水下考古——一場跨越時(shí)光的呢喃

出品：科普中國

作者: 郭政（中國科學(xué)院聲學(xué)研究所東海研究站）

監(jiān)制：中國科普博覽

“從魚到人”的研究解釋了長期以來有關(guān)人類起源的爭論，而長久以來，人類也總是在探索浩瀚神秘的生命起源——海洋的過程中不斷向前。然而，看似風(fēng)平浪靜，讓人心馳神往的海面，也可能隨時(shí)帶來洶涌的波濤奪走人類的生命。那么，面對捉摸不定的海洋，人類又將如何在海洋中進(jìn)行考古研究呢？

從古至今，水下考古所為何？

先秦時(shí)期，嶺南住民就開始在南海海域及太平洋沿海進(jìn)行商貿(mào)活動(dòng)。經(jīng)過秦漢、隋唐、兩宋以及元代的發(fā)展，到明朝鄭和下西洋時(shí)，“海上絲綢之路”已發(fā)展至極盛。

海上絲綢之路

圖片來源：澎湃新聞 https://m.thepaper.cn/newsDetail_forward_14617327

然而，眾所周知，海上的狂風(fēng)巨浪有可能會(huì)對航海船只帶來滅頂之災(zāi)，現(xiàn)代船只遇到風(fēng)浪尚且需要采取避風(fēng)措施，更不用說古代船只。因此，歷經(jīng)千年，這條航道上沉沒的船只自然也不計(jì)其數(shù)。

這些沉船多是商船，商船運(yùn)載的瓷器等貨物通常代表了當(dāng)時(shí)較高的工藝技術(shù)水平。進(jìn)行水下考古的重要原因之一，就是為了讓這些曾經(jīng)淹沒在海底的精美工藝品重見天日。此外，水下考古還可以增進(jìn)對古代造船、航海等技術(shù)以及海上交通、商貿(mào)活動(dòng)等方面的了解。

海底沉船

圖片來源：搜狐 https://www.sohu.com/a/196614541_100027108

工欲善其事，必先利其器——聲學(xué)方法助力水下考古

俗話說“工欲善其事，必先利其器”，開展水下考古當(dāng)然也需要進(jìn)行一系列的技術(shù)和裝備準(zhǔn)備。

除了潛水員的培訓(xùn)、潛水設(shè)備的研發(fā)生產(chǎn)之外，如何了解水下情況、精準(zhǔn)尋找考古地點(diǎn)也是水下考古工作中極為重要的一環(huán)。事實(shí)上，這些在水下充當(dāng)我們“耳目”的設(shè)備，如多波束聲吶、淺地層剖面儀、側(cè)掃聲吶、水下機(jī)器人（Remote Operated Vehicle , ROV）等，多是應(yīng)用聲學(xué)方法進(jìn)行水下的探測活動(dòng)。

多波束聲吶、淺地層剖面儀、側(cè)掃聲吶、水下機(jī)器人（ROV）

圖片來源：1.青島水德 http://www.watertools.cn/index.php/product/info/311?one_id=248&two_id=323&parent_id=289

2.青島水德 http://www.watertools.cn/index.php/product/info/303?one_id=248&two_id=294&parent_id=289

3.搜狐 https://www.sohu.com/a/349110652_743632

4.搜狐 http://it.sohu.com/a/442729792_100275934

這里可能就有疑問了——為什么一定要用聲學(xué)方法來探測呢？使用其他方法，比如放一個(gè)攝像機(jī)到水下，直接看視頻畫面或者拍照是否會(huì)更加直觀呢？說到這個(gè)問題，便涉及一個(gè)現(xiàn)象，那就是電磁波在水中的衰減是相當(dāng)大的，這就同時(shí)解釋了多個(gè)問題：

1. 光的本質(zhì)是一定波長范圍內(nèi)的電磁波。由于陽光無法深入水下，在通常情況下，海底是相當(dāng)暗的，大概幾十米以下的能見度就非常低了。正因如此，即便是開啟照明設(shè)備、拍攝有關(guān)海底的視頻或圖像，所能覆蓋的范圍也很小，因此，水下考古工作通常是在大范圍探測完成后，在已通過聲學(xué)方法了解水下基本情況、并定位到較為準(zhǔn)確的考古地點(diǎn)的情況下，再進(jìn)行近距離、小范圍的攝像或拍照作業(yè)。

2. 依靠電磁波的通信手段在水下考古的性能并不優(yōu)秀，因此水下通信和數(shù)據(jù)傳輸一般會(huì)采取有線方法，或是依靠聲波進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸。

通常情況下，水下機(jī)器人大多裝配有攝像設(shè)備，可以進(jìn)行水下攝像。

從動(dòng)物的回聲定位到水下考古的工作原理

上文中我們提到了多波束聲吶、淺地層剖面儀和側(cè)掃聲吶等設(shè)備，那么，這些設(shè)備在水下環(huán)境中具體是如何進(jìn)行工作的呢？

先舉個(gè)小例子。我們都知道蝙蝠、海豚等動(dòng)物具有回聲定位的能力，可以發(fā)射聲波，聲波經(jīng)過空氣或水到達(dá)障礙物體表面并反射，這些動(dòng)物們接收并分析反射的聲波后，就可以得知前方障礙物體的距離、大小和形狀等信息。

而水下考古所使用的這些聲吶設(shè)備的工作原理，與動(dòng)物的回聲定位有一定的共通之處，即也是通過向水底發(fā)射聲波，并接收回波，而后對回波進(jìn)行分析處理，進(jìn)而得到我們需要的結(jié)果。

不過，不同設(shè)備的分析過程和結(jié)果存在區(qū)別，比如淺地層剖面儀得到是海底地層的地質(zhì)信息，側(cè)掃聲吶得到的則是海底的地貌信息。

多波束聲吶、側(cè)掃聲吶、淺地層剖面儀處理結(jié)果圖

圖片來源：1.藍(lán)創(chuàng)海洋 http://lcsonar.com/cesaocase/100.html

2.中國勘測聯(lián)合網(wǎng) https://www.chinaunsv.com/mall/858.html

3.北京泰富坤 http://www.time-f.com/product-31395-52569-158001.html

蓬勃發(fā)展的水下考古事業(yè)

借助這些聲學(xué)設(shè)備，近年來，我國的水下考古事業(yè)蓬勃發(fā)展。

在國外，中國科學(xué)院聲學(xué)研究所東海研究站與斯里蘭卡開展合作，在斯方海域開展了多期海上考察和沉船探測，發(fā)現(xiàn)沉船一艘；在國內(nèi)，2022年6月，“長江口二號”古船整體遷移預(yù)處理階段工作完成，精確定位了古船邊界和埋深，提取出水了船舵（舵桿和舵柄）、鐵錨、纜繩、建筑材料、紫砂壺等散落文物。

相信在未來，依賴科研人員的不懈努力，借助先進(jìn)的各類設(shè)備，我國的水下考古事業(yè)將不斷開辟新的領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)新的跨越。

編輯：應(yīng)奕可