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趣说空泡（3）：为什么鲸鱼等海洋生物会搁浅？
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张宇宁
英国华威大学工程系
长期以来，人们发现经常有大量的鲸鱼，海豚等海洋生物会搁浅。其中很多的海洋生物搁浅事件与军事演习在时间和空间上有着关联，最近的一次发生在去年。2010年11月6日，33头巨头鲸被发现暴尸英国多尼戈尔郡海滩（见图一）。虽然英国国防部极力否认在这一地区使用了声纳，但有专家指出，皇家海军使用的声纳设备可能是造成巨头鲸搁浅并最终惨死的凶手。这么多鲸鱼搁浅事件与军事演习的关联很难只是用巧合来解释。鲸鱼等搁浅的原因至今仍是一个谜，学术界存在争论，尚无普遍接受的观点。本文主要介绍一些与军事演习有关的鲸鱼等海洋生物的搁浅事件的讨论。近些年来，很多学者倾向于认为声纳是导致鲸鱼搁浅的主要原因，并找到了一些相关证据。声纳对于海洋生物的影响的讨论与笔者正在从事的空泡动力学相关，本文将最近的一些成果进行汇总展示给读者。需要指出的是，这个方向的讨论仍在进行中，本文提供的成果并非学术界的定论，仅供参考。
(b)
图一 英国多尼戈尔郡海滩的搁浅鲸鱼
为了更好的侦测潜艇等，美国海军自20世纪60年以来就开始使用中频主动声纳（原理见图二）。中频声纳频率为1-10kHz；低频声纳频率小于1kHz。主动声呐的主要原理是首先声纳发射探测信号，然后通过接收探测信号遇到物体反射回来的信息对目标进行判断。为了增加探测的距离，一般声纳的功率比较大。声纳对于海洋动物的影响是多方面的，比如可能会引起海洋生物的恐慌和干扰其回声定位系统等等。这里主要讲述的是与空泡动力学相关的机理。
图二 主动声纳的原理图
2002年9月，大西洋国际性海军演习在西班牙加那利（Canary）岛进行，有14头不同种类的鲸鱼搁浅。2003年英国和西班牙的科学家通过对其中八条鲸鱼的验尸过程中发现，这些鲸鱼体内存在严重的血管阻塞和微血管出血等。研究人员还在鲸鱼体内发现不正常的气泡（见图三），他们认为这可能是鲸鱼等搁浅的原因。类似的报道在以前也有一些。对此，有两种解释：
（a）
（b）
图三 海洋生物体内发现的空泡。（a）解剖图；（b）显微镜图。图中标尺为750微米。图中空泡大小为50-750微米。Copyright@Nature Publishing Group.
第一种解释认为鲸鱼受到声纳的噪音等的惊吓，快速浮上水面造成类似于潜水病(decompression sickness，缩写DCS)的症状。但近年来的一些后续研究并不支持此观点。在一次测试中，科学家给一头突吻鲸贴上了“标签”，并跟踪其在声纳使用过程中的行为。实验表明：“这头鲸鱼缓慢下潜，然后停止其进食活动，远离声源，并最终浮上水面”。这与之前科学家所推测的鲸鱼会快速浮出水面并不相符。
另一种解释认为搁浅可能跟空泡在含有高饱和度气体的环境和高功率的声场作用下的增长有关。这里首先介绍一点空泡动力学的基础知识。人们很早就发现在声场的作用下，由于在空泡与周围流体之间存在气体质量的传递，空泡会缓慢的增长或减小（见图四）。经过几代人不懈的努力，这方面的理论在上个世纪80年代逐渐完善，并被实验所很好的验证，已被学术界广泛的认可和接受。对于固定的频率和特定的空泡，声场的强度存在一个阈值。当声场强度大于此阈值时，空泡增长；当声场的强度小于此阈值时，空泡减小。通常，声纳的功率远高于此阈值。当周围的流体中的气体处于过饱和状态时，空泡的增长将显著加快。理论推测，在深海动物中，氮气在组织中的过饱和度将达到300%。这样高的过饱和度，在声纳的激发下极可能激发空泡的生长，从而导致上述悲剧。尽管获取上述理论的直接证据是非常困难的，但科学家通过设计一套体外的实验对此问题进行了研究。结果显示，在动物组织中气体保持一定的高饱和度的条件下，声波的存在对于空泡的增长有决定性的影响，能大大促进其生长（见图五）。
图四 空泡在声场做作用下的增长。Copyright@American Chemical Society
（a）无声场作用
（b）有声场作用
图五 体外实验结果。实验材料为含有高饱和度气体的动物肾脏组织。（a）无声波作用；（b）有声波作用。Copyright@American Acoustical Society.
我们对上述问题的认识还远没有达到盖棺定论的程度，保护海洋生物，任重而道远。
2011年3月15日于考文垂
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