水下考古——一場跨越時光的呢喃
“從魚到人”的研究解釋了長期以來有關人類起源的爭論，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，看似風平浪靜，讓人心馳神往的海面，也可能隨時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行考古研究呢？
從古至今，水下考古所為何？
先秦時期，嶺南住民就開始在南海海域及太平洋沿海進行商貿活動。經過秦漢、隋唐、兩宋以及元代的發(fā)展，到明朝鄭和下西洋時，“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，海上的狂風巨浪有可能會對航海船只帶來滅頂之災，現(xiàn)代船只遇到風浪尚且需要采取避風措施，更不用說古代船只。因此，歷經千年，這條航道上沉沒的船只自然也不計其數(shù)。
這些沉船多是商船，商船運載的瓷器等貨物通常代表了當時較高的工藝技術水平。進行水下考古的重要原因之一，就是為了讓這些曾經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對古代造船、航海等技術以及海上交通、商貿活動等方面的了解。
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”，開展水下考古當然也需要進行一系列的技術和裝備準備。
除了潛水員的培訓、潛水設備的研發(fā)生產之外，如何了解水下情況、精準尋找考古地點也是水下考古工作中極為重要的一環(huán)。事實上，這些在水下充當我們“耳目”的設備，如多波束聲吶、淺地層剖面儀、側掃聲吶、水下機器人（Remote Operated Vehicle , ROV）等，多是應用聲學方法進行水下的探測活動。
多波束聲吶、淺地層剖面儀、側掃聲吶、水下機器人（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方法來探測呢？使用其他方法，比如放一個攝像機到水下，直接看視頻畫面或者拍照是否會更加直觀呢？說到這個問題，便涉及一個現(xiàn)象，那就是電磁波在水中的衰減是相當大的，這就同時解釋了多個問題：
1. 光的本質是一定波長范圍內的電磁波。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，即便是開啟照明設備、拍攝有關海底的視頻或圖像，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，在已通過聲學方法了解水下基本情況、并定位到較為準確的考古地點的情況下，再進行近距離、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)傳輸一般會采取有線方法，或是依靠聲波進行通信和數(shù)據(jù)傳輸。
通常情況下，水下機器人大多裝配有攝像設備，可以進行水下攝像。
從動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、淺地層剖面儀和側掃聲吶等設備，那么，這些設備在水下環(huán)境中具體是如何進行工作的呢？
先舉個小例子。我們都知道蝙蝠、海豚等動物具有回聲定位的能力，可以發(fā)射聲波，聲波經過空氣或水到達障礙物體表面并反射，這些動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備的工作原理，與動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，而后對回波進行分析處理，進而得到我們需要的結果。
不過，不同設備的分析過程和結果存在區(qū)別，比如淺地層剖面儀得到是海底地層的地質信息，側掃聲吶得到的則是海底的地貌信息。
多波束聲吶、側掃聲吶、淺地層剖面儀處理結果圖 圖片來源：1.藍創(chuàng)海洋 http://lcsonar.com/cesaocase/100.html 2.中國勘測聯(lián)合網 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)
借助這些聲學設備，近年來，我國的水下考古事業(yè)蓬勃發(fā)展。
在國外，中國科學院聲學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，2022年6月，“長江口二號”古船整體遷移預處理階段工作完成，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，借助先進的各類設備，我國的水下考古事業(yè)將不斷開辟新的領域，實現(xiàn)新的跨越。
出品：科普中國
作者: 郭政（中國科學院聲學研究所東海研究站）
來源：人民日報客戶端
