人类进入深海世界

    |     2015年5月19日   |   公益资讯   |     评论已关闭   |    3101

人类进入深海世界

文/汪品先

  近半个世纪来地球科学一项最大的进展,是深海世界的发现。探索与开发深海世界,将对21世纪人类和海洋的关系产生重大影响。如果15—16世纪人类和海洋关系的变化,是中国从海上强国到没落的转折,那么21世纪的变化,将在很大程度上决定华夏振兴的命运。

 

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深海的发现动摇了人类的传统认识

几千年来,深海一直是人类视域之外的神秘世界。半个世纪的探索揭示了深海的真相:海洋原来是一个双向系统,不但有自上而下,还有自下而上的运动,只是深海底部运动的时间尺度和地球表层不同。你以为不会动的海底,正在沿着“大洋中脊”扩张,但是一年的扩张也不过一二十厘米;你以为宁静的深海,居然也会有几千米深处的“深海风暴”,但是深层海水要经过上千年的旅程,才能回到海面“重见天日”;不但深海有生物,深海底下的岩石和地层里也有“深部生物圈”,这里是地球上大部分微生物的“家园”,只是这里的微生物新陈代谢极其缓慢,据推测几千年才能繁殖一次。

深海世界的发现,动摇了我们的传统认知。人类总以为只有阳光雨露才是生命的依托,而深海热液和深海“黑暗食物链”的发现,说明“万物生长靠太阳”的概念并不全面。地球上其实有两种能源:一种是太阳核聚变所产生的辐射能,靠叶绿素通过光合作用制造有机物质,驱动水文循环与大气过程调控着气候;另一种是地球内部核裂变所产生的地热,靠深海硫细菌通过化学合成作用制造有机物质,并且通过海底热液与火山作用的途径,驱动着地球表层的碳循环和气候变化。古人就已知道火山爆发的威力,但是地球内部能量在深海底部不断产生的影响,是近几十年才开始研究的新领域。

深海对人类未来的影响难以估量

深海世界的科学发现,对人类未来的影响难以估量。首先是能源和资源。估计2015年,世界39%的原油将来自海底,而近10年发现的海底大油田三分之二都在深海;深海的新能源“可燃冰”已投入开采,有人估计“可燃冰”中碳的总储量,有可能超过全球所有矿物燃料中碳含量的总和。海底石油的主要来源固然是海洋表层的生物,但是深海“可燃冰”中甲烷的生成,极可能部分来源于地球的内部活动。海底矿产中目前已经试验开采的金属硫化物,则是典型的来自地球内部的资源:海水渗入海底数千米的深处与岩浆接触变成热液,上升时将地球内部的金属元素带到海底。“深部生物圈”微生物的生存肯定与地球内部能量有关,而其中的生物与基因资源如何利用,还是摆在科学界面前的新课题。

深海对正在为能源与资源枯竭发愁的人类来说,无疑点燃了新的希望。人类还有另一桩忧愁,那就是生存环境的恶化,而深海世界恰恰又是控制地球表面宏观生态环境的关键因素。就拿全球变暖、温室效应来说,海水里的碳是大气里的60倍,主要的储库也是在深海,因此只有正确认识深海碳循环,才能对大气圈温室气体的长期变化做出科学的预测。不仅如此,地球内部的碳储量比地球表层多得多,主要也是通过深海海底和地球表层进行交换,而我们今天只做表层碳循环的研究,就想对温室气体含量变化做长期预测,显然也有片面性。

三大技术手段探索深海

既然深海如此重要,人类就应该进入深海,研究深海,开发深海。人类自古以来就有入海的愿望,最早潜水的大概是采珠人,单靠屏住呼吸钻入水底,可以在水中几米深的地方待上两三分钟。现在不用呼吸装置的“自由潜水”,已经有超过百米的世界纪录。但这些都没有超出岸边浅水的范围,海水的深度每增加10米,其压力增加一个标准大气压,真的到深海大洋里,人即使不淹死也会被压扁。

一种办法是穿着金属“潜水服”,里面保持一个标准大气压,潜水员可以在几百米的海底活动。进一步的办法是乘坐潜水器,比如我国的“蛟龙”号深潜器可以下潜到7000米。深潜器还有无人驾驶的类型,在许多情况下可以派遣这种“水下机器人”替我们探索深海。

