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      深海著陸器:海底的人造“海洋之眼”

      發布日期:2017-10-30 10:50:25   來源 : 科技日報    作者 :陳 瑜;中國科學院深??茖W與工程研究所    瀏覽量 :1078
      陳 瑜;中國科學院深??茖W與工程研究所 科技日報 發布日期:2017-10-30 10:50:25  
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             近日,我國新一代遠洋綜合科考船“科學”號在南海成功回收了我國國內首套連續工作超一年的“深海著陸器”。

             在過去375天里,被稱為人造“海洋之眼”的深海著陸器,在水深1130米左右的南海北部一冷泉噴口處,進行原位觀測,帶回了約186千兆的冷泉區高清影像和傳感器數據資料。

             深海著陸器為什么布放在南海冷泉區?著陸器上攜帶了哪些高科技“武器”?這些數據將揭開冷泉生態系統哪些深海秘密?在冷泉區布放著陸器有什么技術難點?中國科學院海洋研究所特聘研究員、著陸器2016年測試和布放航次的首席科學家張鑫對此進行了解答。

             將實驗室搬到了海底

             南海冷泉區,這是此次深海著陸器工作的主要戰場。

             冷泉,顧名思義,溫度較低,但又非一個“冷”字可以概括。

             張鑫說,冷泉是一種以水、碳氫化合物(天然氣和石油)、硫化氫、細粒沉積物為主要成分,溫度較低,流體溫度與海水溫度相近的流體,主要分布在被動陸緣和主動陸緣斜坡海底沉積面之下。

             冷泉反映了海底的一種極端環境,但在這種環境中又生活了大量的生物,它們不依靠陽光而生存,正因如此,冷泉成為地球科學以及生命科學研究的熱點。

             這次考察的南海冷泉區主要位于臺西南海域。“該海域冷泉區已經活動了很長時間,形成了大量自生碳酸鹽巖,其噴口周圍也富集著大量的生物,主要以潛鎧蝦、鎧甲蝦、貽貝、阿爾文蝦為主。此處生物群落繁茂,水深1130米左右。”張鑫說,經過綜合考慮,項目組選擇對該海域的冷泉區進行細致的長期原位觀測。“如果將樣品取上船再做分析研究,變化的溫度和壓力將導致海底生命的死亡,所謂原位探測,相當于將實驗室搬到了海底。”

             自己編程自動“叫醒”

             2016年9月8日零時,激動人心的時刻到來,借助“科學”號母船的同軸鎧裝通訊電纜,重達近兩噸的深海著陸器,被緩緩放至臺西南海域冷泉區。

             張鑫說,如果將一個海域比作一個房間,深海著陸器相當于在房間里安了個攝像頭,能夠監控水下生物的生活規律。“它能夠自己編程,一般每隔幾個小時‘醒’一次,監控兩分鐘左右又進入夢鄉。”此次布放前,科學家已將這臺著陸器進行了長達一個月的試布放。

             與之前著陸器相比,這是國內首套在深海連續工作超過一年的深海定點觀測系統。張鑫說,要讓系統在深海工作這么長時間,需要進行特別的低功耗設計。“每天每個系統都需要工作四次,每次幾分鐘,加起來一年就要消耗很多電力,此外系統待機的時候也需要消耗電力。”

             尤其值得一提的是,這次著陸器布放的位置是在活躍的冷泉區。與廣闊的臺西南海域相比,冷泉冒泡的噴口也就與陸地上的籃球場大小相當,布放時需要船、潛水器和著陸器緊密配合,才能將近兩噸的著陸器一點點地準確挪至噴口。

             多功能的深海作業平臺

             受科技水平限制,人們對海洋的認知多是通過航海取得,對海洋過程的觀測只能是表面的、短暫的、不連續的。隨著技術的發展和探測需求的推動,科研人員的視野不再局限于海表,而是想深入“虎穴”進入海水以下進行連續長期的觀測。

