海底观测平台 ~ 让探测海洋的“眼睛”更亮

海底观测平台是人类观测海洋的工具,更是人类望向蔚蓝深海的眼睛。海洋观测平台经过了长期以来不断的演化,仪器技术一次次革新带来了观测手段质的飞跃。依托海底观测平台,我们正在逐步实现海洋的透明化。

01 海底观测平台的历史

在漫漫历史长河中,

人类使用过三种观测平台。

第一个平台是地面和海面,在相当长的历史过程中,人类一直在这个基础平台上认知地球。但随着社会的进步,地球观测科学出现了惊人的进展,出现了空中遥测遥感技术。从此,人类能从空间获取地球信息

第二个观测平台——空间的出现也极大地丰富了信息量,并解放了观测者的视角。但是,遥测遥感技术对海面下的世界依然束手无策,于是人们必须开发第三个观测平台——海底。1

海底观测系统可视为第三个观测平台。它大致可分为海底观测站、海底观测链和海底观测网络。海底观测网是指观测仪器位于海底的观测网络,它是海底观测体系中功能最为齐全,观测时间最长,技术含量最高的一种。1

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图1-1 “透明海洋”立体观测网构建

20世纪90年代末,美国和加拿大开始酝酿共同建设一个大型的海底观测网,2004年决定将建设位置定在东北太平洋的胡安·德·夫卡板块。最终加拿大率先于2009年成功在胡安·德·夫卡板块上建立了目前世界上最大的海底观测网络——加拿大NEPTUNE海底观测网;而美国负责部分——OOI海底观测网也已建成并正在运行。欧洲2004年开始制定ESONET-EMSO海底观测网计划,现在还在建设中;2006年,日本DONET海底观测网计划立项,并于2016年完成了建设;2011年日本大地震后还开始了日本海底地震海啸观测网的建设。

2009年,我国以台湾以东海域开始建设MACHO海底观测网;同年同济大学牵头的东海小衢山海底观测试验站建成;2013年由中国科学院南海海洋研究所在南海牵头建设了三亚海底观测试验站。2017年5月,“十二五”国家重大科技基础设施项目“国家海底科学观测网”获批,预算超过20亿,建设周期5年。2

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图1-2 世界上具有代表性的海底观测网示意图

02 海底观测平台的现状

国外海底观测网实例

2009年—2014年,由美国国家基金委资助建立的美国海底观测网(Ocean Observation Initiative,OOI)一期建造三大部分——区域网、近岸网、全球网,预期寿命25年。

2009年底,NEPTUNE作为世界上第一个基于电缆的海底观测网竣工,2013年10月,加拿大将其拥有的NEPTUNE和VENUS进行合并,组建加拿大海洋网络(Ocean Network Canada,ONC)

中国海底观测网

2017年5月,中国国家海底科学观测网正式被批复建立,项目总投资超20亿元,建设周期五年。

2020年8月31日,随着最后一方混凝土浇筑完成,海底科学观测网监测与数据中心工程已成功完成建筑主体结构封顶。国家海底科学观测网是中国海洋领域在建的唯一海底国家重大科技基础设施,主要建设内容包括东海海底观测子网、南海海底观测子网、监测与数据中心及配套工程。建成后,将成为总体水平国际一流、综合指标国家先进的综合性海底科学观测网,可为中国海洋科学研究建立开放共享的重大科学平台,并服务于海洋环境监测、海洋资源开发、海洋灾害预警等多方面的综合需求。3

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03 海底观测平台的特点

海底观测系统为海洋地质、海洋化学及海洋环境等领域的研究提供了海底观测的方法,使科学家不必下海就可以对海洋里的物理、化学变化以及生态系统进行观测,是对传统海洋学研究方法的一次重大突破。在线观测传感器的使用,最大限度地减少了环境变化所引起的样品成分的改变,使得深海环境的实时、原位探测和长期自动观测成为可能,并大大降低了海上作业的时间和费用。

海底观测系统的实现方式可以根据不同需要分为三类:第一类是海底观测站,针对某一具体的目标,在一个非常小的区域里建立起原位的观测系统,完成明确的观测任务。这样的观测站,可针对某一特定区域的生态系统进行观测研究,也可开展一项某一特定的海洋观测或科学研究活动。第二类是观测链,它在观测站的基础上,将数据通过某种通信方式传回岸基或者是停泊在海面上的科学考察船。这样的话,通过观测链则可以获得比较实时的科学数据。第三类便是海底观测网络,它的观测量多,有电能不断地从岸基直接供给,数据也能够实时传回岸基实验室。因此观测网络的功能最为强大,观测实时性最好,观测时间最长。

