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一、引言 我国发展海洋事业的一大障碍，在于科学和技术的相互分割。研究科学的追随国外的命题，用国外买来的仪器获取数据写成论文，希望能够在国外刊物上发表；研究技术的模仿国外的产品，采用国内材料加上国外部件，目标是能够通过验收。这种无休止、无终点的“追赶”，并没有带给我们所盼望的“创新”成果。海洋科技发展的历程告诉我们：科学和技术需要结合起来发展。 成功的技术创新，背后都有科学家的思想；成功的科学创新，也往往有新技术的支撑。技术上哪怕小小的设备改装，有时就能够开创科学研究的新方向；而科学上哪怕虚拟的幻想，有时也可能激起技术突破的新潮。对于全部依靠高技术的深海研究来说，这番道理显得格外贴切。 为了说明上述意见，本文以深海研究为重点，对海洋科学技术发展的过程略加整理，提供一份简单的历史回顾供同行参阅。 “他山之石，可以攻玉”，但愿海洋界同仁能够从中悟出科学和技术相互促进、协同发展的真谛；同时也以“野人献曝”的精神呈献给决策层，希望也能拨冗过目、用作参考。 二、从19世纪的“挑战者号”到20世纪的“挑战者号” 人类关于海洋的知识，绝大部分来自最近的百余年。19世纪中叶蒸汽机推进器的出现，使得远洋的深水探测成为可能。1872～1876年，英国皇家军舰“挑战者号”（H．M．S．Challenger）的环球航行，标志着深海研究的起步。这艘三桅蒸汽动力帆船经过一番改造，3年半环球航行20多万里，航次后23年里出版的50册巨著，汇总人类首次从深海取得的知识，包括系统采集的生物标本与沉积样品。此后的技术进步，导致了深海科学的建立。如德国“流星号”1925～1927年的航次里，第一次应用回声声呐测量海水深度，开创了20世纪40年代海底地形系统制图的新阶段，从而发现世界大洋的中脊系统，结果产生了海底扩张学说。  海底扩张学说 然而“海底扩张”的证实和“板块学说”的确立，却要求从深海海底取得大洋地壳的岩芯，这就要有深海海底钻井的新技术。石油工业在20世纪50年代末建成了第一艘深海钻井船，1961年试用于“莫霍钻（Mohole）计划”，企图打穿地壳，当然不能成功。随后美国科学家们调整了深海钻探的科学目标，放弃了到今天也还未能完成的钻穿地壳的任务，改为重点钻探深海的沉积层。1968年美国120m长的“格罗马·挑战者号（Glomar Challenger）”深海钻探船首航墨西哥湾，开始了15年的“深海钻探（DS-DP）”，用洋底深处地壳年龄的系统变化证实了“板块学说”，创立了“古海洋学”新学科，扭转了整个地球科学发展的轨迹。板块学说的流行使得“深海钻探”和“格罗玛·挑战者号”名扬全球，不过这艘船与19世纪的“挑战者号”军舰并无关系，只是为了纪念深海探索的先驱而沿用其名。船名中“格罗玛”一词是“Global Marine”公司的缩写。这是世界最大的海上钻探公司之一，建于1973年，到90年代改名为“Trans Ocean”公司，擅长深海钻探，“格罗马·挑战者号”就是由这家上市公司设计、建造和运作的，连今天“综合大洋钻探（IODP）”的美国“Joides决心号”，也是Trans Ocean公司的船只。  格罗玛·挑战者号 2艘“挑战者号”标志着2个世纪深海探索的两大突破：远洋考察船的新技术带来了深海大洋海底以上的认识，深水钻探船的新技术带来了深海大洋海底以下的认识。后面还会看到：深海科学的建立，又会提出新的技术要求。 三、20世纪中晚期的遥感技术与海洋连续观测 19世纪中期“挑战者号”的环球航行，被誉为现代海洋科学确立的标志。紧接而来的是对海洋探测的兴趣大增，但是探测的手段仍然落后，因此海洋科学的第一个100年，被称为是“采样不足的世纪”。 最简单的例子是温度：从船上测量表层海水的温度，只能测完一点再航行到下一个测点，因此永远不能画出一张同时间的海水温度图。科学技术在20世纪中期的飞跃，使人类终于摆脱地心引力、飞入太空，可以从地球外面观测地球。空间技术引出的遥测遥感，改变了许多学科原有性质，也开辟了海洋科学发展的新时期。