探索神秘“蔚藍”的“利器”——世界海洋日看我國自主研發(fā)深海探測裝備

6月8日是世界海洋日，雖然人類(lèi)對海洋的認識在加速，但對其依然知之甚少，特別是對深海的探索還處在“盲人摸象”階段。認知、探索深海首先需要探測“利器”，除了“蛟龍”號，我國還有一批自主研發(fā)的深海探測“黑科技”，“海翼”系列水下滑翔機、深海原位拉曼光譜探針、“診脈”深海的實(shí)時(shí)潛標就是其中典型代表。
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”系列水下滑翔機由中國科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所自主研發(fā)，是一種新概念水下機器人，通過(guò)調節自身浮力和姿態(tài)以實(shí)現在水中滑行，作業(yè)深度覆蓋300米至7000米，可連續工作幾十天至幾個(gè)月，航行范圍可達幾千公里，將收集到的海水溫度、鹽度、濁度、含氧量，以及海流強度和運動(dòng)方向等數據，實(shí)時(shí)回傳至陸地。
中國科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所副研究員金文明說(shuō)，“海翼”是靠浮力驅動(dòng)，這一技術(shù)讓其在水下運行軌跡呈較大“V”字形，仿佛在坐“過(guò)山車(chē)”?！昂Ｒ怼痹诿總€(gè)運動(dòng)周期的頂點(diǎn)和底端進(jìn)行浮力調節，所以能跑得更遠、更節能，具有大范圍、長(cháng)時(shí)間連續海洋環(huán)境觀(guān)測優(yōu)勢。
目前，中國科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所形成了300米、1000米、1500米、4500米、7000米、混合驅動(dòng)型、聲學(xué)型等多種深度和類(lèi)型的“海翼”系列水下滑翔機。
“海翼”系列水下滑翔機在東海、南海、印度洋和太平洋完成多次海上試驗與應用，累計海上工作6400多天，觀(guān)測距離16萬(wàn)多公里，獲得4.6萬(wàn)多條剖面數據。
2017年7月至8月，12臺“海翼”水下滑翔機在南海開(kāi)展組網(wǎng)同步觀(guān)測；2018年10月，“海翼”7000米在馬里亞納海溝最大下潛深度達7076米。
“一照”即知“何方神圣”
熱液、冷泉是近年來(lái)深海研究熱點(diǎn)，但要想知道這些流體的準確組分卻異常困難。因為如果將熱液樣品帶回實(shí)驗室分析，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、保溫儲存裝置獲得保真樣品，受取樣方法限制，分析數據與實(shí)際仍有明顯差異。
中國科學(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，激光打到目標探測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用的是拉曼散射原理。當激光照射到樣品上，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)現的拉曼散射現象。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備獲得的拉曼光譜數據，和已知物質(zhì)的光譜數據比對，即可知道樣品是何種組分。
“國外研制出了能適應深海壓力環(huán)境的原位拉曼光譜儀，但熱液噴口高溫、高壓、強酸（堿）和渾濁的流體環(huán)境，一直被認為是光學(xué)鏡頭禁區?！睆?chǎng)握f(shuō)，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(zhù)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，我國科學(xué)家已獲得多項突破性成果：在南海首次觀(guān)測到裸露在海底的天然氣水合物，首次在自然界發(fā)現超臨界二氧化碳，揭示深?！暗怪煤鄙衩噩F象……
實(shí)時(shí)獲取深?！懊}搏”
海洋實(shí)時(shí)觀(guān)測數據長(cháng)期依靠衛星遙感和浮標。用于觀(guān)測水下和深海數據的潛標只能每年回收一次，無(wú)法像衛星遙感和浮標那樣獲得實(shí)時(shí)數據。這是因為潛標最上面一個(gè)浮體距離海平面還有四五百米，數據很難穿透海水傳輸到衛星上。
中國科學(xué)院海洋研究所研究員介紹，在西太平洋科學(xué)觀(guān)測網(wǎng)建立過(guò)程中，科研人員突破了潛標數據無(wú)法長(cháng)期穩定實(shí)時(shí)傳輸的海洋觀(guān)測難題，并將實(shí)時(shí)傳輸觀(guān)測數據的深度由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)傳輸數據的浮體，它與潛標通過(guò)無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)兩種方式連接。潛標將數據傳輸給浮體，浮體發(fā)射到衛星上，衛星再反饋回陸地實(shí)驗室?！蓖艏螌幷f(shuō)。
2019年，西太平洋科學(xué)觀(guān)測網(wǎng)開(kāi)始由北斗衛星實(shí)時(shí)傳輸潛標數據，提高了深海數據實(shí)時(shí)傳輸的安全性、自主性和可靠性?？蒲腥藛T還依靠北斗衛星實(shí)現了雙向通訊，數據不僅能實(shí)時(shí)回傳至陸地實(shí)驗室，科研人員也能在陸地遠程控制深海潛標。
截至目前，由20套潛標和3套大型浮標組成的西太平洋科學(xué)觀(guān)測網(wǎng)，已持續穩定運行6年，服務(wù)于深海前沿研究、氣候預報和海洋環(huán)境預報等，特別是實(shí)時(shí)傳輸回的數據提高了氣候和海洋環(huán)境預報精度。