书城自然科学海之馈赠:海洋资源大观
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第4章 大海的馈赠:海洋资源(3)

人类发展至今已经繁衍到60亿人口,发展了大规模的工业、农业和服务业,除了消耗了陆地上大量的矿物、化石燃料(煤、石油和天然气)等不能再生的资源以外,还破坏了陆地上的土地、森林资源,工业废水、废渣、废气、汽车的尾气、生活污水和化学农药等直接、间接地排到海洋里,采油和运输事故使成万吨的石油溢入海洋中,造成大面积污染。可是海洋的自净能力是有限的。如果我们不警觉起来,采取防治污染的措施,就会破坏海洋这座宝库,而且会危及人类自身的存在。

1992年,联合国在巴西的里约热内卢召开了环境发展首脑会议,会后发布的里约宣言中提出了“可持续发展”的概念,呼吁世界各国在发展经济的同时,要注意保持环境的健康,以使社会、经济的发展能够永远、持续地进行。人类必须未雨绸缪,在开发海洋资源、发展海洋开发技术的同时,保护好海洋环境,大力发展海洋环境保护技术,以使海洋永葆青春。

海洋合作时代的来临

随着社会的发展,进入20世纪50年代以后,海洋在战略上和经济上的重要意义开始凸显出来,许多相关的国际机构在世界上建立了起来,如海洋研究科学委员会、联合国教科文组织政府间海事委员会等。而国际机构也组织了多次的国际海洋联合考察,规模比较大,如1955年由美、日、前苏联以及加拿大等同参加的“国际北太平洋合作调查”等。而全球合作的海洋观测调查也在1957~1958年国际地球物理年中成功地进行了,这项规模空前的海洋调查参与的国家较多,由17个国家的70多艘船只参加,南极、北极地带以及赤道地区是重要的监测区域。之后,世界海洋资料中心也成立了,海洋研究进入了一个较新的发展阶段。而进入了20世纪60年代,国际海洋联合考察的次数增多,像1960~1964年“国际印度洋调查”是比较重要的,另外1963~1965年“国际赤道大西洋合作调查”和1965年夏季 “黑潮及邻海区合作调查”以及1968年的“深海钻探计划”等都是比较主要的。在这国际印度洋的监测考察当中,使用了非常先进的机器,如精密回声测声仪和电导盐度计等新型测量仪器。加之一些新方法,出色地完成了观测任务,并且发现了一系列的新海山、群岛上升流渔场以及南纬15°附近冷涡等。而在黑潮合作的调查当中,经过不断努力,发现了黑潮的起源及其分支和热带逆流,制成了利用以水质化学来加以分析的标准海水。参与的国家也非常多,主要包括:日本、美国、前苏联、中国,另外菲律宾、越南、泰国、马来西亚、印度尼西亚、澳大利亚、新西兰等国也共同参加。

“国际海洋考察十年”计划在1971到1981年进行,它是整个70年代国际海洋联合调查的主体,参加的国家主要有美、英、法、苏、日以及加拿大等30多个国家,整个计划包括三个部分,分别是海洋环境调查、地质学和物理学调查以及海洋资源的调查。同时,高速发展的现代科学技术,使人类认识海洋的能力不断提升,在现代海洋科学的发展中至关重要,这些科技有计算机技术、声学和光学技术、深潜技术以及遥感技术等。如今,各种性能的调查船结合卫星、飞机,并与水下实验室、海洋浮标、潜水器等相结合,逐渐形成了从太空直至海面到海底的立体海洋监测体系,这也是一个全方位的监测体系。

高新技术的登场

现代高新技术的应用已经使海洋仪器向着精确、灵敏、长期和高效的方向迅速发展。20世纪60年代初期,相当精密的温度、盐度、深度连续记录仪已经广为使用,后来,在此基础上又发展为更精密的温盐密度仪和自由降落式温盐微结构仪,其深度分辨率分别可达到1米和1厘米量级。用声学方法现已能测每秒毫米级的弱流,并能测量湍流的微结构。目前常用的海洋浮标,可以上测近海面大气的风速、风向、气温、湿度和气压等气象要素,下测各层海水的物理、化学等海洋要素,有的还可自动升降,作剖面观测。所观测到的信息可由其资料处理系统立即处理、存储和传递。传递的方式或直接发向岸台,或由卫星中转。另外,在导航系统、海洋地质钻探、深潜技术、浮游生物采集和海水分析技术方面,都有长足进步。因此,通过最近几十年的调查研究,人们对海洋的认识也越来越全面而深入,对海洋资源的了解越来越深刻。

