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海底联网观测系统建设:中国能否在新的海洋科学革命中抓住机遇

已有 2900 次阅读 2008-12-18 17:31 |个人分类:栏目风采|系统分类:观点评述

栏目名称:科学透视
栏目主持:肖洁 
 
本期关注:我国开建“海底直播室”
 
日前多家媒体报道,一个可以直播上海海域海底实况的“直播室”将于明年年初开建,并称未来这个1公里长但造价高达200万元的网络将覆盖上海的周边海域并担当重任。
 
 
 
 

文:汪品先

同济大学海洋与地球科学学院教授、中国科学院院士

 

 

 

 
明年年初,我国首个海底联网观测平台第一期工程将在上海附近海域开始建设。很多媒体对此进行了关注并寄予厚望,有的报道标题甚至直接说“上海将建海底直播室提前7秒预报地震”。其实,我国的海底观测系统建设刚刚起步,离“提前7秒预报地震”还远得很。未来能否达到这些目标,还要看我们能否在即将到来的海洋科学新革命中抓住机遇。
 
最大优势:长期和实时观测
 
带来这场新革命的,正是海底观测系统的大规模建设。
 
人类认识世界的过程,是一部不断扩展视野的历史。假如把地面与海面看作地球科学的第一个观测平台,把空中的遥测遥感看作第二个观测平台,那么新世纪在海底建立的将是第三个观测平台。我们在海底布设观测网,用电缆或光纤供应能量并收集信息,多年连续作自动化观测,随时提供实时观测信息,这将从根本上改变人类认识海洋的途径,所有相关的研究课题都会为之一新。
 
海底观测系统最大的优势就在于长期和实时。
 
长期现场观测是当代地球科学的要求。当地球科学处在描述阶段、以寻找矿产资源为主要目标的时候,探险、考察大体上可以解决问题;而现代的地球科学要作环境预测,就只有通过过程观测才能揭示机理。对于动态的过程,不管是风向、海流还是火山爆发,都要求连续观测,只摄取个别镜头的“考察”无济于事。
 
一个例子是海洋沉积。长期以来,人们总以为这是一种缓慢、均匀的过程。1978年,人们发明了“沉积捕获器”,把下面装有杯子的“漏斗”投放到海水深层,每隔几天换一“杯”,看沉积颗粒究竟是怎样降到海底的。结果大出意外:有的杯子几乎是空的。原来海洋里的沉积作用平时微乎其微,来时如疾风暴雨,是突发性的。
 
但凡是在海里作连续观测都有能源供应和信息回收的限制,因为必须定期派船更换电池、取回观测记录。这种一年半载以后才能取回的记录,连续但并不及时,而海上预警要求有实时观测的信息,不是要“事后诸葛亮”。而且海面作业更大的限制在于安全,而偏偏最不安全时候的观测最有价值,比如台风和海啸。
 
海底联网观测的优点在于摆脱了电池寿命、船时与舱位、天气和数据迟到等种种局限性,科学家可以从陆上通过网络实时监测自己的深海实验,命令自己的实验设备冒着风险去监测风暴、地震、藻类勃发、海底喷发和滑坡等各种突发事件。
 
由表及里助力地震监测
 
海底观测最早的主题就是地震。将地震仪放到海底,最好是海底钻井的基岩里,可以大大提高监测地震的灵敏度和信噪比。1991年开始建设的“大洋地震网”,就是在大洋钻探的钻孔中设置地震仪。第一个设在夏威夷西南海底玄武岩里的地震仪,仅4个月就记录了55次远距离的地震。
 
海底监测地震,目的是要测得地壳微细的移动,而对此最为敏感的是地壳里的液体。“海底井塞”(CORK)装置可以防止地层水从井口逸出,或者海水从井口侵入;既能测定岩石中流体的温度、压力,还可以取样分析。目前,大洋钻探已在18个井口安装了“海底井塞”,大大推进了“大洋地震网”计划。
 
