海底一萬米我們?yōu)楹我芯可詈?/h1>
2021-04-18 23:33
科學(xué)大觀園 2021年7期
2020年11月10日，中國研發(fā)的萬米載人潛水器“奮斗者”號在馬里亞納海溝成功坐底，坐底深度10909米。為什么這些年我國不斷研發(fā)深海深潛器呢？中科院院士、同濟大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院教授汪品先這樣回答：“因為深海是人類在地球上了解最少的區(qū)域，深海地下更是一片未知世界。”
為什么要研究深海
海面3000米之下暗流涌動，海底居然是漏的，有些生物是可以不需要依靠太陽生存的，大洋之下的巖石是會移動的，海底深處隱藏著可能會影響人類未來的神秘寶藏……這些你會好奇嗎？
深海底下兩億年的沉積層，記錄了地球歷史上無數(shù)精彩的故事。從深海提取“檔案”，追溯大洋水圈和巖石圈的變化歷史。這種歷史記錄只有深海海底才能保存，經(jīng)過分析解讀，猶如是找到了地球的《資治通鑒》。深海還隱藏著更多的人類發(fā)展寶藏，由內(nèi)而外影響著我們的環(huán)境、我們的生活。
還有惹人注目的深海生命，世界大洋估計22萬種動物，有10億個類型的微生物，尤其是深海的生物有著各種各樣的“特殊功能”。有的能適應(yīng)高溫高壓，有的能在還原缺氧環(huán)境下繁盛，更有的有著非人類尺度的長壽能力，而提供這些特殊功能的基因就是無價之寶，有著給人類帶來特種福利的潛力。
總之，深海，是新世紀必須要談?wù)摰男骂}目。深海是地球系統(tǒng)中關(guān)鍵而又缺乏了解的部分。深海擁有豐富的海洋資源及世界上最大的生物圈資源。從20世紀晚期起，人類開始進入海洋內(nèi)部，對于深海取得了前所未有的新認識，這些認識正在成為科技發(fā)展和國家決策的重要依據(jù)。深海亦是科普的絕佳材料。不但地球上最大的山脈、最深的溝谷都在深海，連最大的滑坡、最強的火山爆發(fā)，也都發(fā)生在海底。
海溝是怎樣形成的
馬里亞納海溝號稱是最接近地心的地方，深度達11千米，把喜馬拉雅山扔進去都無法填平。
全球范圍內(nèi)的海溝綿延累計近6萬公里，但要論世界上最著名的海溝，當(dāng)數(shù)位于西太平洋的馬里亞納海溝，它在6000萬年前形成。
我們知道，地球的內(nèi)核溫度達到5000℃，地幔層呈現(xiàn)出類似火山剛噴發(fā)時的熔融狀態(tài)。巨大的熱量帶動地幔的物質(zhì)上升到位于地殼位置的巖石層，而巖石層的溫度較低，冷卻后的物質(zhì)在重力作用下又會重新向地幔層下降，從而形成熱對流，為地球表面的板塊運動提供動力。
當(dāng)海洋板塊與大陸板塊發(fā)生碰撞后，因海洋板塊巖石密度大，位置低，就會俯沖插入大陸板塊之下，進入地幔后逐漸熔化而消失。在發(fā)生碰撞的地方就會形成海溝。
馬里亞納海溝就是板塊運動時碰撞形成的。太平洋板塊撞上并沉到相對較輕的菲律賓板塊之下，碰撞處衍生出了包括馬里亞納海溝、馬里亞納島弧、馬里亞納海槽和西馬里亞納海嶺等在內(nèi)的一系列深海溝壑。
馬里亞納海溝呈南北走向的弧狀，像一把大湯匙，類似海底表面狹窄的折痕或溝槽，嵌在北太平洋西部海床中。它全長約2500公里，寬度幾十公里，深度也是“遠近高低各不同”。馬里亞納海溝里并非處處是“深坑”，在底部行走還可能會遇到高度難測的海山，其余大部分水深在8000米以上，其中馬里亞納海溝南部區(qū)域水深超過10900米，馬里亞納海溝最深點被稱為“挑戰(zhàn)者深淵”，也被認為是“地球第四極”。
海溝里有生物嗎
以前人們認為，由于超高的靜水壓力、缺乏陽光和食物供給特殊的海底地形、劇烈的構(gòu)造活動等多種極端環(huán)境因素，海面6000米以下的地方是一片死氣沉沉、與世隔絕的世界。
