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海底观测系统将改变人类认识海洋的途径——访海洋地质学家、中科院院士汪品先

内容
  汪品先,著名海洋地质学家、中科院院士。江苏苏州人。 1960年莫斯科大学地质系毕业。同济大学海洋与地球科学学院教授,曾任海洋地质重点实验室主任、国际海洋研究科学委员会副主席等职,获国家自然科学奖、欧洲地学联盟“米兰柯维奇奖”、“亚洲海洋地质奖”,以及伦敦地质学会名誉会员等荣誉。


  2009年12月8日,被称为世界上最大的海底有线局域网的“加拿大海王星”正式启动,有专家预测海洋学研究有望迎来一个全新的时代。

  海底监测系统在海底建立实验室,用光纤电缆相互连接,形成一个巨大的网络,进行实时而又长期的研究。这一系统将从根本上改变人类认识海洋的途径。

  对于海洋的探测,不仅仅关系到科学上的竞争,更是国际权益的竞争,包括军事上的竞争。我国如何在新一轮的海上竞争当中取得优势?

  汪品先院士认为,海底联网观测早晚都要国际化,我国应及早介入竞争,才能在相关国际规则的制定中取得话语权。

  将上千个海底观测设备联网,一天24小时不间断地收集信息

  记者:世界上最大的海底有线局域网“加拿大海王星”,目前已经正式启动,有专家预测,海底有线局域网的建立,会使海洋学研究迎来一个全新的时代。请您先给我们介绍一下,这究竟是一个什么样的工程呢?

  汪品先:这里的海底有线局域网,其实就是海底观测系统。海底观测系统是在海底布置观测网,也就是将各种传感器放置到海底,进行实时观测,用光纤电缆供应能量、传输信息,形成一个观测网络,可以一天24小时不间断地收集信息。

  记者:这个海底观测系统是用来观测海底生物活动的吗?

  汪品先:海底观测最早的科学主题是地震。将地震仪放到海底,最好是海底钻井的基岩里,可以大大地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”,就在大洋钻探的钻孔中设置了地震仪。第一个设在夏威夷西南海底玄武岩里的地震仪,仅仅4个月内,就记录了55次远距离的地震。除了观测地震以外,海底观测的内容还包括对海底以下的流体、微生物和各种地质过程,对大洋水层的物理、化学与生物进行实时和连续的长期观测。

  以“加拿大海王星”为例,它不仅可以监视地壳的运动,还可以监测风暴、藻类勃发、地震、海底喷发、滑坡等各种突发事件,而且是长期“蹲点”,观测各种时间尺度上的变化。除此之外,在海底建立的实验室可以研究深水中的各种不为人知的物质,包括“气水合物沉积物”以及在海洋深处生活的鱼类和微生物,并不仅仅是观测海底生物的活动。

  记者:那么具体到“加拿大海王星”身上,它铺设在哪里?又将如何工作呢?

  汪品先:现在的“加拿大海王星”网络,横跨太平洋的一段海床,在整个胡安·德富卡板块上,用2000多公里光纤电缆,将上千个海底观测设备联网。光纤电缆从温哥华岛西岸出发,穿过大陆架,置身深海平原之上,同时向外延伸到活火山脊扩张中心 (新洋壳形成的地方),最终形成一个回路。在其中重要的海底研究部分设置网络节点,每个节点都是一个13吨重的像太空舱一样的设备,设备内有数以百计的观测仪器,网络节点可以接收来自不同传感器和仪器获取的数据。现在“加拿大海王星”有5个节点,将来预计还要安装6个节点。

  观测地球的第三平台从此打开,这将从根本上改变人类认识海洋的途径

  记者:这样铺设出来的巨大的海底网络,的确令人称奇。我们是否可以说,这样的观测手段与以往有很大的不同?

