从海底观察地球———地球系统的第三个观测平台

汪品先

中国科学院院士,同济大学海洋地质国家重点实验室,上海200092

关键词　海底　地球系统　实时观测　深海过程

随着新世纪的到来,海洋科学界正着手建设海底观测系统的网络,以探测和理解大洋系统的物理、化学、生物和地质等过程。这是继地面/洋面和空间之后,观测地球系统的第三个平台。从海底进行连续的实时观测,将使得人类可以长期“呆”在海里,从而改变人类与海洋的关系。同时,这第三平台还将提供窗口,窥测地球的内部过程。

1观测地球的视野和视角

人类观察世界,关键在于视野和视角。“井蛙不可以语于海”,原因是井口视野太小;“会当凌绝顶,一览众山小”,靠的是“绝顶”视野扩大。同一座山,从不同视角看去,可以“横看成岭侧成峰”;同一层云,从地面仰视看到黑云压城,飞机上看下去却见白云灿烂,云层上下的观察结果可以相反。其实社会现象亦同此理,考察一位干部有时候领导叫好、群众跳脚,很可能原因也在视角不同。

回顾人类认识世界的过程,也就是一部不断扩展视野的历史。古人没有想到海洋有这么大,15世纪重新发现的“托勒密地图”上并没有太平洋,以为欧洲航海西行到亚洲并不遥远,否则哥伦布也许不敢冒这个险。当然更不会知道海底的地形起伏,会比陆地的高山深谷还大,这要等到20世纪中期,有了声波测深技术才能发现。现在我们知道,海水比河水多百万倍,海洋的平均水深3800m,隔了厚层的水,人类对深海海底的了解,还不如月亮和火星表面。地球深处“地幔”里的水,又比地球表面的海水多许多倍[1]。

人类视域的突变发生在17世纪:用新发明的显微镜,看到了细胞,看到了微生物;用新发明的望远镜观察行星,提出了“日心说”,导致“哥白尼革命”。第二次突变发生在20世纪:航天技术使人类克服地球引力进入太空,第一次看到地球的全貌,开始将地球看作一个整体,将地球上种种现象连结为“牵一发动全身”的系统,导致地球系统科学的产生。和17世纪发明“显微镜”相反,这次用的遥测遥感技术是一种“显宏镜”(macroscop e),通过观测对象的缩小才看到了地球整体。17世纪从地球向外看太阳系,带来哥白尼革命;20世纪从太空向内看地球,带来的科学进步被喻为“第二次哥白尼革命”[2]。

这次“革命”对地球科学的影响最大,尤其是浩瀚的大洋。人类对海洋的认识,大都是19世纪晚期以来通过航海从船上取得,这种星星点点、断断续续的观测,带来了许多错觉和误会。直到20世纪早期,测量海底地形的办法还是用绳子系上重锤抛到海底,用绳子的长度测算水深,如此得来的测点廖若晨星,绘在图上当然只能说明海底平坦,地形单调。再如船上用温度计测量海水表层,只能测了上一点再测下一点,永远也画不出一张同时的海洋温度图来。20世纪出现的遥测遥感技术从卫星获取地球信息,开辟了全新的对地观测系统,能够获取全球性的和动态性的图景。同时得到的不仅有海水表面的温度、风场、海流和波浪,而且有生产力、污染以至浅海地形等各方面的信息。

但是,遥感技术的主要观测对象在于地面与海面,缺乏深入穿透的能力。隔了千百米厚的水层,遥感技术难以达到大洋海底。现在要问:能不能换一个视角:不要老是从海面看海底,可不可以从海底看海面,把观测平台放到海底去?新世纪伊始,一个新的热点正在出现:这就是海底观测系统。假如把地面与海面看作地球科学的第一个观测平台,把空中的遥测遥感看作第二个观测平台,那末新世纪在海底建立的,将是第三个观测平台。海底观测平台的功能是把深海大洋置于人类的监测视域之内,结果将从根本上改变人类认识海洋的途径,开创海洋科学的新阶段。

2深海的持续观测

作为陆生动物,人类自古以来把海底让给神怪世界。虽然相传纪元前四世纪的亚历山大大帝曾经亲自

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潜入海底进行观察,文艺复兴时代的巨匠达?芬奇也确

实设计过潜水服,而人类真正潜入深海还是20世纪的

事。最深的记录是在1960年1月23日,瑞士工程师J.Piccard 和一名美国军官乘坐“Trieste ”号深潜器,下到了世界大洋最深处———马里亚纳海沟,在10916m 深的海底呆了20分钟。但是千米水深就有上百个大气压,到深海作“探险”可以,要蹲在海底长期“观测”又谈何容易!然而长期现场观测是当代地球科学的要求。当地球科学处在描述阶段、以寻找矿产资源为主要目标的时候,探险、考察大体上可以解决问题;而现代的地球科学要作环境预测,就只有通过过程观测才能揭示机理,不能满足于短暂的“考察”。对于静态的对象,无论是“新

大陆”还是古墓葬,探险就可以发现;对于动态的过程,

不管是风向、海流还是火山爆发,都要求连续观测,只摄

取个别镜头的“考察”无济于事。好比领导“视察”,看到

的不见得有代表性,除非长期“蹲点”,否则很难发现真

相。海洋上有着很好的例子。

秘鲁和厄瓜多尔的渔民,很久以来就看到几年一度

的“厄尔尼诺”,但谁也不明白它的来历。1985年开始,

在太平洋赤道两侧投放了将近七十个锚系,对水文、风

速、风向等连续观测十几年,终于找到原因在于赤道的

东风减弱,西太平洋暖池的次表层水东侵,压住了东太

平洋上升流,从此厄尔尼诺的预测就有了依据[3]。另一个例子是海洋沉积。深海海底的泥来自表层,长期以来总以为这是一种缓慢、均匀的过程,就像空气里的雨点那样降到海底。1978年发明了“沉积捕获器”,把下面装有杯子的“漏斗”投放到海水深层,每隔几天换一“杯”,看沉积颗粒究竟是怎样降到海底的。结果大出意外:有的杯子几乎是空的。原来海洋里的沉积作用平时微乎其微,来时如疾风暴雨,是突发性的[4]。说了半天还都是海水里的观测,没有到海底。但凡是在海里作连续观测都有能源供应和信息回收的限制,因为必须定期派船替换电池、取回观测记录。这种一年半载以后才能取回的记录,连续但并不及时,而海上预警要求有实时观测的信息,不是要“事后诸葛亮”的“马后炮”。海面作业更大的限制在于安全,而偏偏最不安

全时候的观测最有价值,比如台风和海啸。

近来的动向,就是把观测点放到海底去:在海底布

设观测网,用电缆或光纤供应能量、收集信息,多年连续

作自动化观测,随时提供实时观测信息。其优点在于摆

脱了电池寿命、船时与舱位、天气和数据迟到等种种局

限性,科学家可以从陆上通过网络实时监测自己的深海

实验,命令自己的实验设备冒着风险去监测风暴、藻类

勃发、地震、海底喷发、滑坡等各种突发事件。在海底建立观测地球系统的第三个平台,将从根本上改变人类认识海洋的途径,是地球科学又一次来自海洋的革命。如果说,从船上或岸上进行观测,是从外面对海洋作“蜻蜓

点水”式的访问;从海底设站进行长期实时观测,是深入

到海洋内部作“蹲点调查”,是把深海大洋置于人类的监

测视域之内。500年前达?芬奇设计潜水服,130年前

凡尔纳写“海底两万里”,在当时都只是科学幻想。今

天,不仅人类可以下潜到洋底深渊,机器人可以游弋海

底火山,而且正在海底铺设观察网,把大洋深处呈现在

我们面前[5](图1,见封二)。可以设想,未来的人们可以

打开家里的电视屏幕,像看足球赛那样观赏海底火山喷

发的现场直播。3贴近地球深部的窗口地球的半径六千多公里,而我们人类的活动空间基本上是从海面到山顶,通常局限在上下几百米、至多几千米的范围之内,只占地球半径的几千、几万分之一。我们生活中接触的大气、海洋以致地壳,属于地球的表层系统;而真的要了解地球系统还必须“由表及里”,不能忽视地球的主体———深部的地幔和地核。提醒我们不能忽视深部的是火山和地震:一旦深部的物质和能量快速释放到表层,就会给人类带来毁灭性的灾害。

