海洋环境监测 -海洋环境监测技术有哪些

培林志远 · 发表于海洋技术发展 2024-4-3 17:58:49

在气候变化的谜题中，地球的海洋是一个巨大而关键的部分。海洋是一个巨大的热量和二氧化碳的储存库，而二氧化碳是最丰富的温室气体。但是，收集关于海洋的准确和足够的数据，以提供给气候和天气模型，一直是一个巨大的技术挑战。

不过，多年来，已经出现了一个关于海洋加热模式的基本情况。太阳的红外线、可见光和紫外线辐射使海洋变暖，特别是在地球的低纬度地区和巨大的海洋盆地的东部地区吸收的热量。由于风力驱动的海流和大规模的环流模式，热量通常被驱赶到西部和两极，并在逃逸到大气层和太空时流失。

这种热量损失主要来自于蒸发和再辐射到太空的组合。这种海洋性的热量流动，通过使局部和季节性的极端温度变得平稳，帮助地球变得适宜居住。但是，热量在海洋中的运输及其最终向上的损失受到许多因素的影响，如海流和风的混合和搅动能力，使热量向下进入海洋。结果是，除非详细说明这些复杂的过程，否则任何气候变化的模型都不可能是准确的。而这是一个可怕的挑战，尤其是因为地球上的五个大洋占据了3.6亿平方公里，或地球表面的71%。

人类可以看到海洋中温室气体效应的明显影响。当科学家从表面一直往下测量，并在全球范围内测量时，这是非常清楚的。

提供这样的细节是阿尔戈这家海洋研究集团计划的目的，该计划由一个涉及30个国家的国际财团管理。该集团运营着一支由大约4000艘海底机器人船组成的全球船队，散布在世界各大洋。这些船只被称为 "浮筒"，尽管它们几乎所有的时间都在水下，在测量温度和盐度的同时下潜数千米。浮筒随洋流漂移，每隔10天左右浮出水面，将其信息传输到法国布雷斯特和美国加利福尼亚州的蒙特雷的数据中心。这些数据然后被提供给世界各地的研究人员和天气预报员。

阿尔戈系统每年产生超过100,000份盐度和温度曲线，是对传统方法的巨大改进，传统方法依赖于从船上或用浮标进行的测量。这些浮筒的卓越技术以及为将其作为一个网络进行操作而创建的系统技术在今年5月的2022年愿景、创新和挑战峰会上被授予国际电子工程师企业创新奖。现在，随着阿尔戈公布了一项雄心勃勃的提案，将浮标的数量增加到4700个并提高其能力，这项雄心勃勃的计划正在加速发展。

为什么我们人类需要一个像阿尔戈这样的庞大网络来帮助全人类了解地球的气候如何变化？

这个主要原因是海洋是地球气候系统中的一个关键角色。地球的平均气候取决于海洋。但实际上，气候如何变化和改变，超过大约两到三周的时间尺度，是由海洋高度控制的。因此，在某种程度上，可以认为气候的未来，地球的未来和人类的未来也由海洋如何回应。

同时卫星也已经在进行这类的测量。

卫星观测系统，是一个由许多国家管理的神奇的卫星群，它们只测量海洋的表面。它们最多只能穿透几米。大多数人只能真正看到海洋上部几毫米的情况。然而，海洋本身是非常深的，在世界各地，有5、6公里深。在深海中发生的事情是至关重要的，因为海洋中的情况正在发生变化。它正在变暖，但不是均匀地变暖。这种变暖有一个丰富的结构，而这对未来会发生什么都很重要。

在阿尔戈之前，这种海洋学数据在历史上的收集。在阿尔戈之前，科学家获得地下信息的主要方式，特别是像盐度这样的信息，是在船上进行测量，这种收集测量方式其成本非常高昂。这些是研究船，操作起来非常昂贵，而且需要有科学家团队在船上。他们正在运行非常敏感的仪器。他们会简单地准备一个包裹，然后把它从侧面放进海里。同时这些科学家要做一个2000米的剖面，这个时间可能需要几个小时。如果要进入海底，可能需要6个小时左右。

这些船功能很强大。科学家需要它们来测量各种各样的东西。但是要获得科学家们所谈论的全球覆盖率，这实在是太难了。事实上，世界上没有足够的研究船来做这件事。因此，这就是为什么后来的研究人员和科学家们需要尝试和利用机器人技术来解决这个问题。

现在有了这项计划，阿尔戈集团的科学家们可以挑选一个典型的阿尔戈浮筒，了解一个阿尔戈浮筒的一天或一周的情况：这个浮筒通常有多深，它多长时间传送一次数据？

经过统计，这些浮筒90%的时间都在海洋表面以下1000米的地方，那里是一个黑暗和寒冷的环境。一个浮筒会在那里漂流大约9天半。然后，它将使自己的体积变小一点，这将增加它相对于周围海水的密度。这使得它能够下沉到2000米。一旦到了那里，它将停止其下降的轨迹，并打开其传感器包。一旦它收集了预定的数据，它就会膨胀，降低其密度。当这个比水还轻的自动装置重新浮上水面时，它在一个单一的柱子里进行一系列的测量。然后，一旦这些浮筒到达海面，它们通过卫星系统将该剖面图传回给阿尔戈的科学家们。而且阿尔戈集团还通过全球定位系统卫星网络获得该剖面的位置。现在海上的大多数阿尔戈浮标都在测量温度和盐度，精确度相当高。

