中科院院士、同济大学海洋地质国家重点实验室教授汪品先撰文谈地球系统的第三个观测平台——

随着新世纪的到来,海洋科学界正在着手建设海底观测系统网络,以探测和理解大洋系统的物理、化学、生物和地质等过程,这是继地面/洋面和空间之后观测地球系统的第三个平台——从海底进行连续的实时观测,将使得人类可长期“呆”在海里,从而改变人类和海洋的关系。

观测地球的视野和视角

回顾人类认识世界的过程,也是一部不断扩展视野的历史。古人没想到海洋会有这么大,15世纪重新发现的“托勒密地图”上并没有太平洋,以为从欧洲航海西行到亚洲并不遥远,否则哥伦布也许不敢冒这个险,当然更不会知道海底的地形起伏会比陆地的高山深谷还大。现在我们知道,海水比河水多百万倍,海洋的平均水深3800米,但人类对深海海底的了解,还不如月亮和火星表面。而地球深处“地幔”里的水,又比地球表面的海水多许多倍(vander Meijde etal.,2003)。

人类的视域突变发生在17世纪:用新发明的显微镜,看到了细胞,看到了微生物;用新发明的望远镜观察行星,提出了“日心说”,导致了“哥白尼革命”。后一次突变发生在20世纪:航天技术使人类克服了地球引力进入太空,第一次看到地球的全貌,开始把地球看作一个整体,将地球上种种现象连结为“牵一发动全身”的系统,导致地球系统科学的产生。与17世纪发明“显微镜”相反,这次用的遥测遥感技术是一种“显宏镜”(macroscope),通过观测对象的缩小才看到地球整体。17世纪从地球向外看太阳系,带来哥白尼革命;20世纪从太空向内看地球,带来的科学进步被喻为“第二次哥白尼革命”(Schellnhuber,1999)。

这次“革命”对地球科学的影响最大,尤其是浩瀚的大洋。过去人类对海洋的认识大都是19世纪晚期以来通过航海取得的,这种星星点点、断断续续地观测,带来了许多错觉和误会。直到20世纪早期,测量海底地形的办法还是用绳子系上重锤抛到海底,以此测算水深,得来的测点廖若晨星。再如,在船上用温度计测量海水表层,只能测了上点再测下点,永远也绘不出一张精确的海洋温度图来。直到20世纪出现的卫星遥测遥感技术,才开辟了全新的对地观测系统,能够获取全球性和动态性的图景。同时得到的不仅有海水表面的温度、风场、海流和波浪,而且有生产力、污染以至浅海地形等各方面的信息。

但是遥感技术的主要观测对象在于地面与海面,难以到达海底。能不能换一个视角,把观测平台放到海底去,从海底看海面。新世纪伊始,一个新的热点正在出现,这就是海底观测系统。假如把地面与海面看作地球科学的第一个观测平台,把空中的遥测遥感看作第二个观测平台,那末,在新世纪建立的海底观测系统将是第三个观测平台——把深海大洋置于人类的监测视域之内,从根本上改变人类认识海洋的途径,开创海洋科学的新阶段。

深海的持续观测

迄今最深的深海探测记录是在1960年1月23日,瑞士工程师J.Piccard和一名美国军官乘坐"Trieste"号深潜器,下到了大洋的最深处——马里亚纳海沟,在10916米深的海底呆了20分钟。千米水深有上百个大气压,到深海做“探险”可以,但长期蹲在海底“观测”又谈何容易!

然而长期现场观测是对当代地球科学提出的要求。当地球科学处在描述阶段、以寻找矿产资源为主要目标时,探险、考察大体上可以解决问题;而现代地球科学要作环境预测,只有通过过程观测才能揭示机理,不能满足于短暂的“考察”。对于静态的对象,无论是“新大陆”还是古墓群,探险就可以发现;对于动态的过程,不管是风向、海流还是火山爆发,都要求连续观测,只摄取个别镜头的“考察”无济于事。

秘魯和厄瓜多尔的漁民,很久以来就知道几年一度的“厄尔尼诺”现象,但谁也不明白它的来历。从1985年开始,科学家在太平洋赤道两侧投放了近70个锚系,对水文、风速、风向等连续观测了十几年,终于找到了原因所在——赤道的东风减弱,西太平洋暖池的次表层水东侵,压住了东太平洋上升流。此后,预测厄尔尼诺就有了依据(Field etal.,2002)。另一个例子是海洋沉积。长期以来,人们总以为海底的泥层是一种缓慢、均匀的沉积过程。自1978年发明了“沉积捕获器”后,当把装有杯子的“漏斗”投放到海水深层,每隔几天换一次杯子(了解沉积颗粒究竟是怎样降到海底的)。结果大出意外,有的杯子几乎是空的。原来,海洋中的沉积作用在平时微乎其微,但来时犹如疾风暴雨,呈突发性的(Honjo etal.,1982)。

近来的动向,就是把观测点放到海底去:在海底布设观测网,用电缆或光纤供应能量、收集信息,多年连续作自动化观测,随时提供实时观测信息。其优点在于摆脱了船时与舱位、天气和数据迟到等种种局限性,科学家从陆上通过网络可以实时监测和操控深海实验(监测风暴、藻类勃发、地震、海底喷发、滑坡等各类突发事件),也是地球科学又一次来自海洋的革命。

