深潜马里亚纳海沟:“终极测试”只是一个开始?

深潜马里亚纳海沟:“终极测试”只是一个开始?

北京时间3月26日清晨5点52分,当绝大多数中国人还在睡梦中的时候,人类走近海洋的历史又向前迈进了一步:曾经执导《泰坦尼克号》、《阿凡达》等好莱坞里程碑式电影的著名导演詹姆斯·卡梅隆驾驶其单人深潜器“深海挑战者”号成功下潜至世界海洋最深处——近1.1万米深的马里亚纳海沟“挑战者深渊”底部,成为继瑞士海洋学家兼工程师雅克·皮卡德和美国海军中尉唐·沃尔什在1960年乘坐直上直下的密闭球“的里雅斯特号”到达深度为10916米的马里亚纳海沟底部之后,再次抵达该深度海域的第一人,并且创造了世界单人万米下潜的首个纪录。

为了达到这一深度,卡梅隆和他包括工程师、科学家和电影制作人在内的团队谋划了整整7年,以设计一款能够完成这项使命并使人类目击地球最深处景象成为可能的深潜器。长24英尺(约7米)、重12吨的“深海挑战者”号正是这些努力的结果。它所携带的除了沉积物取样设备、机械抓手和一台专门用于捕捉小型海底生物的设备,还有测量海水温度,盐度和压强的各种仪器。与以往的深潜器不同的是,竖直状的“深海挑战者”号上下运动时受到的阻力比传统的“鱼状”深潜

器小很多,能以相当快的速度下潜和上浮。此外,它使用了

对于科学家和期待看到海底景象的普通公众来说都十分重

要的全LED水下照明灯光和3D高清摄像。以最快可达每分钟约150米的惊人速度,卡梅隆总共花了约2小时36分钟的时间下潜至海沟底部,在那里停留了近3个小时,然后以比预计更快的70分钟时间返回海面。

此前,《国家地理》网站曾透露卡梅隆将于和中国“蛟龙号”

深潜器7000米级海试时间非常接近的今年5、6月间发起这项挑战深海的冲击,卡梅隆本人也曾向邀请他前往造访的“蛟龙号”主要研发单位之一——中船重工集团公司702所表示,希望等他实现目标之后,再来与中国同行会面。如今,卡梅隆成为“深海第一人”的梦想提前实现了。1960年的时候,唐·沃尔什和雅克·皮卡德在“挑战者深渊”只待了20分钟,且由于潜艇卷起了海床上的大量泥沙,两人几乎什么都没看到。之后,日本的“海沟号”和美国的“海神号”这两艘无人遥控潜艇分别曾经于1995年和2009年抵达过这一深度。

组织和资助这项活动的美国《国家地理》杂志因此评论称,“深海挑战者”号潜水器这一将人类重新带回6000米以下深

海的探险旅程将是人类深海事业的一个转折点,标志了一场深海“文艺复兴”的开始。

科学家:为什么要去深海?

延伸2500多公里的马里亚纳海沟是位于海底的一道非常狭长、深邃的裂缝。太平洋板块在此处向小马里亚纳板块下方俯冲,全球海洋的最低点就位于这一海沟底部。

过去,深潜纪录在那里被打破是使这道海沟引起人们关注的唯一因素,但近年来,科学家们越来越关注海沟,并开始思考其它一些与之相关的问题。

据BBC报道,全球共有20多道像马里亚纳那样的海沟,它们大多位于太平洋,形成于两个构造板块的交界处。在那些地方,沉重的大洋板块俯冲到较轻的大陆板块下方,地质学者们现在认为,这类区域对于一些地震的发生可能起着关键性的作用。来自美国海岸和海洋制图中心的Jim

Gardner博士对此解释说,这是两种板块互相挤压的地方。在太平洋板块顶部的海山被挤压到海沟下方或堆积在海沟

壁上。一旦这些板块之间发生壅堵,就会引起类似不久前日本和印尼曾经发生过的那样的大地震。过去五年里,这位地质学家绘制了迄今为止最详细的马里亚纳海沟地形勘察图。他认为,认识更多这类地点的内部板块作用机制非常重要。