一个浮筒典型的数据传输是高度压缩的。经过压缩的数据只有大约20或30千字节，现在大部分的浮动阵列都是通过铱星网络进行的。然后这些数据从卫星系统上岸到相关的国家数据中心。它被编码和检查，然后它被立即发送出去。它被登录到全球数据集合中心的互联网上，但它也被立即发送到世界上所有的业务预测中心。因此，这些数据在24小时内与所有想得到它的人自由分享。

目前阿尔戈集团在全球海洋拥有4000个浮筒，这些浮筒是在1998年构思的。当时，阿尔戈的浮筒不能在海冰区运行，也不能在封闭的海域很好地运行。因此，最初，阿尔戈集团将全球阵列设计为3000个浮子；那是为了跟踪阿尔戈负责人认为的缓慢的海洋背景变化。这些变化是在三个月内发生在1000公里范围内的变化：是发生在地下海洋温度和盐度的缓慢变化。

因此，这就是该设计的目的。但是现在，阿尔戈集团已经成功地在极地海洋和季节性海冰区试验了浮标。科学家们可以在那里操作它们。有一些特殊的地区，如赤道大洋，科学家们可能需要更高密度浮筒。因此，阿尔戈有一个新的设计。对于这个新的设计，他们需要将大约4700个工作浮筒放入水中。

但阿尔戈现在刚刚开始真正去找政府，要求相关政府提供资金来扩大船队。而新设计的一部分要求浮筒进入更深的地方。阿尔戈他们现在运行的大多数浮筒只能深入到2000米左右。但是，阿尔戈现在可以建造能够承受海洋严酷环境的浮筒，其深度可达6000米。因此，阿尔戈科学家们想建造并维持一个由大约1200个深层探测浮筒组成的阵列，另外还有1000个新建造的装置能够通过地球化学来追踪海洋。但这是新的。这些是阿尔戈刚刚开始尝试和建立基础设施的大型新任务。当然大家已经做了大量的试点工作和大量的准备工作。但是现在，

阿尔戈需要找到持续的资金来实施这些。

新一代的深潜阿尔戈浮筒可以达到6000米的深度。一个球形的玻璃外壳保护里面的电子器件免受该深度的巨大压力。

一个典型的冷浮子，只是测量温度、盐度，操作到2000米，根据不同的国家，成本在2万到3万美元之间。但它们每个都能持续5到7年。每个浮标的剖面的成本对科学家们来说真正重要的东西。

全世界可以从跟踪热量和盐度以及它们在地球上的变化中得到什么样的启示？阿尔戈的数据流带来了很多惊人的发现。每天都有超过一篇使用阿尔戈的论文问世。这可能是一个保守的观点。科学家和研究人员需要测量的最重要的事情之一是海洋是如何变暖的。因此，随着地球系统的变暖，大部分额外的热量实际上被截留在海洋中。现在，这些热量被海洋吸收和封存是一件好事，因为它使表面温度变化的速度变慢。但是，当它吸收了这些热量时，海洋就会膨胀。因此，这实际上是在推动海平面上升。海洋正在向极地地区输送热量，这导致了海冰和冰层的融化。而且这些融化效应也开始改变区域天气模式。考虑到所有这些，跟踪这些热量在哪里，以及海洋环流是如何将其移动的，对于了解地球的气候系统现在发生了什么，以及未来会发生什么，真的非常重要。

阿尔戈的数据指出，在过去的20年里，海洋温度是如何变化的？是否有某些海洋正在变暖？是否有某些地方的海洋变得更暖和，而其他地方变得更冷？

深海中的信号非常小。在阿尔戈上有非常高精度的仪器。在阿尔戈数据集中，当对全球海洋进行平均计算时，变暖的信号很快就出来了。如果在一个特定的地方测量，比如说在一个地点的时间序列，那里有很多噪音，因为海洋环流是紊乱的，它可以把热量从一个地方转移到另一个地方。因此，任何一年，海洋可能是温暖的，然后它可能是凉爽的，这只是一种信号的横向移动。

阿尔戈通过阿尔戈号科考船发现了人类一无所知的新海流系统。在科学家们发现和了解海洋如何运作的能力方面时，这预示了洋流变化的一场革命。

但是，当在全球范围内进行测量并监测全球平均水平时，变暖的信号变得非常、非常明显。因此，正如阿尔戈集团从过去的数据中看到的：海洋在表面变暖的速度比其深处快, 阿尔戈号加强了这一点。这是因为海洋需要一段时间来吸收热量。我们看到南半球比北半球升温更快。围绕这个问题，有很多工作正在进行。这种差异的部分原因是北半球大气中的气溶胶污染，它实际上对我们的气候有冷却作用。