  汪品先:是的,我们的观测视野经历了一个非常大的转变。最开始,人类只能从地面或者乘船从海面观测地球。这种星星点点、断断续续的观测,带来了许多错觉和误会。比如说靠船只走航测水温,就画不出一张同时间的海水温度图来。

  20世纪遥测遥感对地观测系统的建立,人类终于能够离开地面,从空间获取地球信息。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。而隔了平均3800米厚的水层,大洋海底难以成为遥感技术的观测对象。尽管采用了投放锚系、利用声波等种种办法,得到的还只是零星的信息。人类对深海海底的了解,赶不上月球、甚至于不如火星。虽然有众多的考察航次,或者通过取样甚至深潜的直接方法,或者借助间接的物理手段进行考察,仍免不了沧海一粟或者雾里看花的缺陷。从海底的地震源区到热液活动区,都急需进行长期连续、而不是瞬间短暂的观测。而且之前的各种海底观测技术,有个共同的缺陷,就是它们都受能量供应的限制,还有信息传送的困难,都要依赖深潜器之类的深海运载工具去补充耗尽的能量,收取采集的信息。

  记者:随着新的海底观测系统的启动,这些问题都将不复存在了吧?

  汪品先:新的海底观测系统最大的优势就在于长期和实时,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。海底观测系统摆脱了电池寿命、船时与舱位、天气和数据迟到等种种局限,科学家可以在大楼里通过网络实时监测自己的深海实验,可以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。

  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。地球科学的传统做法是:到野外进行现场采样,回室内开展实验分析。但是,热液的温度、pH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,因此分析的结果都不是水层里的真实情况。而现在,海底观测系统用实验室的仪器在海里分析样品,在原位进行分析,解决了一系列困难。

  所以我们说,海底观测系统是一种全新的研究途径,可以提出一系列新的科学问题与实验,去理解复杂的地球系统。海底观测网络的建立,将为地球系统的观测开辟“地面与海面”和“空间”之外的第三个平台,不仅为揭示地球表面过程的机理提供了新途径,也为探索地球深部创造了新的可能。

  记者:您是说海底观测是地球系统观测的第三平台?

  汪品先:我一直都说,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,那么新世纪在海底建立的将是第三个观测平台。新的海底观测系统将观测视角从海面观测海底转变为从海底观测海底,甚至观测海面,这将从根本上改变人类认识海洋的途径,所有相关的研究课题都会为之一新的。

  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”,那么,在海底设站进行长期实时观测就是深入到海洋内部作“蹲点调查”。未来人们甚至可以像看足球赛那样,对着电视欣赏海底火山喷发的现场直播。

  记者:有人说,“哈勃”改变了天文学家从事科学研究的方式。这个 “加拿大海王星”也将改变海洋学家从事他们自身科学研究的方式。

  汪品先:是的。人类历来只能从海洋外面去研究海洋,海底观测网改变了人类与海洋的关系,可以长期“呆”在海底不走了。原来是从海洋采集样品送到实验室去分析,现在是把实验室建在海底。比如美国正在开发能够在海水里统计海洋生物、甚至于测DNA的设备。 30年来,关于深海的意外发现太多了,现在我们知道了深海里有300多度高温的热液从海底喷出,地球上的微生物大部分生活在海底底下的泥沙和岩石里。这种种的新发现,都要求我们到深海海底去作调查研究。

  海底观测系统的竞争,必将在若干年内引发国际权益与安全之争

  记者:有网友质疑“加拿大海王星”这个工程或许可以用于军事,侦测他国的潜艇,您怎么看待这个问题?

  汪品先:其实最早进行海底观测的正是美国海军,他们通过声波监听系统既可以监听鲸鱼和地震,也可以监听核潜艇,这项技术在“冷战”以后才“军转民用”。

  一般的海底观测系统并不是军用的,但不等于说没有政治意义。如果说,过去的“炮舰外交”时期争夺的是海面,现在的争夺扩展到了深海海底,而深海一切得靠高科技。因此,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。走在最前面的是美国。经过十多年的讨论,美国2006年通过了 “海洋观测计划”(OOI),西欧、日本也都有建设海底观测网的计划。

  记者:您能介绍一下美国的这个“海洋观测计划”吗?

