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探寻“神秘微笑”的深度

作者:李树军 陈瑜 特约记者黎明宇 发布时间:2021-02-19 10:13:21 来源:解放军报 字体:   |    |  


马里亚纳海沟地貌呈弧形分布,酷似一抹“神秘微笑”。

我国深海载人潜水器“奋斗者”号。

  北太平洋西部马里亚纳群岛以东海底,有一条幽美的弧形洼地,如一抹“神秘微笑”镶嵌于深蓝。这就是人类已知的地球表面最深处——马里亚纳海沟。

  近日,由中国科学院、中国工程院主办,两院院士投票评选产生的2020年中国十大科技进展新闻揭晓,其中一条新闻格外亮眼:我国“海斗一号”无人潜水器在马里亚纳海沟实现最大下潜深度10907米;“奋斗者”号载人潜水器在同一海沟成功坐底,创下10909米的中国载人深潜新纪录。

  这一新闻,又一次把人们的目光引向了有着地球“第四极”之称的马里亚纳海沟。多少年来,来自世界各国的海洋学家和测量学家勇往直“潜”,在一次次突破极限中探索马里亚纳海沟的奥妙。“奋斗者”号此次深潜,是人类历史上第3次将载人潜水器送达这里。

  秘境探险,各国竞相发力

  马里亚纳海沟,长度延伸约2550千米,平均宽约70千米,整体水深深于6000米,最深处位于海沟内的查林杰海渊,为11040.4米。

  这个深度是什么概念?如果把8848.86米的珠穆朗玛峰放在沟底,峰顶还会淹没在水下2100余米。

  关于马里亚纳海沟的成因,说法不一。有的理论认为,是海洋板块与大陆板块相互碰撞所致,海洋板块因岩石密度大、位置低,俯冲插入大陆板块之下,进入地幔后逐渐熔化而消失,在发生碰撞的地方形成了海沟;还有理论认为,其形成源于海底地壳的剧烈凹陷。

  人类对于马里亚纳海沟的正式探测,始于20世纪50年代。

  1951年,英国皇家海军“挑战者”号首次测量海沟,测得最大深度为10900米,所在海域以测量船名字命名为“Challenger Deep”(“查林杰海渊”)。

  1957年,苏联科学院海洋研究所海洋考察船“斐查兹”号,对马里亚纳海沟进行了详细探测,在其西南部也发现了查林杰海渊,测得其最大深度为11034米。

  1960年,瑞士著名深海探险家雅克·皮卡尔与美国海军中尉沃尔什,乘坐美海军“的里雅斯特”号深海潜水器,首次成功下潜至马里亚纳海沟底部进行科学考察,创造了载人下潜海沟10916米的世界纪录。

  1962年,机动载具“史宾塞·傅乐顿·拜尔德”号测得最大深度为10915米。1984年,日本将探测航具“拓洋”号送入马里亚纳海沟,测得其最大深度为11040.4米。1995年,日本深海探测机器人“海沟”号测得深度为10911米。

  2012年,美国好莱坞著名导演詹姆斯·卡梅隆,独自乘坐“深海挑战者”号深潜器下潜至10929米深处,成为人类第二次载人深潜探底马里亚纳海沟、单枪匹马潜至地球最深处的第一人。

  我国深海勘探技术始于20世纪70年代。

  1986年,中国第一艘深潜救生艇完成了300米深度试验,揭开了中国载人深潜序幕。随着近年来科技发展进步,我国先后自主研制了3艘载人潜水器,并成功进行了深海下潜试验,成为继美、法、俄、日之后世界上第5个掌握载人深潜技术的国家。

  2012年,我国深海载人潜水器“蛟龙”号,在马里亚纳海沟先后进行了多次试潜,创造了下潜7062米的中国载人深潜纪录,也是世界作业类型潜水器最大下潜深度纪录。

  我国第二台深海载人潜水器“深海勇士”号,2017年以来也多次在南海和马里亚纳海沟进行载人下潜试验,最深成功下潜4500米。

  2020年,我国第三台深海载人潜水器“奋斗者”号,多次成功进行万米海试,最深潜入马里亚纳海沟10909米,创下中国载人深潜新纪录,也创造了3名科考队员同时搭乘同一深潜器下潜到海洋最深处的世界纪录。

  勇往直“潜”,考验硬核实力

  据初步探测,全球深于6000米的海沟约有37条。这些深海区域,几乎都是冰冷、高压和漆黑的世界。

  马里亚纳海沟水温仅有2℃,水压高达上千个大气压,深潜器需要承受巨大压力,相当于30头大象站在一个成年人的手掌上。

  神话传说中,“八仙”凭借不同“法宝”,各显神通才成功渡海。现代测绘工作者想要在深海大洋里“以手掌对抗大象的压力”,描绘出马里亚纳海沟这抹“神秘微笑”的深度,亦自有“法宝”:

  母船——坚实的“画板”。绘就佳作少不了画板支撑,承载深潜器的母船像“画板”一样,为茫茫大海上的测绘工作提供了作业平台。

  随着深海探测技术的深入发展,各国作业母船深潜科研保障能力越来越强,船上设备越来越先进。除有远洋航行和科考功能设备外,一般都还有固定深潜器的装置、吊装潜水器的吊车、全海深地质绞车、光缆绞车、指挥和接收图像的操控室等。

  据报道,我国“奋斗者”号万米深潜,采用了双母船护航模式。其中,载人潜水器“深海勇士”号的科研母船“勘探一号”作为支援船,和新建造的第一只专用万米深海科研母船“勘探二号”保障船“双船合璧”。“勘探二号”吨位大、性能好,搭载了多台(套)我国自主研发的科研设备和探测仪器,是一个多功能深海科研平台。

