海洋海氧之家

编辑:赵广立校对:么辰E-mail押glzhao@stimes.
cn55年·前行元旦特刊2014年1月1日星期三Tel押(010)6258072035随着世界可利用资源的日趋减少和环境压力的日益增加,海洋开发的呼声越来越高;而随着地球系统科学的发展,人类认识海洋的需求也越来越大.
原来以"渔盐之利,舟楫之便"为目标的海洋经济,已经拓展到千米水深的海洋油气;原来以为不可能有生命的深海底部,居然滋养着地球上30%的生物量.
于是自古以来被留给神话世界的深海远洋,近来变成了资源勘探的对象;历来乏人问津的小岛礁石,也变成了国际争夺的热点.
但是,与陆地的开发不同,海洋的开发只能依靠高科技.
因此,21世纪的海洋之争,实际上就是科技之争.
科技在国际海洋权益争夺中的作用,从来没有像今天这样突出;科技界对于维护国家海疆所承担的社会责任,也从来没有像今天这样重要.
正是在此背景下,中国的经济开始迅猛发展,自然而然地走向了世界大洋.
于是,在这片古老而又新生的土地上,在郑和下西洋600年之后,一次又一次响起了进军大洋的号角,科技界也在调整步伐、开始重视海洋.
现在,我们的科学考察已经到达南、北极,我国的能源勘探已经进入世界三大洋,从大洋中脊的热液,到深海底部的冷泉;从海面的波浪,到深水中的微生物,都成为我国科学家的探索对象.
海洋中蕴藏着我国科学家对未来的憧憬.
未来,我国海洋科学的腾飞,将是古老华夏文明与新时代海洋文明的交相辉映.
海洋之争即科技之争汪品先中国科学院院士进入21世纪以来,天基、空基、岸基、海面、水下、海床基的观测平台共同构成人类对海洋的立体观测,将人类对海洋的观测由点及面地整合了起来.
船舶是海洋科学的基本平台.
如今,根据不同目的,海洋考察船已发展出各种类型.
其中,"志愿船舶系统"因可利用商船大大扩展观测数据,颇值得推广.
从沉船搜索到深海热液,深潜器是人类直接探测深海的基本手段.
中国"蛟龙号"即为载人深潜器的杰出代表,日本、美国则在无人深潜器研制方面表现出色.
卫星与实地观测相结合,是整个地球观测的主导方向.
遥感技术具有覆盖广、信息量大等诸多优势,是常规观测所不能替代的手段.
近来正在建设的"海底观测网",更是将从根本上改变人类认识海洋的途径,相当于将观测站和实验室建在海底.
在不久的未来,科学家也许就可以在个人电脑上了解深海的各项指标或实验进程.
观测网把海洋看透40年前人类对海洋微生物缺乏兴趣,很重要的原因是,人们对海洋微生物丰度低估了整整3个数量级.
微生物不仅在数量上是海洋生态系统的主体,而且主宰着整个海洋碳和营养元素的循环.
而随着"深部生物圈"的发现和"微生物海洋学"的诞生,一切个体小于20微米的海洋微生物成为海洋和生命科学研究的热点.
海洋微生物的生物地球化学作用,小则影响局部资源环境,大则影响全球变化.
另外,海洋微生物带着远古的讯息,跨越生命历史的长河,是解读生命起源和进化的一把钥匙.
其次,海洋微生物也是改造地球环境的先锋.
正是产氧微生物的大量繁生,改造了海洋和大气成分,才有了今天生机勃勃的地球.
此外,微生物在调节气候变化中也有重要作用.
总之,微生物是藏身海洋的巨人,它们是海洋生物量和生产力的主要贡献者,是物质和能流的主要承担者,是生源要素循环的主要驱动力.
然而,人们已研究过的海洋微生物不及总量的1%.
随着新技术、新方法的应用,将引领这一新学科的崛起.
海洋微生物待研究的"巨人"世纪以来的大国崛起的历史,正是海洋科学从萌芽到形成的发展史.
全球性经济的发展,将人类的活动带到了远洋;海底资源的发现,又把人类的活动推向深海.
这一切,都是在科学和技术并肩发展的基础上实现的.
这样发展起来的海洋科学具有深刻的全球性,在自然科学众多门类中,海洋科学也是一门更加需要国际交流合作的学科.
