本期关注：我国开建“海底直播室”

 

　　日前多家媒体报道，一个可以直播上海海域海底实况的“直播室”将于明年年初开建，并称未来这个1公里长但造价高达200万元的网络将覆盖上海的周边海域并担当重任。

明年年初，我国首个海底联网观测平台第一期工程将在上海附近海域开始建设。很多媒体对此进行了关注并寄予厚望，有的报道标题甚至直接说“上海将建海底直播室提前7秒预报地震”。其实，我国的海底观测系统建设刚刚起步，离“提前7秒预报地震”还远得很。未来能否达到这些目标，还要看我们能否在即将到来的海洋科学新革命中抓住机遇。

 

 

　　带来这场新革命的，正是海底观测系统的大规模建设。

 

　　人类认识世界的过程，是一部不断扩展视野的历史。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。我们在海底布设观测网，用电缆或光纤供应能量并收集信息，多年连续作自动化观测，随时提供实时观测信息，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。

 

　　海底观测系统最大的优势就在于长期和实时。

 

　　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。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。

 

　　一个例子是海洋沉积。长期以来，人们总以为这是一种缓慢、均匀的过程。1978年，人们发明了“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。

 

　　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，因为必须定期派船更换电池、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”。而且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。

 

　　海底联网观测的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、地震、藻类勃发、海底喷发和滑坡等各种突发事件。

 

 

　　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，可以大大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”，就是在大洋钻探的钻孔中设置地震仪。第一个设在夏威夷西南海底玄武岩里的地震仪，仅4个月就记录了55次远距离的地震。

 

　　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。“海底井塞”（CORK）装置可以防止地层水从井口逸出，或者海水从井口侵入；既能测定岩石中流体的温度、压力，还可以取样分析。目前，大洋钻探已在18个井口安装了“海底井塞”，大大推进了“大洋地震网”计划。

 

　　上世纪，美国和日本都曾利用退役的越洋电缆，建设深水地震监测站，大幅度降低了成本。

 

 

　　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，这是地球科学的传统。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。分析的结果都不是水层里的真实情况。

 

　　新的方向是：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。新近发明的下潜流式细胞计则可以直接投入海中作自动的连续测量。再进一步的发展，一是水下显微镜，使下潜的细胞计具有成像功能，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新学科。

 

　　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。

 

 

　　进入21世纪，围绕海洋的国际之争，最令人瞩目的就是海底观测系统的竞争。这既预示着科学上的革命性变化，同时也有军事上的重要性。

 

　　在这场正在酝酿的海上竞争中，走在最前面的是美国。其实最早进行海底观测的正是美国海军，他们的声波监听系统既可以监听鲸鱼和地震，也可以监听潜艇。经过十多年的讨论，美国2006年通过了由近海、区域、全球三大海底观测系统组成的“海洋观测计划”（OOI），去年起建，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”（NEPTUNE）计划，由美、加两国联合投资，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。可惜的是，美国政府沉湎于打仗，科研经费不到位，使得科学计划不能及时实施。

 

　　美国的计划已经在欧洲和日本得到响应。2004年，英、德、法等国制定了“欧洲海底观测网计划”（ESONET），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，当前的困难也在经费。日本则已经在其附近海域建立了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；2003年又提出ARENA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。“提前7秒预报地震”正是日本人提出的科学目标。

 

　　相比这些国家，我国则刚刚起步。此次在长江口外建设东海内陆架的浅水观测站，主要是为了研究这样几个问题：首先是长江口的泥沙输运问题，尤其是台风条件下的运动，这关系到港口建设的安全。第二是海洋的生态环境变化。比如长江口外海域每年都有一块区域是缺氧的，并且位置每年都在变化，而营养元素的不恰当分布可能造成灾难性的后果。第三是地震监测。

 

　　此次计划开工的项目电缆只有一公里长，水只有三四十米深；下一步我们肯定要走向深海。但是，走向深海还要面临更多的技术挑战：压力、温度、电路接驳安全等。而且，我国全面的海底观测系统建设计划还没有提上议事日程。

 

　　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”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。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。

 

(来源：科学网 2008-12-01)