如果说在船上或岸上进行观测,是从外面对海洋作“蜻蜓点水”式的访问;从海底设站进行长期实时观测,则是深入到海洋内部作“蹲点调查”,是把深海大洋置于人类的监测视域之内。500年前达·芬奇设计潜水服,130年前凡尔纳写《海底两万里》,在当时都只是科学幻想。今天,不仅人类可以下潜到洋底深渊,机器人可以游弋海底火山,而在海底铺设观察网,可以把大洋深处呈现在我们面前(Fornari,2004)。可以设想,未来的人们可以打开电视屏幕,像看足球赛那样观赏海底火山喷发的现场直播。

贴近地球深部的窗口

地球的半径有6000多公里,而我们人类的活动空间基本上从海面到山顶,通常局限在上下几百米、至多几千米的范围之内,只占地球半径的几千、几万分之一。我们所接触的大气、海洋以致地壳,属于地球的表层系统;而真的要了解地球系统还必须“由表及里”,不能忽视地球的主体——地幔和地核。一旦深部的物质和能量快速释放到表层,就会给人类带来毁灭性的灾害(火山爆发和地震)。

世界上80%的火山爆发和地震发生在海底,而且主要沿着地壳的边界:新生地壳形成的大洋中脊和地壳消亡的大洋俯冲带。因此,海底观测的最早主题就是地震。1991年开始建设的“大洋地震网",就是在大洋钻探(ODP)钻孔中设置地震仪,第一个设在夏威夷西南水深4400米、井深近300米的海底玄武岩里,仅4个月就记录了55次远距离的地震(Stephan etal.,2003)。大洋中脊和俯冲带,是地球深部通向表层系统的窗口,也是多少亿年来地球内部能量向外释放的通道。将对地观测系统直接放到海底这些通道口上,就是为揭示地球深部与表层的相互作用铺路架桥;而海底的“热液”活动,正是这种相互作用的重要表现。

海底下的海洋与深部生物圈

无论是热液、冷泉,还是海底矿物、生物群的形成,基础都是微生物的活动。处在“黑暗食物链”底层的微生物,都是利用地热化学合成的硫细菌。实际上更多的微生物生活在海底之下的岩层中,构成所谓的"深部生物圈"。这些原核生物个体极为细小,却有极大的数量。有人估计,其生物量相当于全球地表生物总量的1/10,占全球微生物总量的2/3。其中有的已经享有数百万年以上的高寿,是地球上真正的“寿星”。不过面对“水深火热”的环境,在暗无天日的岩石狭窄孔隙中长期“休眠”,其生活质量恐怕也不值得羡慕。只有一旦岩浆活动带来的热量与挥发物,它们才会重返“青春”,甚至从热液口喷出,造成海底微生物的“雪花”奇观。因此,也只有在海底火山口附近设站长期观测,才能捕获这类事件。

海洋可以从海面往下看,也可以从海底往上看,但只有海底的观测平台才能既看到地球内部自下而上的过程,也看到地球表面自上而下的过程。如上所述,海底下面的岩浆上涌,会带来营养和能量的脉冲,造成热液活动和热液生物的爆发;海底也会感受海面的潮汐周期,也会接受藻类勃发、鲸鱼死亡给海底带来的“天降”食物。这里的观测从学科发展讲,是地球系统科学深入的途径;从实用角度讲,首先是能源开发的新天地。

图3.美国对海底热液口的原位长期观测、采样和试验设备

深海石油的勘探开发,是海底观测的应用大户,因为未来40%的石油储量估计将来自深海。由于深海油藏大量出现在浊流作用形成的地层里,有效地勘探要求在海底作实地观测,了解深海沉积物的分布和运移。60年代中期起,用光学和声学的浊度仪测量海水中沉积颗粒物的浓度和粒度分布,以及用传感器在海底之上进行观测与摄像,发现海流和波浪一直在改造着海底“,海底风暴”的最大流速可以高达40cm/秒,揭示了沉积作用的真相。英国的Bathyscaph、美国的GEOPROBE等观测设备,都为取得海底沉积的真实认识立下了功勋(Cacchione etal.,2006)。

原位分析与实时观测

地球系统的观测不仅贵在实时,而且有许多内容还必须在原位进行分析。到现场采样,回室内实验,这是多少年来地球科学的传统。但是,有许多现象是不能“采样”分析的:如热液的温度、pH值,采回来就变了,包括沉积物颗粒,本来的团粒一经采样也就散了,分析的结果不能反映真实情况。新的方向是倒过来:不是把样品从海里采回实验室做分析,而是把实验室的仪器投到海里去分析样品。