然而，早在20世紀四五十年代，蘇聯(lián)和丹麥的科考調(diào)查船就曾經(jīng)對全球13條深度超過6000米的海溝開展了一系列調(diào)查?？茖W(xué)家在其中8條海溝發(fā)現(xiàn)了300多個新物種，其中三分之一以上的新物種只存在于深淵環(huán)境。這些發(fā)現(xiàn)使科學(xué)家認識到，黑暗的深淵世界生活著極其獨特的“深淵生物群落”。
迄今為止，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)的生活在最深海底環(huán)境的魚類——獅子魚生長在馬里亞納海溝8145米深處。我國的科考團隊也曾在馬里亞納海溝約7400米處誘捕到若干尾深海獅子魚。此外，在馬里亞納海溝深約10897米處，科學(xué)家們還采集到一種叫作短腳雙眼鉤蝦的生物，這些小蝦從頭到尾只有幾厘米。
從科學(xué)家以往的探測活動中我們可以得知，馬里亞納海溝深處的沉積物構(gòu)成與其他海底相差無幾，都是生物殘骸的分解物、塵埃、火山灰等混合而成。特殊之處在于，馬里亞納海溝沉積物的礦物粒子直徑非常小，含水量也非常高。
我們都知道，越到海洋深處環(huán)境壓力就會越大。據(jù)科學(xué)家估測，馬里亞納海溝約1萬米深處的大氣壓，比標準大氣壓要大1000多倍，相當(dāng)于每平方厘米的面積，要承受近1.1噸的重量，壓力可想而知。然而，這里的沉積物并沒有因此變得十分堅硬，甚至被稱為“軟泥巴”。
為什么在這樣的環(huán)境壓力下，沉積物依舊可以保持松軟狀態(tài)？科學(xué)家對此解釋為，海底泥土所承受的壓力有來自內(nèi)部的也有來自外部的，但內(nèi)外兩種壓力平衡之后，再加上水壓比物質(zhì)的抗壓程度低，那么該物質(zhì)就會保持原來的形態(tài)。神秘的馬里亞納海溝，吸引著一代又一代探險者，對其一探究竟。
人類潛入深海的歷史
其實人類從古代就對深海一直很好奇，但是人類進入深海很難，不但有呼吸的問題，還需要承受巨大的水壓力，每加深10米即增加一個大氣壓。最早也是最簡單的辦法就是屏住一口氣下潛，這種“沒水采珠”的古法下海，明朝《天工開物》里就有記載。這種不靠任何設(shè)施的下潛，深度有限，能到30米深就很了不起，從生理學(xué)來說100米就是極限。如果想要進入深海，尤其是要進行較長時間的考察，應(yīng)當(dāng)在某種容器里潛入海底。最先出現(xiàn)的這種容器，是17—18世紀發(fā)展的潛水裝備——潛水鐘。潛水鐘的形狀和材料可以不同，關(guān)鍵是鐘的上部有空氣，可以供潛水者在水下呼吸而不需要回到水面。
“奮斗者”號。圖片|央視新聞客戶端
真正建造科學(xué)探索的深潛裝置，需要等到20世紀。先是用鋼制的圓球“潛水球”。1930年，美國海洋生物學(xué)家畢比和工程師巴頓鉆進潛水球，下到了百慕大海域的183米深;1934年，他們的潛水球又下到了923米的深水，并且在那里停留了3分鐘，這是當(dāng)時人類到達的最深處。他們的壯舉轟動了全球。
1953年，奧古斯特提出把氣球的原理移植到深潛技術(shù)上，在鋼球之上另加一個裝有汽油的浮體，不靠吊索而是靠浮力上下，實現(xiàn)了技術(shù)上的突破，這就是“迪里亞斯特”號深潛舟。1960年，奧古斯特·皮卡爾教授的兒子、工程師雅克·皮卡爾和美國海軍軍官沃爾什，乘坐“迪里亞斯特”號下潛到太平洋馬里亞納海溝水深10916米的海底，這是人類第一次下潛到了地球表面的最深處。但令人遺憾的是，由于潛水器卷起了海床上的大量泥沙，兩人幾乎什么都沒看到，甚至連一張照片也沒有留下，更沒有取到任何海底樣品。人們只能憑借儀表的記錄，承認他們曾經(jīng)到達過這一深度。