世界上80%的火山爆发和地震发生在海底,而且主

要沿着地壳的边界:新生地壳形成的大洋中脊,和地壳

消亡的大洋俯冲带。因此海底观测最早的主题就是地

震,将地震仪放到海底、最好是海底钻井的基岩里,就可

以大幅度提高监测地震的灵敏度和信噪比。1991年开

始建设的“大洋地震网”,就是在大洋钻探(OD P )的钻孔

中设置地震仪,第一个设在夏威夷西南水深4400m ,井

深近300m 的海底玄武岩里,仅4个月就记录了55次

远距离的地震[6]。

海底监测地震,目的是要测得地壳微细的移动,而

对此最为敏感的是地壳里的液体。因而在海底钻井里

监测地震中,发展了一项关键技术叫“海底井塞

(CO R K )”。这种20世纪90年代发明的装置安在井口,防止地层水从井口逸出,或者海水从井口侵入。安装“井塞”,是监测海底地下水的“绝招”,既能测定岩石中流体的温度、压力,还可以取样分析(图2,见封二)。此后的十三年里,大洋钻探在18个井口安装了“海底井塞”,大大推进了“大洋地震网”计划[7]。海底地震观测网的另一项技术,是用光纤电缆与岸上连接以输送能源和信息,如果有退役的海底电信缆线可供利用,就能大

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幅度降低成本。1998年美国在夏威夷和加利福尼亚之间建成水深五千米的H2O海底地震观测站,利用的就是退役的A T&T越洋电缆。20世纪90年代末期,日本也利用本州到关岛、冲绳到关岛的退役越洋电缆,建设深水地震监测站。

其实,海底观测最初的应用是军事,最早进行海底观测的是美国的海军。利用低频声波能在海水中远距离传播的原理,海底设置的水听设备能够监测鲸鱼群的迁移,也能够发现并分辨出潜艇有几个螺旋桨、还是核潜艇。1962年“古巴事件”时,美国就是用1952年安置在北大西洋深海底的“声波监听系统”(SOSUS)水听设备,发现了前苏联的潜艇。“冷战”结束后,“声波监听系统”向民用开放,美国科学家利用来监听海底地震,发现比陆上监测的灵敏度高出上千倍。仅在1999～2002年间,就接收到大西洋中脊7785次地震,比陆地台站接受到的多5倍[8],从此水听设备成为海底观测系统的重要部分。地球表面的2/3是海洋,没有海底观测网,人类对地震的理解和预警无法实现。

大洋中脊和俯冲带,是地球深部通向表层系统的窗口,也是多少亿年来地球内部能量向外释放的通道。将对地观测系统直接放到海底这些通道口上,就是为揭示深部与表层的相互作用铺路架桥;而海底的“热液”活动,正是这种相互作用的重要表现。

4海底热液与冷泉

海底的水密度最大,因此深海的水温总是向下变冷。但是1977年,美国“Alvin”号深潜器在东太平洋下潜时,却吃惊地发现水温越来越高:原来这里的洋中脊有海底热液口,有>300℃富含硫化物的高温热液如“黑烟”状喷出,冷却后形成“黑烟囱”耸立海底。这次发现打开了人们的眼界:原来海底是“漏”的,沿着全世界将近8万公里的大洋中脊,分布着一些地球深部的窗口,海水下渗到海底以下两、三千米和岩浆相互作用,将金属元素带上形成富含硫化物的黑色热液从海底喷出。更为有趣的是热液区以硫细菌为基础、以管状蠕虫为代表的动物群,它们依靠地球内源能量即地热的支持,在深海黑暗和高温的环境下,通过化学合成生产有机质,构成“黑暗食物链”。以后的调查,又在各大洋的洋中脊分别发现了不同类型的“烟囱”和热液动物群。原来在深海的海底,沿着地球深部的“窗口”,有着另一个奇特的世界:这里的“黑烟囱”一天可以长30cm,但长得快、倒得也快;热液生物也生长神速,那里的蛤类有一尺大,管状蠕虫可以有3m长。对这些全新的成矿过程、全新

的生物群,我们完全缺乏了解。

科学家们很快又发现:海底的“黑暗食物链”和特殊矿物的形成,并不以热液为限。在大陆坡上段的海底下面,分布着一种奇怪的矿物叫做天然气水合物,或者“可燃冰”。这是甲烷分子锁在冰的晶格里,在温度低于7℃、压力大于50个大气压下保持稳定,而一旦升温或者减压,就会融化而释出164倍体积的甲烷。有人估计,全球“可燃冰”中的碳可能相当所有矿物燃料,包括石油、天然气和煤的总和,是新世纪潜在的能源,也是包括我国在内许多国家海上优先勘探的对象。“可燃冰”的甲烷缓慢释出时,这出口就成为海底的“冷泉”,形成碳酸盐结壳,产生不靠光合作用的“冷泉生物群”,其中包括依靠硫细菌的管状蠕虫[9],是和热液口一样的“黑暗食物链”。其实,深海海底还会有其他种类的液体析出、有其他类型的“黑暗生物链”形成。比如在大洋中脊的侧翼,会有40～90℃的热液流出形成碳酸盐的烟囱和特殊的低温热液生物,依靠的是橄榄岩变为蛇绿岩时放出的能量[10]。

总之,大洋底下还有“大洋”(图3,见封二,图片来自文献[11])。洋底有不同成因、不同温度的液体流出,在那里形成这许多矿物,有的就是我们寻找的矿床;也形成了完全陌生的另一个生物世界,有待我们去认识,而这种认识只能从海底去进行,在海底的平台上去观测(图4,见封二)。北美太平洋岸外的胡安?德富卡(J uan de Fuca)区,是热液口观测最为密集的海底;日本本州的相模湾(Saga mi Bay),是冷泉长期观测的地点。因此,世界的海洋生物已经从两个观测面上进行:从海面观测我们熟悉的以太阳能为基础的“有光食物链”,和从海底观测以地球内部能量为基础的“黑暗食物链”。

5海底下的海洋与深部生物圈

无论热液还是冷泉,无论海底的矿物还是生物群的形成,基础都是微生物的活动。处在“黑暗食物链”底层的,是利用地热进行化学合成的硫细菌。上面说到热液口三米长的管状蠕虫,就是一无口腔、二无肛门,全靠有一肚子硫细菌共生,提供营养的。实际上更多的微生物生活在海底之下的岩层中,构成所谓的“深部生物圈”。这些原核生物个体极为细小,却有极大的数量,有人估计其生物量相当全球地表生物总量的1/10,占全球微生物总量的2/3。它们早已埋在地下,有的已经享有数百万年以上的高寿,是地球上真正的“寿星”。不过面对“水深火热”的环境,在暗无天日的岩石狭窄孔隙中长期“休眠”,其生活质量恐怕不值得羡慕。只有一旦岩浆活

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动带来热量与挥发物,才会突然活跃起来重返“青春”,甚至从热液口喷出,造成海底微生物的“雪花”奇观。因此也只有在海底火山口附近设站长期观测,才能捕获这类事件。东太平洋胡安?德富卡中脊就是经常发生岩浆沿岩脉上升、发生喷涌引起微生物勃发的地方。十多年来大洋钻探多次在这里钻井观测地下水,1996年2～3月其南端再次勃发时,对喷涌水样的分析发现不见于海水中的特殊微生物,证明是海底下的微生物[12]。胡安?德富卡海底钻井的观测,还发现海底地下水的水压力和水温,明显地随着海面的潮汐有周期性的升降,而且各井之间的水位也相互连通。可见深海下面的地下水,宛如地下的“海洋”,其中的水也照样流动,流速至少每年30m [13]。从洋中脊到俯冲带,大洋地下都有水流在岩层中流动,都存在着“洋底下的海洋”。这里是“深部生物圈”生活的天地,也是海底以上“黑暗食物链”的根基,相当于地球深部和表层之间的“锋面”。直到今天,人类“入地”的能力仍然远逊于“上天”,深海海底已经是最贴近地球深部的去处。从海底的“第三个平台”观测,揭示的是地球深部及其与表层间“锋面”的奥秘。海洋可以从海面往下看,也可以从海底往上看,但只有海底的观测平台才能既看到地球内部自下而上的过程,也看到地球表面自上而下的过程。如上所述,海底下面的岩浆上涌,会带来营养和能量的脉冲,造成热液活动和热液生物的爆发;海底也会感受海面上的潮汐周期,也会接受藻类勃发、鲸鱼死亡给海底带来的“天降”食物。这里的观测从学科发展讲,是地球系统科学深入的途径;从实用角度讲,首先是能源开发的新天地。

深海石油的勘探开发,是海底观测的应用大户,因为未来40%的石油储量估计将来自深海。由于深海油藏大量出现在深海浊流作用形成的地层里,有效的勘探要求在海底作实地观测,了解深海沉积物的分布和运移。20世纪60年代中期起,用光学和声学的浊度仪测量海水中沉积颗粒物的浓度和粒度分布,用三脚架装上传感器在海底之上进行观测与摄像,发现海流和波浪一直在改造着海底,“海底风暴”的最大流速可以高达40cm/s ,揭示了沉积作用的真相。英国的Bat hyscap h ,美国的G E 2O PROB E 等观测设备,都为取得海底沉积的真实认识立下了功勋[14]。6原位分析与实时观测地球系统的观测不仅贵在实时,而且有许多内容还必须在原位进行分析。到野外进行现场采样,回室内开展实验分析,这是多少年来地球科学的传统。但是,有