水下机器人潜入海底

人们俗称的水下机器人,也就是无人遥控潜水器。它主要是由水面母船上的工作人员通过连接潜水器的脐带提供动力,以便操控潜水器,并通过水下的专用设备进行观察,还能通过机械手,发挥效应,进行水下独立作业。当今主要的无人遥控潜水器是有缆遥控潜水器和无缆遥控潜水器两种,而有缆遥控潜水器又有分类,分别是水中自航式、拖航式和能在海底结构物上爬行这三类。

近10年以来,无人遥控潜水器进入了发展快速期。1953年,世界上第一艘无人遥控潜水器问世,到1974年,紧紧20年的时间里,全世界就研制了20艘。特别是1974年以后,无人遥控潜水器得到了快速发展,因为这时海洋油气业发展迅速。1981年,无人遥控潜水器由之前的20艘发展到了400余艘,而这些大部分是直接或间接的服务于海洋石油开采的。1988年,无人遥控潜水器得到飞速发展,比1981年增加了110%,数量猛增到958艘。这个时期增加的潜水器多数为有缆遥控潜水器,数量大约在800艘上下,而直接为海上油气开采用的有1400多艘。无人无缆潜水器只研制出了26艘,发展速度相对较慢,而作为工业用的有仅8艘,其他的主要用于军事和科学研究。此外,载人和无人混合潜水器在这个时期已经研制出32艘,得到了较快的发展,约有28艘是服务于工业的。

20世纪70年代,无人有缆潜水器的研制才刚刚开始,80年代就进入了较快发展期。1987年,日本的深海无人遥控潜水器“海鲀3K”号研究成功,可下潜到3300米的深度。研究的目的则是为了在载人潜水之前对预定潜水点进行调查,以便对深海进行相关研究的同时,也可利用它进行海底救护。“海鲀3K”号是有缆式潜水器,在设计上有所不同,主要各配置两套动力装置在前后、上下、左右三个方向,基本可以满足深海采集样品的需要。1988年,该技术中心配合“深海6500”号载人潜水器建造了万米级无人遥控潜水器,以满足进行深海调查作业的需要。这种潜水器可以较长时间地进行深海调查,主要由工作母船进行控制操作,总共投入了40亿日元。日本是很重视无人有缆潜水器的研制的,近期有近期的研究项目,远期则有大型的长远计划。而目前,日本正在实施一项大型的规划,包括了开发先进无人遥控潜水器。这种无人有缆潜水器系统需要在一些方面不断地进行突破,例如在遥控作业、水下遥测全向推力器、声学影像以及海水传动系统、陶瓷应用技术水下航行定位和控制等方面。

欧洲确立了尤里卡计划,计划在无人有缆潜水技术方面,英国、意大利将联合研制无人遥控潜水器。这种潜水器性能优良,比现在正在使用的潜水器性能优良得多,现在的潜水器只能在水下4000米深度连续工作12小时,而计划研制的潜水器能在6000米水深持续工作250小时。根据尤里卡EU-191计划,另外建造两艘无人遥控潜水器:一艘是有缆式潜水器,主用用途是水下的检查维修;另一艘则是无人无缆潜水器,主要用途是水下测量。这项潜水工程计划主要将由17个机构参加完成,分别来自英国、意大利、丹麦等国家。“小贾森”有缆潜水器是由英国科学家研制的,它有其独特的技术特点,采用计算机控制,主要是通过光纤沟通潜水器与母船之间的联系。而母船上共有4台专用计算机,其功能分别是处理海底照相机获得的资料、处理海面环境变化的资料以及处理监控海洋环境变化的资料和处理由潜水器传输回来的其他有关技术资料等。母船会把获得的资料进行整理,整理后再通过微波发送到位于加利福尼亚太平洋格罗夫研究所的实验室,这些整理资料就存在那里的资料库里。

