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探秘海底深渊 我国科学家再创两项“世界之最”

时间:2018-10-27 16:36:39 作者:迷迷 来源:51区未解之谜网 手机阅读

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“九五”之前,我国海底探测技术还几乎是空白。如今,我国科学家们已频频闯入海底6000米以下那片地球上最不为人知的世界,创造了一个又一个新的“世界之最”——刚听说了能下潜6329米的深海滑翔机,没几天又传来能下潜10027米的国产海底地震仪的捷报。这些设备主要用途是什么?它们又是如何做到下得去、待得住、回得来的呢?  

地球上最深的地方——西太平洋马里亚纳海沟,近日见证了一个新的世界纪录的诞生:中国深海滑翔机海翼号完成大深度下潜观测任务并安全回收,最大深度达到6329米,大大超过美国水下滑翔机曾创造的最大下潜深度6003米的世界纪录。这标志着中国大洋科考装备能力实现新跨越。  

圆筒状修长的身体,前部长着一对翅膀,头呈圆弧状,后面拖着长长的天线尾巴。海翼号外表看起来虽然结构简单,其貌不扬,但是却有不靠螺旋桨自我驱动的绝活儿。据研制单位中国科学院沈阳自动化研究所副主任俞建成介绍,海翼号作为一种新型水下无人潜航器,无需螺旋桨等推进装置,运用活塞原理改变自身浮力,实现在海中移动。  

具体来说,海翼号装配有一个类似于鱼鳔的油囊和可以前后移动的电池。要下潜时,其“鱼鳔”缩小,减小浮力,同时电池自动前移,其头部就下潜,“翅膀”会产生向前的推力,这样海翼号就有了水平方向速度。要上浮时,“鱼鳔”鼓起,浮力增大,电池自动后移,它就会抬起头向上滑行。在不断的下潜上浮过程中实现折线前进,就像海豚一样在大海保持航向不断前行。就这样,海翼号在水下沿着“W”形运动轨迹前进。这种驱动方式只需要在调节电池位置和“鱼鳔”的时候耗费少许电能,这也造就了其超长的续航能力。  

海翼号是我国自主研制的系列水下滑翔机的统称,按照不同工作深度和承担的不同任务,分为300米级、1000米级和7000米级等多种类型。  

随着深度增加,水下滑翔机承受的压力也增大。因此,像7000米级这种大深度水下滑翔机必须使用特殊抗压材质,才能一方面减轻其自重,为携带电池留出足够空间,以保障其工作时间和距离,另一方面又能保障其安全对抗超大水压。实际上,海翼号7000米级滑翔机外壳就由一种轻质碳纤维材料制作而成,不仅保障了自身安全,而且减轻了滑翔机的体重,为携带充足的电池量提供了条件,保证了滑翔机潜得更深、跑得更远。  

海翼号水下滑翔机作为大洋科考装备,还要为搭载传感器进行大洋科考留出足够空间。一般情况下,它下水作业时携带的传感器可以测得海水的温度、盐度、浊度、叶绿素、含氧量等信息,再通过尾部的天线将收集到的数据传给卫星。俞建成表示,工作人员可以通过卫星通信实现对水下滑翔机的远程控制和实时数据获取;还可以根据需要,实现多台水下滑翔机协同观测作业,为海洋科学家的研究提供丰富的数据。  

我国水下滑翔机的研究起步较晚。由于西方国家在水下滑翔机技术上对我国实行封锁,中科院沈阳自动化研究所的海翼号水下滑翔机完全是由我国自主研发的。  

中科院沈阳自动化研究所从2003年起持续开展水下滑翔机研发工作,突破系列关键技术,于2005年研制出我国首台水下滑翔机原理样机,2008年研制出工程样机,2009年在南海完成海上试验。  

这13年来,中科院沈阳自动化研究所已研制出了浅海、深海等不同型号的水下滑翔机20余台套,根据工作深度不同,3种水下滑翔机分别承担不同的使命任务。这些水下机器人被命名为“海翼”系列。  