许多现象是不能“采样”分析的:热液的温度、p H 值,采回来就变了;深海的许多生物,取上来也就死了;甚至沉积物颗粒,本来的团粒,一经采样也就散了,“分析”的结果都不是水层里的真实情况。新的方法是倒过来:不是把样品从海里采回实验室做分析,而是把实验室的仪器投到海里去分析样品。例如浮游生物,通常使用浮游网采集,取上后在显

微镜下观测鉴定。但是,对细菌之类小于2微米的“微微型”浮游生物,要依靠激光原理用流式细胞计才能统计。近来发明的下潜流式细胞计(FlowCyt obot )更进一步,可以不必取上水样,而是直接投入海中作自动的连续测量[15]。美国Rutgers 大学的L EO 215海底观测站,利用下潜流式细胞计取得了两个月的时间序列,发现微微型浮游生物兰细菌(Synechococcus )的丰度有急剧的变化[16]。再进一步的发展,一是“水下显微镜”,使下潜的细胞计具有呈像功能,依靠光纤将水里的生物图像发回,全面鉴定统计从硅藻到细菌各种不同大小的浮游生物;二是“DNA 探针”,放到海里原位测量生物的基因,在分子水平上测定各种浮游生物的丰度,从而发展“微生物海洋学(microbial oceanograp hy )”新学科。

另一个例子是海水中的悬移沉积物,如果将悬移颗粒收集起来分析,脆弱的聚合体就会分解,正确的办法是用光学或声学的手段,进行原位测定。光透式浊度计,光学后散射传感器,和多功能的声学多普勒流速剖面仪,都有测量悬浮物浓度的功能。目前的发展,是用光学方法原位分析悬移物的粒度分布,例如美国的“激

光原位散射与投射测量”(L ISS T 2100)[17]。原位分析的实例不胜枚举,值得一说的是此项技术的发展,也是对行星科学的贡献。比如木星的卫星Europ e ,可能在表面冰层下有5～10km 深的海洋,一旦行星探测器穿透冰层,只有靠原位分析才能获得这个卫星海洋的信息。海水中的原位观测,只要将传感器与海底的节点连接,就成了海底观测系统的一部分。这样从海底“向上看”,可以摆脱从海面“向下看”所受到的海况、供电和信息传送的限制,可以进行长期实时的观测。其实海底观测系统的应用前景,并不限于地球科学。海底不但是探测生命起源和极端环境生物学的理想场所,甚至于还是

高能物理探测基本粒子的去处。来自宇宙的中微子(neut rino )穿越水层时,会因其产生的μ介子(muon )留下光学效应,从而可以在深海追踪中微子在宇宙中的来源。科学家可以把海洋当作“天文台”,在海底架起“望远镜”进行追踪。当然这海水必须深于千米,而且透明度要高、颗粒物要少。1996年起,欧洲国家在地中海开展“中微子望远镜天文学与深海环境研究(AN TA R ES )”?

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计划[18],取的就是地中海水深、寡养、离欧洲的实验室近。

7正在来临的国际竞争

与20世纪以前“炮舰外交”的时期不同,现代海上的国际之争,很大程度上就是科技之争;一些属于海洋权益和军事的举措,往往也是在科学研究的旗帜下进行。进入21世纪以来,最令人瞩目的就是海底观测系统的竞争。建设海底的地球观测平台,通过光缆联网供电和传递信息,对海底以下的岩石、流体和微生物,对大洋水层的物理、化学与生物,以及对大气进行实时和连续的长期观测,是海洋科技的重大举措,预示着科学上革命性变化,而同时也有军事上的重要性,必将成为海上权益之争的新手段。在这场酝酿中的海上竞争中,走在最前面的是美国。经过十多年的讨论,美国2006年6月底通过了由近海、区域、全球三大海底观测系统组成的“海洋观测计划(OOI)”,2007年起建,计划使用30年。其中最为重要的是区域性海底观测网,即东北太平洋的“海王星”(N EP TUN E)计划,在整个胡安?德富卡板块上,用2000多公里光纤带电缆,将上千个海底观测设备联网,由美、加两国联合投资,对水层、海底和地壳进行长期连续实时观测(图5,见封二)。美国的计划已经在欧洲和日本得到响应。2004年,欧盟、英、德、法等国的研究所制定了欧洲海底观测网计划(ESON ET),针对从北冰洋到黑海不同海域的科学问题,在大西洋与地中海精选10个海区设站建网,进行长期海底观测。日本长期以来特别关注板块俯冲带的震源区,20世纪80年代末期以来,日本在其附近海域已经建立了8个深海海底地球物理监测台网,有的已经和陆地台站相连结进行地震监测;2003年又提出的A R ENA计划,将沿着俯冲带海沟建造跨越板块边界的观测站网络,用光缆连接,进行海底实时监测[19]。可以预料,海底观测网建设的国际竞争,在若干年内必将引发国际权益与安全之争。我国决不能袖手旁观,应该尽早着手,力争主动。

应该承认,我国历来在海洋观测方面严重落后。近十余年来虽然海洋考察船的调查相当活跃,但在长期观测上缺少举措,已经落在一些亚洲邻国之后。印度早在十年前通过国际合作,在其专属经济区水深20～4100 m之间投放12个浮标;韩国2003年在东海,建成了世界上最大的无人海洋观测站。近年来,在海洋“863”计划和地方建设的推动下,我国已经在沿海周边地区初步建立起航天、航空、海监船体等监测体系,提高了海洋环境观测监测和预报能力,但其目标还是海面的环境监测和台风、风暴潮等的预警,并未涉及海底。好在海底观测系统的全面建设,即便发达国家目前也才处于起步阶段,如果我国能够从长远着眼、从当前着手,立即部署、尽快行动,完全有可能在这场新的海上竞争中,争得主动。

回顾历史,科学的发展历来具有突发性。地球科学在19世纪的突破在于生命和地球环境演变的进化论, 20世纪的突破在于地球构造运动的板块学说,而突破的基础都在于新的观测,这在当时的中国无从谈起。达尔文经过“贝格尔”号船上五年的观测,才形成进化论,但当时中国正在鸦片战争前夕;“物种原始”发表的1859年正值英法联军大战大沽口,国祚垂危,遑论学问。板块学说的证明,关键在于深海钻探,测得大洋地壳的年龄离中脊越远越老,然而深海钻探开始的1968年,中国正值“文革”高峰,只闻“打倒”“砸烂”,哪有科研的余地?对于前两个世纪世界地球科学的进展,中国愧无贡献,首先是历史的原因。人们预计,21世纪的突破将在地球系统科学的领域,人类从地面、空间、海底三管齐下观测地球,将能揭示地球系统“运作”之谜。当前建设中的海底观测系统,正是通向新突破的捷径,而且作为新开的领域,各国也都处在起步阶段。中国目前经历着数百年不遇的良机,科研投入增长之迅速令各国羡慕。因此,我国科学界应当深思:我们能不能抓住时机,在这场新的突破中对人类做出应有的贡献?国人的回答和行动,将决定历史给于我们的评分。

(2007年5月13日收到)

1　VAN D ER M EIJ D E M,MA RON E F,GIA RDIN I D,et al.

Seismic evidence f or water deep in Eart h’s upp er mantle[J].

Science,2003,300:155621558.

2　SC H EL L N HUB ER H J.“Eart h system”a nalysis and t he sec2 ond Cop er nica n revolution[J].Nature,1999,402:C192C22.

3　FI EL D J G,H EM P EL G,SU MM ER HA YES C P.Ocea ns 2020,science,t rends,a nd t he challenge of sustainabilit y[M].

Washingt on D C:Island Press,2002:365.

4　HONJ O S,MAN GANINI S J,COL E J J.Sedi mentation of biogenic matter in t he deep ocea n[J].Deep2Sea Research, 1982,29:6092625.

5　FO RNA RI D.Realizing t he drea m of de Vinci a nd Ver ne[J].

Ocea nus,2004,42(2):125.

6　S TEP HAN R A,KASA HA RA J,A C TON G D,et al.2003.

Proc OD P init repts200[CD].Texas A&M,College Station,

T X.

7　B EC KER K,DA V I ES E E.A review of CO R K designs a nd op erations duri ng t he Ocea n Drilling Progra m[M]//FIS H ER

A T,U RA

B E T,KL A US A,et al.Proc IOD P301,Texas

A&M,College Station,2005.

8　SMI T H D.Ears in t he ocea n[J].Ocea nus,2004,42(2):123. 9　V AN DOV ER C L,G ERMAN C R,SP EER K G,et al.E2 volution a nd biogeograp hy of deep2sea vent a nd seep inverte2 brate[J].Science,2002,295:125321257.

　自然杂志　29卷3期特约专稿　

10　KELL E Y D S ,KA RSON J A ,FR U H 2G G L ,et al.A ser 2p entinite 2hosted ecosyste m :The lost city hydrot her mal field

[J ].Science ,2005,307:142821434.