除了地质学家,生物学家也关注深海。来自英国阿伯丁大学海洋实验室的Alan

Jamieson博士曾经使用简单的钢制三角架状平台装置勘探

海沟底部。平台上装备有照相机,也放上了诱饵。随后他和同伴也降落到海底,连续静坐几个小时,记录那些会被平台上的简单食物所诱惑的生物。Jamieson博士说:“当我们开始做这些的时候,我们以为我们能找到的生命很少,即便找到了,也许也很单调,只是为了维持在深海的生存。但是,我们却发现了大量的生命活动——即使是在海洋最深处。”

以此为开端,他记录了一系列的生命:从长达30厘米的片

脚类对虾到淡粉红色的、呈凝胶化状态的鱼。他正在研究这些生物的生理学,以解释它们如何在压强高于海平面一千倍、被黑暗包围且温度刚过零度的环境下生存,

如果说,在深海发现的生物引人入胜,那么,它们死后将会发生什么?一项在去年发布的研究发现,当海洋里死去的动植物中的有机成分沉入海底,它们就被陡峭的海沟壁所包围。正是因此,海沟底部的碳沉积比在海洋的其它位置多。这暗示着深海可能在碳循环以及影响地球气候方面扮演着一个

之前被忽视了的重要角色。研究人员正试图发现究竟有多少碳在下沉,或被海洋吸收,有多少碳通过海洋中的细菌进行了循环,以估算究竟有多少碳被带离了大气圈。

但是,受“人类中心”观念的影响,自然界的事物似乎是离人类活动越远,就越受到忽视。眼下,尽管科学家们正逐步揭开深海的秘密,美国国家海洋和大气管理局(简称NOAA,一个相当于海洋领域的美国航天局NASA的机构)前科学部主管、海洋学家Sylvia

Earle却认为,仍有许多工作要做。“我不得不遗憾地说,我们正处于21世纪的开端,但我们对于太阳系的了解都比我们对自己星球上海洋的了解要多。我们已有的关于月亮、火星和木星的地图都比海底地图要好。”

她认为海洋的最深处被忽视程度最高。大多数的海底位于海平面以下4000到6000米深处,这个区域被称为“深海底带”。地球上的海沟尽管数量很少,深度却是这个的两倍,它们所在的区域被称为“超深渊带”。“那只占了全球海域的3%——但好好想想,那相当于一个澳大利亚、北美洲或中国的面积,而我们居然忽略了它!”让Sylvia

Earle感到沮丧的是,深海科学相对于航天科学,总是显得弱势。事实却是,人类了解海洋深处越多,也就越能意识到它们不亚于海洋表面的重要性。最终,海洋保护将包含海面和海底的一切。“总体而言,除了以获取资源为主要目的的科

考外,目前人们更多的是从了解和保护这个角度关注海洋,这也是科技界的趋势。”一位在国外工作的华裔海洋科学家告诉记者。

而在遥控仪器和水下机器人相对载人潜器费用较低的情况下,关于勘探海洋最深处所应该依赖的方法问题,科学界内部目前也还存在着争议。如Earle博士那样的一些研究者认为,好比要在一个诺大的空房间里找一件很小的东西,如果确知东西在哪个角落,捡起来不难,这种情况下,使用无人潜器也能解决问题;但多数情况下,连是否有东西或东西在哪个角落都不知道,使用具有人眼和大脑思维判断的载人潜器才有利于真正了解海底世界。就像“深海挑战者”号潜水器项目组成员、夏威夷大学地球物理和行星学研究所的海洋地质学家Patricia

Fryer所说:“关键是要把人类带到深海环境……关掉所的灯光,静静地坐在潜水舱里,不惊扰任何动物,只是转动你的脑袋环顾四周,观察那些生物之间的关系和它们的正常行为方式,这是水下机器人所无法做到的。”而另一些人则认为,深海平台和像伍兹霍尔海洋研究所曾经下潜到“挑战者深渊”的“Nereus”那样的水下机器人能带回的数据更多。但是,即使是像Alan

