我國的深海探測裝備

張旭東

雖然人類對海洋的認識在加速，但是對其依然知之甚少，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”深海的實時潛標就是其中的典型代表。

深海劃出優美“V”字形

由中國科學院沈陽自動化研究所自主研發的“海翼”水下滑翔機，是一種新概念水下機器人，看上去猶如個頭不一的火箭。

它們通過調節自身浮力和姿態以實現在水中滑行，作業深度覆蓋300米至7000米，可連續工作幾十天至幾個月，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方向等數據，實時回傳至陸地。

據中國科學院沈陽自動化研究所的副研究員金文明介紹，“海翼”是靠浮力驅動，這一技術讓其在水下運行軌跡呈較大“V”字形，仿佛在坐“過山車”。“海翼”在每個運動周期的頂點和底端進行浮力調節，所以能跑得更遠、更節能，具有大范圍、長時間連續觀測海洋環境的優勢。

目前，中國科學院沈陽自動化研究所成功研制了300米、1000米、1500米、4500米、7000米、混合驅動型、聲學型等多種深度和類型的“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，觀測距離16萬多公里，獲得4.6萬多條數據。

2017年7月至8月，12臺“海翼”水下滑翔機在南海開展組網同步觀測；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、冷泉是近年來深海研究熱點，但是我們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驗室分析，受溫度、壓力變化及海水混入的影響，熱液噴口流體的化學成分或濃度會明顯改變。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，分析數據與實際仍有明顯差異。

中國科學院海洋研究所自主研發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，以及各種物質的濃度如何。

據中國科學院海洋研究所研究員張鑫介紹，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生散射，其中一種散射光頻率會發生改變，這就是印度科學家拉曼發現的拉曼散射現象。由于不同分子會產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）和渾濁的流體環境，一直是光學鏡頭的禁區。”張鑫說，“深海原位拉曼光譜探針成功突破普通光學鏡頭不耐高溫和防顆粒附著性能差等難題，為深海熱液化學性質研究提供了裝備支撐。”

借助深海原位拉曼光譜探針，我國科學家已獲得多項突破性成果：在南海首次觀測到裸露在海底的天然氣水合物，首次在自然界發現超臨界二氧化碳，揭示深海“倒置湖”的神秘現象……

實時獲取深海“脈搏”

海洋實時觀測數據長期依靠衛星遙感和浮標。用于觀測水下和深海數據的潛標只能每年回收一次，無法像衛星遙感和浮標那樣獲得實時數據。這是因為潛標最上面一個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。

據中國科學院海洋研究所研究員汪嘉寧介紹，在西太平洋科學觀測網建立的過程中，科研人員突破了潛標數據無法長期穩定實時傳輸的海洋觀測難題，并將實時傳輸觀測數據的深度由1000米逐步拓展至6000米。

“科研人員在水面上安裝了一個實時傳輸數據的浮體，它與潛標通過無線和有線兩種方式連接。潛標將數據傳輸給浮體，浮體發射到衛星上，衛星再反饋回陸地實驗室。”汪嘉寧說。

2019年，西太平洋科學觀測網開始由北斗衛星實時傳輸潛標數據，提高了深海數據實時傳輸的安全性、自主性和可靠性。科研人員還依靠北斗衛星實現了雙向通訊，數據不僅能實時回傳至陸地實驗室，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觀測網，已持續穩定運行6年，服務于深海前沿研究、氣候預報和海洋環境預報等，特別是實時傳輸回的數據提高了氣候和海洋環境預報精度。