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第27章 海洋工程(3)

1978年,美国发射海洋卫星“西塞-A”,重2200千克,由一个33.3米长的火箭把它带到805千米高空,其传感器可观测海流、潮汐、波浪、海面温度、风暴、冰况及海岸现象等。这些信息被传送到地面,经加工处理后就可以被人们研究使用。

“西塞-A”号卫星工作时间为1年,每天绕地球14圈,其传感器6小时扫描(即探测)一次,扫描面积包括世界95%的海洋。国外认为,该海洋卫星开创了“海洋科学发展的新纪元”,揭开了“海洋研究的新篇章”。

潜水类型

古代住在海边的人们为捕捞鱼、贝和海产品,常要赤身、屏气、不采用任何装具潜入水中,然后回到海面换气休息,这种潜水方法被称为裸潜。该方法传至现在,中国南方沿海渔民仍在使用;另外,它还是一项潜水体育运动。

这种潜水法由于不能在水下呼吸,因而潜水时间有限。2000多年前,人们从大象过河中得到了启示:大象过河时,整个身体都浸没在水里,唯有象鼻子伸出水面,自由呼吸,于是呼吸管潜水法发明了。

呼吸管潜水:最早用的呼吸管用芦苇制成。潜水者将呼吸管的一端含在嘴里,另一端露出水面。这样,潜水者在水下就可呼吸到新鲜空气,延长了潜水时间。后来,人们又发明了水面通气管式潜水服。这种潜水服用皮带扎紧在身上,头罩顶部用一根通气管与水面相通。这样,潜水员不但能呼吸到新鲜空气,潜水员的双手也得到了解放,可以打捞海产品和进行各种水下作业。此外,还用两个动物的膀胱做成浮子浮在水面上,以便和水面联系。该方法在500年前被广泛应用。

呼吸管潜水只适用于浅水中,局限性很大。因为人在水上呼吸的空气是1个大气压;水下越深,气压越高。每下潜约2米,人身上就要多承受1/10个大气压。

重潜水装:200多年前,英国人发明了木制潜水头盔、金属潜水头盔和装甲潜水服,并在水面上用风箱或手揿式压气机给潜水头盔供给压缩空气。这是最原始的通风式潜水装具。

后来,人们对这种潜水装具进行了改进。在金属头盔上有一个透明观察窗,把金属头盔和潜水服联接在一起,头盔里装置排气阀,使头盔里面的气体保持一定压力,并可自动向外排放一部分呼吸气体,供气采用了双缸手揿式压气机。潜水服设计得能更好地防水保暖。这种潜水装既大又笨,人称重潜水装具,相应的潜水方法叫重潜水。

这种潜水在早期的下潜深度有一定局限。当时它的极限下潜深度为60~70米。

轻装潜水:五六十年前,法国海洋学家创造了自动供气的水下呼吸器,人称“水肺”。这种水肺主要由呼吸面罩、呼吸囊、二氧化碳吸收器、阀门、管道及高压气瓶组成。潜水员潜水时,将高压气瓶背在身后就可供气。附属设备有潜水服、脚蹼等。该潜水方法称为轻潜水,也叫自携式潜水。

后来又出现了“电子肺”,是一种新型水下呼吸器,由微型计算机来控制。它可以随下潜深度的变化自动控制人工混合气体成分,以适应人体在不同深度下的生理要求。

饱和潜水:人如果在高压下逗留到一定时间,其血液组织里渗入的气体就会达到饱和程度。从这一程度起,只要压力不变,即使再增加停留时间,血液和组织里的气体含量也不会改变。

正如一只盛满水的杯子,它的含量达到极限,再加一滴都不行,无论再注水多长时间,效果总是一样。根据这一发现,潜水员在海洋的某个深度工作一段时间后,就不必匆忙回到海面上来减压,而是大可继续在海水中呆下去,直到工作完成后再返回海面,进行一次减压即可。这种潜水方法称为“饱和潜水”。

饱和潜水使潜水作业时间增加了,潜水工作效率也有了很大提高。饱和潜水的作业系统主要有下列三种类型:甲板加压舱系统、水下居住舱系统和出入式深潜器系统,它们都可以把潜水员送到海中进行长时间的工作。

微型单人深潜器:深潜器的主体部分由两个透明的丙稀塑料半球组成的密封舱,附带小巧的高能蓄电池箱及两只机械手。它装有4只小型电动机,4个螺旋桨控制着它的前进、后退、上升、下潜。球形舱里无复杂仪表,仅有一张舒适的沙发椅,所有操纵机关都装在沙发扶手上。球形舱有5英寸厚的坚固外壳,配有艇上照明灯,有和岸上进行通话联系的无线电通讯系统。

