“科学”号海洋科学综合考察船

文/《走进科学》栏目

 

“上九天揽月,下五洋捉鳖”,很久以来,中国人就有着探寻深海奥秘的梦想。然而变化莫测的海洋气候,漆黑、压力巨大的海底,阻碍了人们探索的脚步。如今,由中国科学院海洋研究所牵头、国内自主设计建造的具有全球深海科考能力的船舶——“科学”号海洋科学综合考察船(以下简称“科学”号),为我们揭示大洋深处的秘密提供了更多的可能。
  
扬帆南海
2015年5月6日,“科学”号从青岛国际帆船中心码头出发,船上的乘客是来自国内多个科研单位的技术骨干,他们组成了一只实力雄厚的专业科考队伍,任务是对南海冷泉的生态系统进行研究。
随着一声汽笛鸣响,“科学”号像螃蟹一样,缓慢驶离码头,不像其他船只还需要引导船拖曳,“科学”号自己“横向”就可以移出岸边。
“科学”号隋以勇船长介绍说,“科学”号前进的动力是吊舱式电力推进系统,该系统将船舶上所有设备需要的能源都用电来控制,形成统一的用电系统。同时,该用电系统还与船舶的发电机进行了全智能化联结,极大地减少了柴油的消耗,又降低了船舶的噪声和振动。
在“科学”号360度环视的驾驶室,并没有印象中那种笨重的舵轮,面对一排整齐划一的电子仪器表盘,船长和船员们利用一个小手柄,就能轻松地驾驶这个庞然大物。
能够让这质量近5000吨的“钢铁巨人”依靠自身能力轻盈地原地旋转,或横向移出码头的秘密,除了电动机可以360度旋转外,还在于船尾两个巨大的推进器。“科学”号打破了以往船舶舵是舵、桨是桨的常规设计,开创性地将两者相结合,形成舵桨合一的强大推进器,360度自由旋转的桨与前方两个艏侧推合力,可以使“科学”号不受船头方向的限制,进退自如地向任何方向推进,操纵起来如同玩“碰碰船”一样的轻便。

水下机器人
工欲善其事,必先利其器。为了满足海上综合科考的需求,“科学”号在设计建造时就为不同领域学科提供了必要装备。总面积达670平方米的实验室,为科学家们提供地质、化学、生物等样品的现场处理场所及设备。在科考船船底安装有可置放探测仪器的升降鳍板,以及准确测量海底地形地貌的多波束深海探测系统;船左侧搭载可深入4500米深的水下机器人;船右侧可吊潜水样采集器,船尾可以布放各种海底探测设备,它们之间互不干扰,可以同时操作,可谓十八般兵器样样俱全。
其中水下机器人是“科学”号最重要的“武器”装备之一,也是此次寻找冷泉最得力的助手。它是专为科考船量身定制的无人缆控机器人,被命名为“发现”号。所谓缆控就是母船“科学”号用一根类似脐带的电缆,将水下机器人安全护送到海底4500米以内的任何地方。通过水下机器人身上装载的6台高清摄像机,就可以从不同角度近距离观察海底的情况;利用水下机器人灵活的机械臂,可以采集各种深海样品。
科考队的队长栾振东介绍说,生活在黑暗大洋深处的动物都有着与生俱来的能力,来搜寻猎物和防范攻击。例如海豚可以发出低频的咔哒声和高频的啸鸣声,其声音范围远超人类,因此可以透过10厘米的沙子察觉到海底隐藏的小鱼。为了降低寻找冷泉的难度,科考队利用最先进的手段,专门为水下机器人搭载了利用仿生学研制的近海底地球物理观测系统,该系统具有高精度测深测扫等功能,将帮助科考队完成此次海上科考任务。