无人有缆潜水器发展快,趋势明显,主要是特点有:一是操纵控制系统多采用大容量的计算机,来进行数字控制和资料处理;二是水深大多在6000米;三是潜水器上的机械手采用多功能适时监控系统;四是推进器的数量与功率得到增加,作业的能力和操纵性能逐步提高。另外,潜水器在小型化和观察能力方面也不断得到关注和改进。

海洋遥感卫星助威

在科技迅猛发展的今天,海洋遥感技术日益成为国际科技界关注的热点。美国于1978年就发射了海洋卫星;日本在20世纪90年代初期也已发射了海洋卫星;俄罗斯有一系列卫星,其中“宇宙”系列卫星就包含了海洋遥感观测技术;欧洲资源卫星主要以海洋为目标,以法国为代表;北欧海洋遥感与观测技术的代表则首推挪威和瑞典。在1990~1992年期间,国际上发射了多颗极轨气象卫星,包括美国的NOAA系列后继卫星、欧空局MOP系列后继卫星和海洋卫星等,如欧空局欧洲遥感卫星ERS-1、美法合作的海洋地形试验卫星TOPEX/ POSEIDON等。在此期间,我国也发射了极轨气象卫星FY-1(A-B)。由于中国气象卫星——风云系列卫星上有2~4个海洋通道用于观测海洋水色等要素,因此,我国在北京、杭州、天津等城市建立了气象卫星地面接收应用系统。

国际海洋遥感技术经历了两个阶段:第一阶段是气象卫星/陆地卫星的海洋应用阶段,我国发射的极轨气象卫星FY-1(A-B)也处于这个阶段;第二阶段是海洋卫星应用阶段。2002年5月15日我国发射了第一颗海洋卫星“海洋一号A”。“海洋一号A”卫星的成功发射与运行,实现了我国实时获取海洋水色遥感资料零的突破,为海洋卫星系列化发展奠定了技术基础,在2007年4月11日11时27分,我国自行研制的“海洋一号A”卫星的后续卫星“海洋一号B”卫星顺利入轨及正常工作,结束了我国近年来没有实时海洋水色卫星数据的不利局面,标志着我国海洋卫星和卫星海洋应用事业跃升至一个新的高度。“海洋一号B”卫星是我国海洋立体监测系统的重要组成部分,主要用于海洋水色、水温环境要素探测,将为我国海洋生物资源开发利用、河口港湾的建设与治理、海洋污染监测与防治、海岸带资源调查与开发,以及全球环境变化研究等领域服务。我国海洋卫星的不断发射成功将带动遥感技术在海洋管理上不断细化。

随着海洋开发深度、广度的不断拓展,全球的海洋环境质量每况愈下,海洋环境监测与保护问题日益成为国际社会普遍关注的热点。利用海洋遥感卫星,能够实现对全球海洋环境的同步观测,对我国近海海域水色信息进行大尺度、定量化提取,为海洋环境保护提供必要依据。

通过水色遥感卫星我们可以得到大量水色遥感图像,再对水色遥感图像进行分析就得到许多重要信息:一是海洋环境数值预报,如海温、海浪、潮汐、海面风场、海流等;二是海岸带灾害数值预报,如风暴潮、海啸、台风、巨浪、海冰、海雾、赤潮、溢油及其他污染等;二是海气相互作用过程预测,如ElNino和LaNino事件的中长期预测,海平面上升的中长期预测等;四是海陆相互作用过程预测,如海岸带侵蚀、河流冲击与河口改道、围海造田与环境效应等。

利用海洋遥感卫星数据结合相关资料,海洋管理就得到了可靠的依据,能够制作成各种产品,建立由近海到远海、多部门合作的海洋环境与灾害观测网络和数值预报、预警系统,开展主要海洋灾害的分析和评估业务,建立海上搜救中心和沿岸防灾准备应急系统,构建海洋减灾体系。对风暴潮、海冰等自然灾害进行预报预警,对赤潮、溢油、河口排污等海洋污染进行业务化监测,以减少海洋灾害带来的损失。