2014年9月,1000米级的海翼号在南海长航程试验中航程达到1022.5公里,持续时间30天,创造我国水下滑翔机海上作业航程最远、作业时间最长的纪录;  

今年3月,搭乘探索一号科学考察船的7000米级海翼号,在马里亚纳海沟又创造了世界最深下潜纪录——6329米。  

“呼叫海底,呼叫海底”,当探索一号科考船在甲板上发出回收指令,已经在马里亚纳海沟下潜10027米、作业600个小时的地震仪,很快挣脱沉耦架的束缚,以每秒0.8米速度、历时4个小时成功返回海面。随着56台仪器回收完毕,我国成为世界上首个成功获取万米级海洋人工地震剖面的国家。  

从海平面到海底,万米下潜并不困难——重力来自于20公斤的沉耦架,带着地震仪在水中自由落体。但是,沉底后能否正常工作,传感器的平衡是关键。  

“在陆地上,可以手动调整地震仪的姿态,落到海底,所处的地形无法选择,地震仪的站立姿态各式各样,需要地震仪在内部自动调整。”国产海底地震仪设计者、中科院地质与地球物理所研究员游庆瑜告诉记者,“形象点说,这时的传感器就是一个不倒翁,不管地震仪怎么掉到海底,内部的地震传感器都能自动调整到平衡姿态。”  

在地震仪内部,有两个负责调平的器件。一个是姿态传感器,负责测量地震传感器的姿态信息,另一个是磁阻式电子罗盘,负责测量地震传感器的方向信息,它们使得地震仪在着底后,身体可以歪斜而内部地震传感器实现平衡。  

但是,要将地动信号转化为电信号并准确拾取,除了平衡,高质量的地震动信号记录还需要地震仪整体构件的良好耦合。游庆瑜打了一个坐汽车的比方,车过坎时晃了一下,你在车上颠了两下,信息必然错误,因为耦合较差;如果将你绑在车上甚至与车同为一体、同频共振,这时的信息与客观吻合,因为耦合良好。  

海底地震仪依靠设计合理的整体结构,使海底与舱球、舱球与传感器互相耦合,以保证万米深渊下与地球同频共振,拾取到的信息准确无误。  

“不论地震仪在海底逗留多久,只有成功收回,才能发挥作用。”海底地震仪设计者、中科院地质与地球物理所研究员郝天珧介绍,“回收率作为检验仪器质量的一个关键指标,各国都在不断摸索。”  

海底地震仪的“粮食”是装载在身上的电池,谁的电量消耗少,谁就能在海底保留的时间长,记录的资料多,留海时间越长,回收率也就越高。郝天珧解释道,在全球范围内,中国的地震仪功耗是最低的。  

2014年冬季,我国在黄岩岛海域回收相同条件下布设的中、法地震仪。在回收时节偶遇台风来袭,船上成员只抢收到部分法国地震仪。等到来年三月,科考船再次来到黄岩岛重收剩余的仪器时,国产仪器悉数收回,法国仪器却因电量耗尽而全军覆没。今年在马里亚纳海沟的不同深度,共布放60台地震仪,成功收回56台,全部使用的自行研制的水声应答释放模块。而且,万米地震仪下潜作业600个小时,待呼唤时“说醒就能醒”。  

“海底水压非常大,海斗深渊的万米压力是100MPa(兆帕),就是1平方厘米负载1吨的重量。一台海洋仪器要到万米深处所承受的压力,相当于一个手指甲盖上要承担一部小轿车的压力。”中科院地质与地球物理所王元博士在中科院做万米深渊科考见闻报告时提到。  

万米地震仪接到返回指令后,以每秒0.8米的速度迅速飞升。海底地震仪由于下潜深、环境压力大,多采用无动力上浮技术,这就需要在耐压同时,可以提供一定的浮力,从而对浮力材料提出了较高要求。在地震仪内部的玻璃球上端,一个嵌在地震仪脖子处的橙色固体“项圈”是整套设备浮升的一个主要动力装置。  

