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世界科技全景百卷书: 探索海洋
关于深海钻探术的思索 人类从海洋走向陆地，将来有可能又会回到海洋，这是因为：随着全球人口越来越多，人们生活环境会越来越窄，而海洋却占据地球总面积的 71％，广阔无垠的大海，可从根本上解决人口的增长问题；另外，厚厚的海水，是天然的隔热层，人们生活在海底，四季恒温，没有寒冬和酷暑的烦恼，再有，海洋中众多的生物，为人们就近捕食提供了便利。 多少世纪以来，我国民间一直流传着金玉充盈、金碧辉煌的海底“龙宫”的神话。法国也传说，公元前350年，阿列克山特大王在100米水深的海底居住了80天，这“水晶宫”是透明材料制成的。 动听的神话只是反映了古代劳动人民征服海洋的愿望，并非真有其事。但海洋的魅力、求知的欲望、探险的情趣，深深地吸引着人们去做征服海洋的各种尝试。今天，我们可以高兴地说，不久的将来，海底“龙宫”就要建成了。这里，我们先介绍不久前出现的海底之家，再参观一下海底城市的菜园和采油基地，最后再看看新颖的海底城市中心区。 “海星”站——海底之家 20世纪初，致力于水下工程研究的人员提出建造“水下房屋”的方案，但由于技术条件的限制，也没有迫切的需要，就被搁置起来。随着科学技术和海洋开发业的发展，从 60年代初开始，水下定居点的理想才逐渐变成现实。 1962年9月，法国在地中海试验了世界上第一个水下居住室，两名海洋工作人员，在10．5米深处生活和工作了8天。 1963年6月，“海星”站潜水系统在红海实验。第一个定居点——海星站设在11米深的海底，第二个定居点——圆筒形居住室设在27米深处，15米深处还设有兼做中途停留站的水下仓库。一圆盘形潜水器负责水下安全与救护。在这海底之家里， 名潜水员在8 11米深处居住了 30天，其中 2人还去第二定居点生活了7天，并以此为基地，潜游到100米深处，创造了潜水的新纪录。另外，海面还有工作母船和一条通讯联络船，负责海底之家的生活保障和通讯。 海星站有一个中央控制室和四个辐射室，形似海星。两间辐射室是寝室，第三间为水下实验室，第四间是过渡室，下面有个“湿门”，是进出海洋的大门，由于室内气压与设置深度的水压相等，海水也不会涌进室内。 目前，海底之家能供人们在几十、几百米深的海底居住几十天甚至更长的时间，扩大了人类的生活圈，为建造海底城市打下了基础。 水下便屋 水下便屋是海底之家的卫星站，用作水下仓库或中途停留站。外形一般为半球形或帽形，用玻璃钢、有机玻璃或尼龙橡胶薄膜等材料制成。 最新水下便屋利用折叠式充气结构，由两层薄膜织物构成，两层之间有许多接点相连，内层是绝热保护层，外层万一破坏，内层能起保护作用。充气后，气囊保持一定的形状，用绳子系在海底压重物上，成为浮在水中的水下气球。屋内有电话、照明灯具、食物、饮水和呼吸用气体。把多个水下便屋集中在一起，组成水下营地，可作为大规模海底作业基地的临时住处。 水下“菜园” 浅海区阳光充足，营养丰富，是各种海洋生物繁殖的好场所。因此，这里不仅可以建设海藻农场和人工渔场，也可建造水下“菜园”，种植和饲养名贵海洋生物。“菜园”由沉放在海底的金属或塑料的笼子组成。用波浪能推动空气泵。通过供气管，把新鲜空气从海面送到海底，氧气供鱼贝类呼吸，二氧化碳供植物进行光合作用，这就大大提高了生长和繁殖速度。 收取海产时，潜水员把水下气球挂在笼子上，用气瓶给气球充气，就可把笼子提升到海面，或直接运送到海底城市中心区，供水下居民食用。 