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探索神秘“蔚藍”的“利器”——世界海洋日看我國自主研發(fā)深海探測裝備

發(fā)布者:上海市質(zhì)量協(xié)會(huì )網(wǎng) 發(fā)布日期:2020-06-10
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6月8日是世界海洋日,雖然人類(lèi)對海洋的認識在加速,但對其依然知之甚少,特別是對深海的探索還處在“盲人摸象”階段。認知、探索深海首先需要探測“利器”,除了“蛟龍”號,我國還有一批自主研發(fā)的深海探測“黑科技”,“海翼”系列水下滑翔機、深海原位拉曼光譜探針、“診脈”深海的實(shí)時(shí)潛標就是其中典型代表。

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科考隊員在布放“海翼”系列水下滑翔機(資料照片)。新華社發(fā)

深海劃出優(yōu)美“V”字形

看上去猶如個(gè)頭不一的“火箭”,它們不是上天而是入海。

“海翼”系列水下滑翔機由中國科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所自主研發(fā),是一種新概念水下機器人,通過(guò)調節自身浮力和姿態(tài)以實(shí)現在水中滑行,作業(yè)深度覆蓋300米至7000米,可連續工作幾十天至幾個(gè)月,航行范圍可達幾千公里,將收集到的海水溫度、鹽度、濁度、含氧量,以及海流強度和運動(dòng)方向等數據,實(shí)時(shí)回傳至陸地。

中國科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所副研究員金文明說(shuō),“海翼”是靠浮力驅動(dòng),這一技術(shù)讓其在水下運行軌跡呈較大“V”字形,仿佛在坐“過(guò)山車(chē)”。“海翼”在每個(gè)運動(dòng)周期的頂點(diǎn)和底端進(jìn)行浮力調節,所以能跑得更遠、更節能,具有大范圍、長(cháng)時(shí)間連續海洋環(huán)境觀(guān)測優(yōu)勢。

目前,中國科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所形成了300米、1000米、1500米、4500米、7000米、混合驅動(dòng)型、聲學(xué)型等多種深度和類(lèi)型的“海翼”系列水下滑翔機。

“海翼”系列水下滑翔機在東海、南海、印度洋和太平洋完成多次海上試驗與應用,累計海上工作6400多天,觀(guān)測距離16萬(wàn)多公里,獲得4.6萬(wàn)多條剖面數據。

2017年7月至8月,12臺“海翼”水下滑翔機在南海開(kāi)展組網(wǎng)同步觀(guān)測;2018年10月,“海翼”7000米在馬里亞納海溝最大下潛深度達7076米。

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科考隊員對西太平洋科學(xué)觀(guān)測網(wǎng)的潛標進(jìn)行維護升級(資料照片)。新華社發(fā)

“一照”即知“何方神圣”

熱液、冷泉是近年來(lái)深海研究熱點(diǎn),但要想知道這些流體的準確組分卻異常困難。因為如果將熱液樣品帶回實(shí)驗室分析,受溫度、壓力變化及海水混入影響,熱液噴口流體的化學(xué)成分或濃度會(huì )明顯改變。雖然可以利用保壓、保溫儲存裝置獲得保真樣品,受取樣方法限制,分析數據與實(shí)際仍有明顯差異。

中國科學(xué)院海洋研究所自主研發(fā)的深海原位拉曼光譜探針就像“照妖鏡”一般,激光打到目標探測物上就能立即知道其含有何種物質(zhì),以及各種物質(zhì)的濃度如何。

中國科學(xué)院海洋研究所研究員張?chǎng)谓榻B,深海原位拉曼光譜探針應用的是拉曼散射原理。當激光照射到樣品上,樣品中的分子使入射光發(fā)生散射,其中一種散射光頻率會(huì )發(fā)生改變,這就是印度科學(xué)家拉曼發(fā)現的拉曼散射現象。由于不同分子會(huì )產(chǎn)生不同的散射光頻率,利用激光拉曼光譜設備獲得的拉曼光譜數據,和已知物質(zhì)的光譜數據比對,即可知道樣品是何種組分。

“國外研制出了能適應深海壓力環(huán)境的原位拉曼光譜儀,但熱液噴口高溫、高壓、強酸(堿)和渾濁的流體環(huán)境,一直被認為是光學(xué)鏡頭禁區。”張?chǎng)握f(shuō),深海原位拉曼光譜探針成功突破普通光學(xué)鏡頭不耐高溫和防顆粒附著(zhù)性能差等難題,可直接插入450攝氏度深海熱液噴口,為深海熱液化學(xué)性質(zhì)研究提供了裝備支撐。

借助深海原位拉曼光譜探針,我國科學(xué)家已獲得多項突破性成果:在南海首次觀(guān)測到裸露在海底的天然氣水合物,首次在自然界發(fā)現超臨界二氧化碳,揭示深海“倒置湖”神秘現象……

實(shí)時(shí)獲取深海“脈搏”

海洋實(shí)時(shí)觀(guān)測數據長(cháng)期依靠衛星遙感和浮標。用于觀(guān)測水下和深海數據的潛標只能每年回收一次,無(wú)法像衛星遙感和浮標那樣獲得實(shí)時(shí)數據。這是因為潛標最上面一個(gè)浮體距離海平面還有四五百米,數據很難穿透海水傳輸到衛星上。

中國科學(xué)院海洋研究所研究員汪嘉寧介紹,在西太平洋科學(xué)觀(guān)測網(wǎng)建立過(guò)程中,科研人員突破了潛標數據無(wú)法長(cháng)期穩定實(shí)時(shí)傳輸的海洋觀(guān)測難題,并將實(shí)時(shí)傳輸觀(guān)測數據的深度由1000米逐步拓展至6000米。

“科研人員在水面上安裝了一個(gè)實(shí)時(shí)傳輸數據的浮體,它與潛標通過(guò)無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)兩種方式連接。潛標將數據傳輸給浮體,浮體發(fā)射到衛星上,衛星再反饋回陸地實(shí)驗室。”汪嘉寧說(shuō)。

2019年,西太平洋科學(xué)觀(guān)測網(wǎng)開(kāi)始由北斗衛星實(shí)時(shí)傳輸潛標數據,提高了深海數據實(shí)時(shí)傳輸的安全性、自主性和可靠性。科研人員還依靠北斗衛星實(shí)現了雙向通訊,數據不僅能實(shí)時(shí)回傳至陸地實(shí)驗室,科研人員也能在陸地遠程控制深海潛標。

截至目前,由20套潛標和3套大型浮標組成的西太平洋科學(xué)觀(guān)測網(wǎng),已持續穩定運行6年,服務(wù)于深海前沿研究、氣候預報和海洋環(huán)境預報等,特別是實(shí)時(shí)傳輸回的數據提高了氣候和海洋環(huán)境預報精度。

來(lái)源:新華社


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