11　IOD P 科学规划委员会.地球,海洋与生命,IOD P 初始科学计划200322013[M ].同济大学海洋地质重点实验室译.上海:同济大学出版社,2003:96.

12　SU MMI T M ,BA R ROS J A..Ther mop hilic subseafloor micro 2

organis ms f rom t he 1996Nort h Gorda Ridge erup tion [J ].Deep 2Sea Res II ,1998,45:275122766.

13　DA V IS E E ,B EC KER K.Observations of nat ural 2state fluid

p ressures and te mp eratures in young ocea nic crust a nd inf er 2ences regarding hydrot her mal circulation [J ].Eart h Planet Sci L ett ,2002,204:2312248.

14　CA CC HION E D A ,S TR ENB ER G R W ,O GS TON A S.Bot 2

t om inst rumented t rip ods :hist ory ,applications ,a nd i mpacts

[J ].Continental Shelf Research ,2006,26:231922334.

15　OLS EN R J ,S HAL A P YONO K A ,SOSI K H M.A n aut oma 2

ted submersible flow cyt ometer f or a nalyzing pico 2a nd na no 2p hyt opla nkt on[J ].Flow Cyt obot Deep Sea Research I ,2003,50:3012315.

16　SOSI K H M ,OLSON R J ,N EUB ER T M G ,et al.Growt h

rates of coastal p hyt opla nkt on f rom ti me 2series measure ments wit h a submersible flow cyt ometer [J ].Li mnol Ocea nogr ,2003,48:175621765.

17　GA R TN ER J W ,C H EN G R T ,WAN G P F ,et al.L aborat o 2

ry a nd field evaluations of t he L ISS T 2100inst rument f or sus 2p ended p article size deter minations [J ].

Marine Geology ,2001,175:1992219.

18　FA VAL I P ,B ERAN ZOL I L.Seefloor observat ory science :a

review [J ].A nnals of Geop hysics ,2006,49(2/3):5152567.19　同济大学海洋地质实验室.国际海底观测系统调查报告[R ].上海:同济大学,2006:148.

Seaflooor Observatories :The Third Platf orm for Ea rt h System Observation WA N G Pi n 2xia n CAS Member ,St ate Key L aborat ory of Mari ne Geology ,Tongji U 2niversity ,Sha nghai 200092Abstract Entering t he new millennium ,t he ocea n science commu 2nit y begins t o establish a seafloor observat ory networ k t o explore a nd understa nd t he te mp oral variability of ocea n syste m including its p hysical ,che mical ,biological a nd geological p rocesses.This will be t he t hird platf or m of Eart h syste m observation af ter t he first one f rom t he land a nd ocean surf ace ,and t he second f rom t he space.The real 2ti me continuous observations f rom t he sea floor will estab 2lish a long 2ter m p resence in t he ocea n and ,hence ,f unda mentally cha nge t he relationship between human a nd ocean.In addition ,t he t hird platf or m will op en a window f or a close 2up view t o t he p roces 2ses in t he Eart h ’s interior.Key words sea floor ,eart h syste m ,real 2ti me observation ,deep 2sea p rocesses (责任编辑:方守狮)

自然信息

弦网液态:一个新发现的物态

1998年,当美国斯坦福大学的Rob 2

ert L aughlin 获得诺贝尔物理学奖之后,曾被问到带分数电荷的粒子(现在称为准粒子)将会怎样影响人们的生活,他说,“应该不会有什么影响,除非大家关心宇宙是怎么运转的”。大家当然关心这个问题。美国麻省理工学院的文晓钢和哈佛大学的Mic hael L evin 沿着L aughlin 的思路继续开拓,预测出了一种新的物质形态,该物态甚至与时-空本身的属性有关。2007年3月初在加利福尼亚大学举行的拓扑量子计算(Top ol 2ogical Quantum Comp uting )会议上,

L evin 把他们的工作成果公之于众。文晓钢说:可能存在新物质形态最初的线索出现于1982年进行的一项实

验。在此实验中,由于在两个半导体分界面上移动的时候,其行为就好像是带有分数电荷的粒子。这种被称做分数量子霍尔效应(f ractional qua ntum hall eff ect ,简称FQ H E )的现象暗示电子可能根本不是最基本的粒子。然而,科学家们很快就弄清楚,在一定的条件下电子可以通过某种方式聚集在一起,形成带有分数电荷的错觉。对于这一现象的解释,使Robert L aughlin ,Horst St r mer 和崔琦共同赢得了1998年的诺贝尔物理学奖。文晓钢猜想这种效应很可能是一种新型物态的例子。不同的物态是由原子间不同的组合方式决定的。例如,液态

物质中的原子是随机分布的,而在固态

中,原子是严格地限制在晶格内。在

FQ H E 系统中原子的位置虽非常地随机,有点像是液态,不过和液态不一样的是,电子之间的距离始终保持在一个非常明确的范围之内。看起来,电子像是互相纠缠着的。现在,物理学家用纠缠

(entangle ment )这一术语来描述在量子力学中的一个特性:粒子可以相互链接不论它们之间有多远的距离。文晓钢推测FQ H E 系统代表了一种物质状态,纠缠是其一个内在属性,这种物质中所有的粒子以复杂的方式互相链接着。

这就使文晓钢和L evin 产生了下列

想法:也许还有另一种物质存在的方式。

也可能电子并不是基本粒子,而是在其

他长“弦”式的基本粒子之末端形成的?

他们构想出一个模型,在此模型中弦线

可以像一大锅汤里的面条一样自由地移

动,且缠绕在一起形成巨大的“弦网”

(st ri ng 2net )。两人进行模拟来验证他们的弦网能否催生出常规的粒子和带分数电荷的准粒子,他们做到了。而且还发现更有趣的事情:当弦网振动时,产生了按照麦克

斯韦方程组所规范的相似的波,而麦克

(下转第151页)?

031?Chinese J ournal of N ature Vol.29No.3 Invited Special Paper

地球系统科学

地球系统科学地球系统指由大气圈、水圈、陆圈（岩石圈、地幔、地核）和生物圈（包括人类）组成的有机整体。地球系统科学就是研究组成地球系统的这些子系统之间相互联系、相互作用中运转的机制，地球系统变化的规律和控制这些变化的机理，从而为全球环境变化预测建立科学基础，并为地球系统的科学管理提供依据。地球系统科学研究的空间范围从地心到地球外层空间，时间尺度从几百年到几百万年。简介地球系统科学是从传统的地球科学脱胎而来的。人类的生活要从环境中获取食物、能源，故必然关心所居住的环境，对所立足的地球产生求知欲，于是逐渐形成了地球科学的各分支，如气象学、海洋学、地理学、地质学、生态学等。然而，它们是对地球的某一组成部分的分门别类的研究。随着研究的深入，形成了各自的研究方法、手段和目的。但是，由于地球的空间广域性，形成它的时间悠久性和组成其要素的复杂性，分门别类的研究尽管有的学科已达定量、半定量化的研究水平，但仍不能完整地认识地球，传统地学面临着挑战。用系统的、多要素相互联系、相互作用的观点去研究、认识地球，越来越为有识之士所倡导。于是，在20世纪80年代中期，特别以美国地球系统科学委员会（Earth System Science Committee）在1988年出版的《地球系统科学》一书为标志的“地球系统科学”思想和概念被明确提出。事实上，上世纪六七十年代在中国兴起的对自然地理各要素进行综合研究的思想，可以看作是（表层）地球系统科

学的萌芽。只是后者涉及的范围、领域更广，时间更长，系统的方法和现代技术手段更加先进完善而已。起源地球系统科学是应人类面临的根本生存环境危机——全球变化的严峻挑战而兴起，在近年诸多高新技术在地学上的应用研究而促进其发展，它反映了现代人类对人－自然界关系的哲学理念。但是，概念尽管已提出，行动却尚有不少困难。首先就是面对这个复杂的开放的巨系统，如何能适时地、多周期地获取系统多参数的海量数据？同时，又如何对海量数据进行整合、集成以及选取合适的参数进行数学建模？模型又如何能适时地检验？如何对全世界成千上万的地学实验室、科研机构、大专院校的科学研究和获取的宝贵数据能进行共享、交换？这些问题均有待解决。地球系统科学又面临困境。幸运的是，地球系统科学由于现代工程技术科学的参与与支持，将出现一场新的技术革命。数字地球就是这场技术革命的集中体现，它有望给地球系统科学带来研究方法，手段的革命性变化。地球系统科学是以全球性、统一性的整体观、系统观和多时空尺度，来研究地球系统的整体行为，使得人类能更好地认识自身赖以生存的环境，更有效地防止和控制可能突发的灾害对人类所造成的损害。地球系统科学在现代技术，尤其是空间技术和大型计算机发展后出现，致力于对地球的整体探索。它以地球科学许多分支学科的大跨度交叉渗透，与生命科学、化学、物理学、数学、信息科学以及社会科学的紧密结合为特征。其研究发展的特点为时空尺度大，综合性强，实用空间大，支持有效监测和预测，研究大量采用高新技术，采集、存储、处理的数据量都极其巨大。

