“探索一號”科考船首航取得重大突破性成果，中科院專家詳解科考背后的奧秘
近日，由位于三亞的中國科學院深海科學與工程研究所負責實施的“探索一號”科考船首航太平洋馬里亞納海溝科考成果公布。這次科考，我國自主研制的無人潛水器、深淵著陸器、深淵升降器等成功突破萬米深度，獲取了大批珍貴樣品和數據，取得了系列國內和國際突破性成果，標志著我國深?？瓶歼M入萬米時代。
這是一次突破之旅，也是一次探索之旅。萬米深淵，如何進去？科學家們從那里收獲了什么？海底是什么樣子？那里還有魚生存嗎？深?？瓶紝Ｄ虾Ｑ笱芯坑泻我饬x？
帶著一系列的疑問，記者采訪了參與本次“探索一號”科考的一批科學家及工程師等，揭開本次科考的更多“秘密”。
入深海比上天更難
深海，是不是指海底，或是海里比較深的部分？
這是通常人的理解，但在深海科學研究上并不確切。中科院深海所研究的深海，指的是海里深度超過6000米的地方。這是什么概念？“整個南海，都達不到這樣的深度。”中科院深海所首席科學家彭曉彤說，這樣的地方通常是板塊俯沖形成的海溝區域，其最深處形似漏斗，國際上叫Hadal Trench，國內將其形象地譯為“海斗深淵”。
海南出發征服地球最深處
盡管科學研究不斷進步，但海斗深淵對人類而言，還堪稱認識的禁區。研究進展緩慢，主要在于技術瓶頸?？茖W家介紹，海里每深10米，物體承受的壓強就增加一個以上標準大氣壓，如是1萬米深度，就是1000個以上大氣壓，相當于一個手指甲蓋大小的面積上就得承受約1噸的重量，這足以摧毀大部分的科考設備。深海所首席顧問、本航次領隊劉心成說，世界載人航天和載人深潛技術都于上世紀50年代起步，但前者的發展遠遠快于后者，因此人類對太空的認識遠遠超過對深海的認識。“可以說，與上天相比，下海更難。”
直到2012年蛟龍號潛水器突破7000米深度，我國才真正開始具備進入深海和初步具備海斗深淵探測能力。但即便如此，與國際先進水平相比，整體上我國深海技術還處于跟蹤研發階段。
2016年6月22日，“探索一號”從深海所所在地三亞出發，執行中科院“海斗深淵”先導專項科研任務，直接把目標指向3600多公里外的馬里亞納海溝——地球上最深的地方，目的就是爭取突破更深的禁區。
“我們就是要試，看看研發出來的設備能不能真下得去。”劉心成說。
為南海研究提供技術支撐
盡管深海所設在海南，但海南周邊包括南海都沒有“深淵”，是不是意味著它與海南“沒有關系”？答案是否定的。彭曉彤介紹，深海所的研究范圍與國家任務相關，必須為國家需求服務。因此，深海（深淵）不是該所的唯一研究范圍，“我們以深淵為基點開展工作，但也會關注南海。從技術上說，超過6000米深度海區的研究掌握了，南海、國內淺海就不是問題。”劉心成則表示，深海所會給海南本地相關科研和經濟社會發展帶來幫助，海南是“近水樓臺先得月”。
實際上，深海所的定位就包括支撐和促進海南涉海科研-教學-高科技產業體系的建設，填補我國深海戰略上的地域空白。而自2011年決定籌建、2012年中科院與海南省及三亞市政府啟動三方共建以來，深海所已經以海南近海海域生態環境為對象開展多個項目考察研究，取得一些新突破新發現，并為海南開展生態保護提供科學依據。
靠“神器”練就深潛硬功夫
“上九天攬月，下五洋捉鱉”，靠的就是設備，這也是突破技術瓶頸的所在。如同“天宮二號”上天有“神器”長征火箭相助，“探索一號”首航也有自己的系列“神器”來下海。
這些深潛裝備主要有：“海斗”號全海深自主遙控水下機器人（無人潛水器），以海南風景名勝命名的“海角”號、“天涯”號深淵著陸器，“原位實驗”號深淵升降器，“海翼”號水下滑翔機。
耐壓“金鐘罩”
深海水壓巨大，沒有“硬功夫”，肯定是下不去的。為此，科研人員先給這幾樣裝備都穿上了“金鐘罩鐵布衫”。
“海斗”號和“天涯”號、“海角”號的艙體主要用的是高強度鋁合金材料，這屬于海洋探測通用材料。但為了滿足科研需要，艙體需要控制厚度，而這樣一來它們就難以頂住深海水壓。為此，科學家們想出了一個巧妙的辦法，以壓力補償的方式，在艙體內部填充特殊材料，由內而外頂住水壓。