Jamieson博士那样认为无人探测是深海科学发展方向的研

究者,也希望未来无人潜器下潜新闻的发布能激起一些令人兴奋的、有趣的事情。

“Nereus”项目主管Andy

Bowen也表示,潜航员的另一项使命是激发水下机器人所无法激起的公众想像力,否则,很难给机器赋予像在地面上进行的宇宙飞船发射那样的人格化色彩。

海洋生物学家Lisa

Levin则认为,“深海挑战者”号潜水器在激起公众对深海事业兴趣方面的意义和潜力不亚于卡梅隆可能发现的任何新物种。因为“在深海研究经费快速缩水的当下,科学家们需要公众的支持来继续深海考察和研究事业”。

“深海挑战者”号才刚起步尚未定型

“深海挑战”项目组医生兼项目宣传负责人MacInnis借用卡梅隆最近的电影,称卡梅隆为“一个真实的阿凡达”。“他代表我们这个星球上的每一个人去到那里,有70亿人无法去,而他能,他知道这一点……这是一场对一个男人和他的机器的终极测试。”但严格地说,57岁的卡梅隆本人这次也许真的经受住了考验,受到万瞩目的“深海挑战者”号却未必。

结合《国家地理》网站对这一事件的先后报道可以发现,实际情况是:“深海挑战者”号潜器在ET时间3月25日晚上10点露出水面,《国家地理》网站在当晚11:40的报道中没有提到故障。在潜器返回后,卡梅隆在由微软合伙创始人Paul Allen所拥有的游艇Octopus上举办的记者会上,介绍了下潜的情况。随后,在ET时间26日一早5点,《国家地理》记者在网上公开了潜器运行的实际情况,披露了故障。那么,为何关于潜器发生故障、卡梅隆没有取到有价值的海底样品的信息没有在第一时间向公众披露?可以猜测的可能性是:记者们都在Octopus船上,不在母船上,或者卡梅隆没有通过水声通讯告诉母船指挥潜器的故障和没有取到样品,亦或他的水声通讯也有问题,还是“深海挑战者”号潜水器母船的指挥们没有告诉记者而刻意等待卡梅隆在发布会上宣布?

可以看到,项目组除了没有进行现场直播外,一切都很尽力,即:尽量扩大事件的影响,引起公众的注意。尽管人们还可以疑惑:“深海挑战者”号有很好的数码通讯,为何卡梅隆没有公布任何从海底传来的图像?

从外媒的报道可以得知,卡梅隆此次下潜最终由于机械手发生漏油故障而无法进行顺利的标本取样,此外,推进器也发生了故障,使潜器无法在海底继续航行,故而提前返回。我

国“蛟龙”号深潜器首席潜航员叶聪在微博上表示:机械手的故障似乎和“蛟龙”号曾遇到的问题相似,“除了机械手泄漏,据我了解的是五功能电动机械手,为什么会有液压油?油雾在窗前弥漫,2009年我也经历过,

像海水开了锅。推力器上次坏了一个,这次坏了一半,可靠性堪忧,所以只好原地旋转。壳子可以模拟打压,水声却很难。”他估计相关的twitter信息是“深海挑战者”号母船上的人发的,并且推测潜器对另行投放的“着陆器”的定位依然存在困难。

“任何潜器只有真的到了海里才能发现问题,得到改进。我国的‘蛟龙’号在经过1000米、3000米级海试后,也针对作业系统(包括:液压

源、采样篮、应急浮标、底部支架和作业工具)、弱电故障定位、视频高清化、声学系统完善和导航定位系统等五大方面再次进行了技术改进。相信不久后卡梅隆带着经过修复的‘深海挑战者’号归来时,那个潜器的性能会比之前更好。”现在美国明尼苏达大学从事研究并曾参与过“阿尔文”号潜器下潜的浙江大学吴世军博士认为,从这个意义上说,“深海挑战者”号仍然处于海试阶段,刚开始而未最后定型。“他可能是想和竞争者抢时间,但其中所表达的未知世界大胆探索和‘挑战工程技术极限’的精神十分值得敬佩。”

