歷史 物理

奠定海洋學基礎的壯舉(下) :挑戰者號的七萬里長征

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撰文者:高崇文
發文日期:2020-12-21
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  • 上一回阿文介紹了英國軍艦挑戰者的科學考察行程。自從1872年十二月從英國出發後他們橫渡大西洋,然後到了南非,在極地圈邊緣航行到澳大利亞,在遶了一大圈以後在1874年8月底向西返回澳大利亞的約克角。阿文在此繼續介紹挑戰者號後續的行程還有遠征結束在對科學界產生的影響。

     
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    圖片來源:123rf


    1874年9月,探險隊離開澳大利亞約克角前往香港。他們首先穿越阿拉弗拉海(它是太平洋在澳大利亞和新幾內亞之間的大陸棚上的分支),然後向北再向西,經過阿魯群島以及卡伊群島。(阿魯群島以華萊士線而聞名。阿弗雷德·羅素·華萊士(Alfred Russel Wallace,1823-1913)是獨立提出演化論的生物學家。 華萊士線是他1857年到達阿魯群島時,觀察當地生物的生態,認定阿魯群島在過往冰河時期時,曾經是動物前往新畿內亞的陸橋。他劃定了今日生物學上的區分東洋區和澳大拉西亞區的分界線的華萊士線 (Wallace's Line)。)接下來挑戰者號穿過了班達海,班達海東西長1,000公里,南北長500公里;四周多火山島、珊瑚礁。挑戰者號於1874年10月到達安汶島,然後繼續到達特納特島。所有這些島嶼現在都成為印尼的領土。當時是荷蘭的殖民地。



    接著挑戰者號向西北走向當時還是西班牙殖民地的菲律賓,從西里伯斯(現在稱蘇拉威西Sulawesi)以東穿過西里伯斯海。 探險隊在經過民答那峨島的三寶顏(Zamboanga)後,通過在Panay島上的Iloilo,隨後在群島內部海域航行,穿過呂宋島的馬尼拉灣。1874年11月從馬尼拉向香港西北方向穿越。這是整個航程挑戰者號最接近臺灣的時候,當時是同治十三年,幾個月前剛發生日本海軍攻佔屏東牡丹社的戰爭,挑戰者號並沒有靠近巴士海峽。最後挑戰者號在1874年12月到達香港,當時香港已經是英國殖民地了。在這裡納雷斯船長和Aldrich中尉被叫去參加英國北極探險隊而離開挑戰者號。新上任的船長是弗蘭克·圖爾·湯姆森(Frank Tourle Thomson, 1829-1884)。 他們在香港度過旅程中第三個聖誕節。大約此時年僅十八歲的大清同治皇帝病重,沒多久就駕崩了。四歲的堂弟光緒帝繼位。


    在香港停留了幾週後,探險隊在1875年1月初出發,向東南方向往新幾內亞而去。旅途的第一站是馬尼拉。從那裡,他們繼續前往菲律賓的三寶顏,但是走了一條不同於先前的路線,這次經過了宿霧島。1875年2月上旬,這艘船從三寶顏,經過了民答那峨島的南部。然後向東進入大海,然後轉向東南並在新幾內亞北部海岸的洪堡灣(現為Yos Sudarso灣)登陸。 到1875年3月,探險隊來到新幾內亞東北部的阿得米拉提群島(Admiralty Islands)。接著挑戰者號踏上往北穿越大洋的漫長旅程,途經加洛林群島和馬里亞納群島以西。1875年3月23日,機組人員在位於關島和帛琉之間的西南太平洋的第225號採樣站,記錄了 8,184 m深的深度,正如後來使用現代設備進行的探險所顯示的,該區域代表了馬里亞納海溝的南端,是地球上最深的地方。這是該探險隊在拓寬有關海洋深度和範圍的海洋學知識方面的一項重要發現,也是整個遠征最有名的一項發現了。


    後來在1951年英國皇家海軍在挑戰者原始探測場址附近發現了10,994 m的深度。此處就以該船的名字“挑戰者深淵”來命名。1960年1月23日午後1點06分,美國海軍中尉唐納德·沃爾什(Don Walsh)與深海探險先驅奧古斯特·安托萬·皮卡德的兒子雅克·皮卡德(Jacques Piccard)駕駛深潛艇第里雅斯特號(Trieste),用鐵球來壓艙,以汽油為浮槽,第一次抵達海溝底部。艇上系統顯示深度為37,800呎(11,521公尺),但後修正為35,813呎(10,916公尺)。華許與皮卡於海溝底部,驚訝地發現近1呎長(30公分)的鰈魚或比目魚及蝦。依皮卡所述:「海溝底部看起來光亮清澈,是片堅硬的矽藻泥荒地。」。在2019年4月,美國人Victor Lance Vescovo駕駛DSV Limiting Factor抵達深度10,928公尺(35,853呎)處, 比前記錄多了16公尺(52呎)。他在挑戰者深淵海床上除了看到三種新的海洋生物外,居然還看到了塑膠垃圾!
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    圖片來源:123rf