地球海底科学若干大型研究计划简介(1)

地球海底科学若干大型研究计划简介（1）胡经国第一节深海钻探计划与大洋钻探计划一、概况㈠、深海钻探计划（DSDP，1968～1983） ——证实了板块构造 ——开创了与大洋循环变化相关联的高分辨年代学 ——对除了北冰洋以外的全球所有主要洋盆进行了初步调查㈡、大洋钻探计划（ODP，1985～2003） ——钻入洋壳更深部位 ——分析了汇聚边缘及相关的流体流动 ——研究了洋底高原的形成、演化及大型被动大陆边缘 ——很大地增进了对长期和短期气候变化的认识二、主要成果 1、深部生物圈和洋底下的海洋 ⑴、深海底下微生物普遍存在。 ⑵、洋底下冻结的甲烷矿床发现洋底下存在大量气体水合物。为评估它们对全球碳收支的影响、陆坡稳定性以及资源潜力提供了宝贵的信息。保压条件下从洋底钻取并保存气体水合物。 ⑶、流体及其沿主要逆断层带的释放对汇聚大陆边缘滑脱带和逆冲断层带的钻探，验证了三维地震资料的解释结果，即流体沿断层滑移带发生迁移。具有特定化学特征的流体可能与逆冲断层的机制有关。 ⑷、洋壳上部的热液通量确定了在活动的海底热液系统中，与成矿作用有关的流体的来源、迁移轨迹、成分以及通量，也揭示了流体循环对海水成分、洋壳变化以及深部生物圈的影响作用。

2、环境变化、过程和结果 ⑴、古海洋学的发展连续地层剖面为古海洋学奠定了基础。古海洋学研究地质时期海洋生命的变化、海洋化学以及海流在浅、中、深各部位的循环的变化。古海洋学为与全球变化有关的几乎所有研究提供了参照。 ⑵、新生代地球轨道参数变化深海沉积物中的气候变化记录＋理论计算的地球轨道参数的变化，论证了地球轨道参数变化在驱动气候变化中的作用。 ⑶、高分辨率年代学的发展对地磁场极性倒转历史、生物进化历史和全球海洋同位素成分变化历史之间相互联系的研究，海洋剖面调谐年代学的建立，使近30Ma的极性年代表得到了精确校正。 ⑷、十年至千年尺度的洋流循环变化浅部和深部洋流循环十年至千年尺度上发生变化，证实了冰芯研究所获得的知识。为高纬大西洋地区及其毗邻地区海洋－大气－永冻圈相互作用与温跃层循环的不稳定性之间的联系提供了证据。温跃层循环的不稳定性，可引起遥远地区气候的急剧变化。 ⑸、海洋生物地球化学旋回地球系统科学的概念，是随着科学大洋钻探对来自深海的相对完整的沉积剖面进行详尽分析而发展起来的。这些分析揭示了生物地球化学旋回随时间的主要变化，尤其是复杂的碳循环的变化，它是生物、构造、气候、海洋热液以及洋流循环的变化等因素引起的。 ⑹、全球大洋缺氧事件地质历史的特定时期，大面积海洋范围内，表层海水生产力特别高。在缺氧层，大量有机碳在海洋沉积物中以页岩的形式被保存下来。对了解全球气候和碳循环的长期变化和短期变化以及主要生油岩的形成时代，具有关键意义。 ⑺、深海中的巨大砂体深水扇体的形成主要受海平面变化的控制。 ⑻、南极和北极冰盖的形成时代证实地球在50Ma以前进入现在的冰期状态。其间，经历了从单极有冰到两极有冰到冰盖形成的过程。南极在40Ma以前出现冰川，而大规模冰盖的出现则是在25Ma以后。北半球冰盖大约在15Ma以后才开始发育，而北半球大陆冰川作用则在4Ma以后才开始发生。 ⑼、撞击事件与生物进化确定了大约60Ma一个大型地外物体与地球撞击的全球性后果，包括90%浮游生物的绝灭，幸存的少数属种此后在全球大洋重新繁盛。 ⑽、海平面变化与全球冰的体积

海洋自动观测系统招标技术要求

海洋自动观测系统招标技术要求型号：CZY1型海洋监测站自动监测系统海洋自动观测系统由气象子系统、水文子系统和数据处理控制子系统三部分组成，子系统可通过专线、电话、CDMA GPRS VHF卫星等方式与数据处理控制子系统通信。其中，气象子系统由风速风向传感器、气压传感器、气温相对湿度传感器、降雨量传感器、以及数据采集器组成；水文子系统由水温盐度传感器、浮子式水位计组成。气象子系统和水文子系统要求体积小、功耗低、集成度高、扩充灵活、抗雷击性能强的特点，适合野外安装使用。数据处理控制子系统主机采用工控机，数据的采集、处理、接收、存储、显示、编报、月报、转发等符合《海滨观测规范》（GB/T 14914-2006 ）和国家海洋数据传输网的要求。通信方式和集成方式灵活，可以满足不同海洋站的各种需要。整个系统层层采用模块化设计，维修方便。 1、系统主要技术指标及要求 1.1.系统测量要素、范围和和准确度见下表表1.1系统测量要素、范围和和准确度: 1.2系统技术指标 1.2.1温盐传感器

水温测量范围：(-5?+50) C 准确度：土0.2 C 分辨率：0.05 C 盐度测量范围：8?42 准确度：土0.4 分辨率：0.1 输出信号：数字量传输距离：不小于1000米。工作电压：(9.5?28) VDC 功耗：38 mA (12 VDC 1.2.2浮子式验潮仪 (1) 工作温度：(-30 ?60) C (2)存储条件：(-40?60) C (3)测量范围：(0?1000) cm (4)准确度：土 1 cm (5)分辨率：1 mm (6)工作电压：(10?15) VDC (7)系统功耗：0.8W, 1.4W(背光) (8)数据存储：每分钟1组数据，能存储90天每分钟的潮位及高低潮时潮高、表层水温、盐度。 (9)数据显示：带背光的点阵字符型液晶显示器，更新周期1秒，具有现场打印、显示所测数据(瞬时潮、高低潮、潮高、潮时、等)功能。 (10)数据传输：可选用RS232/422/485、DDN专线、CDMA/GPRSVHF卫星通信、SDH专线、电话、GSM方式传输数据，与数据处理控制子系统连接，进行实时传输和存储资料调取，将数据转存到硬盘或软盘上。 (11)可靠性：平均无故障工作时间大于5000小时，平均故障恢复时间小于0.5 小时 (12)可维性：系统采用模块化设计，便于安装和维护。 (13)扩充性：预留一个串口、2路A/D、2路频率量口。 (14)高低潮判别：显示和存储数据为每3秒钟采集1次，连续采样1min，经

海洋平台介绍

国际浮式生产储油卸油船（FPSO）发展态势: FPSO（Floating Production Storage and Offloading）浮式生产储油卸油船，它兼有生产、储油和卸油功能，油气生产装置系统复杂程度和价格远远高出同吨位油船，FPSO装置作为海洋油气开发系统的组成部分，一般与水下采油装置和穿梭油船组成一套完整的生产系统，是目前海洋工程船舶中的高技术产品。韩国船企对FPSO建造具有较强规模效应。如现代重工专门建有FPSO海洋项目生产厂，已交付了6艘大型FPSO；三星重工手中持有5艘大型FPSO订单；大宇造船海洋工程公司则是全球造船企业中建造海上油气勘探船最多的企业，2005年承接海洋项目设备订单计划指标是17亿美元。据海事研究机构（DW）预计，未来5年内FPSO新增需求将会达到84座，投资额约为210亿美元。 FPSO主要技术结构表： FPSO主要技术结构 FPSO主要结构功能系泊系统：主要将FPSO系泊于作业油田。FPSO在海域作业时系泊系统多采用一个或多个锚点、一根或多根立管、一个浮式或固定式浮筒、一座转塔或骨架。FPSO系泊方式有永久系泊和可解脱式系泊两种；船体部分：既可以按特定要求新建，也可以用油轮或驳船改装；生产设备：主要是采油和储油设备，以及油、气、水分离设备等；卸载系统：包括卷缆绞车、软管卷车等，用于连接和固定穿梭油轮，并将FPSO储存的原油卸入穿梭油轮。其作业原理是通过海底输油管线把从海底开采出的原油传输到FPSO的船上进行处理，然后将处理后的原油储存在货油舱内，最后通过卸载系统输往穿梭油轮。配套系统：在FPSO系统配置上，外输系统是其关键的配套系统。 FPSO主要优点随着海洋油气开发、生产向深海不断进入，FPSO与其它海洋钻井平台相比，优势明显，主要表现在以下四个方面：（1）生产系统投产快，投资低，若采用油船改装成FPSO，优势更为显著。而且目前很容易找到船龄不高，工况适宜的大型油船。（2）甲板面积宽阔，承重能力与抗风浪环境能力强，便于生产设备布置；