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图3-1 海底观测站

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图3-2 我国首套海底环状生态监测观测网成功布放

根据通信方式的不同,海底观测系统的构成也是不同的。当海底观测系统需要与陆地基地间进行通信时,可采用无线通信和有线通信两种。其中无线通信方式有声学通信、卫星通信、数传电台和CDMA等,有线通信方式一般指传统的光纤通信。不需要与岸基实验室进行通信时,则只需要海底观测系统内部的信号传输。有时,也需要一些近距离的无线通信方式,如电磁感应式的通信、激光通信等,用于水下潜器对海底观测系统的巡检或者移动式观测器与海底基站的通信。

海底观测系统可在海底实现能源供应和信息提取的网络化,使其在海底进行长期、连续、直接观测成为可能。

04 海底观测平台未来发展

海底观测网络是推动海洋科学技术发展,了解地球环境系统的重要基础,也是帮助人类了解海洋从而促进全球经济发展的重要方法。

基于科学研究的需要和科技的进步,在未来,海底观测平台将倾向于高向多元,立体,实时,长期,持续等方向发展。以下将以加拿大(ONC)、欧洲(EMSO)等国家为例,从多个角度展现未来海底观测平台的发展。

大范围、大密度

作为目前国际上规模最大、技术最先进的综合性长期海底科学观测网,加拿大海底观测网(ONC)具有完善的海王星和金星海底观测网络,其数据已经涵盖了包括北极在内的海洋观测系统 ,并扩大至加拿大西海岸、东海岸的浮标。早在2009年底,加拿大其中一个海洋观测网NEPTUNE已经有五个节点,覆盖了离岸300km范围内20~2660不同水深的典型海洋环境。现今ONC具有5个岸基站,850多千米缆长,11个仪器安装节点。欧洲海底观测系统(EMSO)覆盖范围从极地环境、热带环境一直到深海区域,具有跨越不同海区的10个观测网。相信在未来这些范围将会扩大,深度将更深,节点数也会越多。

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图4-1 加拿大海底有缆观测网4

多传感器

目前ONC搭载了32个仪器平台,180个仪器全天候在线观测,共有3400个传感器。自该网络建成以后,已经陆续安装了地震仪、海流计、摄像机、海底压力记录仪、温盐深仪、、声学成像系统等各类海洋仪器。随着人类认识的加深,未来海底将会搭载更多类型的传感器,观察更细致的要素,用以更细微地认识海洋。

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图4-2 美国正在研发的新型深海压力传感器

多要素、多学科

欧洲海底观测系统(EMSO)主要服务于自然灾害、气候变化和海洋生态系统等研究领域,它最大的特色是对海洋多学科、多目标、多时空尺度的观测研究,涉及生物学、地质学、化学、物理学、工程学及电子计算机技术等多学科。在未来,多学科交叉观测将有助于我们更深入地研究,因此也是未来海底观测平台发展的一大趋势。

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图4-3 海底电缆地震资料采集

固定与移动平台协同观测

目前海底观测固定平台有:海床基和有缆在线观测,移动观测平台有水下机器人等,不过不管是在数量上还是协调上还远不够,将固定平台与移动平台在更大范围上综合使用将是未来海底观测的趋势之一。

关注气候变化

海洋气候与天气尺度综合同步观测,必将是未来的一大趋势。ONC目前聚焦的四个科学主题中有三个与气候变化相关:(1)理解东北太平洋人类活动导致的海洋变化;(2)东北太平洋和Salish海的生命;(3)海底、海水、大气之间的相互作用。在气候剧烈变化的时代,我们有待理清海底变化与气候变化的相互机制。

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图4-4 海底甲烷释放

数据传输与共享

限于技术,海底数据的传输仍然面临比较大的困难,如电缆耐压性能、供电等,且由于线路传输或者历史问题,有的本应公开的海底数据仍然只是为本国所有,这些因素均不利于海底数据的获取。不过,在越来越多国的努力下,已经有越来越多的海底数据不仅可以24小时实时传输,还向全世界用户免费开开放,这样就便捷了人们的研究。在未来,海底观测数据共享将成共识。


参考资料

[1]陈鹰. 海底观测系统[M]. 海洋出版社, 2006.

[2]张伙带.韩冰.刘丽强.海底观测新技术[M]海洋出版社,2018

[3]信息来源:新浪网,2020年9月3日

[4]摘自公众号“海洋知圈”



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都是些科研口的啊,太高大上了

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冯建
活跃在2022-7-14
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