海洋勘探工具 -海洋勘探事业成就

文|遇见锦鲤鱼

: T" ]* B; z& f& ~$ y& n5 h

编辑|遇见锦鲤鱼

0 s; W1 j7 p* W) V" K7 Y

前言

你有没有想过科学家是如何知道海洋表面深处发生了什么的？智能机器人就可以实现精确勘探的功能，有几种类型的机器人可以潜入海面以下并从水下带回数据。

一种称为Argo浮标的机器人随着洋流穿过海洋的中部深处，每10天浮出水面一次，通过无线信号传输告诉科学家它收集的信息。

; @3 K) M6 x( r; C, H- C

, @! ]* M" ~/ ?

目前每天大约有4000个Argo机器人在关注地球的海洋的生态变化，这些机器人可以测量海洋温度和盐度，有些还可以监测更复杂的化学和生物参数。

; W% c/ K x, z; O7 u) L4 B- {

为什么科学家要密切关注地球的海洋？为了保护海洋环境，维持地球的生态平衡，Argo浮标机器人又能够收集到哪些重要的海洋信息？

! {# T* @- P4 y$ A1 J3 n3 Y

海洋十分重要

7 g2 U6 V& X( z% Y, k m

Argo机器人是海洋学家工具箱中的另一种勘探工具，可以帮助科学家了解海洋是如何运作的，以及那些人为因素影响海洋生物进而影响整个地球。

海洋对人类非常重要，它为我们提供了食物、药品、交通和娱乐，海洋也是许多水生动物的家园，这些生物扩充了地球物种多样性，影响着地球生态平衡，

例如小浮游生物、漂流植物、藻类和一些可以进行光合作用的细菌，它们在海洋里产生大气中50%以上的氧气。

$ b5 f8 _; L( B& `, d

海洋占地球表面积的70%以上，维持地球气候稳定中发挥着重要作用，由于这些原因科学家们多年来一直探测和观察海洋，以便于更好地了解海洋并预测可能发生的变化。

' A, {3 P( O" z6 P# ?; m

气象学家也对海洋观测感兴趣，因为我们每天经历的天气变化都受到海洋的影响，当温暖的海面吹起海风导致水分蒸发时，小水滴从海洋转移到大气中，一旦进入大气层水就会有助于形成云朵、雪和雨。

! F$ ^$ G3 G4 H/ E9 i7 |* u$ s$ Y

所以监测海洋状况会带来更准确的天气预报，一些科学家是研究地球的专家气候，对特定区域的长期天气模式的概括，通常估计为至少二十年来收集的数据的平均值。

" ?& c0 J2 o; ^, r

热带气候地区每年都有大量的阳光照射海面，因此这些地区的气候通常是炎热潮湿的，但气候会随着时间的推移而变化。

/ Y! |8 G+ w- v7 v4 n' a) [1 o/ @

目前一些人类活动，例如驾驶汽车或为我们的房屋供暖，因燃烧化石燃料增加温室气体排放，在大气中捕获热量的气体，包括二氧化碳、甲烷、一氧化二氮和氟化气体。

* p* l) h; p% @& u% Z

. B i0 v5 x* t

温室气体就像毯子一样，聚集热量使地球表面变暖，海洋观测对于了解温室气体如何导致气候变化非常重要，因为海洋可以从地球大气中吸收二氧化碳和热量，并通过洋流移动它们。

: V$ e/ h* e/ J( ~- `

Argo浮标机器人

- s# ?! c# y& k% G' C0 Z+ }# U9 c

为了研究海洋，科学家多年来不断收集数据，获取这些信息的一个重要方法是乘坐科考船进出海行测量，但有些地方是船只难以到达的，例如北极和南极。

冬季还会产生波涛汹涌的强对流飓风，船只难以在其中作业，为了能够收集地球海洋四季的测量数据，科学家们发明了Argo机器人。

& G3 z6 }. v5 Z& }) y* c$ ^

& C/ h: p# J. T

这些Argo机器人被称为“浮子”，它们携带传感器，这是一种检测并响应来自物理环境的细微变化的仪器，类似于潜水艇上某种类型的输入的设备收集海洋数据。

科学家们称这些机器人为漂浮物，但它们实际上在海洋中上下移动，研究海洋环境的专家们将Argo机器人从船上放到海面，一旦它们进入海洋就会下沉到 1,000 米，并在该深度随洋流自由移动 9 天。