微型单人深潜器又称“深海旅游者”,其潜水深度已达1100米。它的两只机械手能从海底抓起200磅重物。机械手的“手指”上装有灵敏度极高的触觉传感器,抓住物体后,传感器能将所抓住物体的硬度和质地、抓握的松紧程度通过声音报告给舱里的工作人员。

小知识

海洋机器人

美国是最早研制成世界上设有通讯系链、能独立工作的海底机器人的,并将其称为“逆戟鲸”。它有5台微处理机,有装有5000张胶片的自动摄像机,有非常完善的声纳装置声脉冲发送器、频闪器及传感器等设施。

该机器人重2.9吨,不需海面工作人员指导行动。但如果遇到障碍物、摄像机失灵或电路中断等情况,它还得与海面联系。因此,该机器人在水下工作时,每隔10秒钟就会向工作船报告其行踪及工作状态。这些报告都显示在工作船的示波器上,工作船上的人员可随时了解机器人工作的深度、方向、水温及发动机工作状况。必要时,工作船还可发出控制指令,如发动机、摄像机和录音机的关闭、镇重块的释放等。

该机器人潜水达130多次,最深处到达海底5300米;曾在几百平方英里的太平洋洋底拍下全部海底地形图;曾探察过意大利海岸附近的海底火山概貌。

后来,日本出现了海洋气象观测机器人。海洋观测机器人系统由海上浮标气象观测站和地面无线电接收中心组成。它能在环境恶劣的大洋上全年实施无人化作业,并及时向地面通报观测和搜集到的气象数据资料。机器人的电源由空气湿电池和强碱蓄电池联合提供。

该机器人每3小时自动通报一次观测情况,主要观测风向、风速、气压、气温、日照量、水温(分水深3米、20米、50米)、含盐量、流向、流速和波浪等。它先将观测到的气象和海况资料转换成数字,之后通过无线电装置自动播发出去。机器人发出的电波由设在地面的无线电接收中心接收,然后再输入信息转换系统通报给有关部门。

海水淡化

海水中平均含有3.5%的盐分,无法使用。人喝了海水,会渴上加渴,导致机体脱水;用海水浇灌农作物,农作物会咸死;有些靠海的浅滩地常由于海水的浸渍而变为盐碱地,几乎寸草不生。由于海水含有大量的矿物盐类,不合纯度要求,如果用来烧锅炉,还会生成厚的锅垢,损坏锅炉。因此,使海水淡化,是解决一系列问题的方法。

蒸发法:蒸发法是海水淡化的最简单方法之一,就是将海水加热蒸发,再将水蒸气冷却,提取淡水。太阳能蒸馏淡化装置就是采用该方法进行的。

太阳能蒸馏淡化的装置如同一座座矮小的房子,屋顶用玻璃或透明塑料板组成,便于阳光透过照射在海水上。海水受热蒸发,水蒸气上升后,碰到玻璃会凝结成水滴,收集到两旁的淡水槽中。

闪急蒸发法:目前,世界上90%的海水淡化装置由多级闪急蒸发法生产。闪急蒸发法是给加热了的海水施加高压,然后突然降压,使水在瞬间蒸发的方法。多级,是把许多蒸馏器串联起来,让压力下降几次使水蒸发。

离子交换法:用离子交换树脂使海水淡化的方法叫离子交换法,该方法适应于海洋上的遇难人员应急之用。

电渗析法:电渗析法就是在海水淡化装置中插入两根电极,在两极之间放入一种特种的薄膜。这样就把海水淡化装置隔成三室,分别是阳极室、阴极室和中间室。当接通电源后,海水中的盐份会向两个电极“靠”去,使两个极室的海水越来越浓,而中间室的海水被逐渐淡化。

该方法适于中小型淡化厂,中国西沙永兴岛上的海水淡化站,是目前世界上最大的电渗析淡化装置,每天生产淡水20多吨。

反渗透法:自然界有一种膜,它只能透过水分子,不能透过其他物质,这种膜叫做半透膜。动植物的细胞膜都是半透膜,如干大豆放在水中浸泡后会膨胀,就是由于水通过细胞向干果内部渗透的结果。

