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海面下藏着什么玄机 值得我们一次次走向深蓝

2020-06-15 09:35:54 来源: 科技日报 作者: 王祝华 王健高
摘要:近日,由中国科学院沈阳自动化研究所研制的“海斗一号”全海深自主遥控潜水器载誉归来,在马里亚纳海沟实现4次万米下潜,最大下潜深度10907米,刷新中国潜水器最大下潜深度纪录,众人赞叹“这是一个有‘深度’的潜水器!”与此同时,深海科考也再度引发关注。

  原标题:“海斗一号”刷新我国潜水器最大下潜深度

  海面下藏着什么玄机 值得我们一次次走向深蓝

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中科院沈阳自动化研究所研制的“探索4500”无缆水下机器人 新华社发(广州海洋地质调查局供图)

  近日,由中国科学院沈阳自动化研究所研制的“海斗一号”全海深自主遥控潜水器载誉归来,在马里亚纳海沟实现4次万米下潜,最大下潜深度10907米,刷新中国潜水器最大下潜深度纪录,众人赞叹“这是一个有‘深度’的潜水器!”与此同时,深海科考也再度引发关注。

  下潜多深才算深海科考并无定论

  深海,顾名思义,与浅海相对应,它包括海床、底土及上覆水体,是一个连接世界各大陆、具有复杂法律属性的巨大空间。

  深海科考,就是通过一定的技术手段和技术装备,对深海的物理海洋、海洋生物、海洋化学、海洋地质等自然属性进行科学调查,以获得深海科学数据的过程。

  那么,要下到多深才算深海科考?

  中国科学院海洋研究所研究员李新正在接受科技日报记者采访时表示,关于下到多深才算深海科考的问题,在海洋地质学、物理海洋学、海洋生物学、海洋生态学等学科间一直没有统一的说法,200米、500米、1000米、2000米甚至50000米都曾被作为深海的标志性深度。

  以海洋生物学为例,由于海洋生物对水深比较敏感,不同深度生活着不同的生物群落,因此海洋生物学对水深的划分比较具体。由美国科学家阿兰·P·特鲁希略和哈洛德·V·瑟曼所着的《海洋学导论》中指出:水深200—4000米为半深海带,4000—6000米为深海带,6000米以下为超深渊带。因此,对于海洋生物科考来说,200米以下的科考就算作半深海考察,4000米以下算深海考察。

  用深海科考发掘海洋深处的宝藏

  深海蕴藏着人类社会未来发展所需的战略金属、能源和生物资源,被誉为21世纪人类可持续发展的战略“新疆域”。目前,确定有开发价值或潜力的领域主要有深海矿产资源的勘探与开发、深层海水的产业化应用、深海生物及基因产业、深海油气资源的勘探与开发等。

  资料显示,深海蕴藏多金属结核、富钴结壳、海底热液硫化物中镍、钴、锰、铜等含量是陆地的数十到数百倍。由于海底金属矿产的开采与陆上相比成本更高,商业开发利用价值和潜力没有显现出来,加之海底采矿需具有相当高的技术水平,因此海底矿产开发尚属于探测和试验阶段。

  深层海水与表面海水的温度差还蕴藏着巨大的能源资源。温差能具有可再生、清洁、能量输出波动小等优点,乐观估计,全球海洋温差能储量的理论值为3×1016千瓦/年—9×1016千瓦/年。目前海洋温差能利用技术已趋于成熟,正从小型试验研究,向大型商用化方向发展,全球已建成海水温差能发电站8座(含试验或验证型发电系统)。

  另外,在深海活跃着一些奇特的微生物,它们在独特的物理、化学和生态环境中,在高压、剧变的温度梯度、极微弱的光照条件和高浓度的有毒物质包围中,形成了极为独特的生物结构、代谢机制,它们体内的各种活性物质在医药、环保等领域都将有广泛的应用前景。这些生物基因资源可能将在提高人类生活质量、改善基因缺陷、根除癌症等重大疾病方面发挥重要作用。

  正因如此,深海科考有着非常重要的科学意义。李新正表示,人类通过深海科考,可以更深入地了解海洋的运作方式、深海的奥秘,从而更好地利用和保护海洋资源。例如,了解深海洋流运动方式,可以更好地理解海气相互作用从而更加准确地预报天气和海况;了解深海生命现象,可以更好地追溯地球生命的发展历史,更好地回答生命起源、演化等重大科学问题;从深海生物中可以提取浅海生物没有的生物活性物质,推动生物制药的进步,为人类造福;了解海底地质变化和洋壳运动规律,可以更准确地预测海底地震,让海底矿藏开采更有安全保障。