如近来发明的下潜流式细胞计(Flow Cytobot),可以不必取上水样,而是直接投入海中作自动的连续测量(Olsen etal.,2003)。美国罗格斯大学的LEO-15海底观测站,利用下潜流式细胞计取得了两个月的时间序列,发现微微型浮游生物兰细菌(Synechococcus)的丰度有急剧的变化(Sosik etal.,2003)。再进一步的发展,一是“水下显微镜”,使下潜的细胞计具有呈像功能,依靠光纤将生物图像实时发回,全面鉴定统计从硅藻到细菌各种不同大小的浮游生物;二是“DNA探针”,放到海里原位测量生物的基因,在分子水平上测定各种浮游生物的丰度,从而发展“微生物海洋学(microbial oceanography)"新学科。

海水中的原位观测,只要将传感器与海底的节点连接,就成了海底观测系统的一部分。从海底“向上看”,可以摆脱从海面“向下看”所受到的海况、信息传送等限制,可以进行长期实时的观测。其实海底观测系统的应用前景,并不限于地球科学。海底不但是探测生命起源和极端环境生物学的理想场所,甚至还是高能物理探测基本粒子的去处。来自宇宙的中微子(neutrino)穿越水层时,会因其产生的μ介子(muon)留下光学效应,从而可以在深海追踪中微子在宇宙中的来源。科学家可以把海洋当作“天文台”,在海底架起“望远镜”进行追踪。当然这海水必须深于千米,而且透明度要高、颗粒物要少,如1996年,欧洲国家在地中海开展的“中微子望远镜天文学与深海环境研究(ANTARES)"计划(Favali & Beranzoli,2006)。

正在来临的国际竞争

与20世纪以前“炮舰外交”的时期不同,现代海上的国际之争,很大程度上就是科技之争;一些属于海洋权益和军事的举措,往往也是在科学研究的旗帜下进行。进入21世纪以来,最令人瞩目的就是海底观测系统的竞争——建设海底地球观测平台,通过光缆联网供电和传递信息,对海底下的岩石、流体和微生物,对大洋水层的物理、化学与生物,以及对大气进行实时和连续的长期观测。

图4.美国-加拿大“海王星”计划的海底传感器及其联网

在这场酝酿中的竞争中,走在最前面的是美国。经过十多年的论证,2006年6月,美国通过了由近海、区域、全球三大海底观测系统组成的“海洋观测计划(OOI)”。其中最重要的是区域性海底观测网——东北太平洋的“海王星”(NEPTUNE)计划,即在整个胡安·德富卡板块上,用2000多公里光纤带电缆,将上千个海底观测设备联网(美、加两国联合投资),对水层、海底和地壳进行长期连续实时观测。

针对从北冰洋到黑海不同海域的科学问题,2004年,英、德、法等国制定了欧洲海底观测网计划(ESONET),意在大西洋与地中海选择10个海区设站建网进行长期的海底观测。而日本特别关注板块俯冲带的震源区,80年代末期以来,日本已在其附近海域建立了8个深海海底地球物理监测台网,有的已和陆地台站连结进行地震监测;2003年,日本又提出了ARENA计划,即用光缆连接俯冲带海沟跨越板块边界的观测站网络,进行海底实时监测(同济大学海洋地质实验室,2006)。可以预料,海底观测网建设的国际竞争在若干年内必将引发国际权益与安全之争。我国决不能袖手旁观,应该尽早着手,力争主动。

应该承认,我国历来在海洋观测方面严重落后。虽然近十余年来海洋考察船的调查相当活跃,但在长期观测上缺少举措,已经落在一些亚洲邻国之后。印度早在十年前通过国际合作,在其专属经济区水深20米～4100米间投放12个浮标;韩国2003年在东海建成了世界上最大的无人海洋观测站。近年来,在海洋"863"计划和地方建设的推动下,我国已经在沿海周边地区初步建立起航天、航空、海监船体等监测体系,提高了海洋环境观测监测和预报能力,但其目标还是海面的环境监测和台风、风暴潮等的预警,并未涉及海底。好在海底观测系统即便在发达国家目前也处于起步阶段,如果我国能够从长远着眼、从当前着手尽快行动,完全有可能在这场新的海底竞争中取得主动。

回顾历史,科学的发展历来具有突发性。地球科学在19世纪的突破缘于生命和地球环境演变的进化论;20世纪的突破在于地球构造运动的板块学说;而突破的基础都在于新的观测,这在当时的中国无从谈起。达尔文经过“贝格尔”号船上5年的观测才形成进化论,但当时的中国处在鸦片战争前夕“;物种原始”发表的1859年正值英法联军攻战大沽口,国祚垂危,遑论学问。板块学说的证明关键在于深海钻探,然而深海钻探开始的1968年,中国正值“文革”高峰,只闻“打倒“”砸烂”,哪有科研的余地?对于前两个世纪世界地球科学的进展,中国愧无贡献,首先是历史的原因。

曾经有人预言,21世纪的突破将在地球系统科学的领域,届时,人类从地面、空间、海底三管齐下观测地球,以揭示地球系统的“运作”之谜。作为一个新兴的领域,处在建设中的海底观测系统正是通向新突破的捷径。中国目前经历着数百年不遇的良机,科研投入增长之迅速令各国羡慕。因此,我国科学界应当深思:我们能不能抓住时机,在这场新的突破中对人类做出应有的贡献?国人的回答和行动,将决定历史给予我们的评价。

[本文略有删节]