你好，我是常娜，感谢看见。《创新的历程》是我在过去几年读书，与不同的教授、学者、创业者以及读书人学习交流过程中创作的通识启蒙课程。通识与人文博雅（liberal arts）教育并非培养具体的技能，而是以人本主义精神，关注每个人本身，培养丰富健全的人格、培养一个人获得并经营幸福的能力。
《创新的历程》第四季｜全球化简史
海洋文明与工业化进程
第 120 讲：早期的船如何测水深呢？
01｜最早的船如何测水深呢？
历史上，最早用于测量水体深浅的工具是篙，实质上是一根长形的竹竿或木棒，它不仅是早期出现且构造最为简单的船只推进装置，还兼具了测深的功能。通过用篙抵触水底或岸边的固态物体，依据物理学中的作用力与反作用力原理，船只能够向篙施力的相反方向移动。在利用篙支撑水底的同时，操作者也能直观地感知到所在水域的深度，因此，篙既是一种推进工具，也是一种简易的测深工具。
然而，使用篙来探测水深的方法主要局限于内河航道以及靠近陆地的浅海水域，原因在于篙的长度存在限制，对于较深的水域便难以施展其效用。
尽管如此，由于篙的制作成本低廉且易于操作，即便是在更为先进的测深技术问世之后，它仍然被广泛采用。在长距离航行的河船或海船上，篙依然作为标配装备，特别是在穿越浅滩或靠近岸边时，用以推进和测量水深，发挥着不可替代的作用。
02｜测深锤的发明
到了探索海洋文明时代，如何测量水深又提出了新的挑战。
一艘携带测深锤的船，来自一本15 世纪中叶为约翰·阿斯特利爵士（Sir John Astley）而作的军事技术手册。这是一艘卡瑞克帆船或盖伦船，是装有方形帆、主桅和纵向大三角帆的全桅帆船的先驱。船首有一座艏楼，由护甲保护，2名船员站在桅杆顶部的瞭望台上。插图上方的文字说明了在进入一定深度的水域后如何驾船。[1]
图：一艘携带测深锤的船
至于具体的航海方法，我们可以将其分为四种：岸航行法、航位推测法、纬度航海法和定位法。理论上，在所有航海方法中，沿岸航行是最容易的，但在某些方面也最危险。相较于开阔的海面，在近海航行遭遇的危险会更多。在沿岸航行的过程中，水手基本上一直都可以看到 陆地，从而依靠自己熟悉的陆地和水文特征，从一个地方安全航行到另一个地方。无论什么地方的水手，都会从小学习当地水域的陆标和航标，包括浅滩的位置、露出地表的岩石、最佳的锚泊地、盛行风向以及沿岸或靠近海湾、海港与河口的潮水。同样，他们也非常熟悉陆地特 征，如海湾、海岬、小山丘、高大的树木或者人造建筑。了解水深非常重要，此外还要熟悉各个地区不同的海床结构。水手们通常会使用测深锤，上面附有带刻度的长绳，在底部的空凹处涂有动物油脂或蜡。当测深锤接触到海底时，海底生物的样本便可附着在动物油脂上。即使是在完全看不到陆地的情况下，也可以通过测量深度和了解海底构造，大概推测自身所处的位置。[2]
“铅锤”在中国古代航海史上是重要的导航工具，频繁在古籍记载与民间口述中被提及，其多样化的别称——铅硾、铅钟、铅筒、铁锤、水掏、水锤、水驼、水砣等，不同的名称也揭示了命名背后依据材质、形态或功能的不同考量。“铅锤”制作材料广泛，涵盖了从天然石料到铅、铁、锡、锌等多种金属。
“铅锤”在航海领域的早期应用，可追溯至北宋宣和年间徐兢出使高丽的壮举及其所著《宣和奉使高丽图经》中的记录。书中详述：“海行不畏深，惟惧浅搁，以舟底不平，若潮落，则倾覆不可救，故常以绳垂铅硾以试之。”“舟人每以过沙尾为难，当数用铅硾，时其深浅，不可不谨也。”这两段文字生动展现了当时船工对铅锤运用的娴熟与依赖，进而可推测，其实际发明与应用的历史应更为久远。
最早出现于北宋出使高句丽的使臣的记载中有关于测深铅锤的使用：通过绳子栓一个底部凹陷填满动物油脂的铅锤投入水中，通过粘起的海底泥沙测得航行到了哪一海域。
宋代以后中国航海者常用的测深铅锤，即在铅锤的底部做成凹陷，填入油脂等物，系上数十丈长的绳索，放入水中测量深浅，油脂粘带起海底沙泥，由此可判断海底是泥质、沙质还是石质。此前相关研究中一直没有提到其技术来源，但从一些海外考古发掘与研究中可以看到，这种测深锤在公元前6世纪的地中海已广泛使用。[3]
为何能从海底的沙泥推断出水深呢？
原因在于，海洋各区域的底部沉积物各不相同。这些不同的底质特征能够帮助我们区分不同的海域，进而确定船舶当前所在海域的水深，这对于规划航行路线至关重要。至于铅锤测深法，也称为重锤测深法，其确切的发明时间尚未明确，但有一种观点认为，由于早期的“下钩”测深法难以确保直接沉至海底以抓取泥沙样本，因此人们便用“铅锤”替代了“钩子”，以改进测深方法。
海洋最深的地方有多深？
全球海洋的平均深度大约为3347米，而在这些浩瀚的水域中，最深的区域位于太平洋的马里亚纳海沟，毗邻菲律宾。该海沟的最深点惊人地达到了11034米，这一地形特征是由太平洋板块向欧亚板块下方俯冲挤压所形成的。
补充资料：[4]
