世界首座海洋觀測網體系
——加拿大“海王星”海底觀測技術

姬再良,董樹文

1)加拿大維多利亞大學地球海洋學院,加拿大維多利亞 V8N5J6;2)中國地質科學院,北京 100037

人類對地球科學的研究,將會是永無止境的探索。對于人類來說,探索地球的未知領域并不比宇宙空間少。加拿大“海王星”是獨辟蹊徑,史無前例、前所未有的探測地球海洋真面目的工程項目,從而又一次揭開了地球科學新的研究篇章。

千百年來,人類一直是在地面或海面這個平臺來觀察地球的。自20世紀人類上天后,開始利用空中遙測、遙感這第二個平臺來了解地球。21世紀開始,人們又設想在極其廣闊的海洋、海底建立起第三個平臺,在地球海洋中建立實時海洋觀測實驗網體系,跨入嶄新的海洋網絡世界。

1 加拿大“海王星”的意義

實時觀測實驗網體系,是在不同深度的海水層柱體中,對動蕩不安的海底,對從未安分守己、相持不下、吞沒鄰邦、永不停息運移著的地殼板塊,對生態環境變化、千姿百態的海洋生物群落進行長期連續的監控、實時觀測、實時測量和實時直播。加拿大號稱“水下哈勃HST (Hubble Space Telescope)”的“海王星”(NEPTUNE,海洋網絡體系;NEPTUNE Canada,2011a)工程體系是觀測研究地球這一領域的一個典范和新創舉。通過直接把相關數字化信息傳送到互聯網,觀測實驗網體系可以實時窺探海洋動態,使科學家及其愛好者們能隨時隨地窺探浩大的海底世界,將碩大無朋的大洋海底作為科學研究的實驗室、實驗中心、實驗世界。對地球變幻莫測的本性、海洋變化萬千的神秘面紗探賾索隱,開啟研究地球的新篇章。

互聯網早已覆蓋地球七大洲,但僅占地球面積的 25%,若將占地球總面積 75%的四大海洋也互聯網化,那將會跨上開拓研究地球、開創前所未有認識和了解地球的新天地。海洋網絡化,不僅將為科學家及愛好者們提供、開拓新的研究整個地球及其海底地殼結構與地震活動的良機,也為研究海底的化學和地質特性、監測海洋氣候變化對海洋生物的影響提供無窮無盡的手段,特別是針對海洋生物界生態體系與海底之間聯系的奧秘。同時也可解開海洋流如何形成,海底火山噴發規律性,海洋是怎樣控制、影響和支配整個地球溫度變化之謎。借助加拿大“海王星”儀器設備提供的數據信息,還可以分析地球周期性氣候變化規律和數千年來,特別是最近上百年來,人類對地球的影響和踐踏的嚴重程度,能加深了解并逐漸解答。

曾任加拿大維多利亞大學地球海洋學院院長,加拿大海王星項目前任負責人的克里斯?巴恩斯教授(Dr.Chris Barnes;University of Victoria,2011)強調:“加拿大‘海王星’首次把互聯網帶到了大海里去,不斷傳遞和交流源遠流長、價值連城科學研究的資料與信息！”但是網絡只是實現宏偉科學目標的一個手段,其主要目標就是研究人類所知甚少海底地殼的結構、海底火山和地震活動規律性,研究海底的化學和地質,監測海洋氣候變化對海洋生物的影響,更重要的是關注海洋生物的生態體系,以及地球溫度變化旋律周期。巴恩斯還說:“我們要借助加拿大海王星這套新工具,利用新的研究手段,揭開地球海洋的神秘面紗！”同時,加拿大海王星也邀請世界上所有工業機構、科學家、自然科學愛好者們及其數以萬計網民們一起來參與、奉獻精力,為這項前所未有嶄新科學實驗課題出謀獻策,并能夠開創嶄新的地球探測計劃和海洋地學計劃。利用已開啟的加拿大海王星檢測儀器,獵捕地球海洋數據信息,把地球科學研究推向新高潮。