“深海挑战者”号冲击“挑战者深渊”成功后,不少中国百姓疑惑:为什么卡梅隆一个小小的团队能做成的事,我们的“蛟龙”号

举全国之力却至今还徘徊在7000米海试阶段?“蛟龙”号潜

航员叶聪在微博上发表的观点也许能说明部分问题:“深海挑战者”号只需搭载一名乘客,而“蛟龙”号将搭载三个人,这导致了载人舱尺寸的不同。“深海挑战者”的球壳内直径1.1米,“蛟龙”号则需要2.0米左右。不同球壳的建造难度是不同的,小球用钢材,甚至可以不用焊接;大球则需要钛合金焊接,其难度从美国新“阿尔文”号的球壳建造过程即可知一二。

此外,据吴世军博士介绍,由于卡梅隆的潜器并不准备给许多人使用,所以其设计中没有义务要符合军方或船级社的严格的要求;而像“蛟龙”号和新“阿尔文”号这样主要服务于公共科考的深潜器,因为要满足许多人的要求,又完全是由政府出资建造,所以工程技术的要求和难度更高,且必须经过国家船级社的认证,研制、改进和完善的速度相对就慢。

深海探测和旅行方兴未艾

事实上,不仅只有卡梅隆的“深海挑战者”号,全球深海探测

和让普通人走近深海的整体热潮正方兴未艾。除了之前各大

国为进行海洋科学研究或争夺海底资源而建造的“阿尔文”号(美国)、“和平一号”和“和平二号”(俄罗斯,《泰坦尼克号》里的许多镜头就是通过它们采集)、“鹦鹉螺”号(法国)和“深海6500”(日本)深潜器外,近年来,其他国家如印度,也已设立项目要建造一个4500米级的载人潜器,日本已就建造更新、更深的潜器进行过多次讨论,俄罗斯去年曾报道军方一艘新的6000米级载人深潜器海试成功。为纪念泰坦尼克号沉没100周年,俄罗斯的肯辛顿旅游公司近期还特地发起了一个为期15天的“泰坦尼克沉船之旅”项目,由MIR系列微型潜艇带领游客考察位于海底的沉船遗址。而以美国为代表的由各种商业力量推动的深潜器制造也正如雨后春笋

般兴起。

由美国佛罗里达州一家名为“Triton”的私人潜艇制造商制造

的3人座黄色潜水器装备有一个15厘米厚的坚固玻璃球体,可为乘客提供360度全景观看海洋最深处景象的视野。它最深的一次下潜近期在巴哈马群岛附近进行,深度为1000米,但冲击万米深马里亚纳海沟的深潜器雏形已经形成,有望在未来两年里得到完善。据预计,该潜器将以每个座位25万美金的售价向那些爱冒险的人推广。

正在对旗下的宇航机进行最后测试,希望在今年末发射第一

架宇航机以正式开启民营太空之旅活动的维珍航空创办人理查德·布兰森曾立志使他与加州前地产商人Chris

Welsh联手推出的“飞艇”成为同行中最早抵达马里亚纳海沟的深潜器,不过这回他被卡梅隆抢了先。那个潜器起初由英国工程师Graham

Hawkes为想最早独自抵达马里亚纳海沟底部的百万富翁冒险家Steve Fossett个人而设计,外型基于一架飞机的样子。Steve

Fossett后来在一次空难中不幸丧生,Chris

Welsh就买下了那个潜器,并也独自开始迎接“飞”向海底所需面临的种种挑战。他与维珍航空的团队还计划挑战地球上的另四处海沟,以使足迹遍布全球五大洋的最深处。

深潜器竞赛中最被忽视、而实质上与中国的“蛟龙”号目标最接近的,是由Google董事会主席Eric

Schmidt资助位于旧金山的DOER海洋科技公司建造的“深海探索”(Deep

Search)号。该潜器能滑翔式潜浮,采用陶瓷浮力材料,使用燃料电池并有大面积的观察窗,在很多方面都有创新。它并不预想最早到达海底最深处,而是希望能有助于科学,为研究者们打开从洋面直到海底、包括海洋各个角落的完整视界。但这个潜器目前还处于设计阶段,DOER公司称,它离

