幾天進(jìn)行疏散遷移，是因?yàn)樗鼈兟牭搅孙L(fēng)暴造成的次聲，能夠察覺出異狀。雖然飛行1500千米很耗體力，但這是金翅蟲森鶯躲開破壞性風(fēng)暴保全性命的唯一方法。巨大的龍卷風(fēng)發(fā)出的次聲人耳聽不到，但鳥類卻可以。因此，科學(xué)家將鳥類的這種能力與早早逃走的行為聯(lián)系了起來，是敏銳的聽覺預(yù)警了大自然即將到來的災(zāi)難。

次聲也是一種聲音，傳播速度、傳播過程中的透射、反射以及吸收衰減規(guī)律等在本質(zhì)上與可聽聲或超聲沒有什么區(qū)別。然而由于次聲的頻率很低，波長很長，因此就具有一些不同于可聽聲或超聲的特性。與可聽聲相比，次聲主要有兩點(diǎn)：一是人耳感受不到，次聲的頻率很低，超出了人耳的聽覺閾值，所以不能引起人的聽覺；二是不易衰減，在相同的傳播路徑上，介質(zhì)吸收聲波能量，進(jìn)而使其衰減的多少與聲波的頻率正相關(guān)，即頻率低則衰減小，所以次聲比一般聲波的衰減要小得多。

美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）雖然沒有參加這項(xiàng)在田納西對金翅蟲森鶯的研究，但最先將次聲和鳥類聯(lián)系起來。2013年初，USGS喬納森·哈格斯特朗姆博士的研究表明，鴿子創(chuàng)建了它們周圍環(huán)境的“聲覺地圖”，利用次聲導(dǎo)航?！傍澴邮褂靡粋€(gè)羅盤和一張‘地圖進(jìn)行導(dǎo)航。羅盤通常是太陽的位置或者是地球的磁場，但是‘地圖數(shù)十年來都是一個(gè)謎。”他解釋道，“現(xiàn)在我們發(fā)現(xiàn)它們使用聲音作為‘地圖，聲音會(huì)告訴它們家園位于哪個(gè)方向?！?/p>

當(dāng)鴿子在不熟悉的地點(diǎn)放飛時(shí)，它們用聽到的來自家園的次聲波信號來確定方位，哈格斯特朗姆博士舉的一個(gè)例子充分地說明這一點(diǎn)。從澤西山上放飛的鴿子，無論何時(shí)都會(huì)迷路而且毫無目標(biāo)地亂飛，這種情況一次又一次地發(fā)生。究其原因，原來是大氣的溫度和風(fēng)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致聲音向上彎曲并且越過了這座山，因此使得鴿子無法聽到聲音而迷失了方向。但是在1969年8月13日，由于大氣中發(fā)生亂流或者溫度逆增導(dǎo)致聲音傳播發(fā)生了向下彎曲回到澤西山，因此鴿子就可以憑借聽到的次聲信號確定方位，飛回了自己的“鴿房”。就這樣，信鴿迷失方向的疑團(tuán)從次聲的破壞得到了解釋。

“這些研究結(jié)果呈現(xiàn)出鳥兒運(yùn)用低頻音的另一種方式，它們不僅用它導(dǎo)航，還能用它偵測并躲開劇烈天氣。一切都說得通?！惫袼固乩誓凡┦恐赋觯吧飳W(xué)家從未用這種方式看待過次聲的使用方法，但它對我們而言很有作用?！?/p>

提供災(zāi)難預(yù)警

全世界75%的龍卷風(fēng)發(fā)生在美國，每年多達(dá)1000～2000多個(gè)，有時(shí)一天之內(nèi)便可發(fā)生幾個(gè)甚至幾十或上百個(gè)龍卷風(fēng)。一般把一天發(fā)生6個(gè)以上龍卷風(fēng)的情況稱為龍卷風(fēng)“暴發(fā)”或“大暴發(fā)”。歷史上曾經(jīng)多次出現(xiàn)一天發(fā)生上百個(gè)龍卷風(fēng)的情況，如1974年4月3日一天產(chǎn)生了148個(gè)龍卷風(fēng)。這種情況稱為“龍卷風(fēng)超級暴發(fā)”。 2011年4月25日至28日4天內(nèi)也出現(xiàn)類似上述規(guī)模的龍卷風(fēng)暴發(fā)，經(jīng)確認(rèn)的龍卷風(fēng)多達(dá)330個(gè)。1925年3月18日，橫掃密蘇里州東南部、伊利諾伊州南部和印地安那州北部的“三州大龍卷風(fēng)”導(dǎo)致695人死亡。

