中科院京区第三届科普创新大赛

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重磅来袭！

科普小短文类（三）

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1、最古老的岩石

（地质地球所澎湃）

地球每天都有新的岩石出生，有的形成于火山爆发过程中，有的形成于湖泊和海洋沉积作用过程中……岩石形成后，有的被逐渐风化，有的被岩浆作用过程熔融……因此，岩石也有生命周期。地球上最老的岩石有多少岁？地球45亿年多年前形成时就有岩石吗？

地球上最古老的，现在有确切年龄的岩石是“阿卡斯塔”（Acasta，岩石产地名）片麻岩，年龄40亿岁。片麻岩是一种看起来由断续分布的，由深浅不同颜色矿物集合体形成的条带状样子的岩石；这样的岩石常形成于10km以下的地壳之中，是应力下岩石中不同矿物差异分布形成的。阿卡斯塔片麻岩产出于加拿大西北领地阿卡斯塔河中一个面积不足0.5km2的小岛上。该岛上唯一的一幢建筑是一间为地质学家工作和生活而搭建的临时圆形铁皮屋，该庇护所被地质学家亲切的称为“阿卡斯塔市政厅”。加拿大西北领地面积多万平方公里，原住民为因纽特人（以前称爱斯基摩人），其首府为黄刀镇（Yellowknife），常住人口只有2万多人。去往“阿卡斯塔市”没有公路，最便捷的方式是乘坐可以降落在湖面的直升机。阿卡斯塔片麻岩只是小岛岩石组成中非常小的部分，其它岩石多为38-33亿岁，最年轻的约12亿多岁。因此，这些岩石仅仅是40亿岁的大陆被保存下来的极小部分。但这些岩石为我们恢复当时大陆的样子提供了最为珍贵的样品。

地质学家在格林兰岛、鞍山、澳大利亚发现了比40亿岁稍年轻的岩石——37-38亿岁的类似片麻岩。我国鞍山地区的岩石产出于东山-白家坟一带，现在已经被保护起来了。鞍山和澳大利亚的古老岩石出露较小，有的像枕头大小一块一块的，形状不规则。格林兰岛的面积非常大（公里尺度），科学家认为这些岩石大致保存了36-38亿年前大陆（地壳）的样貌，因此也被认为是地球上最古老的地壳。

能找到更老的岩石吗？答案几乎是肯定的！其中一个理由是，科学家已经发现了44亿年岩石残存下来的矿物——锆石。这种矿物在岩石中的含量微不足道，但是即使在度的高温下也不容易熔融，因而容易保存下来。这类矿物发现于西澳大利亚杰克峰（JackHill）的沉积岩（砾岩）中（下图来自J.Valley等人的文章，显示锆石矿物生长形成的环带，保留了44亿年的年龄信息）。该岩石是25-18亿年前的河流携带的碎屑沉积成岩形成的。研究表明，这些矿物记录了与地表水相互作用的信息；而且，它们形成于类似于现今大陆主体岩石——花岗岩之中（如黄山和泰山山顶的岩石）。这说明44亿年前不但有岩石，也有一定规模的大陆，而且当时的大陆岩石和现在有一些相似之处。

有没有比44亿岁更老的岩石？地球45亿多年前形成时是否就形成了岩石？科学家认为，地球最开始时表面非常炙热，没有岩石，没有地壳，呈岩浆状态，称为“岩浆海”。岩浆海冷却，形成斜长岩，这可能是地球上最早的岩石类型。斜长岩是一种几乎全部由斜长石矿物（可用来做陶瓷和玻璃；部分夜光石也属于同族矿物）形成的岩石，是岩浆海中结晶的密度比岩浆轻的矿物，他们漂浮聚集在岩浆海最表层，形成岩石。我们的月球看上去更亮的部分（月球高地）就是由斜长岩形成的。科学家认为，最早的地壳（原始地壳）表面看起来可能和月球上的高地一样，是由斜长岩组成的。斜长岩稍微风化，就呈现瓷白色，想象一下当时瓷白色没有植被的地球，一定非常壮观！可惜的是，科学家还很难测定斜长岩的准确年龄，也还没有确认地球上是否残存有大于44亿岁的斜长岩。

