水下考古——一场跨越时光的呢喃-

出品：科普中国

作者: 郭政（中国科学院声学研究所东海研究站）

监制：中国科普博览

“从鱼到人”的研究解释了长期以来有关人类起源的争论，而长久以来，人类也总是在探索浩瀚神秘的生命起源——海洋的过程中不断向前。然而，看似风平浪静，让人心驰神往的海面，也可能随时带来汹涌的波涛夺走人类的生命。那么，面对捉摸不定的海洋，人类又将如何在海洋中进行考古研究呢？

从古至今，水下考古所为何？

先秦时期，岭南住民就开始在南海海域及太平洋沿海进行商贸活动。经过秦汉、隋唐、两宋以及元代的发展，到明朝郑和下西洋时，“海上丝绸之路”已发展至极盛。

海上丝绸之路

图片来源：澎湃新闻 https://m.thepaper.cn/newsDetail_forward_14617327

然而，众所周知，海上的狂风巨浪有可能会对航海船只带来灭顶之灾，现代船只遇到风浪尚且需要采取避风措施，更不用说古代船只。因此，历经千年，这条航道上沉没的船只自然也不计其数。

这些沉船多是商船，商船运载的瓷器等货物通常代表了当时较高的工艺技术水平。进行水下考古的重要原因之一，就是为了让这些曾经淹没在海底的精美工艺品重见天日。此外，水下考古还可以增进对古代造船、航海等技术以及海上交通、商贸活动等方面的了解。

海底沉船

图片来源：搜狐 https://www.sohu.com/a/196614541_100027108

工欲善其事，必先利其器——声学方法助力水下考古

俗话说“工欲善其事，必先利其器”，开展水下考古当然也需要进行一系列的技术和装备准备。

除了潜水员的培训、潜水设备的研发生产之外，如何了解水下情况、精准寻找考古地点也是水下考古工作中极为重要的一环。事实上，这些在水下充当我们“耳目”的设备，如多波束声呐、浅地层剖面仪、侧扫声呐、水下机器人（Remote Operated Vehicle , ROV）等，多是应用声学方法进行水下的探测活动。

多波束声呐、浅地层剖面仪、侧扫声呐、水下机器人（ROV）

图片来源：1.青岛水德 http://www.watertools.cn/index.php/product/info/311?one_id=248&two_id=323&parent_id=289

2.青岛水德 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

这里可能就有疑问了——为什么一定要用声学方法来探测呢？使用其他方法，比如放一个摄像机到水下，直接看视频画面或者拍照是否会更加直观呢？说到这个问题，便涉及一个现象，那就是电磁波在水中的衰减是相当大的，这就同时解释了多个问题：

1. 光的本质是一定波长范围内的电磁波。由于阳光无法深入水下，在通常情况下，海底是相当暗的，大概几十米以下的能见度就非常低了。正因如此，即便是开启照明设备、拍摄有关海底的视频或图像，所能覆盖的范围也很小，因此，水下考古工作通常是在大范围探测完成后，在已通过声学方法了解水下基本情况、并定位到较为准确的考古地点的情况下，再进行近距离、小范围的摄像或拍照作业。

2. 依靠电磁波的通信手段在水下考古的性能并不优秀，因此水下通信和数据传输一般会采取有线方法，或是依靠声波进行通信和数据传输。

通常情况下，水下机器人大多装配有摄像设备，可以进行水下摄像。

从动物的回声定位到水下考古的工作原理

上文中我们提到了多波束声呐、浅地层剖面仪和侧扫声呐等设备，那么，这些设备在水下环境中具体是如何进行工作的呢？

先举个小例子。我们都知道蝙蝠、海豚等动物具有回声定位的能力，可以发射声波，声波经过空气或水到达障碍物体表面并反射，这些动物们接收并分析反射的声波后，就可以得知前方障碍物体的距离、大小和形状等信息。

而水下考古所使用的这些声呐设备的工作原理，与动物的回声定位有一定的共通之处，即也是通过向水底发射声波，并接收回波，而后对回波进行分析处理，进而得到我们需要的结果。

不过，不同设备的分析过程和结果存在区别，比如浅地层剖面仪得到是海底地层的地质信息，侧扫声呐得到的则是海底的地貌信息。