    挑戰者號於1875年4月到達日本橫濱港。這時日本已經是明治八年,但是各地還有不滿的武士蜂起。五個月後還發生了江華島事件,造成日韓兩國的緊張,幸好挑戰者號在日本停留了一陣子後,6月中旬就離開日本,向東穿越太平洋,到達夏威夷北方,然後向南轉向,並於7月底在夏威夷瓦胡島的檀香山登陸。當時夏威夷王國還是個獨立王國。幾週後,在8月中旬,這艘船向東南方向出發,停泊在夏威夷大島附近的希洛灣,然後繼續向南行駛,並於9月中旬到達大溪地島。隨行的德國學者Willemoes-Suhm在9月13日不幸因感染丹毒而病死,在前往大溪地島的航行中探險隊為他舉行海葬,享年只有二十八歲,可以說是為了科學而犧牲了。



    大溪地在1788年,一位酋長建立大溪地王國。卻在1842年淪為法國的保護國。1880年被法國兼併,成為法屬玻里尼西亞的一部分。著名的印象派畫家高更曾在1890年代在此定居。探險隊於10月初離開大溪地島,向南方群島的西南方向移動,然後向東南方向行駛,然後向東駛向南美海岸。 1875年11月中旬,通過了胡安·費爾南德斯群島,該島是《魯賓遜漂流記》的故事原型的發生地。幾天之後,挑戰者號抵達智利的瓦爾帕萊索(Valparaíso)港口。坎貝爾勳爵和巴爾福勳爵兩人因為升上海軍上尉,所以在此地離開了挑戰者號。此時距離出發已經快滿三年了。


    旅程的下一個階段是將船從西南方向駛回太平洋,經過胡安·費爾南德斯群島,然後轉向東南並返回南美,到達奧特韋港。1875年12月31日,到達佩納斯灣。他們在智利度過第四次聖誕節,旅程也逐漸接近尾聲了。1876年1月的大部分時間,探險隊在在巴塔哥尼亞群島,麥哲倫海峽和火地島的許多海灣和島嶼上進行勘測和摸索。他們分別到了威靈頓島附近的黑爾灣,格雷港,格拉普勒港,湯姆灣。 漢諾威島附近的布宜諾斯艾利斯門; 地峽灣,靠近阿德萊德女王群島; 和聖克魯斯島附近的丘魯卡港等地。在回到大西洋之前的最後的一站是智利的哈姆布雷港(飢荒港),桑迪角和伊麗莎白島。飢荒港這個古怪的名字是來自一段淒慘的故事:


    1584年3月,薩米恩托(Sarmiento)與大約300名定居者建立了西班牙雷伊·唐·費利佩(Rey Don Felipe)的墾殖區。 但是因為環境惡劣,當地植被稀疏,定居者不是餓死就是凍死。 當英國航海家托馬斯·卡文迪什(Thomas Cavendish)於1587年在此登陸時,只發現了一片廢墟。 他將它命名為“飢荒港”。 在19世紀,它被發展為英國皇家海軍使用的海軍基地。 此名稱隨後被翻譯成西班牙語,稱為Puerto Hambre或Puerto del Hambre,這些名稱至今仍在使用。


    挑戰者號於1976年1月底到達位在大西洋的屬於英國的福克蘭群島,在斯坦利港停靠後然後繼續向北,於1876年2月中旬到達烏拉圭的蒙得維的亞。該船於2月底離開蒙得維的亞,首先向東,然後向北,1876年3月底到達升天島。升天島位於南大西洋。葡萄牙航海家約翰·達·諾瓦·卡斯蒂略(João da Nova)於1501年首度發現該島。1503年葡萄牙航海家阿方索·阿爾布開克(Alphonse d'Albuquerque)再度發現此島,由於當天是天主教的耶穌升天節,遂以該節日為其命名。


    挑戰者號從1976年4月上旬到4月中旬這段時間,從升天島航行到維德角群島。1876年4月下旬至5月上旬是一路向西再向北延伸到大西洋中部,最終向東轉向歐洲,並於5月底觸及西班牙維哥的陸地。航程的最後階段是從維哥,繞過比斯開灣而回到英國。挑戰者號在1876年5月24日終於回到久違的漢普郡的斯皮特黑德。


