北太平洋西部馬里亞納群島以東海底，有一條幽美的弧形洼地，如一抹“神秘微笑”鑲嵌于深藍(lán)。這就是人類已知的地球表面最深處——馬里亞納海溝。
近日，由中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)工程院主辦，兩院院士投票評(píng)選產(chǎn)生的2020年中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞揭曉，其中一條新聞格外亮眼：我國(guó)“海斗一號(hào)”無(wú)人潛水器在馬里亞納海溝實(shí)現(xiàn)最大下潛深度10907米；“奮斗者”號(hào)載人潛水器在同一海溝成功坐底，創(chuàng)下10909米的中國(guó)載人深潛新紀(jì)錄。
這一新聞，又一次把人們的目光引向了有著地球“第四極”之稱的馬里亞納海溝。多少年來(lái)，來(lái)自世界各國(guó)的海洋學(xué)家和測(cè)量學(xué)家勇往直“潛”，在一次次突破極限中探索馬里亞納海溝的奧妙?！皧^斗者”號(hào)此次深潛，是人類歷史上第3次將載人潛水器送達(dá)這里。
秘境探險(xiǎn)，各國(guó)競(jìng)相發(fā)力
馬里亞納海溝，長(zhǎng)度延伸約2550千米，平均寬約70千米，整體水深深于6000米，最深處位于海溝內(nèi)的查林杰海淵，為11040.4米。
這個(gè)深度是什么概念？如果把8848.86米的珠穆朗瑪峰放在溝底，峰頂還會(huì)淹沒(méi)在水下2100余米。
關(guān)于馬里亞納海溝的成因，說(shuō)法不一。有的理論認(rèn)為，是海洋板塊與大陸板塊相互碰撞所致，海洋板塊因巖石密度大、位置低，俯沖插入大陸板塊之下，進(jìn)入地幔后逐漸熔化而消失，在發(fā)生碰撞的地方形成了海溝；還有理論認(rèn)為，其形成源于海底地殼的劇烈凹陷。
人類對(duì)于馬里亞納海溝的正式探測(cè)，始于20世紀(jì)50年代。
1951年，英國(guó)皇家海軍“挑戰(zhàn)者”號(hào)首次測(cè)量海溝，測(cè)得最大深度為10900米，所在海域以測(cè)量船名字命名為“Challenger Deep”（“查林杰海淵”）。
1957年，蘇聯(lián)科學(xué)院海洋研究所海洋考察船“斐查茲”號(hào)，對(duì)馬里亞納海溝進(jìn)行了詳細(xì)探測(cè)，在其西南部也發(fā)現(xiàn)了查林杰海淵，測(cè)得其最大深度為11034米。
1960年，瑞士著名深海探險(xiǎn)家雅克·皮卡爾與美國(guó)海軍中尉沃爾什，乘坐美海軍“的里雅斯特”號(hào)深海潛水器，首次成功下潛至馬里亞納海溝底部進(jìn)行科學(xué)考察，創(chuàng)造了載人下潛海溝10916米的世界紀(jì)錄。
1962年，機(jī)動(dòng)載具“史賓塞·傅樂(lè)頓·拜爾德”號(hào)測(cè)得最大深度為10915米。1984年，日本將探測(cè)航具“拓洋”號(hào)送入馬里亞納海溝，測(cè)得其最大深度為11040.4米。1995年，日本深海探測(cè)機(jī)器人“海溝”號(hào)測(cè)得深度為10911米。
2012年，美國(guó)好萊塢著名導(dǎo)演詹姆斯·卡梅隆，獨(dú)自乘坐“深海挑戰(zhàn)者”號(hào)深潛器下潛至10929米深處，成為人類第二次載人深潛探底馬里亞納海溝、單槍匹馬潛至地球最深處的第一人。
我國(guó)深海勘探技術(shù)始于20世紀(jì)70年代。
1986年，中國(guó)第一艘深潛救生艇完成了300米深度試驗(yàn)，揭開了中國(guó)載人深潛序幕。隨著近年來(lái)科技發(fā)展進(jìn)步，我國(guó)先后自主研制了3艘載人潛水器，并成功進(jìn)行了深海下潛試驗(yàn)，成為繼美、法、俄、日之后世界上第5個(gè)掌握載人深潛技術(shù)的國(guó)家。
