星期二, 14 12月 2021 05:19

信天翁:驾御海风的能手

本文摘自《创造》杂志中文版第40卷第3期

优雅、潇洒、轻松自如——这就是漂泊信天翁(Diomedea exulans)在一代又一代的远航海员心目中留下的印象,它们不挥翅膀的飞行本领让海员惊奇不已。

David Osborn / Alamy Stock Photoalbatross-master-aviator-ocean-winds

信天翁一次能飞16000公里(10000英里),能用46天环球。1、2 信天翁在距海面20米(65英尺)以内的高度飞行,以便在广阔的海面上捕捉乌贼和鱼类。它们可以在海上生活好几个月,甚至好几年。

信天翁大约要花一半的时间潜水觅食或浮在水面上,其它时候,它一直在空中飞行。在需要远行觅食的动物中,它拥有极为节能的特征,在有利的飞行条件下,它飞行时的心率(能量消耗的一个指标)几乎和在陆地上休息时的基本心率一样低。3

还有一些鸟类也以无需扑翼的长距离飞行而闻名。比如说,鹈鹕会先乘上升气流飞到很高的高空,然后用很长的水平距离缓缓向下滑翔。但信天翁主要活动在远离陆地的汪洋大海,那里没有上升的热气流(由陆地受阳光照射产生),也没有受山脉或海崖影响被迫向上流动的气流,没有气流可乘的信天翁是如何乘风飞翔的呢?

研究人员希望有一天能将信天翁的本领用在无人机和其它飞行器上,他们正在不断地探索信天翁从海风中获取飞行动力的奥秘。

它似乎可以自如地停在空中,优雅地在浪涛之上滑翔,时而侧翻,时而上升,时而下滑。

前提是,有风。

如果风力减弱到每小时16海里(每小时30公里)以下,信天翁就不能滑翔了。它细长的翅膀非常适合滑翔,若要用来拍打,可就是另一番情景了。信天翁无法持续扇动翅膀飞行,所以风力弱时,它不得不降落,在海面上休息,等风再起。

也难怪,从南极到南非,从澳洲到南美,信天翁往往都出现在南纬四十至五十度的“咆哮西风带”,在北太平洋,信天翁遍布夏威夷、日本、阿拉斯加、加利福尼亚之间的广阔海域。赤道无风带就看不到信天翁的身影了,但加拉帕戈斯群岛是一例外,因为受洪堡寒流的影响,那里的风力较大。

在柯勒律治(Samuel Taylor Coleridge)1798年著名的史诗《古舟子咏》中,杀死信天翁的水手正在一艘停滞不前的帆船上。既然信天翁不能在没有风的地方生存,那么挂在他脖子上的死鸟似乎是个恰当的比喻。但只要给它来一场海风,就能领略它驾驭海面气流的本领。

CC-BY-SA-30 JJ Harrison via wikipedia wingspans
漂泊信天翁 (Diomedea exulans) 和其它大信天翁的翼展长达3.7米
(12英尺),这是现存鸟类中最长的。

研究人员希望有一天能将信天翁的本领用在无人机和其它飞行器上,他们正在不断地探索信天翁从海风中获取飞行动力的奥秘。信天翁是“动态翱翔”的高手,它们能利用海面附近的不同风速(风切变)从风中吸取能量。4


开发风场切变带

学过飞行和空气运动的人都知道,吹过任何表面(包括水面)的风在最靠近表面的地方会与面产生摩擦,从而使风速减慢。这一层减弱的风也会成为一个障碍面,以同样的原理影响之上的风层,将其减弱,而减弱的风层又在一定程度上减弱了其上的风层,以此类推。因此,20米高空的风将明显强于海平面的风,两者之间夹着一个中等风速的梯度。信天翁正是利用了海面上10 ~ 20米高的风场切变带为飞行提供动力。