    挑戰者號的整個旅程耗時1,250日,其中在海上度過了713天。在它68,890-海里(127,580-公里)的旅途中,進行了492次深海探通、133次海底挖掘、151次開闊水面拖網以及263次連續的水溫測定,並發現了約4717種海洋新物種。回到英國後,湯姆森做了報告,並在愛丁堡成立專門的工作室整理探險數據。1877年發表《「挑戰者」之旅》報告後被授予爵位。可惜的是湯姆森的健康急轉直下1882年在家鄉去世。報告編寫的責任就由助手John Murray 接手。John Murray1884年在愛丁堡的Granton建立了海洋實驗室,這是英國第一個這個性質的實驗室。


    1894年,該實驗室搬到了克萊德峽灣的坎布雷島米爾波特市,並成為了米爾波特大學海洋生物站,這是當今蘇格蘭海洋科學協會在奧本,阿蓋爾和比泰附近的鄧斯塔夫納奇的前身。
    在挑戰者航行之前,海洋學的研究大都是隨機性的,挑戰者遠征隊為整個學術和研究學科奠定了基礎。挑戰者遠征隊帶回來的豐富資料需要長時間的後續研究。撰寫報告的工作一直持續到1895年,即征程結束十九年。該報告和標本目前在大自然歷史博物館保存,並且該報告已在線提供。考察的結果最後被收入《1873~1876年間英國艦隊挑戰者號進行探索性航海科學結論的報告》,這份報告有五十卷,於1896年出版。該報告長度超過29,500頁。管理這次出版發行的John Murray把這次報告描述為「自十五、十六世紀的著名發現後,對我們星球的了解上最偉大的進步」。挑戰者帶回的標本已分發給世界上最重要的專家進行檢查,這大大地增加了報告定稿所需的費用和時間。一些標本今天仍由科學家檢查。包括古生物學家加布里埃爾·沃頓·李(Gabriel Warton Lee)在內的大批科學家致力於對從這次考察中帶回的材料進行分類。 自然歷史博物館的爬蟲學家喬治·阿爾伯特·布倫格(George Albert Boulenger)甚至以“挑戰者”(Challenger)的名字命名了一種蜥蜴(Saproscincus Challengeri)。現在,挑戰者號科學考察的成果被英國各地多個海洋協會所保存,包括南安普敦的英國國家海洋學中心、泰恩—威爾郡卡倫考茲(Cullercoats)的多弗海洋實驗室。 


    挑戰者號的遠征之所以有如此豐碩的成果,事前周詳的計畫是主要的因素。出航前皇家學會楬櫫了此行的科學目標有四,分別是

    1.研究大洋盆深海的物理條件,包括大冰阻區附近的深度,溫度,環流,比重和光的穿透情況。
    2.確定從表面到底部不同深度的海水的化學組成,溶液中的有機物和懸浮液中的顆粒。
    3.確定深海沉積物的物理和化學特性以及這些沉積物的來源。
    4.研究不同深度和深海海底有機生物的分佈。



    為了達成這四個目標,在這360個工作點中,工作人員分別測量了海底深度,不同深度的溫度,觀測到的天氣和海洋表面狀況,並收集了海底,水和生物區系樣本。在航行之前,湯姆森還對全艦人員發表演講,闡述此行在科學上的意義。這可是史上第一次在這類航行前,由任務負責人對全艦講解任務呢。除了提到深海無有生物的爭議外,他還提到鋪設跨洋電纜的需求,以及從海底挖泥的用處。全文都被記錄下來,這種爭取船員認同的態度,應該也是此行成功的原因之一。


    另一個與之前的探險活動不同的是挑戰者號採用非常系統化的作業方式。挑戰者的船員使用先前的小規模探險開發的方法進行觀測。 為了測量深度,他們會降下一條附有砝碼的線,直到它到達海底。 該線以25毫米(150英尺; 46 m)的間隔進行標記,並帶有表示深度的標記。沉降片通常附有一個小容器,用於收集底部沉積物樣品。機組人員使用各種挖泥機和拖網收集生物樣本。 挖泥機由附著在木板上並拖過海床的金屬網組成。附著在木板上的拖把頭會掃過海床,將生物從海底釋放出出來,再加以網捕。拖網是拖在船後的大型金屬網,用於收集不同水深處的生物。 取回挖泥船或拖網後,挑戰者船員將對樣本進行分類,沖洗和儲存,以便在返回時進行檢查。標本通常保存在鹽水或酒精中。