将观测海洋的平台从海面提升到空间，其结果是极大地拓展了观测的视域、加大了测点的密度。 20世纪60年代可以看作海洋科学的一个分界：此前的海洋调查单靠一些船只在海上跑，如此采到的不同数据，无从判断究竟是空间里的差别还是时间里的变化。根据当时的理解，海洋在时间里是稳定的，而在空间里却是无比复杂的。因此海洋调查的第一要义，就是决不要浪费船时去同一个站位做2次测量；如果2次测到的数据不同，就归罪于仪器不准。等到60年代发现了100天和100km尺度的中尺度“海洋天气”，这种概念发生了根本变化：原来中尺度流占据了海水运动95％的动能，海水在时间里充满着变化。 回过头来看原来的海洋观测，真是连“走马观花”都谈不上，简直是“竹篮打水”，把海水运动的基本特点都给看漏了。从前以为海面是由稳定而缓慢的海流所控制，现在发现到处分布着中尺度涡流；从前以为海水在时间里相对稳定，现在发现海水运动在时间里的变化远远超过空间里的差异。因此，我们脑子里对海流流速的概念，也从（10±1）cm/s变为（1±10）cm/s。就像大气科学不能只研究“气候”、还必须研究“天气”一样，海洋科学也不能只看大尺度现象，也必须研究中尺度的“天气”变化。 回顾历史，遥感技术进入海洋科学也并非一帆风顺，并不是一开始都认识其重要性。1978年美国发射第一颗海洋卫星SEASAT，开始提供海面动力高的数据，但当时一位知名的海洋学家就对遥感资料不感兴趣，表示这种数据“你给了我也没法用”。恰好当时设立了一种“海洋科学最大错误奖”，据说当年就授予了这位知名学者。  卫星测高技术 遥感技术扩大了海洋观测的空间视域，同时也激发了海洋科学对时间变化的注意，迫切需要提高海洋观测在时间域里的采样率。随着“全球变化”科学命题的出现，又提出了追溯海洋碳循环的新要求，这就更加突出了测量海洋过程时间序列的紧迫性，使得采用锚碇系列进行连续观测的技术迅速发展。80年代，美国等在太平洋赤道两侧投放了近70个锚系，对水文、风速、风向等连续观测十几年，终于揭出厄尔尼诺的成因，提供了预报的依据；也是在80年代，出现了“沉积捕获器”的新技术，可以对水层中的沉积物进行长期的原位测量。 特别值得提出的是深海大洋的长期观测。深海的定点锚系从20世纪80～90年代开始，迄今已有20多年历史，主要有4处站点：夏威夷的HOT站，百慕大的BATS站，加利福尼亚岸外的M站和爱尔兰西南的PAP站。 在4000～5000m的深水里设立深海锚系，开创深海长期观测之先河，为海洋科学建立了历史性功勋。其中百慕大的BATS站，建立在世界最早的深海水文站“S”站基础之上，水深4500m，1988年启用以来有多项重大发现，比如发现溶解有机碳数量变化超过颗粒有机碳，从而首次揭示它在大洋碳循环中的重要作用。再如东北太平洋水深4100m的M站，1989年开始运行后重点观测深海海底生物群，发现深海底栖生物能够响应海面过程，同样也有强烈的季节和年际变化。可见在海洋科学发展的长河里，紧接着遥感技术发展之后，又涌现出在海洋内部进行长期观测的新潮。 四、新世纪的智能水下活动平台ALPS 从海洋表面或外面的短暂考察，发展到进入海洋内部进行原位的连续观测，代表着海洋科学在21世纪里的重大转变。1999年和2009年，先后举行了2次“海洋观测国际大会”（Ocean obs'99和Ocean obs’09）交流海洋观测的科学和技术。 第一次会议在法国的St．Raphael召开，30个国家的350位专家参加，会后发表了“大洋观测新时期”的报告；第二次2009年在意大利威尼斯举行，36个国家的600多位专家参加，出版了会议文集和会议总结“大洋信息为社会服务：使利益持久，让潜力兑现”。 2次会议检阅了海洋观测科技的进展，展望了发展的前景与方向。海水运动的观测平台分为2类：欧拉型（Eulerian）或者叫固定型观测平台在固定位置上测量，包括沿岸近海、开放大洋和海底与海底下的3类，适用于长期稳定的观测；拉格朗日型或者叫活动型观测平台在运动中测量，从Argo、水下滑翔机到动物戴载传感器的观测都属此类，是当前十分活跃的观测手段。 