Kevin Maskell / Alamy Stock Photo super-gliders
信天翁的翅膀又长又窄,能很好地完成长距离滑翔,但着陆可能比较麻烦(尤其是在微风或无风的情况下)。可能因为信天翁着陆的样子很难看,在北半球,它们被俗称“呆鸥”。

信天翁的飞行周期分为四个容易辨识的阶段,首先是迎风上升,到最高点后以一个曲线转而顺风,接着顺风下滑,最后在靠近海面的地方调头,完美进入下一个飞行周期,继续迎风上升,整个过程不用扑动翅膀,仅是展翅滑翔,它的翅膀由肩锁机制牢牢固定,不需要肌肉出力就能保持伸展(海燕也有这一特征——参见文末信息框:信天翁和方舟)。信天翁唯一需要肌肉出力的是控制转弯。

如何用动态滑翔实现持续飞行,关键就在于信天翁飞行方向的变化。在迎风飞行的第一个阶段,信天翁会因阻力损耗一部分能量,还有一部分在上升的过程中转换为重力势能。当它转向顺风时,能量增益达到整个飞行周期的最高点。当它继续顺风下滑,风力会产生推进作用,到了下降的最低点时,风力产生的推进作用达到最大。从顺风转向逆风,信天翁肯定会失去能量,但是因为靠近水面的风速很慢,所以在整个过程中,信天翁还是获得了新增的能量。动态滑翔使信天翁能够从海洋表面附近的风切变中吸取足够的能量,可以毫不费力地向任何方向飞行,甚至逆风飞行。研究人员在一篇题为《信天翁几乎毫不费力的飞行》的文章中说:

在整个周期,这种鸟都有“盈余推进力”供它刚好可以克服阻力,只要它继续下降、俯冲转弯的模式,它就可以一直飞下去,毫不费力地飞下去。5

Kevin Schafer / Alamy Stock Photo intimate-greeting-dances
信天翁另一个著名的特性是:当终身伴侣从海上捕鱼回来时,守巢的鸟会以其亲密舞蹈迎接。两只鸟一起共舞,共舞的动作包括梳理羽毛、引吭高歌、双喙咬碰或轻轻地蹭对方的喙等等。


精妙设计实现不费力的飞翔

航空工程师想把信天翁不费力飞行的技能设计在遥控飞机5、6和其它无人飞行器上4,这说明信天翁自身就拥有适合动力滑翔的设计特征。当然,若没有配套支持的“基础设施”,它也无法展现这一飞行优势。“基础设施”包括,喙的两侧各有一个鼻管,这被认为与现代飞机用于测量空速的空速管类似。7 信天翁能准确获取实时空速信息,让它可以瞬间决定何时转弯,这是执行动态滑翔所必备的。飞机上的空速管是经过专门设计的,信天翁的也一样。海军飞机的折叠翼翼锁系统是经专门设计的,同样,信天翁的翼锁系统也是经设计的。即使是最基本的飞行,也需要太多其它的基本要素,8 更不用说信天翁在其最擅长的浪涛上空这一特殊区域所展现出的高超滑翔技巧了。谁能想到,竟然有生物能在这样一片区域,以这样一种方式,在如此广阔而看似空旷的地方度过大半生呢?但正如诗人所写:

耶和华啊,你所造的何其多!都是你用智慧造成的;遍地满了你的丰富。(诗篇104:24

信天翁和方舟

Nature Picture Library / Alamy Stock Photoscavenging
人们观察到信天翁以各种方式觅食(鱼、鱿鱼、甲壳类动物):捡残余食物、水面捕捉、潜入12米(40英尺)的深处觅食。

按照创世记7:14的记载(一切禽鸟各从其类,都进了方舟)信天翁也上了方舟,这有力地反驳了“区域洪水”的说法(译注:即认为挪亚大洪水是美索不达米亚的一场区域洪水,没有淹没全球)。犹太学者一般认为,这种鸟属于摩西律法中不洁净的动物,因此,该“类”挪亚应该只带上了一对(创世纪1:20-236:19-20),而洁净的鸟,上帝命令要带上七对(创世记7:2-3)。注意,这里的“类”不同于人类定义的“种”或“属”(而且一直都在变),信天翁有不同的属和种。