寻找南海冷泉
200米以下的海底缺乏光照和氧气,一直被认为是深海环境的生命禁区,然而事实并非如此。20世纪80年代,科学家在海底发现了一种特殊的生物群落,它们以地底大量溢出的甲烷气体为生,这种滋养了特殊深海生物的泉眼被科学家称为冷泉。有人认为冷泉环境可能是地球生命起源地之一,而且,其中还蕴藏着大量可替代石油的清洁能源——可燃冰。
在深海海底,由于低温和高压的双重作用,从海底不断冒出的天然气与水混合时产生一种笼型结构晶体,这种晶体被称为天然气水合物。天然气水合物因其外观极像冰雪,点火即可燃烧,所以又被形象地称为可燃冰。可燃冰所产生的能量比煤、石油、天然气要多出数十倍,而且燃烧后不产生任何残渣,避免了最让人们头疼的污染问题。因此有多个国家和地区已经在进行可燃冰的研究与调查勘探。
目前,在全球海底已找到了上千个活动的冷泉区,我国的冷泉区集中分布在南海北部。科考队的首席科学家张鑫曾经在美国做研究,到过很多冷泉区,早在之前对水下机器人进行海试时,就曾用它在南海找到了一个冷泉区。然而,茫茫大海中,寻找冷泉区犹如大海捞针,需要借助能深入上千米海底的“千里眼”来发现它。
“科学”号到达南海作业区后,很快就将水下机器人放入大海。南海冷泉区大概在海底1150米左右,在水下机器人下潜过程中,“科学”号作为母船要时刻注意水下机器人下潜的姿态,为它保驾护航。依靠GPS定位和电力推进的动力系统,在最高已经达到9~10级风这样极端的海况下,“科学”号始终将船位控制在0.5米的范围内,让水下机器人不会受恶劣气候的影响而照常工作。
漫长的50分钟后,水下机器人终于下潜到海底,顺利地找到了南海冷泉区。黝黯的海底,密密麻麻聚集着不计其数的生物。最为活跃的一群雪白色生物是铠甲虾,那些紧贴海床底部、看起来像海虹一样的贻贝学名为偏顶蛤,它们是这一区域数量最多的居民。在众多生物的间隙中,游弋着身体通透、体型最小的阿尔文虾。
这次科考行动中,水下机器人共下潜了6次。借助它身上搭载的多种取样装置和探测传感器,科研人员获得了关于冷泉区的海水温度、盐度、深度以及甲烷、二氧化碳等可靠信息。更为重要的是,他们还首次获得了南海冷泉区亚米级的高精度地形地貌图,为研究冷泉极端生态环境成因收集了不少确切的数据。
在最后一次下潜时,水下机器人发现了一个令科考队满意的泉眼,其中源源不断涌出的就是天然气水合物——可燃冰。张鑫将一部分可燃冰样本带回陆地实验室,将另外两管样本留在海底静置一年的时间,以备来年做持续性的观察分析。
“科学”号超前的设计理念、卓越的船舶性能以及高素质的技术队伍,为海洋科技工作者提供了大展拳脚的舞台。大国重器劈波斩浪,“科学”号在真正意义上实现了我国从浅海走向深海、从近海走向大洋的强国梦想,不愧“海上移动实验室”的称号。
“科学”号探秘
“科学”号是“十一五”期间的国家重大科技基础设施建设项目,于2010年开工建设,核定总吨位4711吨,总长99.80米,型宽17.80米,型深8.90米。续航力15000海里,自持力60天,最大航速15节,载员80人。
“科学”号是我国目前最先进的海洋科学综合考察船,也是世界上最先进的海洋科学考察船之一。“科学”号采用国际先进的吊舱式电力推进装置,配备360度环视驾驶台、无人机舱和综合导航定位系统等。
“科学”号安装了我国自主设计、制造的首套伸缩式升降鳍板系统,并率先在国内采用优化设计的球鼻艏船型方案。“科学”号具有宽敞的甲板作业空间,包括438平方米的前作业甲板、488 平方米的后作业甲板和138 平方米的遮蔽作业甲板。
“科学”号配备了7大船载科学探测与实验系统,包括水体探测系统、大气探测系统、海底探测系统、深海极端环境探测系统、遥感信息现场印证系统、船载实验系统、船载网络系统。“科学”号船载实验系统按照国际标准设计,分为通用实验室和专业实验室,内部配置有营养盐自动分析仪、倒置相差生物显微镜和高速冷冻离心机等分析设备,并可接驳7个集装箱实验室,具备同步进行现场取样和实验分析的能力,是名副其实的“海上移动实验室”。

(本文由中央电视台《走近科学》栏目供稿)

转载请注明 文章来源:《科学画报》

〖 欲看更精彩文章、图片,请购买科学画报。每月月初出版发行,铜板纸彩色印刷,每本仅售8.00元 〗 

《科学画报》2017© 版权所有 沪ICP备05024827号