2 加拿大海王星覆蓋范圍

無可非議,加拿大“海王星”(NEPTUNE Canada)的創建,是人類發展史的又一飛躍。在海洋各層體及海底建立安放一套長期的“哨點、監控站、實時觀測網絡體系”,一直是海洋學家、氣象學家、地質學家、海洋生物學家執著的夢想。近十多年來,在克里斯?巴恩斯教授的帶領下,逐步建立健全一套宏偉壯觀、規模浩大的加拿大“海王星”(東北太平洋實時海洋觀測實驗網體系 North-East Pacific Time-Series Undersea Networked Experiments——NEPTUNE,CANADA,N C),并還將不斷擴大,以覆蓋整個東北太平洋區的胡安·德富卡板塊 (The Juan de Fuca PLATE;央視國際,2004)。

以探險家胡安?德富卡命名的胡安·德富卡板塊是一個逐漸消失的小板塊,它從胡安?德富卡海嶺生成,并在卡斯凱迪山脈消減帶或稱為卡斯凱迪俯沖帶處消減于北美洲板塊西緣的北部之下。

胡安·德富卡板塊的面積為 2×105km2,處于加拿大卑詩省和美國華盛頓州境內的太平洋海底,夾在北美板塊和太平洋板塊之間,其地理位置與地球海洋科學研究價值連城、極其重要,特別是海底火山活動、地震和海嘯的預報(Museum of Natural History and Culture,2011)。更為重要的是,能進一步論證由大陸漂移學說和海底擴張學說的基礎上提出的板塊構造學說(Plate tectonics;Kullerud,2011;百度百科,2011)。在胡安·德富卡板塊上建造的“海王星”創舉工程,將有助于了解和解開地殼運動規律及其奧秘。胡安·德富卡板塊的消減形成了含有火山的卡斯凱迪山脈和海岸山脈的北部,它們都是太平洋火山活動圈的一部分,從南部沿北美洲的西海岸向南直抵加利福尼亞州北部。著名的圣海倫斯火山就是卡斯凱迪俯沖帶山脈中的一座火山。在卡斯凱迪山脈消減帶上,發生了離現在最近的大地震——震級為9級的卡斯凱迪山脈地震。根據本地海嘯沉積物的碳同位素測年記錄,它發生于1700年前后。根據日本的海嘯紀錄,這次大地震發生的精確時間是1700年1月26日星期二傍晚。

3 在太平洋西北部的研究進展

一項最新的研究發現,太平洋西北,即大西雅圖市、維多利亞市、溫哥華市地區,是地球板塊不斷的運動、碰撞形成的斷裂帶,也就是構造板塊造成的斷層(fault line),遠比之前專家們所設想的更深,(作者懷疑有多條,需進一步研究證實),這就意味著下一次大地震一旦在西岸(West Coast)發生,位于美國華盛頓州西北的奧林匹克島(Olympic Peninsula)

將遭到嚴重破壞(Peninsula Daily News,2011a),胡安海峽(Juan De Fuca Strait)逆掩斷層帶？一旦劇烈的太平洋板塊和北美板塊擠壓、推移變形致使奧林匹克島受到重創,維多利亞、溫哥華、西雅圖周邊地區必受株連,萬民遭殃在所難免。

據多倫多星報報道:“下次9級大地震該輪到我們了嗎？(The Big One:Are we next?;Moneyville,2011)”,加拿大西海岸面臨著將要發生的強震及海嘯,堪稱西海岸的滅頂之災。也許會如同日本 2011年 3月 11日發生的一切,后果會一樣糟糕或者更糟。問題在于何時發生？可能在最近,也可能會過100年？200年？或更久以后才會發生。但可以肯定的是,一定是一個特大地震。

維多利亞大學教授,地殼構造專家莊斯頓(Stephne Johnston)說:“從統計學的地震周期性來講,是時候了,所以遲早會發生大地震。”莊斯頓指出,加西地區為每 300至 500年發生一次大地震,上次大地震發生在1700年(Moneyville,2011)。盡管現在有尖端的科學技術,還是很難準確預測到地震。他說:“去年智利大地震,以及2004年印尼蘇門答臘地震,加西地區位于太平洋板塊與北美板塊交界的‘卡斯凱迪俯沖帶’(Cascadia subduction zone)附近(圖6),遲早會遭遇類似的強震。”卡斯凱迪斷裂帶位于太平洋海底,南起美國加州北部,北至卑詩省西南部,長約1100 km。