但其中一些是与风的变化有关的。阿尔戈有一个非常令人惊奇的事情：阿尔戈在网上社区里有很多关于全球变暖的间断或减缓的讨论。这是因为表面温度，这是很多人使用的衡量标准。海洋对全球平均表面温度的估计有很大的影响，因为海洋占了地球表面的大部分面积。气象学家们看到，当有一个大的厄尔尼诺-南方涛动事件时，表面温度可能达到峰值。这是因为，在太平洋，来自约200或300米地表下的一大堆热量突然暴露在地表上。[备注：厄尔尼诺-南方涛动是热带东太平洋上的海面温度和风向模式的一种反复出现的大规模变化。］

阿尔戈的研究人员看到的是这种混乱的自然现象，如厄尔尼诺-南方涛动。它只是在海洋中垂直地转移热量。如果你通过厄尔尼诺或热带太平洋的垂直测量，这一切都被抵消了。因此，海洋中热量的实际变化并没有出现表面测量中的那些间断。它只是一个阶梯。我们人类可以看到温室气体效应对海洋的明显影响。当我们从表面一直往下测量，并在全球范围内测量时，就会发现非常明显。

阿尔戈号显然是为研究气候变化而设计和建立的，但许多大型科学仪器在设计之外的科学问题上都很有用。阿尔戈号的情况是这样的吗？

来自深海的信号非常微妙，而且是一个非常小的信号。所以："浮标这些测量有多精确，怎么知道它们有那么精确？"

在项目开始的时候，阿尔戈集团投入了大量的资源，建立了一个真正好的数据管理和质量保证系统。这就是阿尔戈数据管理系统，它为海洋学开辟了新天地。因此，这种创新的一部分是，阿尔戈在每一个部署浮标的国家都有专家小组来查看数据。当数据是一年前的时候，他们会查看这些数据，并根据附近的船舶数据进行评估，这些数据通常是准确性方面的黄金标准。因此，当一个浮筒被部署时，科学家知道传感器是被例行校准的。因此，如果将一个新校准的浮筒的轮廓与一个可能是六七年前的旧浮筒进行比较，科学家可以进行重要的比较。更重要的是，阿尔戈所设计的一些卫星也让他们有能力检查浮筒传感器是否正常工作。

在阿尔戈的历史上，他们曾经遇到过问题。但他们已经正面解决了这些问题。阿尔戈曾遇到源于生产传感器的工厂的问题。有时，阿尔戈已经停止部署多年，等待一个特定的问题被修复。此外，科学家们需要尽量保持警惕，并利用在每个浮动记录周围掌握的任何信息，以确保它有意义，确保没有大的偏差，确保浮标的测量是准确的。

阿尔戈有新一代的浮筒能够潜到惊人的6000米。随着新技术的出现，阿尔戈的科学家和工程师正在关注这个问题并将其纳入其中。阿尔戈号做三件大事，而且已经通过区域试点证明现在可以做到。第一件事，正如你所提到的，是深入研究。因此，这意味着重新设计浮筒本身，使其能够承受并在真正的高压力下运行。这方面有两个策略。一个是继续使用铝制船体，但使其更厚。采用这种设计的浮筒可以达到约4000米。另一个策略是转移到玻璃外壳。因此，浮筒从一个金属圆柱体变成了一个玻璃球。而玻璃球体已经在海洋科学中使用了很长时间，因为它们非常耐压。因此，玻璃浮子可以进入那些真正的深海，直接进入全球大部分海洋的海底。

改变游戏规则的是一套足够敏感和准确的传感器，以测量阿尔戈的科学家在深海中寻找的微小气候变化信号。因此，这就要求在建造这些传感器时要格外小心，要有更高水平的校准。因此，阿尔戈的人正在与传感器制造商合作，开发并证明具有更严格的公差的校准方法，以及建立这些具有更大可靠性的传感器的方法。当这些科学家们证明这一点时，他们在研究船上出海，使用船上系统中的相同传感器，并将这些传感器与阿尔戈部署在剖面浮筒上的传感器进行比较。因此，这些科学家必须经历一个完整的开发周期，以证明这些工作在这些科学家认证它们的全球实施之前。

电池是目前浮筒的关键限制之一，因为它们的寿命，以及它们的能力。如果电池技术有了飞跃，阿尔戈的科学家们可以用浮筒做得更多。也许可以更快地收集数据资料。也可以增加更多的额外传感器。

因此，电池电量和能源管理是阿尔戈工作的一个重要方面。事实上，这些科学家给浮筒分配任务的方式，特别是锂电池一直是个问题，因为浮筒90%的时间都是在寒冷的环境中，没有做什么事情。在漂流阶段，科学家们有时会打开它们，进行一些测量。但是，他们仍然没有做很多事情。它们不使用它们的浮力引擎。这是改变浮筒体积的引擎。

而已经了解到的是，这些电池可以钝化。因此，可能认为阿尔戈已经在浮筒上装载了一定数量的瓦特，但由于这个钝化问题，这些浮标从未达到额定的功率水平。但阿尔戈已经找到了不同种类的电池，它们真正避开了这个钝化问题。因此，电池一直是研究人员必须弄清楚的一件事，以便能量不是浮筒操作的限制因素。

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