“这种固体浮力材料是以胶黏剂为基体、空心玻璃球为浮力调节介质的复合材料。它的浮力来自低密度空心玻璃球,黏度低、流动性好的树脂粘胶被填入玻璃球之间的缝隙,加温固化后的材料既能均匀承受水的压力,又能抵抗水的渗透。”中船重工七一〇研究所高级工程师陈江介绍说,带有“项圈”的地震仪就像一只水母,在力学控制下沿着直线上升。  

“不同水压对浮力材料的要求是不一样的,适合5000米的材料可能在6000米就不适用,所以,除把握材料选择标准外,还需对浮力材料的配比反复进行探索,制作出不同规格的设备。”陈江说。  

“很多人不知道,除了科研,海底地震仪在海洋划界方面有着重要作用。”郝天珧介绍说。  

中日海洋划界的争议中,冲绳海槽两侧的归属是一个焦点。日本提出以中国东海中线为界,我国认为应以冲绳海槽的中线划界。如何提供证据?中科院地质与地球物理研究所通过地震仪的监测,给解释不清的坡角结构提供了清晰的数据,证明地壳在冲绳海槽处已经有洋壳产生,海槽并不是大陆架的自然延伸,使中日划界的规则发生更改,确定了中国的划界原则。  

在全球,海洋资源勘探是地震仪的用武之地。全球的海底资源调查权对全世界开放,想要获得深水洋中脊开采权,就得先行调查。郝天珧告诉记者,通过海底地震仪探测,我国获得了印度洋大洋中脊相应区域下的地质结构资料,也让我国成为世界上第一个向海底矿产资源委员会提出申请并授勘探权的国家。  

“随着我国深海探测技术的发展,尤其是越来越多的自主研发技术达到国际水平,我国在海洋世界的话语权越来越多,我国在海洋领域的影响力也越来越大。”郝天珧自豪地说。  

深渊科学研究可谓方兴未艾,越来越多的科学家将研究的目光投向了深渊世界。作为国际海洋科学的前沿,深渊科学正逐渐形成深渊地质学、深渊水文学、深渊化学、深渊生物学、深渊微生物学和深渊生态学等各个分支科学。  

海面下6000米深渊至今仍然是地球上最不为人知的世界。这个世界如此神秘、如此与众不同,以至于现代海洋科学专门为“深渊”设立了一个专业术语“Hadal”,来源于希腊神话中的冥界之王哈迪斯,因为那里正是“海洋板块走向死亡的墓地”。  

板块学说认为:在洋中脊产生的新洋壳,通过地幔热对流“传送带”被运往大陆边缘,使海洋板块与大陆板块产生碰撞。海洋板块岩石密度大、位置低,俯冲插入大陆板块之下,进入地幔后逐渐消亡。发生碰撞的地方,通常会形成深渊海沟。  

深渊带是地球表面最深的“负地形”构造。巨大的“静水压力”,仿佛是冥界之王哈迪斯布设的“深渊结界”,使外界生物难以抵达,深渊生物也难以离开;甚至不同深渊带的生物,互相之间也难以“串门”。每一个深渊带,都好像一个黑暗无边、自成一体的世界。  

据统计,地球上共有46个深渊带,平均深度达8216米。其中,33个是海沟,13个是海槽。33个海沟中,有26个位于太平洋。比如,新不列颠海沟就是太平洋众多的海沟之一。海沟大致呈东西向延伸,总长度750公里,平均宽度40公里,深8000多米。新不列颠海沟夹杂在太平洋板块、澳大利亚板块和众多的小板块之间,是地球构造环境最复杂的一个区域,且距离人类居住的岛屿近,受人类活动影响较大,具有重要研究价值。  

俯瞰地球,尽管深渊带的面积仅占全球海底面积的0.2%,但那里是“洋陆斗争”最重要的前沿阵地,是科学家研究岩石圈、生物圈、水圈和深部生物圈等相互作用,分析海洋和深部生物圈进行物质、水和微生物交换,探寻生态系统对极端环境响应等重大科学问题的最佳天然“实验室”  


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