科学汇 | 去过海底深渊的人比上太空的少,蛟龙号原副总设计师开讲深渊潜水器

新教育

钱江晚报·小时新闻 记者 郑琳  通讯员  宋婷婷  朱茜

最近,由中国科学院沈阳自动化研究所主持研制的“海斗一号”全海深自主遥控潜水器,在马里亚纳海沟成功完成了首次万米海试,最大下潜深度10907米,刷新我国万米作业型无人潜水器的纪录。

海斗一号

如何将潜水器甚至人类送入万米深海?深海世界里有些什么?

本期“科学汇”的嘉宾是西湖大学工学院讲席教授、原“蛟龙号”第一副总设计师崔维成。作为中国深海探索的代表人物之一,他曾亲自随蛟龙号下潜至7035米的深度。

崔维成.jpg

崔维成教授

海洋深渊区

比太空更神秘

2012年6月24日,通过央视转接,“蛟龙号”潜海员叶聪,在海面下7020米的深渊,打了个“超长途电话”。电话的那头,是“天宫一号”上的三名航天员:景海鹏、刘旺和刘洋。

这仅仅30多秒的 “海天对话”,让人感受到“我们的征途是星辰大海”的豪言。

海洋中深度大于6500米的区域,被称作“深渊区”(HADAL)。

让人惊讶的是,人类对深渊区的探索,竟然比探索太空更加稀有——至今已有560多位宇航员到达过外太空,然而打卡过深渊区的人类却屈指可数。

深渊大多藏在深深的“海沟”里。海沟像一个狭长的沟槽,两壁陡峭,是海底最深的地方。目前,已知最深的海沟是马里亚纳海沟,其最大水深可达到约11000米。

海沟是怎么形成的?

海沟的形成 图片来自《海豆大洋科考记》 作者:Rhine

科学家认为,地球的岩石圈不是一整块,而是由六个大板块拼成的。各个板块都在数十亿年的地球历史中不停移动着。虽然它们移动速度很缓慢,但是经过亿万年积累,地球的面貌就会发生巨大变化,仿佛“整容”一样。

当两个板块分离时,在分离的地方就会出现新的凹地或海洋;当板块互相靠拢并发生碰撞时,可能会挤压出高大的山脉。如果海洋板块和大陆板块相互碰撞,海洋板块就会俯冲入大陆板块,形成长长的“V”字型海沟。

在全球已知的39条海沟中,有30条海沟位于深渊区。 


 

蛟龙号

海底一万米的水压

如一辆坦克压在指甲盖

深海不仅寒冷黑暗,水压还特别大。在11000米海底的水压,相当于一辆坦克压在一个指甲盖上,或一座埃菲尔铁塔压在人的头顶。如果潜水器在这个深度破了一个小洞,喷射进来的海水时速将超过1000公里/小时,相当于手枪子弹的射速!

这样的水压,人类肉身自然无法承受。迄今为止,人类自由潜水的极限深度只有200米。别说是人,即便是鱼类,在8500米以下也几乎绝迹。

所以必须有潜水器的帮助,我们才能探索深渊区。

潜水器分为无人和载人的。“海斗一号”就是无人的自主遥控潜水器;而蛟龙号则是载人潜水器。相比无人潜水器,载人潜水器的制造成本更加高昂,因为要额外设计载人舱,保证潜海员的生命安全。

蛟龙号结构图 图片来自《海豆大洋科考记》 作者:Rhine

潜水器的设备都经过高压测试,用特殊材料打造。拿蛟龙号来说,它有着70多毫米厚的钛合金壁,能抗超高压。

此外,潜水器还设有多普勒测速仪、机械臂、采集篮、成像声呐、照明设备等装置。

蛟龙号最大下潜深度达到7000米级,是目前世界上同类潜水器之最,它可以在占世界海洋面积99.8%的广阔海域使用。在蛟龙号之前,只有美国、日本、法国、俄罗斯四个国家拥有载人深潜器。

蛟龙号能以每分钟37米的速度下潜,潜到7000米大约需要3小时。它在水下工作通常可持续12小时,应急状态下可达到3天半。

深海到底长什么样

并非深蓝、绚丽

深海到底长什么样呢?