首次下潜还要有几年时间。

作为国际上较早开展载人深潜研究国家之一的美国,其于1964年建造的“阿尔文号”载人潜水器在各国深潜器中最富

传奇色彩,已经实施了4400多次下潜,共运载了2500多名乘客,但眼下也正面临机器老化和功能不足,正处于向更完备的6500米级深潜器升级过程中,预计将于今年底完成海试,明年起正式投入使用,前几个潜次的地点预定在大西洋的墨西哥湾和太平洋海域。升级后的新“阿尔文”号将具备更多的视窗、更大的有效载荷,可携带高清摄像设备。

比较起来看,以1960年到达马里亚纳海沟的“的里雅斯特”号为代表的第一代潜器体积巨大,无法安放在母船上,在水面上维护困难,在海洋中也难以调转方向,而且由于装载了大量汽油作为自给的浮力材料,存在安全隐患。但机械手、水下灯光、摄像、水密电缆等几乎今天的深潜器所具有的一切设施,在当时都已经奠定了基础。“阿尔文”号、“蛟龙”号等第二代深潜器采用了固体浮力材料,所以体积比第一代深潜器大大减小。“深海挑战者”号所代表的第三代深潜器则全部使用LED灯光、三维高清摄像,且航行速度越来越快,行动越来越灵活,越来越可控,有点像飞机。

有业内人士预计,由于技术的相通性,“深海挑战者”号等四

个新制深潜器的试航成功,势必会带动深海工程技术包括水下钻井等一系列的产业——回顾一下不难发现,创造今天被石油公司最广泛使用的水下机器人(ROV)的,正是当年建造“的里雅斯特”号的那些人。

在同济大学海洋地质国家重点实验室汪品先院士看来,深潜器只是建立深海探测全面竞争力的一个部分。他认为,直接的深海探测从手段上可分为三个层次,我国在技术上还要做相应的升级。第一个层次是从海底取样升级到大洋钻探;第二个层次是在使用载人深潜器等运载工具探测海底时,对其作相应的技术升级;第三个层次是建立深海海底观测网。

我国的南海深部区域不仅有形态多样的大陆坡、边缘海盆和海沟,还有成因各异的深海盆地,海底地形复杂多变,地貌类型丰富多样。1999

年春,国际大洋钻探计划第184

航次曾在南海取得西太平洋区三千万年来最佳的环境演变

纪录。由汪品先院士领衔、自2011年起预计历时8年实施的国家自然科学基金委重大研究计划“南海深部计划”,准备

采用一系列新技术探测海盆,揭示南海的深海过程及其演变,再造边缘海的“生命史”,为边缘海的演变树立起系统研究的

典范,并为我国深海技术装备建设提供应用或试用平台。其中,“蛟龙号”搭载科考人员和争取国际大洋钻探计划在南海

的第二个航次是这项计划的两项重要内容。

汪品先院士形象地形容,在南海的“生命史”中,海底扩张到

板块俯冲的构造演化,好比生命史的“骨架”;深海沉积过程

和盆地充填,好比生命史的“肉”;而深海生物地球化学过程,可以比作生命史的“血液”。

在去年6月由国家自然科学基金委地球科学部主办的“南海

深部计划对载人深潜器科学需求”研讨会上,一些研究者建议,在“蛟龙号”现有的声学、光学探测装置、摄像和照相装置基

础上,增加搭载地磁仪,准确、直观地观测南海海底微地貌构造,并对南海深部环境进行精细的记录和测量,为揭示南海的深海过程及其演变准备基础资料。据悉,如果今年“蛟龙”号7000米级海试成功,这一科考之旅有望在于明年适当的

时间执行。

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