奧林匹克國家公園跟它附近的幾個國家公園都位于北美板塊和胡安?德富卡板塊(Juan de Fuca)的交匯處(圖1)。數百萬年來,胡安?德富卡板塊東側的大部分正在不斷地陷入北美板塊之下,巖石經地幔加熱后成為熔漿,形成這地區一系列的活火山。位一個休眠火山或死火山。這地區平均每 300至 500年發生一次特大地震,強度比加州有史以來的任何一次地震都要強。上一次于 1700年發生的大地震,海嘯直卷到太平洋對岸的日本,在日本的大事跡史冊上有詳細記載。

圖1 胡安·德富卡板塊(摘自《MURAT YUKSELIR/THE GLOBE AND MAIL,SIMON FRASER UNIVERSITY》,姬再良編制;Simon Fraser University,2011)Fig.1 Juan de Fuca Plate(excerpt from“MURAT YUKSELIR/THE GLOBE AND MAIL,SIMON FRASER UNIVERSITY”,compiled by JI Zai-liang;Simon Fraser University,2011)

太平洋邊緣山地:包括東西兩道山帶和中間夾著一個不連續的陷落地帶。東西排列三個縱向帶:

(1)東部山帶:北起阿拉斯加山脈(Alaska Range),經加拿大海岸山脈(Canadian Coast Mountains)、卡斯凱迪山脈(Cascadia Mountains),南到內華達山(Sierra Nevada)。北帶山地形成較早,主要是侏羅紀至白堊紀初的內華達運動,為一強烈褶皺、巖漿侵入和變質地帶。由于經歷了長期的侵蝕,花崗巖大面積出露,部分地段又由于后期的火山活動而被熔巖覆蓋。在第三紀末至更新世又復抬升,所以現在高度都在2000 m以上,有的高山也發育著現代冰川,阿拉斯加山脈的麥金利峰(Mount McKinley)海拔6193 m,是北美的最高峰。

(2)西部山帶:指太平洋邊緣山地的外側部分,它北自阿拉斯加半島上的阿留申山脈(Aleutian Range),東經楚加奇山脈(Chugach Mountains),折向東南伸入加拿大境內為圣厄來阿斯山脈,入海以島山形式出現,包括亞歷山大群島(Alexander Archipelago)、夏洛特群島(Charlotte Islands)、溫哥華島(Vancouver Island)等,再向南為美國海岸山脈(U.S.Coast Mountains),其北段包括奧林匹克山等,南段為加里福尼亞海岸山脈,具有褶皺和斷層構造,著名的圣安德列斯大斷層(San Andreas fault)就坐落在這里。該帶屬新生代造山帶,山地形成較晚,多地震。

(3)中部陷落帶:介于東、西山帶之間,因斷層作用或向斜式沉陷而形成一系列谷地,有的已成海灣。總之,太平洋邊緣山地的東部和西部山帶分屬中生代和新生代造山帶,三個縱向帶的分異則始于上新世末與更新世的地殼運動,即東西兩側以背斜形式、中部以向斜形式發生不等的升降運動。地殼至今還處于不穩定狀態,火山、地震活動時有發生。

自 1998年以來,一隊加拿大和美國的科學家,在加拿大卑詩省西門菲沙大學(Simon Fraser University)地球科學教授 Andrew Calvert帶領下,一直在普吉特海灣從事地震災害調查研究(SHIPS,for Seismic Hazards Investigations in Puget Sound),深入調查研究所收集的數據表明,該區的地震危險和災害程度觸目驚心。

這項研究由卑詩省西門飛沙大學(Simon Fraser University)地球科學專業的教授 Andrew Calvert牽頭(Simon Fraser University,2011),他表示,他們的這項研究提出在奧林匹克島底下有大量沉積巖巖石,它們從奧林匹克山(Olympic Mountains)表面一直往下延伸至近40 km處。而這些巖石就在斷層上方或者接近斷層,在俯沖的胡安?德富卡板塊 (Juan de Fuca plate)與重疊的北美大陸之間。

Calvert教授指出,斷層比科學家們之前所認為的還要深大約7 km。胡安海峽(Juan De Fuca Strait)逆掩斷層帶存在與否？但至于這究竟意味著什么,還不是十分清楚,作者認為需進一步調查探索。

西岸的板塊會周期性的“抵抗升級,白熱化”,部分斷層會定期滑動,大約每14個月發生一次有感地震。Calvert教授說,人們之所以感覺不到震動,是因為那些震動相對比較小,并且要歷經幾周時間來釋放。