水下石油基地 现在石油开采，一般都使用海上平台或人工岛。随着科学技术的进步，石油开采从大陆架浅海区逐步向深海推进。到21世纪，将使用水下采油系统，建立水下石油开采基地。这种基地的井口装置、石油输送站、管理站等等都设在耐压球体内。若干个球体连成一组，并有耐压管道与水面相通。通向水面的管道，除油、气管外，还有升降电梯通道，以接送人员和器材。 油区专用潜水器在水下巡视，加强了油区的监督和管理，在紧急情况下，还可帮助水下工作人员脱险。 海底城市中心区 海底农场、海底菜园、海底采油基地等在建立的同时，都要解决水下居民的居住问题。近些年来，人们对未来海底城市作了种种设想，在未来的21世纪，这些设想将会得到实现。 由于海水的巨大压力，海底城市中心区将由许多抗压球体组成。一个球体好比陆上的一幢房子，几个或几十个球体联结起来，组成一个居民点，再由若干居民点组成一个城市中心区。水下城市的中心是车站，深潜器担负水中公共汽车的角色，供水下职工上、下班之用。 另外，海底城中还有设备先进的疗养院，那些需要疗养特别是神经方面有问题的患者，住在静谧的海底，呼吸着能调节神经元的空气，透过特制的透明窗户，观赏千资百态的海底动物，他们的心灵会得到净化，所患之病要不了多久也会不冶而愈。 打捞“斯坦泰克号”的启示 在历史的长河中，不知有多少船舶沉于海底，让这些沉船重见天日，是科学家大伤脑筋的事。首先是沉船的地点难以确定，即使能准确知道船舶的出事地点，但在沉没的过程中，海浪、风向和船本身的倾斜角度，使船最后沉到海底时会大大偏离出事地点，其次，海深浪急，一般的打捞办法只能束手无策，特别是在数千米深的深海更是难上加难；另外，如沉船时间较长，船体与海底泥沙粘在一起，会产生相当大的吸力，更增加了打捞的难度。 美国作家加斯勒的科幻小说《激流考察队》是一篇以打捞一艘沉没于太平洋 4 000米深处的沉船“斯坦泰克号”为背景的科幻小说，给我们深海打捞方法提供了一个很好的启示。 首先，根据出事时船所在的方位，再考虑它当时的方向，航向及出事时船舶的倾斜角度，用精确的方法，计算出它沉到海底时的位置，经过潜水艇和超声波搜索，果然很快就找到它的踪迹。然后用一种称之为“湿钢”的新型材料将船所有的裂口焊好。这种叫湿钢的新型材料，外形像塑料，在空气中柔软易曲，但与水接触后仅过90秒钟，就变得坚如钢铁。打捞人员坐潜水艇到海底，通过特制的喷嘴把湿钢喷到裂口上，倾刻之间裂缝就补得严严实实的；甚至连门窗等也统统焊死，当沉船的所有裂缝都补好后，沉船就变成了一个密封的整体。然后再在船的上方安装几个阀门。当一切就绪后，就往船内注入强大的压缩空气，当船压缩空气有足够的升力可以把船身浮上海面时，就往船底周围的沉积层注射一种化学电解质，这种电解质的反应使沉积物分解并形成一层气泡，这气泡层消除了静摩擦，使沉船容易摆脱掉沉船与淤泥间的吸力。 沉船摆脱淤泥的羁绊后，压缩空气的浮力举动沉船，迅速向海面上升去。这时，随着离海平面越来越近，船内的气压也会越来越大，若不采取措施，到一定限度，压缩空气的压力反过来又会产生膨胀使沉船炸裂，从而前功尽弃。这时，事先安放的压力安全阀开始发挥作用了，这些安全阀的耐压力事先都经过精确计算，当气压升到一定程度时，第一个安全阀自动打开，放出一部分压缩空气，这样依次打开，既保证了沉船的上升，又不使船中的压缩空气压强过大，直到沉船最后浮出海面，打捞成功。 这一切当然是科幻小说的情节，但我们谁又能说它仅是幻想呢？科学技术的发展，完全有可能使幻想变为现实。 