     
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    圖片來源:123rf



    整個挑戰者探險中使用的主要溫度計是米勒-卡塞拉溫度計(Miller–Casella thermometer),這種溫度計在彎曲的水銀管中包含兩個標記,以記錄儀器所通過的最高和最低溫度。 這些溫度計中的幾個會在不同的深度下降以進行記錄。 但是,此設計假定靠近海洋表層的水總是比下面的水溫暖。在航行期間,探險隊的科學家對這個假設產生懷疑,所以他門測試了從英國寄來的可逆溫度計(Reversing thermometer),這種溫度計可以測量指定深度的溫度。此後這種溫度計被廣泛使用,直到20世紀下半葉為止。這也是這次遠征的一大收穫。


    但是對這次探險結果失望的人也不乏其人。湯姆森爵士就像當時的進化論的許多擁護者一樣都相信,深海是在淺水域長期滅絕的“活化石”的住所,這些“化石”就是“遺失的環節”的例子。他們認為,持續的寒冷溫度,黑暗以及缺乏洋流,波浪或地震事件的條件提供了這樣一個穩定的環境,以至於進化過程在深海將會減慢甚至完全停止。路易斯·阿加西茲(Louis Agassiz)相信,“我們應該期望找到早期地質時期的代表”。托馬斯·赫胥黎(Thomas Huxley)也表示,他希望看到“古代的動物,它們在平靜而變化不大的海洋深度中,逃脫了淺灘工作造成破壞的原因,並代表了過去年齡的主要種群。”儘管在許多新發現中發現並歸類了一些以前被認為已滅絕的生物,但是整體而言並沒有發現演化論者期待的“遺失的環節”。


    「挑戰者」號的研究成就並不限於生物領域。負責撰寫挑戰者號報告書的John Murray和比利時學者勒納爾(A.F. Renard 1842-1903)後來就分析挑戰者號從深海收集熔化的微隕石,發現兩種微隕石:第一種是黑色的磁球體,有或沒有金屬的核心;第二種,有著結晶的結構,棕色的類似隕石球粒的球體。早在1883年,他們建議這些球體是來自地球之外,因為他們發現這些顆粒遠不同於地球上其它粒子。它們不像當時從熔爐中山產出來的磁球,而且它們的(Fe-Ni)金屬核心也不像在火成岩中發現的金屬鐵。這些球體在緩慢累積的沉積物中有最大的豐度,特別是沉積在碳酸鹽補償深度之下的紅黏土,(碳酸鈣補償深度是在描述海中的一個特定深度,在此深度之下,碳酸鈣的溶解速率大於碳酸鈣的沉澱速率,因此沒有碳酸鈣被保留下來。)這些發現都支持這些物質起源於外太空。1891年由John Murray和勒納爾將凋查成果編製成第一幅世界大洋沉積分佈圖及寫成《海洋沉積》(Manganese deposits from the HMS Challenger stations. PANGAEA)一書,標誌著近代海洋地質研究的開端。


    1909年,John Murray向國際海洋探索委員會表示,應該對北大西洋進行海洋學調查。 在Murray同意支付所有費用後,挪威政府借給他研究船 Michael Sars 。 挪威海洋生物學家Johan Hjort與他一同登船,這艘船於1910年4月離開普利茅斯,進行了為期四個月的考察,以在歐洲和北美之間的各個深度進行物理和生物學觀測。 Murray和Hjort於1912年在《海洋的深處》中發表了他們的發現,這成為海洋博物學家和海洋學家的經典著作。John Murray還指出,深海沉積物中存在著來自撒哈拉沙漠的沉積物。John Murray 在1914年因車禍過世,享年七十三。



    由於挑戰者號在拓展人類知識有著如此卓越的功績,所以後世許多類似的工具也都取作挑戰者號。最有名的莫過於挑戰者號太空梭。遺憾的是,不是每一次的科學任務都能像HMS挑戰者號如此順利。挑戰者號在眾目睽揆下爆炸起火,化為碎片這一幕依然在阿文腦海中。人類追求未知世界的知識,往往付出高昂的代價,在我們這個資訊爆炸的時代,是不是也該偶然停下來想想知識的可貴呢?




    參考資料:
    (一)中文 英文維基相關條目
    (二)https://web.archive.org/web/20090208164828/http://aquarium.ucsd.edu/Education/Learning_Resources/Challenger/science.php
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    延伸閱讀:奠定海洋學基礎的壯舉(上) :日不落帝國的榮光
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