美國之所以容易出現(xiàn)龍卷風(fēng)，與它的特殊地理、地形和氣流等特點(diǎn)有關(guān)。美國大陸的西部有落基山脈，東部有阿巴拉契亞山脈，由于受大山脈的阻擋，來自南方墨西哥灣的暖濕氣流就積聚在兩個(gè)大山脈之間的中部大平原地區(qū)，低層非常潮濕，而其高層則有來自西部沙漠或半沙漠地區(qū)上空的干燥氣流，這種上干下濕的大氣很不穩(wěn)定，只要有一定的抬升力就會(huì)暴發(fā)猛烈的對流運(yùn)動(dòng)，形成強(qiáng)大的對流云。龍卷風(fēng)就是由這種強(qiáng)對流云產(chǎn)生的。抬升力可以有多種，常見的抬升力之一就是冷鋒，也就是冷空氣的前鋒。由于落基山呈南北走向，北邊的冷空氣很容易侵入，所以受到冷鋒的抬升，就容易產(chǎn)生強(qiáng)對流。

龍卷風(fēng)是強(qiáng)對流的產(chǎn)物，發(fā)展強(qiáng)對流需要有強(qiáng)大的不穩(wěn)定能量，這種不穩(wěn)定能量是在一定的天氣形勢下積累起來的。當(dāng)不穩(wěn)定大氣受到抬升后，不穩(wěn)定能量就釋放出來，形成強(qiáng)烈的對流運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生一系列的劇烈天氣現(xiàn)象，具有極大破壞力。據(jù)美國國家強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室的專家們估計(jì)，它釋放的能量大約為廣島原子彈能量的600倍。不過這只是就釋放能量大小而言的，而兩者的破壞方式并不完全相同，所以不能對它們的破壞力做簡單比較。一般來說龍卷風(fēng)的破壞力主要是機(jī)械性的，而原子彈的破壞力或危害性可能來自更多方面。

龍卷風(fēng)從無到有，生成極快，往往只有十幾分鐘。要把這樣范圍很小、發(fā)展迅速、生命短暫的系統(tǒng)確切的發(fā)生地點(diǎn)和時(shí)間預(yù)報(bào)出來，看起來就像是“大海撈針”。以2014年5月20日發(fā)生在美國南部俄克拉何馬城摩爾鎮(zhèn)附近的強(qiáng)龍卷風(fēng)為例，它是EF5級（最強(qiáng)級）的龍卷風(fēng)，但它所經(jīng)路徑的寬度只有2千米，長度只有27千米，持續(xù)時(shí)間只有40分鐘。像這樣小尺度的天氣系統(tǒng)只有依靠短期預(yù)報(bào)和臨近預(yù)報(bào)方法才能將它們準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)出來。具體說，就是小的天氣系統(tǒng)總是在較大的天氣系統(tǒng)的背景下發(fā)生的，可以首先分析大系統(tǒng)的特征，然后逐級細(xì)致分析較小的和更小的系統(tǒng)特征，最后做出某個(gè)確定時(shí)間和確定地點(diǎn)的天氣預(yù)報(bào)，這種預(yù)報(bào)思路叫做“預(yù)報(bào)漏斗”。龍卷風(fēng)產(chǎn)生于更小的天氣系統(tǒng)，預(yù)測時(shí)不僅需要整合這些小天氣系統(tǒng)的精確數(shù)據(jù)，還要結(jié)合當(dāng)?shù)靥厥獾淖匀缓偷乩淼纫蛩兀诙嘧兌嬰s的數(shù)據(jù)中尋求答案，難度之大可想而知。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，對于鳥類來說，聽覺是它們檢測周圍環(huán)境極為重要的手段。就像在了解周圍環(huán)境時(shí)，人類靠的是視覺，而犬類則離不開嗅覺。“在此之前，從來沒有鳥類能通過次聲察覺到劇烈天氣即將來襲而趕緊逃避的記錄?！睂{·克雷默感嘆道，“我們真的被震撼了，對金翅蟲森鶯佩服得五體投地，原來鳥類的能力遠(yuǎn)比我們想象的強(qiáng)大?！彪m然目前科學(xué)家還不知道如何利用鳥類的行為來幫助人類預(yù)測可怕的龍卷風(fēng)，但是隨著研究的不斷深入，相信不久的將來會(huì)有所突破。