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2、降噪耳机会损害听力？明明是保护吧

（声学所匡正）

无论是在工作、旅途或是休息，戴上耳机听听音乐已成为现代人生活中不可缺少的休闲方式。

但噪杂的外部环境，比如喧闹的车厢、轰鸣的飞机发动机、路旁的广告喇叭乃至哭闹的儿童，常常影响着我们对音乐的欣赏。因此，降噪耳机应运而生。

对于这一进入日常生活不久的新鲜事物，不少人也为之困惑：

降噪耳机和普通耳机有什么区别？被动降噪和主动降噪又是怎么一回事？长期佩戴降噪耳机听音乐是否会影响我们的听力？

今天，我们就来聊一聊降噪耳机。

总有时你会希望有一副降噪耳机图/Sony

声音与噪声的频率

在了解耳机之前，我们先来说说声音的频率。

通常，我们把听到的声音划分为高、中、低几个阶段。20～Hz属于低频，～Hz属于中频，～00Hz属于高频。

日常的噪声里面，大多是中低频阶段的声音，比如地铁、高铁以及飞机上的噪声等。生活中高频的噪声是比较少的，但一些警示声，如车喇叭有部分高频的成分。

而乐器当中，鼓声属于低频声音，贝斯的声音也比较低，小提琴的声音相对比较高。人讲话的声音频率也比较高，其中女性和孩子声音的频率相对更高些。

图/人教网

被动降噪耳机

传统的耳机分为密闭式耳机和开放式耳机。密闭式耳机的被动降噪量比较大，戴上之后，环境的声音听起来比较小。

不过这样做是有一定安全隐患的。

比如，我们戴上耳机走在路上，就有可能因听不到喇叭的声音而带来一定的风险。而开放式耳机即在听音乐的时候，周围环境的声音也会听得比较清楚。所以像是在马路跑步这样的场合，过去往往提倡使用开放式耳机。

从外观上来看，密闭式耳机和开放式耳机是没有区别的。把耳朵罩住的耳机不一定是密闭式，有些入耳式耳机也可能是开放式。开放还是密闭看的是耳机里的结构是如何设置的，有的密闭式耳机只要打一个很小的孔就可能会变成开放式耳机。

主动降噪耳机

传统的密闭式耳机只能实现对中高频声音的降噪，要实现对中低频的降噪很困难。

这是因为想要达到的降噪量越大，需要用到的隔声材料的质量就要越大，这样耳机就会很笨重。另一方面，被动降噪又需要耳机捂得特别紧，这都会影响耳机的舒适感。

为此，人们开发出了主动降噪耳机。

面对噪声，它不是被动地屏蔽，而是主动发出与噪声相位相反的声音，在耳内与噪声形成干涉而抵消。主动降噪耳机在中低频的降噪效果很好，在高频的降噪效果比较差。

这样，它既能消除日常生活中的常见噪声，又不会影响紧急情况下尖鸣的喇叭等警示音。

目前，国内外主动降噪耳机都有一个上限频率，一般消噪的最高频率为赫兹。

主动降噪耳机是如何识别各个频率的声音来进行降噪的呢？

一般一个主动降噪耳机的耳罩外面有一个麦克风，中间有一个扬声器，里面也有一个麦克风。外面的麦克风可以识别周围环境的声音，中间的扬声器用来播放抵消噪声的反相声波，里面的麦克风作为一个反馈，检查降噪的效果如何。

你或许会问，耳机是如何保证音乐不被抵消的呢？

这是因为主动降噪耳机只会抵消外部麦克风收到的声音，通过数据线途径进来的音乐等声音是不会受到影响的。

数字式的主动降噪耳机还可以通过算法来自动感知周围的环境声，周围没有噪声便不降噪；周围的噪声大，就降噪大一点儿；周围的噪声小，就降噪小一点。这样在保证欣赏音乐的同时，也不会错过周围突发的信息。

在晨跑时听音乐，既需要隔绝噪音，又要保证听得到汽车的鸣笛

主动降噪耳机会对听力有影响吗

事实上，主动降噪耳机对听力肯定是有好处的。

为什么我们可以这么说呢？

这是由于听觉有掩蔽效应，在一个比较吵的环境里面，比如噪声环境是70分贝，那至少要将音乐放到75分贝或者80分贝时，才能压过噪声。如果周围环境的噪音只有30分贝，那么45分贝的音乐就可以听得很清楚。

正因如此，当周围很吵，我们不自觉就会把音乐声音调得更大，不然就会有很多细节听不到。周围环境越吵，声音调得越大，对耳朵的损伤就会越重。特别是有的手机为了保证音乐里低音的效果，还会用一些补偿的手段让低音更大。

降噪耳机能防止过大的音量对耳朵的损害图/GwenShockey

右上为健康的内耳毛细胞，右下为被损害的内耳毛细胞

当使用降噪耳机时，周围的低频噪声都被抵消了，那么播放音乐的音量也就可以相应降低。

也就是说，不需要那么大的声音就可以有很好的愉悦感，从而对耳朵起到一定的保护作用。

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3、神奇的主动降噪技术

（声学所项京朋）

当你每天乘坐交通工具的时候，是否注意到了周围环境的噪声污染？面对耳朵里跑进来恼人的噪音，除了堵住耳朵这种被动的方法，我们现在还可以主动出击，用声音将噪声消灭掉。

用一句话来概括主动降噪的原理：通过发出与噪声相位相反，频率、振幅相同的声波与噪声干涉实现相位抵消。

想要理解这句话，首先要明白声音是什么？相位和振幅是什么？干涉又是如何发生的。

我们平时听到的声音，实质上是空气被挤压并不断传递的现象。

空气收到挤压，自然就会有压缩部分和稀疏部分。这两个部分彼此交错出现，交替一次视作一个周期，而一秒钟内变化多少个周期就叫做频率。我们听到的声音往往由许多具有不同频率的声音组合而成，他们不光是频率不同，被压缩/拉伸的程度也不同，也就是振幅不一样，听起来声音的大小也就不一样。

