我國(guó)深海探測(cè)“黑科技”，遠(yuǎn)不止“蛟龍”號(hào)

張旭東

6月8日是世界海洋日，雖然人類對(duì)海洋的認(rèn)識(shí)在加速，但對(duì)其依然知之甚少，特別是對(duì)深海的探索還處在“盲人摸象”階段。認(rèn)知、探索深海首先需要探測(cè)“利器”，除了“蛟龍”號(hào)，我國(guó)還有一批自主研發(fā)的深海探測(cè)“黑科技”，“海翼”系列水下滑翔機(jī)、深海原位拉曼光譜探針、“診脈”深海的實(shí)時(shí)潛標(biāo)就是其中典型代表。

深海劃出優(yōu)美“V”字形

看上去猶如個(gè)頭不一的“火箭”，它們不是上天而是入海。

“海翼”系列水下滑翔機(jī)由中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所自主研發(fā)，是一種新概念水下機(jī)器人，通過調(diào)節(jié)自身浮力和姿態(tài)以實(shí)現(xiàn)在水中滑行，作業(yè)深度覆蓋300米至7000米，可連續(xù)工作幾十天至幾個(gè)月，航行范圍可達(dá)幾千公里，將收集到的海水溫度、鹽度、濁度、含氧量，以及海流強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)方向等數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)回傳至陸地。

中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所副研究員金文明說，“海翼”是靠浮力驅(qū)動(dòng)，這一技術(shù)讓其在水下運(yùn)行軌跡呈較大“V”字形，仿佛在坐“過山車”?！昂Ｒ怼痹诿總€(gè)運(yùn)動(dòng)周期的頂點(diǎn)和底端進(jìn)行浮力調(diào)節(jié)，所以能跑得更遠(yuǎn)、更節(jié)能，具有大范圍、長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)海洋環(huán)境觀測(cè)優(yōu)勢(shì)。

目前，中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所形成了300米、1000米、1500米、4500米、7000米、混合驅(qū)動(dòng)型、聲學(xué)型等多種深度和類型的“海翼”系列水下滑翔機(jī)。

“海翼”系列水下滑翔機(jī)在東海、南海、印度洋和太平洋完成多次海上試驗(yàn)與應(yīng)用，累計(jì)海上工作6400多天，觀測(cè)距離16萬多公里，獲得4.6萬多條剖面數(shù)據(jù)。

2017年7月～8月，12臺(tái)“海翼”水下滑翔機(jī)在南海開展組網(wǎng)同步觀測(cè);2018年10月，“海翼”7000米在馬里亞納海溝最大下潛深度達(dá)7076米。

“一照”即知“何方神圣”

熱液、冷泉是近年來深海研究熱點(diǎn)，但要想知道這些流體的準(zhǔn)確組分卻異常困難。因?yàn)槿绻麑嵋簶悠穾Щ貙?shí)驗(yàn)室分析，受溫度、壓力變化及海水混入影響，熱液噴口流體的化學(xué)成分或濃度會(huì)明顯改變。雖然可以利用保壓、保溫儲(chǔ)存裝置獲得保真樣品，受取樣方法限制，分析數(shù)據(jù)與實(shí)際仍有明顯差異。

中國(guó)科學(xué)院海洋研究所自主研發(fā)的深海原位拉曼光譜探針就像“照妖鏡”一般，激光打到目標(biāo)探測(cè)物上就能立即知道其含有何種物質(zhì)，以及各種物質(zhì)的濃度如何。

中國(guó)科學(xué)院海洋研究所研究員張?chǎng)谓榻B，深海原位拉曼光譜探針應(yīng)用的是拉曼散射原理。當(dāng)激光照射到樣品上，樣品中的分子使入射光發(fā)生散射，其中一種散射光頻率會(huì)發(fā)生改變，這就是印度科學(xué)家拉曼發(fā)現(xiàn)的拉曼散射現(xiàn)象。由于不同分子會(huì)產(chǎn)生不同的散射光頻率，利用激光拉曼光譜設(shè)備獲得的拉曼光譜數(shù)據(jù)，和已知物質(zhì)的光譜數(shù)據(jù)比對(duì)，即可知道樣品是何種組分。

“國(guó)外研制出了能適應(yīng)深海壓力環(huán)境的原位拉曼光譜儀，但熱液噴口高溫、高壓、強(qiáng)酸（堿）和渾濁的流體環(huán)境，一直被認(rèn)為是光學(xué)鏡頭禁區(qū)?！睆?chǎng)握f，深海原位拉曼光譜探針成功突破普通光學(xué)鏡頭不耐高溫和防顆粒附著性能差等難題，可直接插入450攝氏度深海熱液噴口，為深海熱液化學(xué)性質(zhì)研究提供了裝備支撐。

借助深海原位拉曼光譜探針，我國(guó)科學(xué)家已獲得多項(xiàng)突破性成果：在南海首次觀測(cè)到裸露在海底的天然氣水合物，首次在自然界發(fā)現(xiàn)超臨界二氧化碳，揭示深海“倒置湖”神秘現(xiàn)象……

實(shí)時(shí)獲取深?！懊}搏”

海洋實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)期依靠衛(wèi)星遙感和浮標(biāo)。用于觀測(cè)水下和深海數(shù)據(jù)的潛標(biāo)只能每年回收一次，無法像衛(wèi)星遙感和浮標(biāo)那樣獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。這是因?yàn)闈摌?biāo)最上面一個(gè)浮體距離海平面還有四五百米，數(shù)據(jù)很難穿透海水傳輸?shù)叫l(wèi)星上。

中國(guó)科學(xué)院海洋研究所研究員汪嘉寧介紹，在西太平洋科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)建立過程中，科研人員突破了潛標(biāo)數(shù)據(jù)無法長(zhǎng)期穩(wěn)定實(shí)時(shí)傳輸?shù)暮Ｑ笥^測(cè)難題，并將實(shí)時(shí)傳輸觀測(cè)數(shù)據(jù)的深度由1000米逐步拓展至6000米。

“科研人員在水面上安裝了一個(gè)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的浮體，它與潛標(biāo)通過無線和有線兩種方式連接。潛標(biāo)將數(shù)據(jù)傳輸給浮體，浮體發(fā)射到衛(wèi)星上，衛(wèi)星再反饋回陸地實(shí)驗(yàn)室?！蓖艏螌幷f。

2019年，西太平洋科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)開始由北斗衛(wèi)星實(shí)時(shí)傳輸潛標(biāo)數(shù)據(jù)，提高了深海數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)陌踩?、自主性和可靠性?？蒲腥藛T還依靠北斗衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了雙向通訊，數(shù)據(jù)不僅能實(shí)時(shí)回傳至陸地實(shí)驗(yàn)室，科研人員也能在陸地遠(yuǎn)程控制深海潛標(biāo)。

截至目前，由20套潛標(biāo)和3套大型浮標(biāo)組成的西太平洋科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)，已持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行6年，服務(wù)于深海前沿研究、氣候預(yù)報(bào)和海洋環(huán)境預(yù)報(bào)等，特別是實(shí)時(shí)傳輸回的數(shù)據(jù)提高了氣候和海洋環(huán)境預(yù)報(bào)精度。