海底抗震新设想 要在海底修建建筑物，还有个问题需要解决，那就是海底地震的威胁，海洋占地球总面积的71％，所以它经受地震的次数要比陆地多得多，只是因为它上面一层厚厚的海水，地震所造成的能量经海水的缓冲，人们不易感觉罢了。而海底建筑却不能不考虑这问题。 不过，人们如果能修造抗海水巨大压力的海底建筑，那么这种材料在抗震方面也会大显身手。据测算，这种海底建筑，能抵御9级以上的地震。据有史以来的记载，9级以上的地震极为罕见，所以一般来说，海底抗震不会成为大问题。 当然，极为罕见不等于没有，修造海底建筑费用昂贵，为确保安全，对于9级以上的地震，科学家设想了不少解决的好办法，其中之一就是“能量逐步释放”。 我们知道，地震的发生是因为地壳的偏移运动，使地壳一部分隆起，一部分下陷，产生了横向移动，于是发生了倾斜，当倾斜经长期积累，隆起的地壳弯曲程度逐渐增大，最后导致爆炸。一句话，地震就是倾斜的岩石突然崩裂，把原来因倾斜积累的能量迸发出来所产生的振动。 知道了这个道理，如果在这个“爆炸”发生之前把它的能量事先释放——当然是分几次逐步释放的话，就可避免这种强地震。 科学家是这样设想的，地震发生之前，预测到它爆发的准确时间和震中，然后在震中四周的地壳中，多次起爆微型原子弹，制造多次人工小地震，使地壳积累的能量通过这小地震而释放，那它最后的总爆炸就不会发生了，地震因而也就避免了。 至于预测地震的时间和震中并不是件难事，因为在海底，地震前所产生的地震波，通过海水的传播比在陆地上空气的传递要容易探测，因为它最先发生的是“P波”，它以 8公里／秒的速度传播，它前进的方向和垂直的振动，引起纵向摇摆，其次是“S波”，它以 5公里／秒的速度传播，它前进的方向和垂直震动引起横向摇摆，最后才是“L波”，这个“L波”摆动产生可怕的破坏力，因此，只要观测到“P波”和“S波”，就可预测到产生破坏性的“L波”。 抗压有待新技术 我们知道，建造海底建筑，首先要解决的是抗海水压力的问题。海水的压力与海深是成正比的，海水愈深，压力愈大。没有一定的抗压能力，海底建筑只能是幻想。为解决这问题，不少科学家花费了毕生的精力，后来，人们从龟壳和蛋壳的结构中得到启发，实验证明，龟壳和蛋壳结构，能使所受的力均匀，甚至相互抵销，用同样的材料，蛋壳般圆型结构能承受最大的压力。根据这原理，潜水艇做成圆形，大大增加了下潜深度。 科学的发展，轻便而又质硬的材料不断涌现，现在，人们在海底修造了一些海底建筑，作海底观察和科学实验用，这些海底建筑有拱型外壳，能把海水的压力均匀地传送到海底，增强了海底建筑的抗压能力。 科学家设想，如果能发明更高强度而又耐腐蚀的新材料，在深海的海底修建建筑物将不会是幻想，有的科学家提出设想，这种海底建筑的外壳可以做成夹层，夹层中间充满压缩空气，既轻便又减少建筑物的质量，更主要的是，这压缩空气和外面的海水压力相等或相仿，这样可以全部抵销海水所产生的巨大压力，到那时，辽阔的海底将出现一个又一个的海底城市，神话中的海龙王，再也不是神话，人人都可以随时到海底生活。 世纪海洋工程 21世纪水下机器人的设想 无人遥控潜水器，也称水下机器人，它的工作方式是，由水面母船上的工作人员，通过连接潜水器的脐带提供动力，操纵或控制潜水器；通过水下电视、声纳等专用设备进行观察；还能通过机械手，进行水下作业。目前，水下机器人已广泛用于海底开采和监测。 日本研究制造了无人有缆潜水器，用于200米以内水深的油气开采，完全取代了由潜水员去完成的危险水下作业。英国、意大利联合研制的无人遥控潜水器，性能优良，能在6000米水深持续工作250个小时，用于水下检查维修、水下测量；美国科学家研制的“小贾森”有缆潜水器有其独特的技术特点，它采用计算机控制，并通过光纤沟通潜水器与母船之间的联系。