2012年，我國(guó)深海載人潛水器“蛟龍”號(hào)，在馬里亞納海溝先后進(jìn)行了多次試潛，創(chuàng)造了下潛7062米的中國(guó)載人深潛紀(jì)錄，也是世界作業(yè)類型潛水器最大下潛深度紀(jì)錄。
我國(guó)第二臺(tái)深海載人潛水器“深海勇士”號(hào)，2017年以來(lái)也多次在南海和馬里亞納海溝進(jìn)行載人下潛試驗(yàn)，最深成功下潛4500米。
2020年，我國(guó)第三臺(tái)深海載人潛水器“奮斗者”號(hào)，多次成功進(jìn)行萬(wàn)米海試，最深潛入馬里亞納海溝10909米，創(chuàng)下中國(guó)載人深潛新紀(jì)錄，也創(chuàng)造了3名科考隊(duì)員同時(shí)搭乘同一深潛器下潛到海洋最深處的世界紀(jì)錄。
勇往直“潛”，考驗(yàn)硬核實(shí)力
據(jù)初步探測(cè)，全球深于6000米的海溝約有37條。這些深海區(qū)域，幾乎都是冰冷、高壓和漆黑的世界。
馬里亞納海溝水溫僅有2℃，水壓高達(dá)上千個(gè)大氣壓，深潛器需要承受巨大壓力，相當(dāng)于30頭大象站在一個(gè)成年人的手掌上。
神話傳說(shuō)中，“八仙”憑借不同“法寶”，各顯神通才成功渡?！，F(xiàn)代測(cè)繪工作者想要在深海大洋里“以手掌對(duì)抗大象的壓力”，描繪出馬里亞納海溝這抹“神秘微笑”的深度，亦自有“法寶”：
母船——堅(jiān)實(shí)的“畫板”。繪就佳作少不了畫板支撐，承載深潛器的母船像“畫板”一樣，為茫茫大海上的測(cè)繪工作提供了作業(yè)平臺(tái)。
隨著深海探測(cè)技術(shù)的深入發(fā)展，各國(guó)作業(yè)母船深潛科研保障能力越來(lái)越強(qiáng)，船上設(shè)備越來(lái)越先進(jìn)。除有遠(yuǎn)洋航行和科考功能設(shè)備外，一般都還有固定深潛器的裝置、吊裝潛水器的吊車、全海深地質(zhì)絞車、光纜絞車、指揮和接收?qǐng)D像的操控室等。
據(jù)報(bào)道，我國(guó)“奮斗者”號(hào)萬(wàn)米深潛，采用了雙母船護(hù)航模式。其中，載人潛水器“深海勇士”號(hào)的科研母船“勘探一號(hào)”作為支援船，和新建造的第一只專用萬(wàn)米深?？蒲心复翱碧蕉?hào)”保障船“雙船合璧”?！翱碧蕉?hào)”噸位大、性能好，搭載了多臺(tái)（套）我國(guó)自主研發(fā)的科研設(shè)備和探測(cè)儀器，是一個(gè)多功能深?？蒲衅脚_(tái)。
深潛器——精準(zhǔn)的“畫筆”。母船到達(dá)目標(biāo)海域后，深潛器閃亮登場(chǎng)，如同一支在大海海底這頁(yè)畫紙上描繪的畫筆。
打造一支好“畫筆”，材料和工藝很重要。1960年，美國(guó)載人深潛器“的里雅斯特”號(hào)，潛至9785米海深時(shí)發(fā)生劇烈震動(dòng)，一塊19厘米厚的舷窗玻璃出現(xiàn)輕微裂痕，足見(jiàn)海底高壓對(duì)潛水器材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求極高。
近年來(lái)，出現(xiàn)的新型鈦合金材料，強(qiáng)度大、韌性好，經(jīng)過(guò)多年試用，可完全滿足深潛的高壓和沖擊要求。另外，精密的工業(yè)制造、冷彎和焊接技術(shù)，為載人潛水器載人艙的安全可靠性提供了技術(shù)保障。