  深潜器——精准的“画笔”。母船到达目标海域后,深潜器闪亮登场,如同一支在大海海底这页画纸上描绘的画笔。

  打造一支好“画笔”,材料和工艺很重要。1960年,美国载人深潜器“的里雅斯特”号,潜至9785米海深时发生剧烈震动,一块19厘米厚的舷窗玻璃出现轻微裂痕,足见海底高压对潜水器材料和结构设计要求极高。

  近年来,出现的新型钛合金材料,强度大、韧性好,经过多年试用,可完全满足深潜的高压和冲击要求。另外,精密的工业制造、冷弯和焊接技术,为载人潜水器载人舱的安全可靠性提供了技术保障。

  据悉,我国深海载人潜水器“奋斗者”号载人舱采用钛合金材料制造,耐压浮力好,直径达到2米,为世界最大深潜器。这标志着我国钛合金材料技术和焊接加工技术已处于国际领先水平。

  黑暗中,“运笔”需更加灵敏。潜水器控制系统属于深潜器的“大脑中枢”,是保证深潜设备和潜航员安全的关键。过去,巡航过程中若前面出现巨石,深潜器需要绕过去;如果通过声波遥控实现避障,往往会来不及。现在,日益完善的自主导航技术,能保证深潜器按照预设航线自动巡航。特别是先进的避碰系统,可确保潜水器在深海航行过程中规避障碍物。潜水器发生漏水等意外情况,控制系统可关闭液压系统,以保护潜水器主体和潜航员。

  声波——鲜艳的“颜料”。由于海水吸收及散射作用,光波和无线电波均无法达到深海海底,因而声波成了勾勒海沟深度痕迹的最佳“颜料”。声波在海水中的传播速度约为1500米/秒,正常情况下由母船传播到万米海底约需7秒钟。可采用有缆通信和无缆通信两种深海水声通信技术。

  有缆通信就是母船与深潜器之间采用的光缆通信。母船发出的信号和深潜器上实时获得的信息,通过光缆传输,操作人员可观察监视器上的图像,在母船上对深潜器进行操作。潜航员也可根据母船上的指令进行深海作业,实时上传获取数据。这种通信方式,信号传输精度高、损耗少,但上万米的线缆在海中容易缠绕到岩石上,且线缆长度会限制潜水器活动范围。

  在万米海底,光缆还会因承受巨大水压而变形。20世纪90年代,日本“海沟”号深潜试验时,曾出现过信号中断、图像消失的现象。其原因就在于电缆内有间隙,当遇上海底高压时,光纤出现了变形。后来,电缆中填充了软合成树脂,以保持其柔韧性,试验才取得成功。

  无缆通信则是利用声波在海水中传播距离远、能量耗散低的特性,在母船和深潜器之间利用声波通信系统直接进行的通信。但由于受海水温度、盐度、密度、跃变层及洋流、悬浮物等复杂因素影响,水声信号在深海传播也会发生散射、能耗等现象,致使母船和深潜器之间的通信时常出现信号减弱、延迟等。

  据了解,我国目前载人深潜器都采用无缆通信方式。“奋斗者”号载人潜水器下潜万米海试中,成功实现全球首个万米水下高清视频信号直播传输。

  展望未来,梦想照进深海

  人类目前测得的马里亚纳海沟深度,并非深海探测的最终目的和科研峰顶。海底下,还蕴藏着无穷无尽的奥秘,等待着人类去追寻。展望未来,我国在这方面,尚处于刚刚起步,还需奋起直追。

  在世界范围来看,目前各国对不超过6000米的海面探底测深技术和4000米以内的海底浅层沉积物探测技术已经成熟。其原理都是利用船载探测设备上的换能器向海底发射声波,根据接收回波信号特征,获取测量数值和海底图像。而对深于6000米的海域,尚需深入研究声波在深海的传播规律,并研发应用于深海探测的多波束测深仪、侧扫声呐和浅地层剖面仪等高精度高分辨率深海测量设备,将其搭载在测量船上。如此,科研人员才能在海面精确探测出深海大洋的深度,同时能给海底构成物质进行CT扫描诊断,提高探测精度。

  此外,随着人工智能技术的发展,无人深潜器的研发和利用也将成为热门。

  比起载人深潜器,无人深潜器不仅具有体积小、能提高深潜器在海底活动灵敏度等特点,还能降低探测人员的作业风险。仅需利用载人深潜平台,对一些重要海底区域进行深潜测深和采样作为补充手段,将所采集数据与海面仪器测量的海量数据进行比对校验,便可大幅提高深海探测效益,更精确地描绘出海底地貌形态。

  2016年,我国自主研制的“海斗”号无人潜水器,随同母船“探索一号”科考船在马里亚纳海沟开展万米深潜试验,实现最大潜深10767米,创造了我国无人潜水器最大下潜及作业深度纪录,标志着我国无人下潜技术正在走向成熟。

  纵横海底,科技日新月异,值得我们持续关注的是,还需推动深海勘测法律体系的建立健全。

  科考人员在深海探测马里亚纳海沟时,发现有沉积塑料,说明海洋污染已较为严重。各国对深海资源的探测、开采等,势必带来竞争,也会给深海大洋造成一定的污染威胁。为此,完善深海大洋资源开发方面的法律迫在眉睫,不能将开发深海资源变成打开“潘多拉魔盒”。

  沧海变桑田,追梦无极限。随着我国综合科技实力从传承到创新、从量变到质变,随着海洋学家和测量学家的妙手勾勒,马里亚纳海沟这抹“神秘微笑”必将更加迷人。

  供图:王皓凡

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