             深海著陸器

             海洋充滿著神秘的色彩,一直是人類向往之地,自古以來,人類對海洋的探索就從未停歇, 20世紀中葉前,主要通過纜繩將探測設備投放到水下進行海洋環境測量和資源勘探。隨著探測深度的不斷增加,所需纜繩也越來越長,龐大的纜繩和配套吊放系統使其運輸和使用都極為不便,尤其是探測設備在水下工作時,纜繩在海流作用下產生的運動會對設備產生較大的干擾,嚴重影響了設備的探測功能。為此,美國伍茲霍爾海洋研究所(WHOI)的Maurice Ewing和Allyn Vine等為避免纜繩的使用,于1938年首次提出了“Free Vehicle(無動力潛水器)”的概念并成功研制出了第一臺原理樣機,他們在探測設備的底部用一根纜繩懸掛重物,而上方連接著大量充油的氣球,由于系統的重力集中在底部,而浮力集中在頂部,類似一個不倒翁的結構,因此整個系統可以穩定地落在海底。

             著陸器工作原理

             著陸器(Lander)這一稱呼主要來源于美國國家航空和宇宙航行局(NASA)使用的“登月著陸器(Lunar Lander)”這一詞匯,此后,“無動力潛水器”也逐漸被人們稱為“深海著陸器(Benthic Lander)”或“海底著陸器(Bottom Lander)”,簡稱著陸器。著陸器整個系統最初是在重力作用下可自由下沉到海底,而一旦系統接收到回收的指令,懸掛在底部的壓載物通過聲學傳釋放系統釋放,此時系統上方的浮力裝置發揮主要作用,因浮力大于重力,從而使著陸器可以順利浮出水面。

             著陸器功能

      著陸器使用方便,除布放與回收,其他時候都不需要水面母船的支持,節約了大量的時間和科研成本,而且可以根據具體的科學目標選擇攜帶不同的設備,在海洋研究領域有著非常廣泛的應用??傮w來說,著陸器可以實現探測、采樣和原位實驗等三大功能。

      (1)探測功能:著陸器的探測功能主要是指利用著陸器作為運載平臺,將各種傳感器、觀測設備輸送到調查區域進行原位的探測,其中“誘餌—攝像”系統是海洋生物研究最為常用的一種觀測設備,即使用誘餌將生物引誘到著陸器附近,通過照相機或者攝像機在生物的棲息地記錄它們的活動影像,這種觀測方式對生物和環境的干擾非常小,而其他用于海洋物理、化學參數測量的傳感器也經常搭載在著陸器上使用。

      (2)采樣功能:著陸器的采樣功能也較為豐富,例如海水、沉積物的采集及生物的捕捉等。

      (3)原位實驗功能:著陸器另外一個重要用途就是開展原位實驗,在著陸器底部攜帶一個可密閉的腔室(Chamber),當著陸器到達海底后關閉腔室,通過傳感器來監測腔室內部發生的變化,避免了實驗樣品被帶回水面后引入的各種干擾因素。

             雖然著陸器可以實現的功能很多,但受到重量、體積以及能源的限制,難以集所有功能于一體,只有與科學研究需求緊密結合起來,才能夠有針對性地解決實際問題,更好地為科學研究服務。

             著陸器發展現狀

             隨著人類對深海乃至深淵探測需求的不斷增加,著陸器越發受到重視,2006年英國阿伯丁大學和日本東京大學合作的“HADEEP”項目研制了兩套全海深著陸器系統(“Hadal Lander A”和“Hadal Lander B”),已在馬里亞納海溝、湯加海溝、克馬德克海溝、日本海溝等全球多個海溝進行了應用,拍攝了大量深淵生物的圖像,其中有很多是人類首次發現的新物種,同時利用生物捕捉器成功捕獲了深淵生物樣品,他們的工作為深淵探測領域做出了重大貢獻。此外,國際上全海深著陸器還有日本海洋科學與技術中心研制的“全海深系泊系統”,主要用于沉積物的采樣,以及與卡梅隆乘坐的全海深載人潛水器配合使用的“Alpha”著陸器,主要是輔助載人潛水器完成深淵的拍攝任務。

            上述可知,著陸器功能豐富,是深海研究不可或缺的重要設備,各國對此十分重視。通過科研人員的不斷努力,我國各海洋研究單位在著陸器研制以及科研方面同樣取得了一系列驕人的成績。作為中國深海研究領域的新生力量,中科院深海所著陸器團隊目前已自主完成2套深淵著陸器和1套運載著陸器的設計、研發、制造以及總裝調試。著陸器設計指標最大深度7000米,最長工作時間30天,搭載有光學觀測、水文測量、聲學探測、生物捕捉、深淵取樣設備。

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