海底下面不但有微生物世界,还有深海的地下水在活动,被喻为“海底下的海洋”。探索海底下的世界,只有两种办法:地球物理和深海钻探。地球物理是指采用各种物理手段,从船上或者海底上面间接地探测地震波等;深海钻探则是直接的探测,用钻机从船上向海底下面钻进,通过钻具和测井采集样品、测量参数。深海钻探有很高的技术要求,从1968年以来一直通过国际合作共同实施,是探索深海海底过程和地球内部世界的主要手段,深海钻探船是人类探索深海的“航空母舰”。

无论“深潜”还是“深钻”,都是一时一地的探索,而海洋在不断地变化。从前我们以为表层洋流就像河流一样基本稳定,现在知道海洋是个涡流世界,海流的方向、流速都在变,流速的误差不是“10±1”,而是“1±10”。因此,认识海洋不能只靠短暂的“视察”,而需要在现场长期“蹲点”。最近国际海洋界的新热点,就是建设海底观测网,将监测各种海洋过程的传感器安置到海底,用光电缆连接后通到陆上,可以从室内对海底进行全天候的实时现场监测。于是,当前在国际前沿出现了“深潜”“深钻”“深网”三大手段探索深海的新局面。在这“三深”之中,新出现的“深网”技术具有特殊的发展前景。

建设海底观测网是进军深海的壮举

从船上探索海洋有个“致命”的弱点:越是需要探测的关键时刻越探测不成。台风、海啸来了,最需要现场观测,但是船在台风、海啸来之前就得撤退。海底观测的优势在于:可以一年四季、不分昼夜地进行现场原位的连续观测,而且可以实时获得数据,及时采取对策,比如海啸预警。

自从20年前美国建设第一个近岸浅海观测网以来,北美、西欧与日本都将建设海底观测网摆在海洋科技发展的首位。2009年,加拿大在其西海岸外建成了当今世界最大的深海观测网,用800千米的光电缆铺到3000米的深水海底,长期观测热液与板块活动;2011年,日本在本州南岸外完成了以地震海啸为主题的海底观测网一期工程,正在开展二期建设;2014年,世界最大的海底观测系统将在美国建成。我国从2009年开始着手建设小型试验站,目前正积极筹备建设国家海底科学观测系统的大科学工程。

海底观测网的建设,是人类进入深海世界的重大举措。几千年来,人类都是从海洋外面观察和开发海洋,而新发现的深海世界正等待着人类“常驻”海底,朝夕“相守”。科学家即便不能“躬亲”,也要有可靠的“代理”进入深海,海底观测系统就是我们忠实的“代理”。将传感器放置海底,向上观测水层、向下探索地球内部,只要传感器设计先进,海洋的各种过程都在监测之列,甚至可以直接测定海水里的DNA,也可以用图像摄影的方法设置水下的“生物显微镜”。

建设海底观测网是进军深海的科学壮举,可以比作将“气象站”和“实验室”建在海底。原来是从海上采集样品回到实验室分析,现在是在海里分析好了将数据送回实验室。若干年后,可望在家里的电视机上观看海底火山爆发的现况直播!

深海世界探索与开发的前景,将是人类和海洋关系的重大变化。人类和海洋关系的历史转变,第一次发生在15—16世纪,随着西欧航海家的成功,人类进入世界大洋,带来了“地理大发现”和西欧的“大国崛起”。21世纪正在发生第二次变化,海洋的开发从海面拓展到海底,人类从陆地进入深海世界,只是变化的后果目前还难以预料。可以肯定地说:如果15—16世纪的变化伴随的是争夺殖民地与奴隶的战争,那么21世纪的变化将是高科技的国际较量;如果15—16世纪的变化是中国从海上强国到没落的转折,那么21世纪的变化,将在很大程度上决定华夏振兴的命运。

(本文作者汪品先,海洋地质学家。现任同济大学海洋与地球科学学院教授。曾任国际海洋研究科学委员会副主席、中国海洋研究委员会主席。1991年当选中国科学院院士,2002年当选第三世界科学院院士。)

——选自《科学画报》

来源: http://www.haokoo.com/else/3220851.html