Calvert教授指出,每次西岸發生小滑動,它可能都在加載斷層較淺部位的地應力場或構造應力場,并最終將引發大地震,震級可達9級。他表示,大地震早晚會發生,只是時間問題。他說,他不確定現在大地震是否延遲了,因為上一次巨型地震在這一地區發生可以追溯到1700年,而太平洋海岸通常每隔500到600年便會發生一次大型地震。

雖然這個研究還無法讓科學家們能夠準確地給出下一次大型地震可能發生的地點,但至少增加了人們對西岸地震知識的了解,同時引起人們對于探究地震可能給奧林匹克島帶來的潛在危害的更加關注,也表明在相關領域應該去做更多的研究。

了解太平洋西北部演變史極為重要。地球科學的新發現日新月異,過去的幾十年來,科學家們對太平洋西北的地質過程的理解和認識已發生了巨大的變化。新技術讓他們能夠從太空研究這片土地,海底光纜實時觀測體系,監視海底分秒的動態,繪制鄰近洋底地形地貌,探測更深的地球內部結構與組分,查明和預測該區地震的精確位置和震級。值得一提的是,科學家們可以直接測量大地構造運動中板塊運移狀態,重建地史上不同階段的地球形態。

4 加拿大“海王星”基礎設施及構建進展

4.1 硬件

加拿大“海王星”采用主干動脈基礎設施和分支支脈拓撲結構體系,實現電力的供應和通信傳遞,以達到預期的設計功能。重要的是,首先興建完善的主干動脈基礎設施,而不是集中資金,去關注未來系統配套組件的設計和商業海底電信系統配套等問題,更不去權衡未來數年儀器設備的設計、革新,以及過早地要求高精度、高性能、更可靠的組件(圖2)。主干動脈基礎設施電纜形成一個連續的環圈,通過阿爾伯尼港岸站聯結到維多利亞大學。海底海水中儀器設備的設計、制造和安裝,均由阿爾卡特朗訊承包。

加拿大“海王星”是研究海洋的新手段、新方法。通過安裝好的5個匯結端(Notes)(圖3-圖6),陸基科學家借助觀測平臺網站匯結端上聯接的控制和監測采樣儀器、攝像機和遙控車,為他們從海洋表面向下到海底來收集所需的數據。

圖2 加拿大“海王星”(N C)基礎設施體系示意圖(Beno?t Pirenne,2005;NEPTUNE Canada,2011b)Fig.2 Sketch map of Neptune Canada (N C)infrastructure system (Beno?t Pirenne,2005;NEPTUNE Canada,2011b)

圖3 加拿大“海王星”體系五個儀器分布圖(姬再良2011年編制;NEPTUNE Canada,2011a)Fig.3 Distribution of five instruments in Neptune Canadian(compliled by JI Zai-liang in 2011;NEPTUNE Canada,2011a)

圖4 海王星主干光纜路線,匯結端位置及阿爾伯尼海岸站(姬再良2011年編制;NEPTUNE Canada,2011a)Fig.4 NC’s cable route showing 5 nodes &Port Alberni shore station(compliled by JI Zai-liang in 2011;NEPTUNE Canada,2011a)

圖5 加拿大海王星網絡體系和美國東北太平洋區域海洋觀測實驗網(姬再良2011年編制;MariPro,2011)Fig.5 Regional Scale Nodes (RSN)-Cabled Ocean Observatories Initiative (OOI)and NEPTUNE Canada(compliled by JI Zai-liang in 2011;MariPro,2011)

數控觀測實驗體系,包括來自政府阿爾伯尼港岸臺網的回程鏈路,傳遞到維多利亞大學的數據中心,主要是通過加拿大工業和教育先進網絡及研究組織獎勵資助與肖商務解決方案來實現,提供一個專門的10 Gbps/10yr服務。

圖6 卡斯凱迪俯沖帶(胡安海峽逆掩斷層帶？)(姬再良2011年編制;Peninsula Daily News,2011b)Fig.6 Cascadia Subduction Zone(Juan De Fuca Strait overthrust belt?)(compliled by JI Zai-liang in 2011;Peninsula Daily News,2011b)

一系列傳感器和儀器設備,將運行在整個加拿大“海王星”網絡體系。隨著時間的推移,舊傳感器和儀器設備可以隨時隨地更換,新穎傳感器和儀器設備將不斷增加,往往在匯結端和海底平臺,通過濕節點“插入(加塞兒)”。