母船上装有四台专用计算机，分别用于处理海底照相机获得的资料；处理监控海洋环境变化的资料；处理海面变化的资料；处理由潜水器传输回来的其他有关技术资料等，母船将所有获得的资料经过整理，通过微波发送到加利福尼亚太平洋格罗夫研究所的实验室，并贮存在资料库里。 目前，无人无缆潜水器尚处于研究、试用阶段，还有一些关键技术问题需要解决。展望21世纪，无人无缆潜水器将向远程化、智能化发展，其活动范围在250～5000公里的半径内。在控制和信息处理系统中，采用图象识别、人工智能技术、大容量的知识库系统，以及提高信息处理能力和精密的导航定位的随感能力等。如果这些问题都解决了，那么无人无缆潜水器就能成为名副其实的海洋智能机器人。海洋智能机器人的出现和广泛使用，在21世纪一定会实现，它为人类进入海洋从事各种海洋产业活动提供了技术保证。 21世纪水下实验室 水下实验室，也称水下居住实验室或水下居住舱。水下实验室的出现，为潜水员和科学家在水下进行较长时间的活动和工作，提供了海底活动基地。水下实验室在海洋开发、海洋工程、海洋考察以及海洋军事等活动中能发挥重要作用。如果说，潜水器在海洋开发方面把人类的手臂延长到大洋海底的话，那么，水下实验室则是直接把人类自身移向大海深处。 1962年，美国研制的“海中人—1”号和法国研造的“大陆架—1”号水下实验室，分别在地中海进行实验，人类的饱和潜水技术从理论研究进入了全新的现场试验阶段。各国相继研制出各种水下实验室，在不很长的时间里水下实验室增加到七十多个。 水下实验室，用于海洋开发和地质、化学海洋环境污染等方面的考察研究，并取得了理想的成果。 1987年9月，美国海洋大气局研制出可移动式“水族馆”号水下实验室，并布放在圣克罗岛外的海域。“水族馆”号水下实验室造价550万美元，是目前用于海洋开发与研究的最为先进的水下实验室。实验室可供六名研究人员在海底工作7～30天，还能使研究人员在居住室外的海底环境中每天工作九小时。当供电和供气系统出现故障时，室内应急系统可继续工作72小时，从而让研究人员有充足的时间进行减压并浮出水面。在巴哈马群岛海域，科学家们在123米深处生活了两天，研究了人类居住在海底时神经及生理状态的反应。“海底实验室2”号在加利福尼亚附近入海，十名科学家在水深90米处生活了15天，其中一位宇航员在海底生活了30天。 德国在水下实验室的研究方面有其独到之处。1969年，由造船和核能利用公司研制的“赫尔果兰”水下实验室，长九米，宽六米，高六米，乘员四人，自持力可达149天。这个水下实验室的特点，是完全采用水面浮标系统进行补给。这种补给不受气象和海况条件的影响。另外，这种水下实验室除具有常规减压设备外，它还可以在海底直接对潜水员减压，潜水员在返回地面后可以立刻离开实验室而不会发生危险。它还配备有救生室、救生筏等水下安全室和陆上减压室，在紧急情况下供潜水员安全迅速撤离作业现场。“赫尔果兰”号水下实验室的这些技术性能，在世界水下实验室中堪称是第一流的。 水下实验室，作为未来有很大发展前景的高技术，总的趋势是向作业深度大、自持力强和机动性好的方向发展。目前，饱和潜水的最大人体模拟实验深度已达686米，实际实验深度已达520米。随着饱和潜水技术的发展，作业深度还会有新的突破，大作业深度的水下实验室在本世纪末或21世纪初将会出现。 |
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