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打破潜艇不可追踪的神话

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。一位叫卡尔·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。

本文源自大科技〈科学之谜〉 2017年第12期杂志文章 欢迎您关注大科技公众号:hdkj1997

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