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从人体是否直接暴露高压上看,潜水分为普通潜水和承压潜水,后者典型的就是潜水艇和耐压潜水服。普通潜水需要人体挑战高压,不仅需要呼吸高压气体,身体组织还需要承受高压带来的影响,一般高等生物组织难以耐受100个大气压,相当于1000米深度,但海洋的最大深度超过10000米,这就需要依赖耐压容器的协助才能完成大深度潜水任务。中国过去在这方面比较落后,近年来我们这方面取得了非常骄人成就。《自然》杂志最近采访了一位国际这一领域的牛人,给我们介绍了潜水和深度潜水的相关知识。
人类对深海的影响最终将塑造我们的未来。寻求更深的动力应该是提高对深海如何运作以及在那里发现什么的理解,更好地保护它。
Diving deep: the centuries-long quest to explore the deepest ocean (nature.com)
在1620年代,荷兰发明家科内利斯·德雷贝尔(Cornelis Drebbel)被认为建造了第一艘潜艇,他可能掌握了从空气中分离氧气的技术,用于来帮助水下呼吸(这个时代人类还不知道氧气,估计只是发明了压缩空气技术,可从水面给他的潜水艇供空气)。在1660年代,伦敦皇家学会的罗伯特·胡克(Robert Hooke)在海浪下拖着倒置的空气桶,以探索空气和水压如何随深度变化。胡克的雇主罗伯特·博伊尔(Robert Boyle)证明,压缩空气会降低容器的浮力。也建立了科学史上第一物理学定律Boyle定律。
似乎每个人都在想出人们如何在水下度过更多时间的想法。在 1690 年代,英国天文学家埃德蒙·哈雷设计了一种系统,将空气桶降低到潜水钟,以便游泳者可以进行打捞作业;他回忆说,他和其他四人对它进行了大约18米深的测试。到十八世纪初,芬兰一位不知名的工匠将世界上保存下来的最古老的潜水服缝合在一起,由空气软管提供,由皮革制成,接缝用沥青密封。这种潜水服可能气体泄漏得非常厉害。
深入海洋意味着与空气和水的物理学因素作斗争,以研究如何保持可呼吸的空气供应,以及如何在没有可怕的“减压病”的情况下返回,在这种情况下,氮气泡在血液中形成。
杰夫·梅纳德(Jeff Maynard)是一位参与历史潜水协会的作家,他详细介绍了早期潜水技术的发展。压缩空气罐于1860年出现在潜水现场,这要归功于法国采矿工程师Benoît Rouquayrol。1878年,英国水手亨利·弗勒斯(Henry Fleuss)发明了一种通过呼吸面罩注入氧气的方法,并通过浸泡在钾盐中的纱线循环呼吸气,以清除二氧化碳。这为现代水肺,即“自给式水下呼吸器”开辟了道路。
早期潜水和今天常见的工程潜水都是让人暴露在高压环境下。超过1000米(人类高压暴露潜水最大深度约700米)海洋深度的潜水则不可能采用这样的形式,只能采用耐压潜水艇的模式进行。
Dawn Wright and Victor Vescovo after their journey to the ocean’s deepest point in 2022.
梅纳德的叙述随着他转向建造深海船只的竞赛而加快。角色阵容广泛而狂野,从美国工程师奥蒂斯·巴顿开始。在 1920 年代后期,他设计并资助建造了一个“深海球”,这是一种金属球体,可以通过船上的电缆下降到深处。巴顿与纽约动物园的博物学家威廉·比比(William Beebe)合作并最终进行了战斗,后者因联合深海潜水而成为人们关注的焦点。
1930年,他们达到了245米,创下了纪录。1934年,他们下潜到900米左右。Beebe回味地写道:“除非我真正被封闭在某个未来火箭中并开始进入星际空间的旅程,否则我永远不会体验到这种与地球表面完全隔离的感觉”。
1940年代后期,随着瑞士物理学家奥古斯特·皮卡德(Auguste Piccard)发明深海潜水艇(本质上是一种具有更好浮力控制的深海潜水球),这项竞赛爆发了,他曾经靠气球上升到很高的高度而举世闻名。皮卡德和他的儿子雅克与意大利工程师和资助者合作建造了几个深海潜水艇。1953年,它们下潜到3.1公里的深度。一年后,由乔治·胡特和皮埃尔·威廉率领的一支敌对法国队再次达到4公里深度。
在此之后,挑战者深渊的大潜水是剩下的一个伟大的奖品。美国海军购买了皮卡德号的船只的里雅斯特号,并将其中尉唐·沃尔什(Don Walsh)安排在船上。1960年,沃尔什和雅克·皮卡德下降到海洋最深处。
这是一个对最深海重新产生兴趣的时代。美国领导人曾表示,深海海沟可能是倾倒核废料的好地方,认为这些材料将保持控制,无论如何,那里没有生命可担心(这馊主意!)。到达底部时,皮卡德报告说看到一条鱼,扁平的,有眼睛;一些人猜测这是一个谎言,旨在阻止任何核倾销计划。
英国皇家海军舰艇HMS Challenger在1870年代进行的第一次重大海洋学调查,挑战者深渊以它的名字命名。不可信的“水猿”理论,即人类在水中进化,这令人遗憾。梅纳德迅速放弃了海洋学探索的现代发展,例如水下驾驶船只,包括由马萨诸塞州伍兹霍尔海洋研究所运营的美国海军阿尔文号,自1964年投入使用以来,该研究所已经探索了数千次潜水的深海生物学和地质学。
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