據(jù)科學(xué)家估測，馬里亞納海溝約1萬米深處的大氣壓，比標準大氣壓要大1000多倍，相當(dāng)于每平方厘米的面積，要承受近1.1噸的重量，壓力可想而知。
經(jīng)過五六十年的發(fā)展，深潛技術(shù)早已今非昔比，萬米深潛已經(jīng)不再那樣艱難，馬里亞納海溝的萬米深度也已經(jīng)不再那樣神秘。深潛技術(shù)已經(jīng)成熟，以至于深潛器可以由單人駕駛，供業(yè)余探險使用。然而科學(xué)探索對深潛器的要求不同于探險，需要有高超的觀測與采樣能力。
2012年，知名導(dǎo)演卡梅隆獨自一人乘坐“深海挑戰(zhàn)者”號下潛到了馬里亞納海溝的“挑戰(zhàn)者深淵”，水深為10908米，在海底進行了拍照和采樣等活動，成為第三個到達地球最深處的人。
“蛟龍”號深潛。圖片|石獅日報
制造深海載人潛水器的最大難點是載人球艙的設(shè)計和加工制造。載人球艙直徑越大，對材料的要求就越高，加工制造難度就越大。目前用于深?？茖W(xué)考察的幾種型號載人潛水器的載人球艙直徑都在2米左右，以保證除了搭載科學(xué)儀器之外，還能留出3個下潛人員的生存活動空間。
為了保證安全，在深潛活動中，下潛人員必須通過水下通信設(shè)備和定位系統(tǒng)與母船時刻保持聯(lián)絡(luò)。此外，因為下潛人員需要在黑暗封閉的環(huán)境中待數(shù)小時，所以，具有良好的身體和心理素質(zhì)也是必要條件之一。
我國深?？萍计鸩捷^晚但發(fā)展迅速。2012年，“蛟龍”號載人深潛器下潛至7062米，創(chuàng)世界同類作業(yè)型潛水器最大下潛深度紀錄。2017年，4500米型的“深海勇士”號載人深潛器正式投入使用，國產(chǎn)自主率超過95%。此次“奮斗者”號坐底深度10909米，顯然代表著我國正邁向國際深潛設(shè)施制造前列。
◎ 來源| 綜合北京日報客戶端、下一代英才雜志
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2020年11月10日，中國研發(fā)的萬米載人潛水器“奮斗者”號在馬里亞納海溝成功坐底，坐底深度10909米。為什么這些年我國不斷研發(fā)深海深潛器呢？中科院院士、同濟大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院教授汪品先這樣回答：“因為深海是人類在地球上了解最少的區(qū)域，深海地下更是一片未知世界。”
為什么要研究深海
海面3000米之下暗流涌動，海底居然是漏的，有些生物是可以不需要依靠太陽生存的，大洋之下的巖石是會移動的，海底深處隱藏著可能會影響人類未來的神秘寶藏……這些你會好奇嗎？
深海底下兩億年的沉積層，記錄了地球歷史上無數(shù)精彩的故事。從深海提取“檔案”，追溯大洋水圈和巖石圈的變化歷史。這種歷史記錄只有深海海底才能保存，經(jīng)過分析解讀，猶如是找到了地球的《資治通鑒》。深海還隱藏著更多的人類發(fā)展寶藏，由內(nèi)而外影響著我們的環(huán)境、我們的生活。
還有惹人注目的深海生命，世界大洋估計22萬種動物，有10億個類型的微生物，尤其是深海的生物有著各種各樣的“特殊功能”。有的能適應(yīng)高溫高壓，有的能在還原缺氧環(huán)境下繁盛，更有的有著非人類尺度的長壽能力，而提供這些特殊功能的基因就是無價之寶，有著給人類帶來特種福利的潛力。
總之，深海，是新世紀必須要談?wù)摰男骂}目。深海是地球系統(tǒng)中關(guān)鍵而又缺乏了解的部分。深海擁有豐富的海洋資源及世界上最大的生物圈資源。從20世紀晚期起，人類開始進入海洋內(nèi)部，對于深海取得了前所未有的新認識，這些認識正在成為科技發(fā)展和國家決策的重要依據(jù)。深海亦是科普的絕佳材料。不但地球上最大的山脈、最深的溝谷都在深海，連最大的滑坡、最強的火山爆發(fā)，也都發(fā)生在海底。