& g% d6 F. Z% J- J

在第10天它们的电能即将耗尽，于是会从潜入2000米的海底上升到水面，在上升的途中进行海洋测量。

% A) l" C+ C; ?) G: s0 p- O+ T8 r# K

当它们即将到达水面时，机器人会通过卫星将它们收集的数据和位置发送回科学家，从而使科学家能够建立一个关于这部分海洋的信息数据库。

之后补充完电能的它们潜回1000米并重新开始循环，科学家使用计算机程序来检查测量质量并将信息传输到数据库，在机器人浮出水面的24小时内，每个研究海洋的学者都可以免费获得测量结果。

) v* T- w3 ^8 d7 R7 |9 ]

Argo 机器人记录压力、温度和盐水浓度，这是是衡量海洋中物质变化的重要指标，盐度和温度共同决定了海水的密度。

# v! @* R0 E( X: }, v+ k* r

压力传感器的值会告诉科学家进行温度和盐度测量的深度，在海洋中一米的深度与十倍的大气压力大致相同，在大气中高压和低压共同塑造了我们的天气系统。

. Q( n: h1 x" Y$ g# |9 x" h

在海洋中高密度和低密度区域会产生洋流，从而在全球范围内使海水移动，了解水如何在海洋中流动对于气候研究以及保护在海洋中生活的动植物非常重要。

/ T" r. G% |. R6 y6 k9 \

科学家在1990年代后期首次设计Argo机器人神经网络时，他们希望这些数据能够补充一颗名为杰森的科学观测卫星收集的海面高度测量值。

在希腊神话中，杰森乘坐一艘名叫阿尔戈的船航行去寻找金羊毛，因此海洋科学家称这些机器人为Argo漂浮物，来自卫星的海面高度数据可以与Argo数据相结合，为科学家提供洋流变化的信息。

! N/ w( S B& k2 P1 c

( d1 F! B1 A# w1 p, p

在过去的20年里，Argo机器人一直在海洋中漫游，并在世界各地收集了超过200万次测量数据，如今仍有近4000 台 Argo 机器人在收集海洋测量数据。

6 u. h. U7 ]9 k% Q6 b; a8 I

Argo机器人由电池供电，一年中的每一天都在昼夜不停地工作，由于这些机器人配备了人工智能系统以及科学传感器，科学家们现在可以以前所未有的方式观察海洋。

& D8 C5 i& [1 T: o

机器人的电池寿命通常可以支撑五年以上，当电池耗尽时这些机器人将默默的沉入海底，虽然这看起来像是乱扔海洋垃圾，但与其他污染物相比，使用环保材料的机器人对海洋的环境影响极小，收集的海洋数据对于了解地球非常有价值。

( D' y" n& R% h- R- ^$ k

有人会问Argo机器人能告诉我们关于海洋的什么数据？自 1970 年以来，海洋吸收了人类活动产生的温室气体 90% 以上的热量，世界海洋许多地区的温度都升高了。

# P. z7 ^7 A, r. H, D) T& a# I

科学家监测这一点的一种方法是使用温度和盐水浓度，通过测量来计算海洋层增加了多少热量，这个官方名词称为海洋热含量，是一种储存在海洋中的热量形式的能量。

海洋的变化

+ L3 S: z1 P( @( ?4 _( }* A

通过使用Argo机器人收集的数据，科学家们发现像厄尔尼诺飓风这样的极端事件在海洋中发生得更频繁，就像在大气中一样，这些海洋热浪导致海洋动物移动到其他地区寻找凉爽的水域。

/ r! P6 U, A' f

然而那些无法移动的植物和动物将遭受这些海洋热浪的影响，全球海平面上升是气候变化的另一大后果，随着海洋中的水变暖也会加速膨胀，这是海平面上升的主要原因之一。

; L/ j5 @2 m; A1 \+ ?