大約有400個儀器設備,在2011年底前安放到深達2.6 km的海底(NEPTUNE Canada,2011c)。這些儀器設備,從簡單的溫度探頭,到復雜多功能的400 m垂直多傳感分析器(Vertical Profiler System),以及具備燈、攝像頭、探針和化學分析單位設備的遙控車。海王星所有的儀器都是專門設計的,可承受巨大的壓力和寒冷,以及北太平洋水環境腐蝕性鹽水的環境。主要儀器設備類型有下列數種:

地震儀,重力儀和加速度計(Seismometers,gravimeters and accelerometers);

地應力壓力敏感應器(Pressure sensors);

增感器(Augmenta);

深海履帶車(Benthic crawlers);

400 m垂直多傳感分析器(Vertical profiler system);

傳導溫度深度海流計(Conductivity-temperaturedepth current meters);

水聽器,聲納,回波聲碼器(Hydrophones,sonar,echosounders);

聲學多普勒海流剖面儀(Acoustic doppler current profilers );

海底部壓力傳感器(Bottom pressure sensors);

測量二氧化碳,氧氣,甲烷,硝酸鹽等化學和氣體傳感器(Chemical and gas sensors for measuring carbon dioxide,oxygen,methane,nitrates,etc.);

測震儀,重力儀和加速度計(Seismometers,gravimeters and accelerometers);

高清晰度靜止畫面和視頻攝像機(High-resolution still-frame and video cameras with lights);

顯微生物和浮游生物的采樣和微生物孵化器(Microbe and plankton samplers and microbial incubators);

混濁度傳感器,傳輸器,沉積物收集器(Turbidity sensors,transmissometers,sediment traps);

底棲流模擬室(Benthic flow simulation chamber)。

加拿大“海王星”網絡體系將隨著時間的推移,以新換舊的手段來更新儀器設備。通過海底連接器濕節點和平臺來完成“連接插入”。

4.2 軟件

加拿大“海王星”海洋水中基礎設施軟件系統的提供、支持和經營是至關重要的。軟件系統是廣泛服務于用戶與海底、海洋各深度間觀測體系之間的橋梁,相互呼應,建起三重監管任務的效應。

數據管理和存檔系統的主要功能在于下列幾方面:1)收集放入海洋中科學儀器采集到的數據信息,也就是說通過水下各種各樣儀器設備,窺探、獵取和收集科學研究的數據;2)提供永久性儲存,有不斷分配、發布和輸送所有數據的能力與潛力;3)允許授權科學家遠程遙控,索取加拿大“海王星”觀測網體系中每一臺儀器提供的信息,從事交互控制實驗、初級可行性實驗,利用Barrodale計算服務研究來完成可行性研究。國家研究委員會(NRC)赫茲伯格天體物理研究所下屬的天文數據中心組提供基本需求,估計所需的經費;4)控制管理加拿大“海王星”海洋觀測網絡及儀器的電力供用和信息傳遞。

數據管理和存檔系統(DMAS)由加拿大“海王星”(N C)自身的項目組開發完成,采用了靈活便捷的軟件模式(Agile)。項目組人員首次把這種開發模式應用于金星工程(Venus Project;VENUS,2011)項目中,自2006年以來,該工程一直成功地輸送和傳遞著海洋科學數據。隨后,加拿大“海王星”也以此建立其系統規范并培訓工作人員進行系統觀測和控制。該系統開發的基金由加拿大工業和教育先進網絡及研究組織提供。開發人員采用面向服務的架構(SOA),使用網絡服務(Web Services)來呈現數據管理和存檔系統各個組件的功能,建立起了一套實時信息系統。

數據管理和存檔系統基于一個內部信息消息總線,采用 Java編程語言,通過發布和訂閱的模式,使各個功能組件交互作用。在加拿大工業和教育先進網絡及研究組織的進一步支持下,數據管理和存檔系統項目組應用 Web 2.0技術,建立起一套適用于專家和非專業人員用戶的系統,能更方便地進行數據訪問、數據處理和試驗控制。這將允許用戶除了訪問數據和儀器以外,還可以利用任何默認或自定義加工代碼行來實現數據可視化、在線分析以和資源共享。這些社交網絡功能,將體現在“海王星”新的“海洋2.0”環境中。