  汪品先:这次“加拿大海王星”网的殊荣,本来应该是属于美国的。美国2006年6月底通过的由近海、区域、全球三大海底观测系统组成的“海洋观测计划”(OOI),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”计划,也就是你刚开始提到的。这个“海王星”计划由美、加两国联合投资,原来的“海王星”计划是以美国为主、加拿大只占1/3,可惜的是,美国政府沉湎于打仗,科研经费不到位,现在加拿大已经造好了,美国才开始建设。

  记者:那么现在美国的海底观测系统开始建立了吗?

  汪品先:美国“海洋观测计划”(OOI)推迟到2009年9月才开始,2014年建成启用,其中“区域”部分就是原来由美方承担的“海王星”计划。

  记者:那么其他国家在深海探测方面有什么行动?

  汪品先:美国的计划在欧洲和日本得到响应。西欧国家如英、德、法、意等国早就在建设自己的海底观测站了,2004年又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了10个海区设站建网,准备进行长期的海底观测。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接进行地震监测;现在又建造了全球最大的科学钻探船,在四国岛以南进行深海钻探,将在几千米深的井底安置仪器监测地壳运动,为日本提供地震预警,构成日本海底观测计划DONET的组成部分。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。

  记者:我国对于海底的研究处于什么阶段?与这些国家相比如何?

  汪品先:相比这些国家,我国则刚刚起步,尤其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,我们的“大洋一号”正在三大洋探测深海液矿床,我们的“雪龙号”考察着南大洋和北冰洋,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10年前通过国际合作,在其专属经济区水深20米到4100米之间投放12个浮标;韩国2003年在我东海苏岩礁,建成了75米高的海洋观测站。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,但这些监测系统的目标还是海面的环境监测,和台风、风暴潮等的预警,并未涉及到海底。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。

  海底联网观测迟早都要国际化,我国只有尽早介入,才能在相关国际规则的制定中取得话语权

  记者:您是说,现在发达国家还没有发展起来,所以这正是我国发展的一个契机?

  汪品先:现在,中国的科研投入增长之迅速令各国羡慕,又面临着这样的一个机遇: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,而且作为新开发的领域,各国也都处在起步阶段,我们必须要把握这个机遇。

  近半个世纪前,学术界前辈提出 “上天、入地、下海”,指出了我国地球科学发展的方向。如果将地球科学的大气、海洋和固体地球科学相比,海洋显然是三者中的弱项;其中面向深海大洋的研究,又属弱中之弱。如果我们能够把握新时机,抓住海底的新机遇,就有可能走非常规的途径,用最短的时间迎头赶上。

  记者:对于海洋的探测,不仅仅是科学上的竞争,也是国际权益的竞争,包括军事上的竞争。我国如何在新一轮的海上竞争当中取得优势?

  汪品先:我国应及早介入国际竞争,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。在新一轮的海洋竞争中,我们不要再走“迟到”和“跻身”的老路了。海底联网观测早晚都要国际化,尽早介入,才能在相关国际规则的制定中取得话语权。

  记者:我国现在上海的海底观测站水平如何?未来有什么研究计划?

  汪品先:2009年上海在东海内陆架建了个浅水海底观测试验站,电缆只有1公里长,水深只有30米,研究长江口的泥沙输运和港口安全,观测海洋的生态环境变化等等。但只是个试验站,现在每分钟在向我们试验室发送数据。目前,我们正在推动东海海底观测网的建设。

  下一步我们肯定要走向深海,也正在为南海的深海海底观测进行准备。但是,走向深海要求做好科学准备,还要面临更多的技术挑战。当前重要的是引起重视,争取立项,因为我国全面的海底观测系统建设计划,至今还没有提上议事日程。

  记者:谢谢汪老师为我们解读。(辽宁日报 张晓丽)

 

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