鳥(niǎo)兒預(yù)測(cè)龍卷風(fēng)

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?yè)?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(duì)一種名叫金翅蟲(chóng)森鶯的鳥(niǎo)兒進(jìn)行研究。這種鳥(niǎo)不大，只有大約兩枚硬幣重。它們?cè)谥心厦乐捱^(guò)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(niǎo)。為了更好了解金翅蟲(chóng)森鶯的遷徙行為，研究團(tuán)隊(duì)前往五大湖區(qū)，給一些鳥(niǎo)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(chóng)森鶯中，研究人員只收到5只發(fā)回來(lái)的數(shù)據(jù)。于是他們跟著鳥(niǎo)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(jiàn)蹤影，整個(gè)山區(qū)一片寂靜。當(dāng)科學(xué)家通過(guò)定位器檢查金翅蟲(chóng)森鶯的位置時(shí)，才知道這些鳥(niǎo)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(guò)后，它們又重新飛了回來(lái)。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(shuō)：“我們?cè)詾榻鸪嵯x(chóng)森鶯只是躲起來(lái)了，從來(lái)沒(méi)想過(guò)它們會(huì)撤離。為了躲避風(fēng)暴，它們?cè)诙潭?天之內(nèi)飛了1500多千米?！?img src="https://cimg.fx361.com/images/2017/03/23/kxdz201505kxdz20150505-1-l.jpg" style="">

科研人員對(duì)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(chóng)森鶯打破遷徙模式的時(shí)間而展翅離開(kāi)。原來(lái)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(guó)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(niǎo)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?tīng)到了風(fēng)暴造成的次聲，能夠察覺(jué)出異狀。雖然飛行1500千米很耗體力，但這是金翅蟲(chóng)森鶯躲開(kāi)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(tīng)不到，但鳥(niǎo)類卻可以。因此，科學(xué)家將鳥(niǎo)類的這種能力與早早逃走的行為聯(lián)系了起來(lái)，是敏銳的聽(tīng)覺(jué)預(yù)警了大自然即將到來(lái)的災(zāi)難。

次聲也是一種聲音，傳播速度、傳播過(guò)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(tīng)聲或超聲沒(méi)有什么區(qū)別。然而由于次聲的頻率很低，波長(zhǎng)很長(zhǎng)，因此就具有一些不同于可聽(tīng)聲或超聲的特性。與可聽(tīng)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(tīng)覺(jué)閾值，所以不能引起人的聽(tīng)覺(jué)；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(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）雖然沒(méi)有參加這項(xiàng)在田納西對(duì)金翅蟲(chóng)森鶯的研究，但最先將次聲和鳥(niǎo)類聯(lián)系起來(lái)。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(jué)地圖”，利用次聲導(dǎo)航。“鴿子使用一個(gè)羅盤和一張‘地圖進(jìn)行導(dǎo)航。羅盤通常是太陽(yáng)的位置或者是地球的磁場(chǎng)，但是‘地圖數(shù)十年來(lái)都是一個(gè)謎?！彼忉尩?，“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(tīng)到的來(lái)自家園的次聲波信號(hào)來(lái)確定方位，哈格斯特朗姆博士舉的一個(gè)例子充分地說(shuō)明這一點(diǎn)。從澤西山上放飛的鴿子，無(wú)論何時(shí)都會(huì)迷路而且毫無(wú)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(lái)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(guò)了這座山，因此使得鴿子無(wú)法聽(tīng)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(tīng)到的次聲信號(hào)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(niǎo)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(cè)并躲開(kāi)劇烈天氣。一切都說(shuō)得通?！惫袼固乩誓凡┦恐赋?，“生物學(xué)家從未用這種方式看待過(guò)次聲的使用方法，但它對(duì)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(guó)，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(jí)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(guó)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(guó)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(lái)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(lái)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(duì)流運(yùn)動(dòng)，形成強(qiáng)大的對(duì)流云。龍卷風(fēng)就是由這種強(qiáng)對(duì)流云產(chǎn)生的。抬升力可以有多種，常見(jiàn)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(duì)流。

龍卷風(fēng)是強(qiáng)對(duì)流的產(chǎn)物，發(fā)展強(qiáng)對(duì)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(shì)下積累起來(lái)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(lái)，形成強(qiáng)烈的對(duì)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(guó)國(guó)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(guò)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(duì)它們的破壞力做簡(jiǎn)單比較。一般來(lái)說(shuō)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(lái)自更多方面。

龍卷風(fēng)從無(wú)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(lái)，看起來(lái)就像是“大海撈針”。以2014年5月20日發(fā)生在美國(guó)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(jí)（最強(qiáng)級(jí)）的龍卷風(fēng)，但它所經(jīng)路徑的寬度只有2千米，長(zhǎng)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(lái)。具體說(shuō)，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(jí)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(cè)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?，在多變而龐雜的數(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(duì)于鳥(niǎo)類來(lái)說(shuō)，聽(tīng)覺(jué)是它們檢測(cè)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(jué)，而犬類則離不開(kāi)嗅覺(jué)?！霸诖酥?，從來(lái)沒(méi)有鳥(niǎo)類能通過(guò)次聲察覺(jué)到劇烈天氣即將來(lái)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(duì)金翅蟲(chóng)森鶯佩服得五體投地，原來(lái)鳥(niǎo)類的能力遠(yuǎn)比我們想象的強(qiáng)大。”雖然目前科學(xué)家還不知道如何利用鳥(niǎo)類的行為來(lái)幫助人類預(yù)測(cè)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(lái)會(huì)有所突破。