欧拉型观测平台的主干是锚系，最有名的是赤道太平洋两侧的锚系列阵，从当年揭示ENSO的秘密，到今天检测热带海气交换，是海洋观测的经典式设施。1999年开始全球性国际合作，2001年设立“全球欧拉观测系统与研究计划”（GEO PP），后来GEO改称为“OceanSITE”，办公室设在美国的WoodsHole海洋所，将全球近90个锚系和观测站连接起来，实行数据共享。 当前最活跃的全球观测系统属于拉格朗日型，这就是Argo系统。但Argo还只是活动平台中的一种，把水下滑翔机等都包括在内的新概念叫做ALPS，不过介绍ALPS还要从20多年前讲起。1989年，H．Stommel（1920—1992）写过一篇科学幻想小说“斯洛克姆使命”，发表在1989年的《海洋学》（Oceanography）”学报上。在这篇以2020年口气写的“小说”里，他把自己比喻为博士后，于1996年参加了为期30年的“世界大洋观测系统（WOOS，1995—2025）”计划，用成千台叫做“Slocum”的小型浮标，依靠海水温差和浮力获得推进力穿越水层，每天冒出海面6次，将采集的数据通过卫星发给岛上的控制中心，从而将海水剖面测量的效率提高数百倍，这就是“斯洛克姆使命”。 这项20年前的“幻想”今天已经成为现实：“Slocum”就是水下滑翔机的设想，而“斯洛克姆使命”就是今天Argo计划的先声！科学家提出的思想，通过新技术的发展形成新计划，从而将科学推上新阶段，这就是科学和技术的协同发展。 浮标为什么叫Slocum？Joshua Slocum是一位北美船长，他是驾驶小船单身环球航行的第一人。Stommel幻想中的“Slocum”，就是小到用手臂能够抱起、能量消耗极低，又能长时间穿越海水、采集数据，并且定时升上海面传输数据的浮标（float），希望它和当年的Slocum船长一样能够独立航行。Argo和水下滑翔机，都是这种原理，都是拉格朗日型也就是活动型平台，其中Argo已经形成国际大计划，不过只能随海水漂行、不能指定路程；而水下滑翔机有着远大莫测的前景，虽然目前还处在发展阶段，也已经能续航超过5000km。 重提这段往事，是为了引出近来流行的一个新概念：“智能拉格朗日型平台与传感器（ALPS）”。指的就是这种小型移动式装置，不用缆线连接，采用无线信号传输，而且通常成群大量使用。ALPS包括4类：海面漂流浮标、中性浮标、水下滑翔机和自治水下机器人。2003年春美国在Scripps所举行ALPS讨论会，决定成立科学与技术结合的小组推进此项新技术；并于2008年发表ALPS专辑，全面介绍ALPS的发展和应用。 ALPS可以简单地说成是智能水下活动平台。为什么会出现ALPS热？原因很简单：太粗的网抓不到鱼，原有的观测网也不能具体了解海水的流动。过去以为海水只有空间里的差别、时间里基本稳定，所以相信依靠船只调查就可以了解海洋；过去以为海流会像河流那样顺着河床运动，因此也可以指望在固定的站位加以观测。而一旦明白我们面对的是充满湍流的大洋时，固定的稀疏网点就不足以观测海水的运动，需要用成群的“Slocum”在不断游弋中去观测海洋。已经成功的是Argo计划，到2007年11月就有3000个中性浮标在各大洋穿梭，每个月可以提供9000个温盐剖面，2004～2008年，总共测得了436000个温盐剖面，如此数量的观测剖面，依靠以往的手段是不可思议的。  自动剖面浮标分布 然而真正符合Stommel幻想中“Slocum”的还不是Argo，而是水下滑翔机和自治水下机器人AUV，它们与Argo的不同在于运行路线和时间可以遥控。2003年就出现了“Slocum电力滑翔机”，随着技术的改进，2007年罗格斯大学的“Slocum温差滑翔机”横跨大西洋，完成了从美国东岸纽泽西到欧洲西班牙海岸的航行。不久前华盛顿大学的“Seglider144”水下滑翔机打破纪录，于2009年6月4日到2010年1月，历经292天航行5528km，对水深1000m以内的北太平洋海水测量温度、盐度、密度、含氧量、叶绿素和浊度，展示出ALPS的光辉前景。不久前华盛顿大学C．C．