海溝是怎樣形成的
馬里亞納海溝號稱是最接近地心的地方，深度達11千米，把喜馬拉雅山扔進去都無法填平。
全球范圍內(nèi)的海溝綿延累計近6萬公里，但要論世界上最著名的海溝，當(dāng)數(shù)位于西太平洋的馬里亞納海溝，它在6000萬年前形成。
我們知道，地球的內(nèi)核溫度達到5000℃，地幔層呈現(xiàn)出類似火山剛噴發(fā)時的熔融狀態(tài)。巨大的熱量帶動地幔的物質(zhì)上升到位于地殼位置的巖石層，而巖石層的溫度較低，冷卻后的物質(zhì)在重力作用下又會重新向地幔層下降，從而形成熱對流，為地球表面的板塊運動提供動力。
當(dāng)海洋板塊與大陸板塊發(fā)生碰撞后，因海洋板塊巖石密度大，位置低，就會俯沖插入大陸板塊之下，進入地幔后逐漸熔化而消失。在發(fā)生碰撞的地方就會形成海溝。
馬里亞納海溝就是板塊運動時碰撞形成的。太平洋板塊撞上并沉到相對較輕的菲律賓板塊之下，碰撞處衍生出了包括馬里亞納海溝、馬里亞納島弧、馬里亞納海槽和西馬里亞納海嶺等在內(nèi)的一系列深海溝壑。
馬里亞納海溝呈南北走向的弧狀，像一把大湯匙，類似海底表面狹窄的折痕或溝槽，嵌在北太平洋西部海床中。它全長約2500公里，寬度幾十公里，深度也是“遠近高低各不同”。馬里亞納海溝里并非處處是“深坑”，在底部行走還可能會遇到高度難測的海山，其余大部分水深在8000米以上，其中馬里亞納海溝南部區(qū)域水深超過10900米，馬里亞納海溝最深點被稱為“挑戰(zhàn)者深淵”，也被認為是“地球第四極”。
海溝里有生物嗎
以前人們認為，由于超高的靜水壓力、缺乏陽光和食物供給特殊的海底地形、劇烈的構(gòu)造活動等多種極端環(huán)境因素，海面6000米以下的地方是一片死氣沉沉、與世隔絕的世界。
然而，早在20世紀四五十年代，蘇聯(lián)和丹麥的科考調(diào)查船就曾經(jīng)對全球13條深度超過6000米的海溝開展了一系列調(diào)查?？茖W(xué)家在其中8條海溝發(fā)現(xiàn)了300多個新物種，其中三分之一以上的新物種只存在于深淵環(huán)境。這些發(fā)現(xiàn)使科學(xué)家認識到，黑暗的深淵世界生活著極其獨特的“深淵生物群落”。
迄今為止，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)的生活在最深海底環(huán)境的魚類——獅子魚生長在馬里亞納海溝8145米深處。我國的科考團隊也曾在馬里亞納海溝約7400米處誘捕到若干尾深海獅子魚。此外，在馬里亞納海溝深約10897米處，科學(xué)家們還采集到一種叫作短腳雙眼鉤蝦的生物，這些小蝦從頭到尾只有幾厘米。
從科學(xué)家以往的探測活動中我們可以得知，馬里亞納海溝深處的沉積物構(gòu)成與其他海底相差無幾，都是生物殘骸的分解物、塵埃、火山灰等混合而成。特殊之處在于，馬里亞納海溝沉積物的礦物粒子直徑非常小，含水量也非常高。
我們都知道，越到海洋深處環(huán)境壓力就會越大。據(jù)科學(xué)家估測，馬里亞納海溝約1萬米深處的大氣壓，比標準大氣壓要大1000多倍，相當(dāng)于每平方厘米的面積，要承受近1.1噸的重量，壓力可想而知。然而，這里的沉積物并沒有因此變得十分堅硬，甚至被稱為“軟泥巴”。
為什么在這樣的環(huán)境壓力下，沉積物依舊可以保持松軟狀態(tài)？科學(xué)家對此解釋為，海底泥土所承受的壓力有來自內(nèi)部的也有來自外部的，但內(nèi)外兩種壓力平衡之后，再加上水壓比物質(zhì)的抗壓程度低，那么該物質(zhì)就會保持原來的形態(tài)。神秘的馬里亞納海溝，吸引著一代又一代探險者，對其一探究竟。