斯克里普斯海洋研究所

斯克里普斯海洋研究所 Scripps Institution of Oceanography 斯克里普斯海洋学研究所是美国太平洋海岸的综合性海洋科学研究机构。位于加利福尼亚州拉霍亚。1903年由W.E.里特教授创建，从事海洋生物研究。1912年归属加利福尼亚大学，以主办人姓氏定名为斯克里普斯生物学研究所。1925年由大学董事会改为现名，开始全面研究海洋。杰出的挪威海洋学家H.U.斯韦尔德鲁普博士曾于1936～1948年任所长。该所目前是世界上规模最大的海洋研究所。研究所下设海洋地质、海洋生物和大洋3个研究部，海洋物理、能见度和生理研究3个实验室，还有海岸研究中心，海洋生命研究组，以及供博士学位教学用的研究生院。拥有5艘海洋学研究船，2个研究平台，多用途的岸上和船上计算机系统和海洋专业图书馆，以及“深海钻探计划”岩心总库和供免费参观的水族馆等。作为加利福尼亚大学（圣地亚哥）研究生部，开设有覆盖地理和海洋科学领域约45门课程，PhD 项目是海洋学博士，海洋生物学博士和地球科学博士该所研究课题涉及海-气相互作用，深海锰结核的形成及其开采，海岸侵蚀，污染对海洋生态系的影响，以及包括板块构造和海底扩张在内的大洋地质演化史等200多项。近年来还增加了气候预报、二氧化碳问题和空间海洋学的研究。建所以来，研究船队总航程近400万海里，培养出许多著名海洋学家，主持和参加了深海钻探计划，提出了有划时代意义的波浪预报方式，发现了赤道潜流，在海洋科学各方面的研究中取得了很多成果。出版物有《斯克里普斯海洋研究所通报》、《斯克里普斯论文汇编》等。斯克里普斯海洋研究所的标志

斯克里普斯海洋研究所的景色研究领域 ?Atmosphere & Climate Researchers in atmospheric sciences study the global climate system with an emphasis on the physical, dynamic, and chemical interactions of the air, sea, land, ice, and biosphere. ?Biology Scripps biologists investigate the fundamental processes affecting life and energy flow in marine ecosystems. They examine biodiversity at multiple levels, and explore most marine habitats, including coral reefs, the deep sea, polar regions, the nearshore, and coastlines. ?Chemistry Scripps chemists examine natural processes and human-caused effects occurring in the marine environment, the atmosphere, and geophysical systems. Research combines field observations with laboratory projects and computer modeling. ?Engineering Studies of ocean and earth sciences are technology intensive. Scientists spend long periods of time at sea and on land deploying a wide range of instruments and processing enormous volumes of data ?Geosciences Geological research at Scripps encompasses marine geology and geophysics, tectonics, sedimentology, paleooceanography, petrology and geochemistry, and isotope geology. ?Oceanography Physical oceanographers study the mechanisms of energy transfer through the

全球变化与地球系统科学期末考试答案

读书破万卷下笔如有神《全球变化与地球系统科学》期末考试一.单选题(共50题,50分） B 1.法国罗纳河修的水坝落差有几米 A、5.0 B、6.0 C、7.0 D、8.0 D 2.第一次世界气候大会在哪一年召开？ A、1987.0 B、1983.0 C、1981.0 D、1979.0 C中国不怕全球变暖的原因不包括哪条？3. A、北方城市冬季供暖时间缩短，有利节能。 B、青藏高原霜冻期变短，有利农业生产 C、南方城市制冷所需能源加大 D、长江口潮差变化5米/年，大堤高6米。 C 4.地震波中的什么波破坏性大？ A、P波 B、压力波 C、面波 D、S波 B超级大陆形成于多少亿年前？5.Rodinia A、8亿年 B、9亿年 C、10亿年 D、12亿年 D物质代谢的原料不包括哪种物质？6. A、二氧化碳水、B．读书破万卷下笔如有神 C、氧气 D、氧化铁

B 一下灾害周期最长的是7. A、地震和特大干旱 B、冰期和间冰期 C、特大洪涝灾害 D、厄尔尼诺与拉尼娜 B 8.（）学家认为青藏高原目前处在塌陷期。 A、古生物学家 B、构造地质学家 C、地理学家 D、气象学者 A 9.生物或其他群体居住地段所有的生态因素的总和叫做 A、生境 B、生物圈 C、生态环境 D、以上都不对 A雪球地球事件结束时，火山释放气体使得二氧化碳在空气中的含量上升到当今水平的多少倍？10. A、350倍 B、400倍 C、450倍 D、500倍 D南水北调的中线长度为多少？11. A、2000公里 B、1800公里 C、1600公里 D、1400公里 B我国的目前大坝建设主要考虑（）12. A、储水 B、发电 C、生态 D、气候读书破万卷下笔如有神 C。13.极端环境不包括（） A、高温 B、低温 C、高纬度 D、强酸

欧洲国家的海洋观测系统介绍

欧洲国家的海洋观测系统介绍欧洲社会经济发展离不开海洋科技和海洋经济的支撑，因此他们十分重视海洋科技发展和海洋环境保障能力建设，而海洋观测系统的建设是提升海洋环境保障能力的基础。几十年前，欧洲的海洋观测系统都是各个国家自行建设，规模不大，而且主要为本国服务。近年来，区域社会经济的发展、区域和全球的环境问题以及全球经济危机，使欧洲国家有许多共同的海洋利益，面对许多共同的环境和资源问题。因此，建设资源共享的海洋观测系统，共享海洋信息和信息产品资源，以加速区域社会经济发展和应对环境灾害，成为他们共同关注的焦点问题之一。于是，欧洲的海洋观测系统呈现出在欧盟框架下的集成和共享的发展趋势，目前，由欧洲科学基金会主持的欧洲海洋观测与数据网络(EMODNET)在系统建设和运行中，明显表现出先进工业国家的技术和管理优势。该系统的建设将增强欧洲在全球气候变化和环境污染等方面所面临挑战的应对能力，同时提高区域海洋管理、资源利用和环境保护能力。欧洲具有先进的海洋观测技术，其海洋观测系统的建设经验对我们有很好的借鉴意义。首先他们根据海洋经济的发展需要建设了局域海洋观测系统，之后为研究和解决海洋环境问题并发挥观测系统的系统效益，他们对现有观测系统进

行了大规模的集成和二次开发，在此基础上建成了区域海洋观测系统，从而显著提升了为海洋科学研究和海洋经济发展服务的水平。对于这种高技术和高投入的海洋观测集成系统，欧盟在经费投入和组织协调方面发挥了重要作用。一、英国的CEFAS海洋观测系统英国的全国海洋观测系统是由英国环境、渔业及水生物研究中心CEFAS)与英国气象局等单位合作建设的，最初的目的是为海洋渔业服务。CEFAS拥有波浪观测站14个，温度和盐度观测站38个，智能化生态监测浮标19个。在CEFAS 网站上可以看到关于各种鱼群、鱼疾病以及鱼捕食的信息，可以看到英国海岸区域海浪、潮位以及生物化学信息。波浪观测系统是与国家气象局合作建立的，参数有：有效波高、波高最大值、波峰周期、平均波高、平均波周期、波扩展、温度、平均水位、风向和风速等。CEFAS系统具有以下特点：①高时间空间分频率取样；②物理、化学和生物多参数测量； ③智能化保真取样；④现场校正；⑤卫星通信；⑥可根据客户需要制定监测项目。二、希腊的爱琴海监测和预报系统该系统于1997年由希腊国家立项建设，欧洲自由贸易联盟(EFTA)资助了85%的经费，其余部分由希腊国家经济部

2012中国海洋大学招生专业目录解读

2012中国海洋大学招生专业目录解读（红色字体为变化部分）一、海洋环境学院无变化二、信息科学与工程学院 1、新增专业： 070501自然地理学初试考试科目：①101思想政治理论②201英语一③601高等数学④913自然地理学B 或808地理信息系统初试专业课参考书：伍光和等，《自然地理学》，高等教育出版社，第四版复试考试科目：1.遥感概论或C++语言编程2.科技英语复试参考书:遥感概论《遥感原理与应用》，孙家抦编著，武汉大学出版社，2005: C++语言编程《C++ 程序设计》，谭浩强编著，清华大学出版社 ,2004 招生人数：4人 085215测绘工程（专业学位）初试考试科目：①101思想政治理论②204英语二③302数学二④913自然地理学B 或808 地理信息系统初试专业课参考书：伍光和等，《自然地理学》，高等教育出版社，第四版复试考试科目：1.遥感概论或C++语言编程2.科技英语复试参考书:遥感概论《遥感原理与应用》，孙家抦编著，武汉大学出版社，2005: C++语言编程《C++ 程序设计》，谭浩强编著，清华大学出版社 ,2004 复试考试科目：1.遥感概论或C++语言编程2.科技英语招生人数：5人 2、变化专业 085211计算机技术（专业学位）初试考试科目：①101思想政治理论②204英语二③302数学二④910高级程序设计参考书：谭浩强，C 程序设计(第三版)，清华大学出版社复试考试科目：程序设计实践（上机考试：用C++语言现场编程完成要求并上机通过。编程环境：中文版VC6.0） 085212软件工程（专业学位）文硕考研 h t t p :/ /w w w .w e n s h o r .c o m

