探秘海底深淵 我國科學家再創兩項「世界之最」
2023-04-01 13:25:03 2
「九五」之前，我國海底探測技術還幾乎是空白。如今，我國科學家們已頻頻闖入海底6000米以下那片地球上最不為人知的世界，創造了一個又一個新的「世界之最」——剛聽說了能下潛6329米的深海滑翔機，沒幾天又傳來能下潛10027米的國產海底地震儀的捷報。這些設備主要用途是什麼？它們又是如何做到下得去、待得住、回得來的呢？
地球上最深的地方——西太平洋馬裡亞納海溝，近日見證了一個新的世界紀錄的誕生：中國深海滑翔機海翼號完成大深度下潛觀測任務並安全回收，最大深度達到6329米，大大超過美國水下滑翔機曾創造的最大下潛深度6003米的世界紀錄。這標誌著中國大洋科考裝備能力實現新跨越。
圓筒狀修長的身體，前部長著一對翅膀，頭呈圓弧狀，後面拖著長長的天線尾巴。海翼號外表看起來雖然結構簡單，其貌不揚，但是卻有不靠螺旋槳自我驅動的絕活兒。據研製單位中國科學院瀋陽自動化研究所副主任俞建成介紹，海翼號作為一種新型水下無人潛航器，無需螺旋槳等推進裝置，運用活塞原理改變自身浮力，實現在海中移動。
具體來說，海翼號裝配有一個類似於魚鰾的油囊和可以前後移動的電池。要下潛時，其「魚鰾」縮小，減小浮力，同時電池自動前移，其頭部就下潛，「翅膀」會產生向前的推力，這樣海翼號就有了水平方向速度。要上浮時，「魚鰾」鼓起，浮力增大，電池自動後移，它就會抬起頭向上滑行。在不斷的下潛上浮過程中實現折線前進，就像海豚一樣在大海保持航向不斷前行。就這樣，海翼號在水下沿著「W」形運動軌跡前進。這種驅動方式只需要在調節電池位置和「魚鰾」的時候耗費少許電能，這也造就了其超長的續航能力。
海翼號是我國自主研製的系列水下滑翔機的統稱，按照不同工作深度和承擔的不同任務，分為300米級、1000米級和7000米級等多種類型。
隨著深度增加，水下滑翔機承受的壓力也增大。因此，像7000米級這種大深度水下滑翔機必須使用特殊抗壓材質，才能一方面減輕其自重，為攜帶電池留出足夠空間，以保障其工作時間和距離，另一方面又能保障其安全對抗超大水壓。實際上，海翼號7000米級滑翔機外殼就由一種輕質碳纖維材料製作而成，不僅保障了自身安全，而且減輕了滑翔機的體重，為攜帶充足的電池量提供了條件，保證了滑翔機潛得更深、跑得更遠。
海翼號水下滑翔機作為大洋科考裝備，還要為搭載傳感器進行大洋科考留出足夠空間。一般情況下，它下水作業時攜帶的傳感器可以測得海水的溫度、鹽度、濁度、葉綠素、含氧量等信息，再通過尾部的天線將收集到的數據傳給衛星。俞建成表示，工作人員可以通過衛星通信實現對水下滑翔機的遠程控制和實時數據獲取；還可以根據需要，實現多臺水下滑翔機協同觀測作業，為海洋科學家的研究提供豐富的數據。
我國水下滑翔機的研究起步較晚。由於西方國家在水下滑翔機技術上對我國實行封鎖，中科院瀋陽自動化研究所的海翼號水下滑翔機完全是由我國自主研發的。
中科院瀋陽自動化研究所從2003年起持續開展水下滑翔機研發工作，突破系列關鍵技術，於2005年研製出我國首臺水下滑翔機原理樣機，2008年研製出工程樣機，2009年在南海完成海上試驗。
這13年來，中科院瀋陽自動化研究所已研製出了淺海、深海等不同型號的水下滑翔機20餘臺套，根據工作深度不同，3種水下滑翔機分別承擔不同的使命任務。這些水下機器人被命名為「海翼」系列。