人類潛入深海的歷史
其實人類從古代就對深海一直很好奇，但是人類進入深海很難，不但有呼吸的問題，還需要承受巨大的水壓力，每加深10米即增加一個大氣壓。最早也是最簡單的辦法就是屏住一口氣下潛，這種“沒水采珠”的古法下海，明朝《天工開物》里就有記載。這種不靠任何設(shè)施的下潛，深度有限，能到30米深就很了不起，從生理學(xué)來說100米就是極限。如果想要進入深海，尤其是要進行較長時間的考察，應(yīng)當(dāng)在某種容器里潛入海底。最先出現(xiàn)的這種容器，是17—18世紀發(fā)展的潛水裝備——潛水鐘。潛水鐘的形狀和材料可以不同，關(guān)鍵是鐘的上部有空氣，可以供潛水者在水下呼吸而不需要回到水面。
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1953年，奧古斯特提出把氣球的原理移植到深潛技術(shù)上，在鋼球之上另加一個裝有汽油的浮體，不靠吊索而是靠浮力上下，實現(xiàn)了技術(shù)上的突破，這就是“迪里亞斯特”號深潛舟。1960年，奧古斯特·皮卡爾教授的兒子、工程師雅克·皮卡爾和美國海軍軍官沃爾什，乘坐“迪里亞斯特”號下潛到太平洋馬里亞納海溝水深10916米的海底，這是人類第一次下潛到了地球表面的最深處。但令人遺憾的是，由于潛水器卷起了海床上的大量泥沙，兩人幾乎什么都沒看到，甚至連一張照片也沒有留下，更沒有取到任何海底樣品。人們只能憑借儀表的記錄，承認他們曾經(jīng)到達過這一深度。
據(jù)科學(xué)家估測，馬里亞納海溝約1萬米深處的大氣壓，比標準大氣壓要大1000多倍，相當(dāng)于每平方厘米的面積，要承受近1.1噸的重量，壓力可想而知。
經(jīng)過五六十年的發(fā)展，深潛技術(shù)早已今非昔比，萬米深潛已經(jīng)不再那樣艱難，馬里亞納海溝的萬米深度也已經(jīng)不再那樣神秘。深潛技術(shù)已經(jīng)成熟，以至于深潛器可以由單人駕駛，供業(yè)余探險使用。然而科學(xué)探索對深潛器的要求不同于探險，需要有高超的觀測與采樣能力。
2012年，知名導(dǎo)演卡梅隆獨自一人乘坐“深海挑戰(zhàn)者”號下潛到了馬里亞納海溝的“挑戰(zhàn)者深淵”，水深為10908米，在海底進行了拍照和采樣等活動，成為第三個到達地球最深處的人。
“蛟龍”號深潛。圖片|石獅日報
制造深海載人潛水器的最大難點是載人球艙的設(shè)計和加工制造。載人球艙直徑越大，對材料的要求就越高，加工制造難度就越大。目前用于深?？茖W(xué)考察的幾種型號載人潛水器的載人球艙直徑都在2米左右，以保證除了搭載科學(xué)儀器之外，還能留出3個下潛人員的生存活動空間。
為了保證安全，在深潛活動中，下潛人員必須通過水下通信設(shè)備和定位系統(tǒng)與母船時刻保持聯(lián)絡(luò)。此外，因為下潛人員需要在黑暗封閉的環(huán)境中待數(shù)小時，所以，具有良好的身體和心理素質(zhì)也是必要條件之一。
我國深?？萍计鸩捷^晚但發(fā)展迅速。2012年，“蛟龍”號載人深潛器下潛至7062米，創(chuàng)世界同類作業(yè)型潛水器最大下潛深度紀錄。2017年，4500米型的“深海勇士”號載人深潛器正式投入使用，國產(chǎn)自主率超過95%。此次“奮斗者”號坐底深度10909米，顯然代表著我國正邁向國際深潛設(shè)施制造前列。
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