人类最先关注近岸海洋,以为只要研究近岸浅海就够了.
但是科学的发展表明,以前被认为的区域问题,如今也需要从海盆尺度甚至全球尺度来看待.
例如,全球性温盐环流的变化,通过中纬度大气影响北太平洋及东亚季风,从而影响黑潮及我国近海环流的物质及热量输运.
不研究远洋,也就不可能理解近海.
同样迫切的任务在深海.
地球表面13亿立方千米的水中约有97%集中在海洋里,平均3800米深的海水使人类对深海海底的了解还不如月球表面.
直到百余年前甚至几十年前,人类还以为深海是个没有生命的死亡世界.
未曾想,近几十年来,深海成了地球科学接二连三的突破口.
海洋科学一系列重大问题均来自于深海,如深层大洋环流的驱动、海底"热液"和"冷泉"物质通量及其环境生态影响、"深部生物圈"在碳循环中的作用等.
探索"固体地球循环"、"俯冲带加工厂"里水和碳的平衡及其对发震带的影响、地球深部与表层系统之间的圈层相互作用等研究领域也是方兴未艾.
尽快进入深海的前沿,不仅是我国海洋科学、也是整个地球系统科学的战略需要.
我国目前深海基础研究力量过于薄弱,迫切需要采取措施,迅速改变这种落后状况.
深海的呼唤人类历史是在海洋之外、从船上或者岸上观测海洋.
这类的"考察"航次只能从表面取得短暂甚至瞬间的海洋信息,甚至要画出一幅同时间的海水温度图都没有可能.
海上定点或者剖面的连续观测,是记录变化过程、变化机理的必要途径;从短暂考察到连续观测,是海洋科学发展的必由之路.
海洋观测不以海面为限.
20世纪60年代出现的遥感技术的发展,第一次使人类摆脱地心引力,从空间观测海洋,打开了海洋科学的视野,提供了海洋观测的第二个平台.
但遥感技术难以达到大洋海底.
随着锚系和自沉浮式剖面观测浮标技术的发展,可以进入海洋内部进行连续和实时的观测;而近来正在建设的"海底观测网",用光纤、电缆传送能量和信息,正在为海洋观测打造第三个观测平台.
海底观测网相当于将观测站和实验室建在海底,是地球科学又一次来自海洋的革命.
其优点在于摆脱了电池寿命、船时与舱位、天气及数据延迟等种种局限性,科学家可以在陆上通过网络实时监测自己的深海实验进程.
如果说,从海上或岸上进行观测,是从外面对海洋做"蜻蜓点水"式的访问,那么从海底设站进行长期实时观测,是深入到海洋内部做"蹲点调查",是把深海大洋置于人类的监测视域之内,将海洋科学从"考察型"向"观测型"推进.
去洋底"蹲点"多尺度入手海洋科学早已出现,但是深海研究却只有几十年,原因在于深海探测技术的滞后———有了回声声呐,才知道有海山与中脊;有了深海钻探,才证明了板块理论;有了深潜技术,才发现海底热液和冷泉.
总之,没有先进技术,就不可能有深海的探测.
因此,与许多兄弟学科相比,海洋科学更加需要科技的协同发展,许多国际的海洋科学计划,也是有科、技双方共同讨论,和技术发展计划一道制定的.
美国发布的《为美国海洋科学导航:今后十年研究的优先领域》文件中,提出三大任务:加强海洋过程的理解与预报能力,实施以生态系统为基础的海洋管理,建设海洋观测系统.
其中第三项,海洋观测系统的建设,正是实现前两项目标的技术保障.
另外,海洋科学的发展需要解决科学和技术发展脱节的问题,问题的实质在于是否有创新的目标.
重复性的工作只需要模仿或者多添购仪器,而创造型的研究却往往要求技术上的改进,因此发展计划只能由科学和技术双方共同制订.
科学和技术协同发展并不只是主管机关的责任,科学家对技术的了解,技术家对科学的兴趣,是两者结合的前提.
科学家只顾发表论文,技术家只知道申请专利,这是我国科学创新的大敌.
单纯依靠"雇佣"关系的科技联合,不可能带来创新的冲动.
这要从学生开始,培养科与技的结合,从根本上改变科协和技术发展脱节的弊病.