2014年9月，1000米級的海翼號在南海長航程試驗中航程達到1022.5公裡，持續時間30天，創造我國水下滑翔機海上作業航程最遠、作業時間最長的紀錄；
今年3月，搭乘探索一號科學考察船的7000米級海翼號，在馬裡亞納海溝又創造了世界最深下潛紀錄——6329米。
「呼叫海底，呼叫海底」，當探索一號科考船在甲板上發出回收指令，已經在馬裡亞納海溝下潛10027米、作業600個小時的地震儀，很快掙脫沉耦架的束縛，以每秒0.8米速度、歷時4個小時成功返回海面。隨著56臺儀器回收完畢，我國成為世界上首個成功獲取萬米級海洋人工地震剖面的國家。
從海平面到海底，萬米下潛並不困難——重力來自於20公斤的沉耦架，帶著地震儀在水中自由落體。但是，沉底後能否正常工作，傳感器的平衡是關鍵。
「在陸地上，可以手動調整地震儀的姿態，落到海底，所處的地形無法選擇，地震儀的站立姿態各式各樣，需要地震儀在內部自動調整。」國產海底地震儀設計者、中科院地質與地球物理所研究員遊慶瑜告訴記者，「形象點說，這時的傳感器就是一個不倒翁，不管地震儀怎麼掉到海底，內部的地震傳感器都能自動調整到平衡姿態。」
在地震儀內部，有兩個負責調平的器件。一個是姿態傳感器，負責測量地震傳感器的姿態信息，另一個是磁阻式電子羅盤，負責測量地震傳感器的方向信息，它們使得地震儀在著底後，身體可以歪斜而內部地震傳感器實現平衡。
但是，要將地動信號轉化為電信號並準確拾取，除了平衡，高質量的地震動信號記錄還需要地震儀整體構件的良好耦合。遊慶瑜打了一個坐汽車的比方，車過坎時晃了一下，你在車上顛了兩下，信息必然錯誤，因為耦合較差；如果將你綁在車上甚至與車同為一體、同頻共振，這時的信息與客觀吻合，因為耦合良好。
海底地震儀依靠設計合理的整體結構，使海底與艙球、艙球與傳感器互相耦合，以保證萬米深淵下與地球同頻共振，拾取到的信息準確無誤。
「不論地震儀在海底逗留多久，只有成功收回，才能發揮作用。」海底地震儀設計者、中科院地質與地球物理所研究員郝天珧介紹，「回收率作為檢驗儀器質量的一個關鍵指標，各國都在不斷摸索。」
海底地震儀的「糧食」是裝載在身上的電池，誰的電量消耗少，誰就能在海底保留的時間長，記錄的資料多，留海時間越長，回收率也就越高。郝天珧解釋道，在全球範圍內，中國的地震儀功耗是最低的。
2014年冬季，我國在黃巖島海域回收相同條件下布設的中、法地震儀。在回收時節偶遇颱風來襲，船上成員只搶收到部分法國地震儀。等到來年三月，科考船再次來到黃巖島重收剩餘的儀器時，國產儀器悉數收回，法國儀器卻因電量耗盡而全軍覆沒。今年在馬裡亞納海溝的不同深度，共布放60臺地震儀，成功收回56臺，全部使用的自行研製的水聲應答釋放模塊。而且，萬米地震儀下潛作業600個小時，待呼喚時「說醒就能醒」。
「海底水壓非常大，海鬥深淵的萬米壓力是100MPa（兆帕），就是1平方釐米負載1噸的重量。一臺海洋儀器要到萬米深處所承受的壓力，相當於一個手指甲蓋上要承擔一部小轎車的壓力。」中科院地質與地球物理所王元博士在中科院做萬米深淵科考見聞報告時提到。
萬米地震儀接到返回指令後，以每秒0.8米的速度迅速飛升。海底地震儀由於下潛深、環境壓力大，多採用無動力上浮技術，這就需要在耐壓同時，可以提供一定的浮力，從而對浮力材料提出了較高要求。在地震儀內部的玻璃球上端，一個嵌在地震儀脖子處的橙色固體「項圈」是整套設備浮升的一個主要動力裝置。