水深测量早期的手段主要是测深杆、测深绳、测深锤。目前在一些常规仪器难以观测的特殊区域，仍然偶尔会采用测深绳-测深杆进行测深，多适用于浅水和流速不大的区域。
图：测深杆、测深锤
水深的获取，除了直接测量以外，还可用遥感、重力反演等方式，但其精度目前还无法达到相关规范要求。因为光波、电磁波在水中衰减很快，只有声波测距是水下测距最有效的方式，水下测距通常采用信号单程旅行时间乘以信号传播速度来计算得到。测深方式有两种：一种是计算垂直距离，即水深；另一种是通过斜距和入射角来计算水深，从而衍生出两类声学设备：单波束测深仪和多波束测深仪。
单波束测深属于“线”状测量。当测量船在水上航行时，船上的测深仪可测得一条连续的剖面线。单波束测深的基本原理：通过垂直向下发射单一波束的声波，并接收自水底返回的声波，利用收发时间差根据已知的声速，确定深度。所谓单一波束的声波，是指声波的能量聚集在一定的波束宽度范围内，声波波阵面上任一点接触目标物发射后被接收单元接收，不顾及在波束范围内回波点的位置差异，声波传播满足射线声学的特性。该原理简单地描述为回声测深原理，所依据的过程为时深转换。根据频段个数，单波束测深仪分为：单频和双频测深仪。单频测深仪仅发射一个频段的信号，仪器轻便；而双频测深仪可发射高频、低频信号的两种信号，利用其特点可测量出水面至水底表面与硬地层面的距离差，从而获得水底淤泥层的厚度。
图：单波束及其原理
多波束测深属于“面”状测量。它能一次给出与航迹线相垂直的平面内成百上千个测深点的水深值，所以它能准确、高效地测量出沿航迹线一定宽度(3-12倍水深)内水下目标的形态。多波束测深系统又称为条带测深仪，工作时发射换能器以一定的频率发射沿测船航向开角窄、沿垂直航向开角宽的波束。对应每个发射波束，由接收换能器获得多个接收波束。通过将发射波束和若干接收波束先后叠加，即可获得垂直航向上成百上千个窄波束。利用每个窄波束的波束入射角与旅行时可计算出测点的位置和水深，随着测船的行进，即可得到一条具有一定宽度的水深条带。相对于单波束而言，多波束技术是水下地形测量的一次技术飞跃，既提高了效率，又实现了条带全覆盖测量。
图：多波束及其原理
在海水中，只有声波才能较好地传播。声波在水中传播时，有一个重要的现象，就是散射。探测的目的不同，对散射的需求也不同。侧扫声呐是运用海底地物对两侧入射声波反向散射的原理来探测海底形态和目标，直观地提供海底声成像的一种设备，在海底测绘、海底施工、海底障碍物和沉积物的探测等方面得到广泛的应用。
图：侧扫声呐成像原理
图：侧扫声呐及其图像
此外，机载激光测深系统（Light Laser Detection and Ranging）也可用于水下地形测量，具有低成本、高效率的特点。机载LiDAR测深技术是一种主动式遥测技术，利用光在海水中的传播特性。研究表明，波长为520-535nm的蓝绿光被称为“海洋光学窗口”，海水对此波段的光吸收最弱。双色激光机载LiDAR测深发展较早，其利用装在飞机下部的激光发射器经扫描反射镜向海面以扫描测量的方式发射激光脉冲，激光脉冲以一定角度倾斜向海面入射，激光束分为波长为1064nm红外光和波长为532nm的蓝绿光。以红外光与蓝绿光共线扫描为例，红外光与蓝绿激光向下发射，到达海面后，红外激光因无法穿透水面而被海面反射，且沿入射路径返回，被光学接收系统所接收；蓝绿激光以一定的折射角度穿透海面而到达海底，并被海底反射沿着入射路径返回，亦被光学接收子系统接收。光电检测子系统测得红外激光和蓝绿色激光返回的时间，结合蓝绿激光的入射角度、海水折射率等因素进行综合计算，即可获得测量点的瞬时水深值。机载LiDAR虽然在大面积测量中效率高，但其水下作用距离有限，受水质的影响严重，因此在目前的水下地形测量中仍需进一步发展。
图：机载LiDAR测深原理
参考资料
[1] [美]林肯·佩恩：《海洋与文明》，陈建军 罗燚英 译，天津人民出版社，2019。
[2] [美]林肯·佩恩：《海洋与文明》，陈建军 罗燚英 译，天津人民出版社，2019。
[3] 宁波市文物考古研究所，象山县文物管理委员会办公室，国家文物局水下文化遗产保护中心，《渔山遗珠：宁波象山“小白礁I号”出水文物精品图录》，宁波出版社，2015。参考链接：《陈晓珊：郑和下西洋前后中国航海指南的变迁》，https://www.sohu.com/a/329788738_523187。
[4] 资料来源：http://www.sklec.ecnu.edu.cn/node/6795。相关补充资料：《航海测深铅锤技术是中国古代船工的创造发明》，https://www.bilibili.com/read/cv18068946/。
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