并不像人们想象的那样深蓝、绚丽。在完全没有阳光的深渊区,到处是漆黑一片。在下潜的漫长的几个小时里,即便是贴着潜水器的观察窗,也什么都看不见。

当潜水器触底,打开照明设备,终于能一睹海底世界真容。眼前有大量东倒西歪的巨石,宛如一座废墟。航行不久,景色就发生巨大的变化。有的地方裂开几道大缝,仿佛地震过后留下的伤疤。

在深渊区,依然可以看到生命的踪迹。最常见的动物是钩虾。

钩虾

它们头小身子胖,有很多脚。虽然看着像虾,其实并不是虾,就像鲸鱼不是鱼一样。

潜水器潜入深渊后,可以用机械臂抓取这些小生命。但对于钩虾来说,机械臂显得有点“笨”。

还有更高效的设备——“着陆器”。它们长得就像橘红色的酒坛子,潜到海底可以采集生物、海水、海底泥巴等样品,用处非常大,出海科考必备!

微信图片_20200619195716.jpg

着陆器模型

只需几个小时,着陆器就能满载而归,回到海面上。接下来就要把采集来的“宝贝”安置在科考船上进行研究。


从深海里捕来的钩虾,每一只都要记录下它们的长度、 重量、性别、采集方式、时间、海域、深度等,甚至连用了什么诱饵都要记录下来。填好信息卡后,每只虾都会被安排到一个专属的瓶子里,被编上号冷冻起来。


解剖的时候会发现,钩虾的外壳下面全是脂肪,因为深海食物匮乏,钩虾把能吃到的食物全都转化为脂肪存储起来,只有在足上才有一点点肌肉。提取一些脂肪和肌肉,通过分析这些组织的成分,就可以了解钩虾的食性和生存的生态环境。

蛟龙号上拍摄的7000米海底画面

  


兴趣小组 

海洋覆盖了地球表面的71%,它是云雨的故乡、生命的摇篮、资源的宝库、人类生存与发展的“第二空间”。


我国拥有约 300万平方公里的管辖海域,1.8 万公里的陆地海岸线,1.1 万余个岛屿 ,是不折不扣的海洋大国 。从古代开始,我们就有“舟楫为舆马,巨海化夷庚”的海洋战略和“观于海者难为水,游于圣人之门者难为言”的海洋意识。现 在,海洋仍然是我们赖以生存的“第二疆土”和“蓝色粮仓”。


深渊生物、深渊生态和深渊地质对海洋科学甚至地球科学的完整理解都十分重要。研究深渊,对地球生态、全球气候、海洋环境保护、地球生命 起源研究、地震预报等领域均有十分重要的作用。


潜水器在进行深海探索的时候,并不会一帆风顺。即便实验室里测试了千百次,真正面对危机四伏的海洋时,也会有各种突发状况。


对无人潜水器来说,最常见的意外就是和母船失联,然后它们就成了断线的风筝,从此迷失在大海里。


而载人潜水器,因为里面有人类科学家,可以随机应变,和海洋斗智斗勇。


他们有许多应急措施。例如,所有突出的设备,像机械手,甚至蓄电池之类,都是可以抛弃的。就像壁虎断尾求生一样,在抛掉它们之后,潜水器就可以浮上海面,然后等待母船找到它进行维修。


考考你

出题老师:浙大附中物理教研组长、物理高级教师 屠旭滨——

潜水器物理题.jpg


参考答案

潜水器物理题答案.jpg


本文为钱江晚报新闻资讯客户端“小时新闻”原创作品,未经许可,禁止转载、复制、摘编、改写及进行网络传播等一切作品版权使用行为,否则本客户端将循司法途径追究侵权人的法律责任,包括但不限于要求删除稿件、赔礼道歉、赔偿本文采编成本及维权支出等。侵权举报、版权合作请联系:qbwl@8531.cn

作者 Author

评论区 Comment

最新评论
吴香兰
吴香兰

科技的力量

查看更多精彩评论,打开小时新闻APP

打开微信扫一扫
即刻分享至微信好友

打开微信扫一扫
即刻分享至微信朋友圈