地球系统科学概论复习资料

地球系统科学概论复习资料人类正面临着哪些全球性的重大问题人口爆炸、土地荒漠化、资源趋于枯竭、“温室效应”与全球变暖、臭氧屏蔽的破坏 1.开普勒行星运动三定律椭圆定律(开普勒第一定律) 开普勒第一定律，也称椭圆定律：每一个行星都沿各自的椭圆轨道环绕太阳，而太阳则处在椭圆的一个焦点中。面积定律(开普勒第二定律) 开普勒第二定律，也称面积定律：在相等时间内，太阳和运动着的行星的连线所扫过的面积都是相等的。这一定律实际揭示了行星绕太阳公转的角动量守恒。调和定律(开普勒第三定律) 开普勒第三定律，也称调和定律：各个行星绕太阳公转周期的平方和它们的椭圆轨道的半长轴的立方成正比。由这一定律不难导出：行星与太阳之间的引力与半径的平方成反比。这是牛顿的万有引力定律的一个重要基础。2.臭氧特点、作用、危害、存在范围臭氧：臭氧是地球大气中一种微量气体，在常温常压下，稳定性极差，在常温下可自行分解为氧气。臭氧具有强烈的刺激性，吸入过量对人体健康有一定危害。臭氧层是指大气层的平流层中臭氧浓度相对较高的部分，其主要作用是吸收短波紫外线。主要由于在太阳短波辐射下，通过光化学作用，氧分子分解为氧原子后再和另外的氧分子结合而形成的。有机物的氧化和雷雨闪电的作用也能形成臭氧。分布：大气中的臭氧随高度、纬度等不同而变化，近地面含量极少。它是在太阳紫外线辐射或闪电作用下，氧分子分解为氧原子后再和另外的氧分子结合而成的气体。据观测，臭氧含量随高度的分布很不规则，近地面含量很少，从10km高度开始含量逐渐增加，12-15KM以上含量增加得特别显著，在20-30km高度处达最大值，再往上，含量又逐渐减少，到55km高度就极少了。造成这一现象的原因是由于在大气的上层中，太阳短波强度很大，使氧分子解离增多。因此，氧原子与氧分子相遇机会很少；即使臭氧在此处形成由于它吸收一定波长的紫外线，又引起自身分解，因此，在大气上层臭氧的含量不多。到20-30km处，既有足够的氧分子，又有足够的氧原子，这给臭氧的形成提供了条件，故称这一层为臭氧层。在低于这一层的空气中，太阳短波紫外线大大减少，臭氧分解也减弱，所以氧原子数量减少，以致臭氧形成减少。危害：①臭氧层被破坏后，其吸收紫外线的能力大大降低，使得人类接受过量紫外线辐射的机会大大增加了。一方面，过量的紫外线辐射会破坏人的免疫系统，使人的自身免疫系统出现障碍，患呼吸道系统传染性疾病的人数大量增加；另一方面，过量的紫外线辐射会增加皮肤癌的发病率。据统计，全世界范围内每年大约有10万人死于皮肤癌，大多数病例与过量紫外线辐射有关②它会影响农作物的生产。实验表明，过量的紫外线辐射会使植物叶片变小，减少了植物进行光合作用的面积，从而影响作物的产量同时，过量

海洋环境立体自动监测系统分析

龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/c42347977.html, 海洋环境立体自动监测系统分析作者：黄维聪来源：《科学家》2017年第11期摘要海洋区域检测技术规划的主题“海洋环境中的立体自动监测系统技术与示范测试”（主题编号为818-01）作为我国863计划的重大课题，在相关的主管部门高层领导、责任专家等相互协调指导下，历经此项专题各个课题组主持单位与课题成员之间的共同努力下，已经完成有关此专题任务的研究，并且通过国家863计划联合专家组织验收。关键词海洋环境；立体自动监测；检测系统中图分类号 P7 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）11-0003-01 通过本课题的具体实施，也获得了具有知识产权较高的研究成果。国家海洋环境具备的立体自动监测技术与发达国家的先进技能之间存在的差距减少了10多年，已达到90年代中期先进的国际水平，为我国海洋环境检测技术的有效提高与建立国家整体辖区海域的海洋监测环境服务体系奠定稳固的基础。 1 系统的整体设计海洋环境实施的立体自动化监测体系主要是按照我国现行的关于海洋环境监测的预告体系业务化运转的具体需要，通常都将其划分成延时与实时两个基本数据的过程；并依据处理数据的进程方式划分成4个过程段。 1.1 监测采集数据的过程由于处理数据的中心遥测监控单元所使用的是遥测、召测方式进行定时的对换监测单元现场的实时监测以前具备的相关数据，在历经初阶段预处理形成的时报产品记性明示、复印、之后再以文件的形式存档至原始的数据库当中。 1.2 处理数据的过程对原始数据库当中取得的及时与不及时多元的监测数据，区别经过预处理、控制质量之后，产生示范区域基础性共享数据库与延长时间的数据库，当成制作信息的基本数据。同时还成型为用户可以查询的数据与资料量产品。 1.3 制作信息产品数据的过程

(新)地球文化节系列活动介绍

中国海洋大学第二十四届大学生科技文化艺术节之海洋地球科学学院第八届地球文化节系列活动介绍主办单位：海洋地球科学学院团总支承办单位：海洋地球科学学院学生会 2011-4-11

活动背景：地球文化节是海洋地球科学学院的一个传统的特设活动，迄今为止已成功举办了七届，此次系列活动以世界地球日为中心点，以地球现状为结合点，结合我院专业方面的优势，举办一次面向全校的关于地球基础知识（非专业）的综合性系列活动。普及广大校友的地球基础知识，呼吁师生共同爱护我们的家园---地球。活动时间：2011.4.22----2011.5.12 活动安排：

地震防震知识普及讲座活动一、活动背景:近几年来，我国及全世界范围内地震事频发，不仅对社会发展产生重大影响，更改变了地球的外貌和运动状态。加之社会舆论的热点逐步转向对世界末日——2012的探讨，每个人不禁提出疑问“2012真的要到来了,地震频发的时代就此开启了吗？” 二、活动目的:值地球文化节期间，作为以研究地球构造为专业，以保护地球为目标的地球卫士组织，我们此次活动的目的就是要向中学生普及有关地震、地层构造的科普知识，学以致用，以自己的知识和热忱帮助中学生科学地看待地质。并且在此次活动中向学生教授地震中逃生的方法，扩展同学们的自我保护途径。三、活动时间: 2011年4月25日四、活动对象：主讲人：地学院地球卫士志愿者协会成员参与者：崂山五中初一初二全体学生五、活动流程（一）、地震知识小问答（二）、介绍这几年的地震大事件（三）、认识地震（四）、防震讲座（五）、地震逃生小游戏（六）、地球卫士志愿者简介