這種特殊材料就是絕緣的液壓油。據介紹，這種油理論上壓縮率極低，通過補償方式能使這些裝備內部保持略大于外部的壓力，這樣無論其下潛到多深，都能保證密封及抗壓性能。
“海斗”號及水下滑翔機研制單位沈陽自動化研究所副研究員唐元貴說，水下滑翔機與上述裝備不同，滑翔機的內部是空氣，空氣是可壓縮的，因此其抗壓只能依靠殼體的強度。一般而言這時候需要用金屬材料，但對其7000米深海作業設計目標而言，金屬過于厚重。因此，科研人員選擇了強度更高、重量卻較經的碳纖維復合材料。這種材料的應用，當前還屬于探索階段。
據介紹，“原位實驗”號有兩個艙體，其中一個用的是鈦合金材料，同樣具有出色的強度；另一個用的是玻璃材料，也采取了內部壓力補償的方式，但所用材料與“海斗”號們有所不同。
下潛上浮“土辦法”
這些裝備，是如何下去，如何上來的？
據介紹，“海斗”號和水下滑翔機屬于海洋移動平臺，可以依靠自身的運動實現上浮和下潛。而“天涯”號、“海角”號以及“原位實驗”號都不能僅靠自身就下到深淵。為此，科學家想出了個“土辦法”，給它們系上俗稱重塊的壓載塊，靠重塊把它們“拉下去”，上來的時候就把重塊給卸掉，在浮力球或浮力材料的帶動下浮上來。
但是，包括處于自主工作模式下的“海斗”號，這些裝備在下潛后，是無法人為干預的，它們怎么決定什么時候上來？本航次首席科學家包更生介紹，“海斗”號具備一定的自主能力，可以通過預先的指令設置，實現定時、定深或應急等條件下的自動上?。欢?ldquo;天涯”號、“海角”號以及“原位實驗”號，在決定它們需要上來的時候，科研人員就會吊放聲學通訊設備到海水中發送指令，它們接收到聲學指令后就會自主上浮。
包更生說，形如導彈的水下滑翔機，有短小的機翼和尾翼，可以用“翅膀”來調節姿態；其所帶的油囊，可以通過充油或放油來改變浮力大小，共同決定是下潛還是上浮。其滑翔姿勢是斜上斜下，因此呈V字形。何時下，何時上，也根據預先設定的指令進行。
在速度上，除水下滑翔機外，其余設備下潛和上浮速度一般都在每分鐘40米左右，下到萬米深淵要4個多小時。
突破“禁區” “冒險”得來
即便有了這些“神器”，萬米深淵也不是輕易就能下的。向禁區挑戰，考驗設備，更考驗科學家們的勇氣。
其實，本次科考出發前，科考隊為上述裝備設定的下潛目標均不超過7000米。7月1日，航次第9天，“探索一號”到達馬里亞納海溝作業區的第三天，“海斗”號執行了第一次下潛，深度3959米。
劉心成透露，當天晚上工作例會，技術團隊結合原海試計劃，認為“海斗”號在當時的技術狀態下，下到這個深度已經完成了海試大綱的計劃任務。當時，“先導專項”首席科學家、深海所所長丁抗還不在船上，“我說這可不是丁所長的意思，我們不能點到為止。過兩天丁所長上船，在他爭取下，研制單位同意把目標定深點，但也交待不要太深。結果第二次它下到了8000多米，他們感到很興奮，就想到此為止吧。丁所長說這不行，你的設計是全海深的。就這樣，‘海斗號’一次比一次潛得深，終于突破萬米。”劉心成說。
更大的深度，其實意味著更大的風險，而丁抗為本次科考定下的精神是：寧冒風險，不當逃兵。“他的態度是，寧冒風險，也要做試驗，寧愿設備沉在海底，也不要取得保守的成功后拿回去當展品。不敢闖不敢試，設備永遠走不出實驗室。”劉心成介紹。
唐元貴說，“海斗”號的經歷，確實是一次次自我挑戰和考驗之旅。其第二次下潛時，科考隊把目標鎖定在8000多米，而當時包括“海斗”號在內的船上的各類自主研制的深海裝備還從來沒跨過7000米；同時，還要將其工作模式由遙控模式切換到自主模式，脫離人為遙控，這在陸地上也沒有測試過。8000多米挑戰成功后，“海斗”號本可多重復幾次同等深度，但科學家們經數據分析和技術狀態確認，認為不如大膽些，瞄準萬米目標，接受更大挑戰。結果其終于在第5次下潛突破萬米。