另外,這也使用戶不僅能從加拿大“海王星”儀器設備獲取所需信息,而且可以自我選擇制訂程序設計,從事在線數據顯示及分析,并且同步與其他用戶進行交流磋商。所有用戶可共享網絡資源功能,也展現于加拿大“海王星”項目的“海洋2.0”系統工程中。

敏感遙控網絡系統通過互聯網連接,并且能實現互動,它是新世紀高科技的推進與探索。從而可以實現全天候、全天時的大范圍遙控監測,長期檢測地球溫度變化及那些至關重要、威脅著人類生存的突變和災難過程。“海王星”海洋觀測系統將是實現這一監測目標的先驅者。“海王星”的設計,旨在海洋盆地區域為科學家、教育工作者、決策者和公眾提供有關大自然宿主和人為操縱進程的前所未有的新穎信息。數據管理及可視化的挑戰包括處理海量的多學科大量數據、同步實時數據和及時進入各類研究模型,為研究人員團體能夠協同操作提供數據和可視化工具。

4.3 構建進展

加拿大“海王星”,沿著 2008年海底鋪設的800 km主干動脈電光纜,海洋網體系由5個主要觀測平臺網站——匯結端(Nodes)構成,匯結端將配備系列傳感器,監測浮游植物的興衰變化,葉綠素濃度,以及其他重要海洋事件。通過現有5個匯結端,陸基科學家及普通用戶可借助控制和監測采樣的系列儀器、攝像機和遙控車等,獵取收集他們所需的從海洋表面到海底的數據信息。匯結端分別安裝在沿海岸100 m的海底至2700 m深的深海平原。監測體系里已經安裝了一系列的攝像頭、監測海水物理化學變化的遙感器、地震監測站、測量洋流的水文儀器、海水溫度計、養分測量器和海底鉆頭,這些儀器設備已于2009年12月8日正式啟動,用于實時現場直播,整體基礎儀器設備設計壽命為25年。另外,還附設有一系列的海底資源勘探和漁場預測體系。所有基礎設施設備,現在都與互聯網連接。這些體系都是交互式的,在海岸中心控制下,編制程序并接收數據。巴恩斯多次強調,加拿大“海王星”控制中心,通過其安裝好的儀器設備,將實時信息數據連通互聯網,供國際科學界和全世界普通用戶全天候、全天時的使用,他還一再強調,也特別重申了該計劃重要的教育作用及其深遠意義。

主干動脈電光纜可不斷傳送并提供10 kVDC電力,10 Gbps通信寬帶和數百個傳感器的設計壽命為25年。在變異萬千的海洋環境中,提供充足的電力和高通信寬帶,建立、完善一個龐大的數據存檔系統,并能夠通過多元化途徑,嚴謹地相互運作、相互波及影響的系列儀器設備,實時傳遞海洋科學信息,永不停息進一步輔助、填補和提高其他海洋的觀測體系。

2009年12月8日,世界上最大最先進的加拿大“海王星”實時海底觀測實驗室的網絡體系正式開始運作,現已起動數百個太平洋海底已安裝的科學儀器和傳感器,為數以萬計的科學家、科學愛好者們傳送各種各樣的科學數據信息。在過去一年中,該體系累積的數據和圖像達10 TB。2010年秋季,在胡安德富卡海脊奮進嶺區(深海傳播中心,Endeavour Ridge)進行了海洋巡航安裝工程。在最具挑戰性的區域安放了儀器設備。

阿爾卡特朗訊水下網絡活動總經理艾蒂安·拉弗格說:“我們已經在海洋里鋪設了數十萬公里的電光纜線路網,只需輕松按一下按鈕,信息就可以送往到世界各地的每個角落。”筆者相信,在不久的未來,我們居住的整個地球,無論是陸地,還是海洋,將會全部部署電光纖光纜網絡體系,連接數以萬計越來越先進的儀器設備,從而整個地球將被網絡化。