相位的意思也很简单，某一个时刻声波处于一个周期内的位置就是相位。如果我们规定空气被压缩的最厉害的地方是相位的零点，那么半个周期之后，空气变得最为稀疏的地方，相位就变成°。等到空气再次被压缩得最密集时，就经过了一整个周期，相位变化了°又重新变为0°。

如果我们有两个频率接近或者一样的声音叠加在一起合成一个声音，他们的振幅会变大或者变小又或者不变，这个现象就叫做干涉。如果这两个声音相位一致：你振幅最大时我也最大，你最小时我也最小，那么合成出来的声音振幅就变大，听起来也就变更响了。如果两个声音频率是一样的，振幅也是一样的，但是相位偏偏相反：两个声波处处相反，彼此抵消，声音就被消除了。

现在主动降噪耳机卖得很好，具体是怎么实现这个抵消噪声的过程的呢？

想要产生用于抵消噪声的声波，首先要得到噪声的信息才可以。主动降噪耳机设有反馈麦克风用于采集环境中的噪声信号。这里有一个先后顺序的问题：先采集噪声，但是要与噪声同时产生抵消音才能够降噪。所以处理器会根据噪声进行预测，预测出下一时刻噪声的情况，并产生相应抵消声波。

为了保证降噪质量，还需要一个反馈麦克风用来检测所合成后的噪声是否真的变小了。这时处理器会根据这个反馈麦克风测量到的结果，对处理过程进行调整从而进一步降低合成后的噪声音量，这叫做自适应过程。好比处理器变聪明了，能够根据消噪的效果不断调整自己，以达到最佳降噪效果。

最后还要知道，具体实现的过程还有许多复杂精细的环节，从原理到现实总是这样的。现在你了解主动降噪技术了么？

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4、植物听得见吗

（植物研究所凌正一）

之前就流行过一种说法，给植物听音乐能使家里的盆栽长得更好，虽然这是种民间的传说，但植物能否听见声音在学术界可是一件很严肃的事。

今年，西澳大利亚大学的进化生物学家MonicaGagliano及其同事，把豌豆种子放在一个倒Y的瓶子里培养，他们在瓶子的一边放置有水流的塑料管子，另一边放一盆干燥的土。

（图片来源：文献1）

研究人员发现萌发的根总是会朝着水流的方向生长，即使两侧唯一能探测的信号只有声音的不同，植物似乎也能确定生长的方向，就像是它们能听到一样。

（图片来源：文献1）

而在早在年美国的托莱多大学的生态学家HeidiM.Appel就报道说拟南芥能分辨风吹导致的震动、雨点的拍打、人的抚摸和毛虫的咀嚼的声音。甚至有研究人员报道说，蜜蜂等传粉者的“嗡嗡”声会促使植物释放更多的花粉，其他的现象还有利用超声波处理种子，能够提高种子的发芽率。玉米幼苗进行特定频率声音的刺激，幼苗的根会朝向其生长。来自德国格莱夫斯瓦尔德大学的MichaelSch?ner生物学家猜测说，植物拥有微绒毛结构样的机械性感受器来探测声音的信号。

在年，韩国岭南大学的HanhongBae等人提出了一个模型解释植物对声音的响应机理，其文章发表在ExperimentalBotany上：声波会引起细胞壁的改变和细胞骨架微丝的重排，有细胞膜开始响应信号，对声波产生一系列级联反应，最终对声音做出应答。其中作为二级信使的是化学物质是Ca2+。声波引发的Ca2+响应受体和CDPKs，通过磷酸化和去磷酸化不断传递信号给相应的蛋白质和转录因子，最终改变基因水平的表达。同时发生的生理变化还有脯氨酸和活性氧的增高，以及K+通道的开放，由此导致淀粉酶活性的升高，使得淀粉水解产生二塘或单糖，这些产物反过来又会影响基因的表达情况。同时，对声音做出响应的分子还有生长素响应因子和乙烯响应因子。

（图片来源：文献2）

尽管研究人员还将继续探索植物感知声音的真相，但可以肯定的是，下次当你对自己身边的植物轻声细语或大声吼叫时，植物会懂得你传达了什么样的信息。

参考文献：

1.MonicaGagliano.ect.,unedin:plantrootsusesoundtolocatewater,BEHAVIORALECOLOGY-ORIGINALRESEARCH,DOI10./s---z

2.HanhongBae.ect.,Plantacoustics:inthesearchofasoundmechanismforsoundsignalinginplants,JournalofExperimentalBotany,Volume67,Issue15,1August,Pages–,







































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