利用半透膜可淡化海水,该方法称为反渗透法,用人造半透膜把水和海水分开。海水是盐水溶液,水分子会透过膜渗透到海水中,使海水稀释,并产生一种压力,称为渗透压。然后,向海水加一个压力,大于渗透压,这时,海水中的水分子就会被挤出海水,透过半透膜,到纯水这边来。反渗透法脱盐效率高。

海洋医库

中国有漫长的海岸线,沿海居民在长期与海洋打交道的过程中,积累了丰富的使用海洋药材的经验,他们用墨鱼止血、黄鱼胶治皮肤开裂、海星灰治胃痛、鲍鱼壳治高血压等。

在中国古典医药文献记载中,也有许多海洋药物,如海龙、海马滋补强身,海带治缺碘的大脖子病,等等。中国是世界上最早广泛应用海洋药物的国家,但由于科技不发达,仅停留在经验上。

随着科学技术的进步,尤其是海洋工程技术的发展,人类才真正、全面地重视了海洋药物。

顶头孢菌:1928年,英国医生、生理学家弗莱明发现盘尼西林,即青霉素。

青霉素是人类发现的第一种抗菌素,从1943年开始生产以来挽救了众多生命。现在,青霉素已被抗菌范围更广、杀菌力更强且没有抗药性的头孢霉素取代。头孢霉素也是科学家从近海污水中的一种微生物顶头孢菌中制取的。

医生在医疗中,常使用抗生素防治由微生物引起的疾病。科学家已从230种海藻中抽制了各种抗生素,药用广泛。

鲎:在海洋中有一种节肢动物:鲎。它在4亿年前就已出现,是和细菌最早共处、而未受细菌侵害的古老生物。显而易见,鲎具有极强的免疫能力。经研究发现,鲎浑身是药,肉能治痔疮、杀虫;用它的血液制成鲎试剂,在医学上用于临床快速诊断脑膜炎、肝硬化等疾病;鲎的血蛋白还可提取人血球凝集素,检测人体的免疫功能。

章鱼:海洋中有一种长着8条手臂、力大无比的动物--章鱼。它属于软体动物,那8条长长的手臂叫做腕足。腕足不是游泳器官,而是用于在海底爬行和攫取食物的。大型章鱼常会挥舞腕足与一些凶猛鱼类搏斗,且往往是胜利者。

章鱼在捕食贝类时,会吐出一种有毒的分泌液,使贝类先麻痹,然后将贝类消化掉。科学家就从章鱼体中提取出这种毒素,注射到脊椎动物的身体内,结果发现会引起动物明显的血管扩张和血压降低。

海蛇:人们历来认为最可怕的是鲨鱼,其实,眼镜蛇的后裔--海蛇才是最可怕的动物。

海蛇的毒性比眼镜蛇要强许多倍,因此,海蛇是非常珍贵的药材,有祛风止痛、活血通络的功效。在19世纪60年代后期,科学家将海蛇毒用于治疗缺血性脑血栓和心肌梗塞,疗效显著。

河豚:河豚鱼的肉味异常鲜美,但它的卵巢、血液和肝脏有剧毒。从河豚身上提取的河豚毒素在医学上是一种良好的局部麻醉剂,只需要极微小的一点即可见效,它的镇静作用是可卡因大的几千倍。

海葵:在浅海底岩石缝隙中,生活着海葵。海葵是人类做药的原料,用海葵制的药物可治疗寄生虫病害,另外它还能治疗皮癣;从某些海葵中能提取出抗凝血剂,有一些海葵的提取物可治白血病,海葵体内还有一种物质,提取出来,是理想的强心剂。

海水炼金

1919年,德国化学家哈柏认为,海里含有550万吨黄金,只要能提取其中的1/10,就有55万吨。因此他向德国政府提出建议,并制定了详细实验方案。德国政府同意了该计划,并派一艘“流星”号海洋调查船供他使用。哈柏把“流星”号改建成一艘用于海水提金的活动工厂。“流星”号在大西洋上,不断从海中提取出金属。

但由于海水中黄金的浓度太低,每吨海水含金量不超过0.000006克,尽管处理了一吨又一吨的海水,得到的黄金却少之又少。1928年,哈柏承认了自己的失败。

尽管哈柏的计划失败,但人们并未放弃从海水中提金的宏愿。美国科学家曾在卡罗来纳提溴工厂试验,用12吨海水提取出0.09毫克的黄金,价值0.0001美元。世界上现在已有50个以上的海水提金专利,但无一人购买任何一个专利。