上世纪,美国和日本都曾利用退役的越洋电缆,建设深水地震监测站,大幅度降低了成本。
 
长期蹲点原位分析
 
地球系统的观测不仅贵在实时,而且有许多内容还必须在原位进行分析。到野外进行现场采样,回室内开展实验分析,这是地球科学的传统。但是,热液的温度、pH值采回来就变了;深海的许多生物取上来也就死了;甚至沉积物颗粒,本来的团粒,一经采样也就散了。分析的结果都不是水层里的真实情况。
 
新的方向是:把实验室的仪器投到海里去分析样品。例如浮游生物,通常使用浮游网采集,取上后在显微镜下观测鉴定。但是,对细菌之类小于2微米的微微型浮游生物,要依靠激光原理用流式细胞计才能统计。新近发明的下潜流式细胞计则可以直接投入海中作自动的连续测量。再进一步的发展,一是水下显微镜,使下潜的细胞计具有成像功能,依靠光纤将水里的生物图像发回,全面鉴定统计从硅藻到细菌各种不同大小的浮游生物;二是DNA探针,放到海里原位测量生物的基因,在分子水平上测定各种浮游生物的丰度,从而发展微生物海洋学新学科。
 
海水中的原位观测,只要将传感器与海底的节点连接,就成了海底观测系统的一部分。
 
我国应及早介入国际竞争
 
进入21世纪,围绕海洋的国际之争,最令人瞩目的就是海底观测系统的竞争。这既预示着科学上的革命性变化,同时也有军事上的重要性。
 
在这场正在酝酿的海上竞争中,走在最前面的是美国。其实最早进行海底观测的正是美国海军,他们的声波监听系统既可以监听鲸鱼和地震,也可以监听潜艇。经过十多年的讨论,美国2006年通过了由近海、区域、全球三大海底观测系统组成的“海洋观测计划”(OOI),去年起建,计划使用30年。其中最为重要的是区域性海底观测网,即东北太平洋的“海王星”(NEPTUNE)计划,由美、加两国联合投资,在整个胡安·德富卡板块上,用2000多公里光纤带电缆,将上千个海底观测设备联网。可惜的是,美国政府沉湎于打仗,科研经费不到位,使得科学计划不能及时实施。
 
美国的计划已经在欧洲和日本得到响应。2004年,英、德、法等国制定了“欧洲海底观测网计划”(ESONET),针对从北冰洋到黑海不同海域的科学问题,在大西洋与地中海精选10个海区设站建网,进行长期海底观测,当前的困难也在经费。日本则已经在其附近海域建立了8个深海海底地球物理监测台网,有的已经和陆地台站相连接进行地震监测;2003年又提出ARENA计划,将沿着俯冲带海沟建造跨越板块边界的观测站网络,用光缆连接,进行海底实时监测。“提前7秒预报地震”正是日本人提出的科学目标。
 
相比这些国家,我国则刚刚起步。此次在长江口外建设东海内陆架的浅水观测站,主要是为了研究这样几个问题:首先是长江口的泥沙输运问题,尤其是台风条件下的运动,这关系到港口建设的安全。第二是海洋的生态环境变化。比如长江口外海域每年都有一块区域是缺氧的,并且位置每年都在变化,而营养元素的不恰当分布可能造成灾难性的后果。第三是地震监测。
 
此次计划开工的项目电缆只有一公里长,水只有三四十米深;下一步我们肯定要走向深海。但是,走向深海还要面临更多的技术挑战:压力、温度、电路接驳安全等。而且,我国全面的海底观测系统建设计划还没有提上议事日程。
 
可以预料,海底观测网建设的国际竞争,在若干年内必将引发国际权益与安全之争。在新一轮的海洋竞争中,我们不要再走“迟到”的老路了。海底联网观测早晚都要国际化,尽早介入,才能在相关国际规则的制定中取得话语权。好在海底观测系统的全面建设,即便发达国家目前也才处于起步阶段,如果我国能够立即部署、尽快行动,完全有可能在这场新的海上竞争中争得主动。


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