「這種固體浮力材料是以膠黏劑為基體、空心玻璃球為浮力調節介質的複合材料。它的浮力來自低密度空心玻璃球，黏度低、流動性好的樹脂粘膠被填入玻璃球之間的縫隙，加溫固化後的材料既能均勻承受水的壓力，又能抵抗水的滲透。」中船重工七一〇研究所高級工程師陳江介紹說，帶有「項圈」的地震儀就像一隻水母，在力學控制下沿著直線上升。
「不同水壓對浮力材料的要求是不一樣的，適合5000米的材料可能在6000米就不適用，所以，除把握材料選擇標準外，還需對浮力材料的配比反覆進行探索，製作出不同規格的設備。」陳江說。
「很多人不知道，除了科研，海底地震儀在海洋劃界方面有著重要作用。」郝天珧介紹說。
中日海洋劃界的爭議中，衝繩海槽兩側的歸屬是一個焦點。日本提出以中國東海中線為界，我國認為應以衝繩海槽的中線劃界。如何提供證據？中科院地質與地球物理研究所通過地震儀的監測，給解釋不清的坡角結構提供了清晰的數據，證明地殼在衝繩海槽處已經有洋殼產生，海槽並不是大陸架的自然延伸，使中日劃界的規則發生更改，確定了中國的劃界原則。
在全球，海洋資源勘探是地震儀的用武之地。全球的海底資源調查權對全世界開放，想要獲得深水洋中脊開採權，就得先行調查。郝天珧告訴記者，通過海底地震儀探測，我國獲得了印度洋大洋中脊相應區域下的地質結構資料，也讓我國成為世界上第一個向海底礦產資源委員會提出申請並授勘探權的國家。
「隨著我國深海探測技術的發展，尤其是越來越多的自主研發技術達到國際水平，我國在海洋世界的話語權越來越多，我國在海洋領域的影響力也越來越大。」郝天珧自豪地說。
深淵科學研究可謂方興未艾，越來越多的科學家將研究的目光投向了深淵世界。作為國際海洋科學的前沿，深淵科學正逐漸形成深淵地質學、深淵水文學、深淵化學、深淵生物學、深淵微生物學和深淵生態學等各個分支科學。
海面下6000米深淵至今仍然是地球上最不為人知的世界。這個世界如此神秘、如此與眾不同，以至於現代海洋科學專門為「深淵」設立了一個專業術語「Hadal」，來源於希臘神話中的冥界之王哈迪斯，因為那裡正是「海洋板塊走向死亡的墓地」。
板塊學說認為：在洋中脊產生的新洋殼，通過地幔熱對流「傳送帶」被運往大陸邊緣，使海洋板塊與大陸板塊產生碰撞。海洋板塊巖石密度大、位置低，俯衝插入大陸板塊之下，進入地幔後逐漸消亡。發生碰撞的地方，通常會形成深淵海溝。
深淵帶是地球表面最深的「負地形」構造。巨大的「靜水壓力」，仿佛是冥界之王哈迪斯布設的「深淵結界」，使外界生物難以抵達，深淵生物也難以離開；甚至不同深淵帶的生物，互相之間也難以「串門」。每一個深淵帶，都好像一個黑暗無邊、自成一體的世界。
據統計，地球上共有46個深淵帶，平均深度達8216米。其中，33個是海溝，13個是海槽。33個海溝中，有26個位於太平洋。比如，新不列顛海溝就是太平洋眾多的海溝之一。海溝大致呈東西向延伸，總長度750公裡，平均寬度40公裡，深8000多米。新不列顛海溝夾雜在太平洋板塊、澳大利亞板塊和眾多的小板塊之間，是地球構造環境最複雜的一個區域，且距離人類居住的島嶼近，受人類活動影響較大，具有重要研究價值。
俯瞰地球，儘管深淵帶的面積僅佔全球海底面積的0.2％，但那裡是「洋陸鬥爭」最重要的前沿陣地，是科學家研究巖石圈、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進行物質、水和微生物交換，探尋生態系統對極端環境響應等重大科學問題的最佳天然「實驗室」