5 加拿大“海王星”研究團隊及經費支持

加拿大“海王星”項目長(Project Director)克里斯?巴恩斯教授,是當今世界上宏偉計劃的帶頭人,他把人類觀察、認識和研究地球科學、大自然學科帶上新的臺階。他早期曾任滑鐵盧大學和紐芬蘭紀念大學教授及主任,加拿大地質調查主任主管,加拿大自然科學基金會董事長,維多利亞大學地球和海洋研究中心、地球和海洋科學學院任主任主管(Chris Barnes is Project Director for NEPTUNE Canada,University of Victoria)。2011年 6月底,克里斯?巴恩斯教授從總裁崗位上退下來,但仍然關注“海王星”的事宜。2011年7月起,加拿大“海王星”的總裁(主任)由凱特莫蘭博士(Dr.Kate Moran)擔任。凱特莫蘭博士曾擔任為期兩年的美國奧巴馬政府白宮科學和技術政策辦公室主任助理。在白宮,莫蘭曾多次建議奧巴馬政府關注海洋、北極和全球氣候變暖。

數百名科學家和工程師參與了、正在參與加拿大“海王星”計劃的實施與繼續運行。加拿大方面由維多利亞大學負責,并有十多所大學及研究機構參與,還有其它的一些與海洋有關的研究中心也參與其中。加拿大“海王星”體系由維多利亞大學主管及經營,維多利亞大學(University of Victoria)擁有所有資產權,同時具有經營操作(Owner/Operator)的優先權。

建造該工程項目主體基礎設施的資金為1億加元,由加拿大革新創新基金會、加拿大卑詩省知識發展基金、實物支持產業機構提供。最近,自然科學與工程研究理事會、CFI、卑詩省高等教育部和加拿大工業和教育先進網絡及研究組織(CANARIE,Canadian Advanced Network and Research for Industry and Education)提供了2400萬加元的初始運作資金。維多利亞大學(UVic)將率帶領12個加拿大大學,其中也包括很多國際知名的科學家們,共同聯手合作來建造、運轉和經營加拿大“海王星”。目前,加拿大“海王星”由30多個專職工作人員及顧問組成的全職工作人員來經營,正在全面起動運作。維多利亞大學正在經營與管理位于加拿大西海岸帶的沿海岸海底光纜網——金星(VENUS,2011),將與加拿大海洋網絡(Ocean Networks Canada,2011),美國東北太平洋區域海洋觀測實驗網Regional Scale Nodes (RSN)- Cabled Ocean Observatories Initiative(OOI)一起)(University of Washington,2011),不斷相互借鑒,互補管理經驗,共同監督和支持本區宏偉的工程課題。

6 應用前景及目標任務

加拿大“海王星”是人類史上浩然無際、前所未有的海洋工程項目,人人都可參與和利用。正在卑詩省西海岸溫哥華島的附近修造的世界上最大的光纖光纜“海王星”工程體系,將橫跨、延伸、覆蓋胡安?德富卡板塊北端。在廣闊的海底環境區域內,將星群般密集部署和安裝配備儀器設備。在不久的未來,借助這些儀器,可實時直傳、瞬時不間斷地向網絡體系匯聚、輸送、傳遞數字化信息。太平洋海底數據將通過海底光纜通訊網絡,高速傳遞到維多利亞大學新建的創新性高科技信息數據庫中心。擬定在今后 25年,即實時觀測體系工程的壽命期內,加拿大“海王星”將通過因特網絡,不斷地為研究人員及愛好者提供免費進入浩大富集的海洋數據庫的機會,獵取所需的實時直播、瞬時、或已存檔的數據資料。加拿大“海王星”中為數眾多的儀器設備,將給科學家、科學愛好者們提供全面、全方位的合作研究途徑。真誠地期待和盼望通過海底觀測實驗網這一觀測網絡體系,能夠使共同合作研究課題項目結出許多驚天動地、前所未聞的碩果。

加拿大“海王星”,將在未來調查、了解和認識地球和海洋的多元、變化萬千、錯綜復雜的進程、現象和事件。將加拿大“海王星”的儀器設備安放在海底(海底鉆孔),通過提振浮標固定在不同深度水層柱體之中。攜帶著數百個傳感器的130多個儀器,將被安放在加拿大“海王星”體系中,一些則附加在深海履帶爬行車和400 m海底豎立式跟蹤測量裝備上。

自2009年12月8日,“海王星”啟動以來,統計用戶和搜索的數據顯示,“海王星”很受世界各界人士的歡迎及關注,使用人數越來越多。

海底觀測實驗網主要、重要研究領域包括如下:海底火山的狀態;地震和海嘯;礦物、金屬和碳氫化合物資源;海洋與大氣間的相互作用;氣候變化;海洋溫室氣體的循環過程;海洋生態體系;海洋的長期變動,能源和資源的滋生再生過程;海洋哺乳動物;漁業儲備;污染和毒性綻放。