4 P$ I1 `1 x+ r4 t4 G

海平面上升会对我们的日常生活产生巨大影响，因为它会导致洪水侵蚀海岸线船只设备，与咸海水混合而使淡水无法饮用。

Argo机器人是监测全球海平面上升的关键工具，因为它们可以密切关注地球海洋的变化，跟踪海洋也增加了天气预报的准确度，利用Argo机器人发回的温度和盐度数据，科学家们添加了一个计算机模型。

' L# u) I) J+ g7 F) v# g _" A

在计算机上运行的程序，用于模拟真实世界的系统，例如地球大气层或海洋，在这些模型中拥有真实的海洋数据可以提高科学家对大气和海洋如何相互作用的理解，这对于预测飓风台风等强风暴非常重要。

% o2 D# N$ a @* l; l4 X

过去Argo机器人被限制在海洋的顶部2000米，占全球海洋体积的50%以下，设计可以潜入海底的机器人非常具有挑战性，但科学家和工程师最近成功地制造了一些可以潜入6000米深的机器人。

2 U- E1 h! r9 e+ G2 B8 J& s

& y$ M4 W, N2 Y' S

从地表到海底对海洋进行采样，将使科学家能够更好地了解热量和淡水含量的变化，这能够提供有关全球海平面上升更为相信的信息。

$ k6 x9 C+ G: _* L: r# Z/ y9 F

我们现在正处于一个新时代，在这个科技蓬勃发展的年代，Argo机器人可以进行与海洋化学和生物学相关的测量。

( k7 Q+ v+ l5 B& k

这将提供有关海洋中氧气和二氧化碳含量变化的信息，目前全球海洋含氧量不断降低，并从地球大气层中吸收更多的二氧化碳，这些变化正在对海洋生态系统产生影响，包括养活许多人的渔业。

( e7 p$ Z" T8 O) p u

" A) X! m8 L/ G2 w8 o

Argo机器人是海洋学家工具箱中的一种工具，它们是称为全球海洋观测系统（GOOS）全球系统的一部分，与全球海洋观测系统的其他合作伙伴一起，Argo机器人的进步将帮助我们构建海洋健康的全球图景，

随着近年来人类工业化的不断迈进，为了满足冶炼钢铁和化学化工产能的需要，人类在上游筑起了厚厚的水坝，用于控制水流水力发电的目的。

F! O# P- x v- y; ]

通过这种方式能够显著的带来工业生产的便利，但是殊不知水坝也隔绝了自然物质的交换，一些河坝改变了河水和泥沙的流动方式，当水流通过大坝时，它的速度会减慢。

, n9 |9 C4 i7 f) Y: d# h

大量的沉积物聚集在水坝的上游，形成了泥沙的堆积，这些本应该流入海洋的物质，在入海口被隔绝下来。很大程度上影响了海洋动物日常所需的无机盐以及摄入的硅元素。

我们能够通过Argo机器人观测到这些微小的变化，Argo机器人外壳中安装了含氧量的探测设备，而海洋中能够制造氧气的生物是硅藻，通过附近海域氧气含量的探测，能够观测硅藻的生长情况。

通过智能机器人传输的数据来看，目前近海区域的硅藻生长趋势不太乐观，可能是因为大量的氮磷营养物质被水坝隔绝在上游，导致淡水区域的藻类过度生长，改变了水质和生态系统。

\; a" i3 v7 ], ~

: g _) t: K: B4 B! k

而海洋中硅藻的溶解物整体减少，会对整个海洋食物链产生有害的影响，因为硅藻是该链条中的重要生产者，许多海洋动物包括鱼虾都以硅藻为食。

一旦基础的食物数量减少，就会影响鱼虾的数量。进而辐射整个海洋生态系统，短期表现为渔民捕捞的海产品数量减少，长期的不利影响则会减少海洋的物种丰富度。

/ `+ }* `( C D" j3 S* X" L& ~/ T& e

; D) A5 p" l. w: {9 Y1 Q

用科技保护环境

' @$ L0 c0 L, S5 N9 \7 g

除了监测海洋中元素的循环之外，Argo机器人还能通过磁力传感器检测附近海域的矿产资源，甚至海底的稀有元素，在南太平洋东部的岛屿上，就存有大量的矿物资源。

1 x5 s. w0 {- L" R+ I4 U

不过以人类目前的技术水平，难以通过极小的成本从海底将这些矿物资源利用，希望在不久的将来，随着智能机器人的不断发展，开采海中的矿产资源也变得更加便利。

U7 Y$ O/ _8 R) K

% N d7 h8 J$ p9 _, M

这几年Argo机器人传来的数据，对构建虚拟气候模型有很大的帮助，通过科学家的预测，世界将经历海水温度、植物和洋流的不断变化，而Argo机器人的数据能作为有力的数据支撑。

8 j) V1 t- A% N

了解人类的活动对气候变化的影响才是当下我们应该做的主要工作，通过采取适当的措施。减少人类生活足迹的影响，这对保护海洋生态环境意义匪浅。

* D t4 Y$ v' H0 K8 S0 {* m