  人类从未停止对海洋的探索

  从古至今,人类从未停止过对海洋的探索。

  有记录的最早的深海生物科考是1818年英国在北极海域1464米处采集到1种棘皮动物。

  而开启现代科学海洋考察的则是1872—1876年的“挑战者号”科考船远征。“挑战者”号航行近7万海里(13万公里),总共进行了492次深海探通、133次海底挖掘、151次开阔水域拖网和263次连续水温观测,并发现约4700种新的海洋生物。“挑战者”号远征是人类史上第一次真正海洋巡航的科学考察。

  20世纪20年代,人类开始研制现代潜水器,向海洋更深处发起挑战。1934年,美国潜水器潜入914米深度,是人类第一次在深海对生物进行观察。

  20世纪60年代,以美国“阿尔文”号为代表的第二代潜水器得到发展。“阿尔文”号带有动力,还配置了水下摄影机、机械手等,下潜深度3658米。它曾经在地中海850米深的海底找到了一颗遗失的氢弹,也成功地探索了沉睡多年的“泰坦尼克”号,是世界上潜水次数最多的潜水器。

  2012年12月,我国“蛟龙”号搭载3名潜航员在马里亚纳海沟下潜到7062米,创下同类型载人潜水器的最大潜深纪录。

  ……

  大洋钻探计划始于1966年。海底热泉则在1977年由约翰·科里斯和罗伯·巴拉德搭乘“阿尔文”号发现。20世纪70年代,科学家将大型电脑应用于海洋科考,对海洋条件进行数值计算,并视其为整体环境变化预测的一部分,同时广泛地设置海洋浮标,以取得更完整的观测资料。

  随着科学技术的进步,人类下潜深海还会遇到哪些挑战呢?李新正说,主要还是要克服黑暗、动力障碍、无法自然呼吸等带来的心理压力,以及随时可能出现的洋流、海洋动物、地质变动等带来的危险。

  当前,人类深海科考发展体现在深海高技术研发与应用,包括深海环境监测技术,深水油气、矿产、生物及其基因资源勘查和开发技术,深海运载平台和作业技术等。深海高技术是海洋开发和海洋技术发展的最前沿和制高点,是国家综合实力的集中表现,也是目前世界高科技发展的方向之一。

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  这些技术被用来征服深海

  像航天技术一样,深海科考也需要新的仪器和技术。外太空是寒冷无压力的真空,但海洋深处更加富有挑战——超高压、低温且黑暗。

  8世纪,维京人在绳索上挂金属块以测量水深。从19世纪开始,研究人员开始使用钢缆对海洋进行测深。进入20世纪,科学家们想到了利用声音测量水深,他们使用炸弹测深(将炸弹扔入海沟并记录回声),发现马里亚纳海沟、菲律宾海沟和汤加海沟的深度都超过1万米。在20世纪50年代后,海洋科考进入声呐时代。

  当人们确定海床深度后,便想看看海床是怎样的一番景象。第一艘潜水艇由荷兰工程师德雷尔于1623年制造。1865年法国发明家贝努瓦·卢库埃罗发明潜水服和呼吸器。1943年,库斯托与埃米尔·加尼昂共同发明水肺,使用至今。

  目前世界上拥有载人深潜器的只有美国、日本、法国、俄罗斯、中国5个国家。其中中国“蛟龙”号的设计最大工作深度为7000米。

  但有人潜水器的使用费用令大多数科研团队望而却步,加之载人深潜器在满足深潜技术要求之外,还要考虑海洋学家的生命安全, 因此现代深海探索大多数时候依赖于无人潜水器。

  无人潜水器包括遥控潜水器和自主水下航行器。遥控潜水器是由科考船上的研究人员控制的系留式水下设备,遥控潜水器通常安装摄像机、机械臂、声纳设备和样品容器。自主水下航行器无需人工控制即可运行,可以通过声呐绘制海床三维地图,测量深海温度与化学物质并拍照。这两种无人潜水器共同成为了今天深海科考的主力。


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