在胡安·德富卡板塊境內至少有一個活火山,它每隔幾年就噴發一次。科學家們感興趣的不僅是火山(圖 1),而更重要的是太平洋板塊擴張,導致整個胡安·德富卡板塊連續不斷地插入北美大陸板塊底部。這個地區的地震和海嘯頻繁地發生,因此科學家們認為這個觀測網對自然災害的預警系統也是十分有用的。巴恩斯說:“哪怕是提前一分鐘的海洋地震海嘯的重大自然災害預報,對于某些諸如地震引起的海嘯自然災難來說,可能都是極其重要的。同時,及時的災害預報,可提前關閉輸氣管道和其它脆弱的設施。”這個地區的海底結構及海岸帶地質構造體系是相當復雜的且眾說紛紜。除了巖石帶,在靠近大陸邊緣的地方是很厚的新沉積層,那里有天然氣和石油。新的觀測網將用于連續不斷地監測控制地球溫度變化、多端洋流、化學物質的集中和污染情況、水中養分的變化以及海底的生物情況。海洋生物多樣性是“海王星”計劃的重要研究方向之一,它還可用來觀察各種各樣的生物群落,包括鯨,那里的鯨一般下潛到1000 m的深度。

巴恩斯曾把加拿大“海王星”看成是家里的一棵圣誕樹:“夫妻兩人先架起圣誕樹,剛開始只有很少的東西掛在圣誕樹上,后來買來了更好看的、更漂亮的、更新穎的裝飾物,幾年后,裝飾物掛滿了圣誕樹,但要挑選和更換最好的掛上去。許多年后的‘海王星’,就會像一棵樹立在地球上人人皆知、前所未有的五彩繽紛、閃爍美麗、觸目關注的圣誕樹。”

加拿大“海王星”科學實驗的主要目標和任務如下:觀測和預防地震動態和海嘯的危險;地殼運移及沉積物的海洋流體通量,包括天然氣水合物;海洋和氣候動力學,包括酸化過程,養分流量、通量和供給以及對生物群的波及與影響;深海生態體系動力學;應用工程和計算機科學的研究。

7 結論

加拿大“海王星”是獨辟蹊徑、史無前例、前所未有的工程項目。加拿大“海王星”期望和邀請人人參與,攜手并肩,同舟共計,造福世界。在加拿大“海王星”(neptune@uvic.ca)文獻中,一再邀請所有工業機構、科學家及其愛好者來參與、試驗和體會我們的嶄新科學及創新,利用現有檢測儀器獵捕所提供的海洋數據信息。筆者可以預測,該項目將會改變海洋科學的研究進程,把海洋科學,地球科學技術,甚至宇宙空間學術推向新紀元。在未來十年,隨著其他幾個國家地區,已建好小規模和正在計劃建造新光纜海洋觀測網,逐漸增加和擴大海洋光纜觀測網的范圍。開辟和設計海洋觀測體系,是為了擴展和深化地球海洋研究。不斷總結經驗,增加新穎匯結端和儀器設備,提供宏觀測試、監測和實時數據資料信息,開創新的地球海洋科學技術。

可以想象,海洋“哈勃”——“海王星”(NEPTUNE)工程體系中日新月異的軟硬設備,定會時過境遷,將會發生與日俱進的創新、空前未有的大發展、及其海底動態的新發現,兩位作者時刻都在關注著,我們將會不斷地介紹給讀者們。

致謝:十分感謝克里斯托弗·巴恩斯教授,他曾經無數次口頭描述和通過電子郵件發送有關加拿大“海王星”工程項目的最新進展信息。編譯過程中,部分章節得到英年早逝的唐德敏 Ms.Karen Tang的增補、潤飾。同時,也得到姬寬良(Mr.Kevin Ji)、張法愚先生(Mr.Fayu Zhang)的修改,在此表示衷心感謝。另外,本文譯編信息還來源于克里斯·巴恩斯、馬利·辦斯特、弗恩·約翰遜,彼得·菲布斯、伯努·皮雷納的口頭咨詢和電子郵件。特別感謝《地球學報》編輯部主任魏樂軍博士對文稿的精心編輯,花費了大量的精力,付出了辛勤的勞動。