“最大的考驗是在7月27日、28日，‘海斗’號連續執行兩次下潛任務，第二次下潛前技術團隊已經連續22小時沒有休息，最后一次布放是在凌晨3點，海況不好，人員也比較疲憊，所需的下潛配重物要臨時征用母船的固有裝備，”唐元貴說，“在布放前，‘海斗’號的技術狀態還進行了更新改變，這是更大的挑戰。”但正是這一次，“海斗”號成功下潛到其本航次10767米的最大深度。
正是憑著敢闖敢試的精神，“天涯”號和“原位實驗”號也3次突破萬米深度，最大深度達10935米；水下滑翔機最深下潛達5751米，接近6000米的國際紀錄。其它設備和觀測實驗也多次刷新作業水深紀錄。
除了上述成果外，本次科考還有更多突破。如，對科考進行的深淵底部氮循環的原位培養實驗，科學家解釋，“原位”指的是原始位置，所謂原位培養實驗，簡單來說就是設計條件使實驗在海底開展，這樣就能得到更真實的信息；氮是所有生物必須的營養元素，對氮循環的研究，有助于揭示深淵化學環境演變規律。
萬米深淵真貌如何？
深海是什么樣子？借助此次科考的發現，我們可以揭開它的一點點面紗。
由于陽光照不進來，這里是漆黑一片。人們從電視上看到清晰明亮的畫面，只是由于燈照的緣故。不過，研究海底生物的賀麗生研究員介紹，說深海漆黑一片，并不絕對，因為此前已經有人發現這里有的生物可以發出微弱的熒光。另外，從獲取的萬米水樣看，深淵的水非常清澈，人眼看上去與純凈的水沒有差別。
由于沒有光照，深海自然很“冷”。但水溫是否隨深度增加而降低，深海是否比淺海更冷？研究水體環境的朱家興博士介紹，獲取的溫鹽深（CTD，鹽度溫度深度）數據顯示，海里最低溫其實出現在4000米至5000米的深度，為1.4℃到1.5℃之間，而萬米深淵的水溫反而上升到2℃到3℃之間。“過了這個界點，受越來越大的壓力影響，水溫也逐漸升高。”
深淵有其專屬物種，即它們只能在深淵生存。此次科考成功誘捕一批生物，最重要的收獲是鉤蝦和獅子魚。其中，鉤蝦捕獲的最大深度達到萬米，獅子魚的捕獲深度在6000米至8000米之間。
據介紹，這次科考誘捕生物，用的餌料包括魚、雞肉和蝕腐材料。但自然狀態下，它們怎么生存，吃什么？賀麗生說，深海物種是本來就活在這里，還是從別的地方過來的，有待進一步研究。“有人認為，深海環境雖然惡劣，但是它穩定，不會像淺海，容易因大的地質變動導致物種滅絕。所以他們認為深海一些物種可能是淺海一些物種的祖先。”
生活在“安逸”的環境中，深海生物怕不“怕生”？賀麗生笑著說，獅子魚“不像我們想的那么傻，發現餌料它會過來，我們儀器放在那里，打很強的光它也不怕。但你要拿網去撈的話，它很快就跑了。一開始我們以為它們很傻，誘捕器設計比較簡單，結果我們看到它們進去后還會跑出來，還沒進來的，它一碰到誘捕器的網就跑。這些設計，后來我們都改進了，才抓得比較順利。”
本次科考對深海的視頻錄制，受制于相關設備，拍攝深度沒能突破8000米。包更生不無遺憾地說：“我們還看不到萬米海底的樣子。”這有待于下一次突破。
未來，更大的突破還在等著科學家們。包更生透露，國家已經對萬米載人潛水器進行重大科研立項，有望在5年后實施萬米載人深潛。“到時候，科學家自己就能下海底了。”已經染上了白發的他滿懷期待地說。
鏈接下海“神器”
從活動范圍看，有的能“動”，有的不能“動”。水下滑翔機，“機”如其名，在水中“滑翔”，時而下潛時而浮出水面，活動線路斜上斜下，不斷做V字形運動。而其他裝備沒有這樣的運動能力，下到海底后基本不動。
從作業特性看看，“海斗”號、“天涯”號及“海角”號、水下滑翔機自身就有探測能力，且具備一定的自主能力；而“原位實驗”號像是電梯，主要作為儀器設備搭載平臺使用，將它們送上送下。
從功能看，“海斗”號和水下滑翔機側重水體環境參數測量，后者能幫科學家們測得區域范圍更廣的數據，而“海斗”號則能測得萬米深度的數據。兩個著陸器側重幫科考隊誘捕深淵大型生物、原位采集海底微生物、獲取水樣及沉積物（海泥）樣品等，同時，它們還具備水體環境參數測量、錄像和拍照等功能。而“原位實驗”號，除幫助誘捕生物外，主要用于大深度水體的采集、地球化學實驗的原位培養。