这些年来,研究人员提出有80个不同种类的信天翁,但是很多情况都是将未成年的幼鸟错误地标为一个种类(这是动物学尤其是古生物学中常犯的错误,在恐龙的分类上也常见)。最近分类学家确定了4个属的13-24种信天翁:大信天翁属(Diome-dea)、北太平洋属(Phoebas-tria)、呆鸥属(Thalassarche)以及乌信天翁属(Phoebetria)。有些种至少跟信天翁科(Diome-deidae)一样宽泛。

信天翁“类”的范围也可能更宽,包含海燕,即和鹱形目(管鼻海鸟)一样宽。大海燕与信天翁有许多相似之处:体型大、翅膀又长又窄;都有翼锁系统,让它们能长时间在海上动态滑翔;都有带蹼的脚。当风力不足,无法直接升入空中时,它们会表现出同样笨拙的起飞动作,脚蹼猛烈地拍打着水面——海燕的英文名“petrel”其实是“小彼得”的意思,隐喻了使徒彼得在水面上行走的经历(马太福音14:28–30)。包括信天翁和海燕在内的所有鹱形目的鸟类都有两条独立的鼻管,海燕的两条鼻管在喙部是紧贴着的,而信天翁的则是在喙的两侧各有一条。

既然今天的信天翁可以在海上度过很长的时间(甚至数年),不需要着陆,信天翁为什么一定要上方舟呢?一个可能的线索是在创世记8:1,在洪水泛滥150天后,“上帝让风吹过大地”。如果这可以被理解为,在那之前,也就是洪水的前五个月,几乎没有风,那么信天翁就不可能进行动态滑翔了。但无论如何,今天的信天翁可以长时间在清澈的海水中捉乌贼和鱼类,从而存活下来,这不同于洪水期间夹渣着泥沙、到处混浊不堪的惊涛骇浪。创世记7:23在文中明确指出,凡是没有上方舟的,洪水的头五个月以后,都无一存活 (创世记7:14)。只有挪亚一家和方舟上的动物活了下来,其中包括一对信天翁——也就是我们今天所见的信天翁的祖先。

 

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参考文献和注释

1. Johnston, I., How the unflappable albatross can travel 10,000 miles in a single journey, independent.co.uk, 17 November 2013.

2. Sachs, G., and 7 others, Flying at no mechanical energy cost: Disclosing the secret of wandering albatrosses, PLOS One 7(9):e41449, 2012 | doi:10.1371/journal.pone.0041449.

3. 也就是说,飞行时的心率约为每分钟65-80次,而在休息时为每分钟65次,在陆地上行走或(从陆地及海面)起飞时的最高心率为每分钟230次。Weimerskirch, H., and 4 others, Fast and fuel efficient? Optimal use of wind by flying albatrosses, Proc. R. Soc. Lond. B 267(1455):1869–1874, 2000 | doi:10.1098/rspb.2000.1223.

4. Fowler, C., Flying without flapping: The wandering albatross and the mechanics of dynamic soaring, blogs.bu.edu, 17 November 2012.

5. Traugott, J., Nesterova, A., and Sachs, G., The nearly effortless flight of the albatross: Measuring and modeling the bird’s aerial behavior could inspire new drone designs, spectrum.ieee.org, 28 June 2013.

6. Engineers identify key to albatross’ marathon flight: Flying in shallow arcs helps birds stay aloft with less effort, sciencedaily.com, 11 October 2017.

7. Pennycuick, C.J., Gust soaring as a basis for the flight of petrels and albatrosses (Procellariiformes), Avian Science 2:1–12, 2002.

8. ASee Chapter 4: Flight, pp. 63–82, in Sarfati, J., By Design: Evidence for nature’s Intelligent Designerthe God of the Bible, Creation Book Publishers, Atlanta, Georgia, USA, 2008.

 

 
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