地球系统科学~知识整理

第一章、地球系统科学 1、如何认识一个系统：1物质组成2系统各部分中的过程3系统各部分之间的相互作用－反馈 2、地球系统科学的定义地球系统科学：将地球大气圈、水圈、岩石圈、冰冻圈、生物圈作为一个相互作用的系统，研究它们之间的物理、化学和生物的过程，并与人类生活和活动结合起来，借以了解现状和过去，预见未来。从而为全球环境变化预测建立科学基础，并为地球系统的科学管理提供依据。地球系统科学研究的空间范围从地心到地球外层空间，时间度从几百年到几百万年。 3、地球系统指由大气圈、水圈、陆圈（岩石圈、地幔、地核）、冰雪圈、生物圈和人类圈组成的有机整体。是作为相互作用过程的集合，而不是单个部分的组合。 4、水体：天然或人工聚集的水成为水体。 5、水圈：地球表层水体的总称。（水圈中的水以三相存在，分布于地表、地下和大气中。） 6、生物圈：生物圈是地球上所有动物、植物和微生物等生物有机体及其活动空间的总称。生物圈占据了包括大气圈对流层下部、几乎整个水圈以及岩石圈表层的薄层范围。其核心部分，即地表面以上100米至水面200以下米之间，集中了绝大部分生物。 7、冰雪圈。冰雪圈的5个组成部分：海冰、大陆冰原、季节性雪盖、永动土和高山冰川。前两者是最重要部分。相对于液态和气态的水而言，冰和雪具有相对的稳定性。冰雪圈覆盖全球海洋的7％，多年冰覆盖陆地表面的11％，但其覆盖范围可变。冰雪圈的分布范围对地球表面温度非常敏感。水的冰点恰好位于地球表面最高和最低温度之间约一半之处。冰、雪和冻土分为常年（多年）性和季节性。季节性冰、雪和冻土产生的季节影响和年际影响非常显著。因常年性冰、雪和冻土的分布稳定少变，在十到百年尺度以上，可以产生比较固定的影响过程和影响趋势。冰雪圈的重要性：（1）稳定的对太阳辐射的高反射率，影响地表能量收支。（2）极地大气－冰－开放海洋的能量交换过程。（3）约占总水量的2％，占有地球上近80％的淡水资源。（海平面）补充：岩石圈地球是由一个物质分布不均匀的同心球层构成，它包括地壳、地幔和地核。地壳厚度不一，平均厚度约17公里。上层为花岗岩层，下层为玄武岩层。地球内部的温度和压力随深度加深而增加。经检测，地壳岩石的年龄绝大多数小于20多亿年，而地球生成到现在大约已有46亿年了，这说明构成地壳的岩石不是地球的原始壳层，是地壳内部的物质通过火山活动和造山活动形成的。 8、土壤：土壤是地球陆地能够为作物提供生长发育具有肥力的疏松表层，是生物，特别是植物和微生物生活的重要环境，是地表与大气进行物质和能量交换的重要场所。 9、“人类纪”的涵义：人类已经成为地球系统的核心。同组成地球的其他部分相比，人类具有不可比拟的能动作用。人类已经成为地球环境变化的主要驱动力。地球未来的命运掌握在人类手中。 10、海洋－大气相互作用海洋作为热源，通过海洋表面温度（SST）加热大气，SST及其变化成为调控气候，并进

(完整版)海洋科学导论复习提纲汇总

海洋科学导论复习提纲第一章绪论第一节、海洋科学研究内容全球海洋总面积约3.6亿平方公里，平均深度约3800米，最大深度11034米。全球海洋的容积约为13.7亿立方公里，占地球总水量的97%以上。如果地球的地壳是一个平坦光滑的球面，那么就会是一个表面被2600多米深的海水所覆盖的“水球”。地球科学体系是一个独特的、复杂的、交叉科学体系。它包括地理学、地质学、大气科学、海洋科学、水文科学、固体地球物理学。其相关学科有环境科学和测绘科学。海洋科学是地球科学的重要分支之一。人们根据研究对象不同，通常把它分为：物理海洋学、海洋化学、海洋生物、海洋地质等四大学科。（一）、研究内容海洋科学的研究对象是地球表面的海洋，以及溶解或悬浮于海水中的物质，生存于海洋中的生物、海洋底边界、侧边界和上边界。是研究发生在海洋中各种的物理、化学、生物、地质地貌等各种现象和过程的发生，发展和演变规律及它们与环境相互作用、相互影响的规律的一门综合性科学。特点：1、特殊性与复杂性；2、作为一个物理系统，海洋中的三态变化无时不刻不在进行，是其他星球上未发现的。3、海洋作为一个自然系统，具有多层耦合的特点。研究特点：1、明显依赖于直接观测；2、信息论控制论系统论等方法在研究中越来越显示其作用；3、学科分支细化与相互交叉渗透并重，而综合与整体化研究的趋势日益明显。物理海洋学：以物理学的理论、技术和方法研究发生于海洋中的各种物理现象及其变化规律的学科。主要包括物理海洋学、海洋气象学、海洋声学、海洋光学、海洋电磁学、河口海岸带动力学等。主要研究海水的各类运动(如海流、潮汐、波浪、紊流和海水层的微结构等)，海洋中温、盐、密和声、光、电的现象和过程，以及有关海洋观测的各种物理学方法。海洋化学：研究海洋各部分的化学组成、物质分布，化学性质和化学过程的学科。海洋生物学：研究海洋中一切生命现象和过程及其规律的学科海洋地质学：研究海洋的形成和演变，海底地壳构造和形态特征，海底沉积物的形成过程和有关海洋的起源及演化以及海洋地热、地磁场和重力场等。新兴科学：工程海洋学，遥感海洋学，环境海洋学、军事海洋学和渔业海洋学等（二）、海洋的特性 2.海水特性：混合溶液：水、盐分、气体、悬浮有机物、悬浮无机物。第二节海洋学研究意义 1海洋与人类生存环境关系密切；2.海洋蕴藏着丰富的资源（矿产、化学、生物、动力）3.军事、航运、港工、油气开发；第三节海洋学研究方法 1.（物理海洋学）常规和遥感观测。 2.实验和数值模拟。 3.理论研讨第四节海洋学研究发展史 1、早期研究（麦哲伦，库克，郑和、王充、哥伦布、列文虎克、牛顿、贝努力、拉瓦锡、拉普拉斯）2.海洋科学研究开始（达尔文、1872～1876年，英国“挑战者”号考察被认

海洋低空无人机监测系统

UAV Low Altitude Marine Monitoring System Jie-liang Huang, Wen-yu Cai School of Electronics & Information Hangzhou Dianzi University Hangzhou, China E-mail: jieliang_huang@https://www.360docs.net/doc/c42347977.html,, caiwy@https://www.360docs.net/doc/c42347977.html, Abstract—As the human pays more and more attention to the exploration of marine resources, the marine activities show diversity. At the aspect of the exploration of some uncharted and potentially dangerous waters or islands, the marine low altitude surveillance UAV (unmanned aerial vehicle) is obviously very important. As a tool to obtain first-hand information, UAV can take off near the monitored area. Carrying with a high-definition camera, altimeter, GPS, barometric pressure and humidity sensors, the UAV can monitor the area for real-time, get the latitude and longitude of specific landmarks, measure altitude and barometric pressure and humidity and etc. Therefore we can have a general understanding of the whole area to eliminate risk factors. In addition, for different application environments, UAV can be equipped with different monitoring devices, which makes the application for more flexible and the areas for more diversity. Keywords-low altitude; UAV; high-definition cameras; altimeters; GPS; barometric pressure and humidity sensor I.I NTRODUCTION With the national marine economy being proposed, the low-altitude UAV remote sensing is applied to marine monitoring and monitors marine emergencies, marine disasters, marine environment dynamically with real-time tracking, to provide real-time field data for the marine forecasters for Rapid Alert and a scientific basis of decisions and solution for the marine management. Regardless of the protection of the marine disaster prevention and mitigation services and the need for the development of national high- tech, it is urgent to develop the real-time monitoring system of the marine environment with quick response and intensification and establish the report of efficient disaster warning service on the basis of new technology. Low-altitude UAV remote sensing marine monitoring as an monitoring technology of important and in the initial stage, on one hand, can do emergency response, without waiting for satellite transit or the limit of flying height of traditional aviation Airborne remote sensing; On the other hand, can overcome the defects of the optical remote sensing technology of traditional satellite in South cloudy and rainy weather and will greatly enhance the ability of monitoring Marine dynamically and urgently monitoring of disaster prevention and maneuver reduction, which provides quality services to the marine disaster prevention and mitigation, then escorts for the economic development of regional marine. This article will focus on UAV low altitude marine monitoring system with Art-tech Diamond 2500 Glider unmanned marine as the hardware platform, then describe the consist, the key technology and its applications of system. II.T HE C OMPOSITION OF S YSTEM UAV low-altitude Marine monitoring system consists of ground flight control system, aerial surveillance flight system, UAV driving flying platform, wireless HD video transmission system and so on. A.Ground Flight Control System Ground flight control systems is useful for the flight control of UAV and the processing and display of related data, including data transceiver module, debug interface, gesture controller(as shown in Fig.1). By the composition of wireless module, JTAG interface, the control handle, STM32 controller, PC terminal, it can be achieved on the UAV attitude, altitude, speed, heading, route control, with remote control and autonomous flight modes. In order to improve the reliability of the flight control system, the system uses the wireless transceiver module with a high transmission rate and low error rate to ensure that the control signals can be transmitted in real -time and received correctly. Because digital connection being instead of analog, which improves the accuracy of signal transmission and increases the anti-jamming capability. The body has the ability to be extended and flexible configuration, and some typical system components may be changed according to the needs of the missions. Figure 1. Ground flight control system. B.Aerial Surveillance Flight System Aerial surveillance flight system is response to the control signal of ground flight control system. It adjusts the flight of the UAV in real-time and collects relevant data information by a variety of sensors, which includes three parts of sensors, actuators and flight controller (as shown in Fig.2). By the composition of GPS module, battery voltage detection module, altimeter, barometer and humidity detection module, wireless module, attitude acquisition module, STM32 controllers, actuators, it can measure the location latitude and longitude, altitude, barometric pressure and humidity, life 2014 International Conference on Wireless Communication and Sensor Network