Eriksen教授在AGU大会的Sverdrop讲座中，进一步指出了“深海滑翔机”的方向，目标是在6000m水深连续运行18个月，在10000km航程内，以1～10m的精度测温、盐和含氧量，他把ALPS在当今海洋科学中的应用比喻为一场革命：一场“智能（自治）观测革命”。 五、深潜技术与深海科学 海洋科学在20世纪晚期的突破性进展在于深海海底。随着60年代板块学说的确立，对于深海海沟板块俯冲带和大洋中脊板块新生带的认识突飞猛进。从海沟的发震带到洋中脊的热液系统，加上深海油气和“可燃冰”的广泛发现，第一次使深海海底成为科学、企业和社会的共同目标，从而极大地促进了深潜技术和深海科学的发展。 人类最早以潜入海底为业的，可能是古代的采珠女；不过屏住一口气的潜水，还不能算作科学技术。现代科学意义上的潜水技术，应当从17世纪末期哈雷设计的潜水钟算起。1943年法国发明了水下呼吸器SCUBA之后，单人可以在水下活动，但是没有封闭的压力控制系统做保护，人类只能下潜到30m水深。首先出现的深潜器，是1930年美国的潜水球，在百慕大潜入水下183m；到1934年潜入923m，1949年下潜到1372m，接连打破深潜记录。 接下来的是深海潜艇（Bathy scaphe），1960年瑞士工程师J．Piccard和美国海军军官D．Walsh，乘“Trieste”号深海潜艇，潜入马里亚纳海沟10916m海底，在海底停留了20分钟，永久地打破了地球上深潜的最高纪录。 当代的深潜器，有载人与不载人2种，不载人的又分为有缆与无缆2种。以美国WoodsHole海洋所的“国家深潜装备（NDSF）”为例，现有的载人深潜器（HOV）有“Alvin号”，不载人而有缆的是水下机器人（ROV）“Jason号”，无缆的是自治水下机器人（AUV）“Sentry号”。“Alvin号”的贡献最大，从1964年以来的46年中总共下潜4638次，曾在东太平洋首次发现深海热液，在大西洋勘察深海沉船“泰坦尼克号”，2012年将由新一代的“Alvin号”深潜器接替，预期在几年后下潜深度可达6500m，比原来加深近2000m。“Jason号”ROV靠遥控操作，用10km的光电缆与母船连接，装有声呐、采水、摄像等各种设备，有机器手采样，可以下潜6500m，最长下潜时间可达100h，从深海热液到沉船考古，“Jason号”出色完成了各种任务。“Sentry号”AUV是接替2010年夏丢失在海里的“ABE号”，下潜深度6500m，装有各种探头，尤其适于用其多波束声纳进行高分辨率海底制图和磁异常测量。  “蛟龙号”深潜器 除此之外，还可以有其他种类的深潜器，比如说有多功能的“杂交（hybrid）”深潜器，包括ROV与AUV两用的深潜器。最近WoodsHole增添的“Nereus号”，就是这种有缆、无缆两用的水下机器人，在2009年5月31日曾下潜到马里亚纳海沟10902m的最深海底。深潜器的发展，是深海科学的必要条件，从深海热液到冷泉溢口，从“黑暗生物群”到深海成矿，都不可能在没有深潜技术的条件下发现和观测。目前我国已经初步具有基本自制的深潜设备，尤其是2010年夏“蛟龙号”在南海深潜3759m成功，吹响了我国向深海进军的号角，也展现了我国深海科学与技术协同发展、相互促进的前景。 六、第三个地球观测平台———海底观测网 几千年来人类向来是在海洋之外，从船上或者岸上观测海洋；20世纪60年代出现的遥感技术，所观测到的也还是海洋的表面。然而近几十年来发现，有许多海洋过程来自深部，无法从表面观测。赤道太平洋近70个锚系的多年连续观测，发现厄尔尼诺现象的根源在于东西太平洋次表层水的反差；北大西洋“高能底部边界层”的7年观测，发现了深海底层流有每秒数十公分的“深海风暴”。因此海洋科学要求监测深海海底的过程，开展从海底往上、而不只是从海面往下的观测。 上面说过，从短暂“考察”到连续“观测”，是海洋科学发展的必由之路。但是这里还有个观测平台的问题。如果把船上和陆上当作观测地球的第一个台，遥感技术从空间观测是第二个观测平台，那么海底观测就是第三个平台。 遥感技术有极大的优势，但是缺乏深入穿透的能力，隔了平均3800m厚的水层，难以达到大洋海底。正在兴起的智能水下活动平台ALPS热，就是进入海洋内部进行观测的一种途径，但对象还是上层海水、不到海底。