"科""技"共掌舵海底深部过程是研究地球表层与深部间相互作用的切入点,其中洋中脊的热液、冷泉活动及其相关的暗能量生物群,是海洋系统中新发现的重要环节.
热液来自海水.
人们的探索发现,洋中脊不仅有富含硫化物的高温热液"黑烟囱",还有40℃~90℃的低温热液"白烟囱".
调查表明,热液之外还有冷泉,包括大洋的板块俯冲带和海底烃类溢出口.
深海热液所含的能量和水分具有重要的资源价值.
深海金属矿床的形成不仅为陆上的成矿理论研究提供了现代比较,海底多金属硫化物作为未来资源,是当前各国竞逐的对象.
比热液、冷泉更为轰动的发现,是热液生物群和冷泉生物群落.
恰如沙漠中的绿洲,热液区成为新物种发现的热点;冷泉生物群落也有一套完整的生命体系,那里的生物居然能依靠甲烷、硫化氢等还原性物质自养.
深海过程是我国海洋科学新领域,当前我们要继续努力,在深海领域跻身国际前沿.
学科新贵热液、冷泉、暗能量海洋是一个包含多种时空尺度过程的复杂动力系统,不同时空尺度过程之间存在相互作用.
从海洋动力过程来讲,它既包含小尺度(毫米量级)快速的湍流、表面及内部重力波等过程,又包含大尺度(几千米到上千千米量级)的潮汐、Rossby及Kelvin波,以及中尺度涡和环流系统.
这些不同尺度运动之间的能量相互传递,以维持海洋的温盐结构.
同样复杂的是海洋的时间尺度.
表层海水的更新时间以天计,深层水以千年计,而在俯冲带和洋中脊进入地球内部的水循环至少以百万年计.
海洋生物,既有每10分钟繁殖一次的浮游细菌,又有繁殖周期长达千年的"深部生物圈".
不仅如此,不同时空尺度的海气耦合过程之间还存在相互作用,如热带气旋对温盐环流的形成及变异也可能造成影响.
不同尺度的海气相互作用过程的结合对于认识天气及气候变异机理、提高预测水平有重要意义.
因此,海洋过程的时空尺度跨越许多数量级,不可能用简单化的方法研究.
以探索机理为目标的研究需要跨越时间和空间尺度.
20世纪90年代美国海洋沉积学的研究计划,就是利用短期沉积过程(<100年)的观测,去求取长期地层记录(104~106年)的解释;时间和方法上都有大的跨度,从秒级的波浪周期到107年的地层周期,CNG海底观测的三脚架和沉积捕集器到地震和大洋钻探,值得海洋学各个领域借鉴.
《中国海洋发展报告(2013)》预测海洋生产总值占GDP比重海洋科学的发展将向多学科交叉融合的方向发展,我们现在所面临的海洋问题不是哪个单一学科能够单独解决的.
对于海洋生态系统来说,人们将重点关注海洋生物资源的可持续利用、海洋污染、海洋酸化、海洋低氧区的扩大和有害藻华等问题;对于大洋来说,人们将重点关注海气相互作用、海洋中尺度过程和军事海洋学的发展;对于深海来说,人们将重点关注海洋矿物资源和油气资源的开发利用,海洋特殊环境观测和对深海特殊生境的探索.
因此,海洋科学将向应用方向发展.
首先是海洋信息系统的建立.
我们需要发展无人值守的自动观测装置,如一系列的物理、化学和生物传感器的研制.
海洋信息科学的发展不局限于海洋观测系统,还包括海洋观测数据处理和数据产品的产生等.
海洋信息系统的另一个方面是海洋信息服务系统的建立,海洋数据信息将服务于交通运输、海洋灾害、海洋环境、海岸带管理等各个方面,人们将通过电脑网络和手机等各种工具获取海洋信息,形成海洋信息消费文化.
其次是海洋模式的发展.
多学科融合交叉的高分辨率海洋模式的建立势在必行,随着这些模式的发展,一系列的海洋问题都将向广度和深度发展,人们基于现有的海洋信息,预测未来发展,为海洋管理、防灾减灾和国防建设服务.
(廖洋)孙松中科院青岛海洋研究所所长海洋学科走向交叉融合2012年海洋灾害分灾种直接经济损失统计(亿元)马里亚纳海沟7062米全球海洋新能源理论蕴藏量(亿千瓦)本版文章采写:本报见习记者赵广立前沿万花筒图说望