近来正在推广建设的“海底观测网”属于另一种类型，它用光电缆传送能量和信息，连接各种传感器和分析设备，在海底为海洋观测建造“气象站”和“实验室”，这就是地球系统的第三个观测平台。 “海底观测网”之所以成为可能，依靠的是新技术的集成，不但使多年连续自动化观测成为可能，而且能随时提供实时观测信息；另一方面的优点在于摆脱了电池寿命、船时与舱位、天气和数据迟到等种种局限性，科学家可以从陆上通过网络实时监测自己的深海实验，命令自己的实验设备冒着风险去监测风暴、藻类勃发、地震、海底喷发、滑坡等各种突发事件。最早的用缆线连接的海底观测网，是20世纪90年代中期美国的2个站：一个是罗格斯大学的LEO 15近岸站，虽然水深不过15m、缆线只有15km长，却开创了海洋生态学长期实时观测之先河；另一个是夏威夷大学的HUGO站，虽然建立5年后就因缆线短路被毁，却是原位实时观测海底火山的创举。 现在，海底观测网建设方兴未艾。美国的OOI计划经过十几年的设计、筹备，终于在2009年正式启动，由区域网、近岸网和全球网3部分组成，将成为世界最大规模的海底观测系统。日本针对太平洋板块俯冲的发震带，正结合IODP大洋钻探深井，建立DONET海底观测网。2009年底，“加拿大海王星”计划完成，用800km长的光电缆连接六大节点，对水深2000m以内的海域进行多学科观测，是世界上第一个建成的区域深海海底观测网。对此本期还有另文专门介绍，此处不再赘述。可喜的是我国海底观测网的建设，也已经在积极筹备、进入起步阶段。  总之，当代的海洋观测正在向两头发展：一边用数以千计的小型浮标穿梭海水，建立活动的观测“网”；一边用几百公里光电缆连接起来的传感器，构筑固定的观测网。两者各不相同，但又可以结合使用，美国OOI计划里就有AUV等活动平台在固定站位之间穿梭。海洋新型观测系统的出现，预兆着海洋科学新时期的来临。从本文简短的历史回顾里，处处可以看到科学和技术之间的互动：“打穿地壳”的科学命题，促进了深海钻探；虽然地壳还没能打穿，深海钻探的新技术却改变了地球科学的进程。 “全球变化”碳循环的科学命题，促进了海水的长期观测；锚碇观测的新技术，又发现了海水高密度的时空变化。这种互动正在将海洋科技推向前进：中尺度涡的发现使得科学家产生了“Slocum”的想像，促进了ALPS智能水下活动平台的发展；深潜技术的发展，发现了深海海底向上的能量流和物质流。 一旦科学与技术的这种互动能够在中国发生，我们盼望的创新型时代就会降临。当然，我们的任务不是伸长脖子去等候创新型时代的降临，而是在实践中促进科学和技术的结合。比如说，我们需要建设海洋科学和技术能够在同一个单位发展的研究基地，或者两者结合的联合体；海洋科学和海洋技术的发展计划应该相互结合起来共同制定、共同执行，而不是各行其道；海洋科学和海洋技术的人才培养，也需要有所结合，而不是像现在这样截然划分。今天，中国的海洋事业正在经历着前所未有的黄金时期，但是投入的加强并不等于成效的保证，其中一个重要环节就是本文的主题：海洋科学和技术的协同发展。  1 END 1 【作者简介】汪品先，男，江苏苏州人，1936年11月14日生于上海，海洋地质学家，中国科学院院士，第三世界科学院院士，同济大学海洋与地球科学学院教授、博士生导师、海洋地质教育部重点实验室主任。1982年9月起，先后任同济大学副教授、教授、副系主任、系主任、实验室主任；1991年，当选为中国科学院地学部院士；2002年，先当选为第三世界科学院院士；2011年起，任国家“南海深部计划”指导专家组的组长。文章来自《地球科学进展》（2011年第6期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，文中图片系我平台加载，部分取自厦门南方海洋研究中心相关文章，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑与整理。    |
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