據(jù)悉，我國(guó)深海載人潛水器“奮斗者”號(hào)載人艙采用鈦合金材料制造，耐壓浮力好，直徑達(dá)到2米，為世界最大深潛器。這標(biāo)志著我國(guó)鈦合金材料技術(shù)和焊接加工技術(shù)已處于國(guó)際領(lǐng)先水平。
黑暗中，“運(yùn)筆”需更加靈敏。潛水器控制系統(tǒng)屬于深潛器的“大腦中樞”，是保證深潛設(shè)備和潛航員安全的關(guān)鍵。過(guò)去，巡航過(guò)程中若前面出現(xiàn)巨石，深潛器需要繞過(guò)去；如果通過(guò)聲波遙控實(shí)現(xiàn)避障，往往會(huì)來(lái)不及。現(xiàn)在，日益完善的自主導(dǎo)航技術(shù)，能保證深潛器按照預(yù)設(shè)航線自動(dòng)巡航。特別是先進(jìn)的避碰系統(tǒng)，可確保潛水器在深海航行過(guò)程中規(guī)避障礙物。潛水器發(fā)生漏水等意外情況，控制系統(tǒng)可關(guān)閉液壓系統(tǒng)，以保護(hù)潛水器主體和潛航員。
聲波——鮮艷的“顏料”。由于海水吸收及散射作用，光波和無(wú)線電波均無(wú)法達(dá)到深海海底，因而聲波成了勾勒海溝深度痕跡的最佳“顏料”。聲波在海水中的傳播速度約為1500米/秒，正常情況下由母船傳播到萬(wàn)米海底約需7秒鐘。可采用有纜通信和無(wú)纜通信兩種深海水聲通信技術(shù)。
有纜通信就是母船與深潛器之間采用的光纜通信。母船發(fā)出的信號(hào)和深潛器上實(shí)時(shí)獲得的信息，通過(guò)光纜傳輸，操作人員可觀察監(jiān)視器上的圖像，在母船上對(duì)深潛器進(jìn)行操作。潛航員也可根據(jù)母船上的指令進(jìn)行深海作業(yè)，實(shí)時(shí)上傳獲取數(shù)據(jù)。這種通信方式，信號(hào)傳輸精度高、損耗少，但上萬(wàn)米的線纜在海中容易纏繞到巖石上，且線纜長(zhǎng)度會(huì)限制潛水器活動(dòng)范圍。
在萬(wàn)米海底，光纜還會(huì)因承受巨大水壓而變形。20世紀(jì)90年代，日本“海溝”號(hào)深潛試驗(yàn)時(shí)，曾出現(xiàn)過(guò)信號(hào)中斷、圖像消失的現(xiàn)象。其原因就在于電纜內(nèi)有間隙，當(dāng)遇上海底高壓時(shí)，光纖出現(xiàn)了變形。后來(lái)，電纜中填充了軟合成樹脂，以保持其柔韌性，試驗(yàn)才取得成功。
無(wú)纜通信則是利用聲波在海水中傳播距離遠(yuǎn)、能量耗散低的特性，在母船和深潛器之間利用聲波通信系統(tǒng)直接進(jìn)行的通信。但由于受海水溫度、鹽度、密度、躍變層及洋流、懸浮物等復(fù)雜因素影響，水聲信號(hào)在深海傳播也會(huì)發(fā)生散射、能耗等現(xiàn)象，致使母船和深潛器之間的通信時(shí)常出現(xiàn)信號(hào)減弱、延遲等。
據(jù)了解，我國(guó)目前載人深潛器都采用無(wú)纜通信方式。“奮斗者”號(hào)載人潛水器下潛萬(wàn)米海試中，成功實(shí)現(xiàn)全球首個(gè)萬(wàn)米水下高清視頻信號(hào)直播傳輸。
展望未來(lái)，夢(mèng)想照進(jìn)深海
人類目前測(cè)得的馬里亞納海溝深度，并非深海探測(cè)的最終目的和科研峰頂。海底下，還蘊(yùn)藏著無(wú)窮無(wú)盡的奧秘，等待著人類去追尋。展望未來(lái)，我國(guó)在這方面，尚處于剛剛起步，還需奮起直追。
在世界范圍來(lái)看，目前各國(guó)對(duì)不超過(guò)6000米的海面探底測(cè)深技術(shù)和4000米以內(nèi)的海底淺層沉積物探測(cè)技術(shù)已經(jīng)成熟。其原理都是利用船載探測(cè)設(shè)備上的換能器向海底發(fā)射聲波，根據(jù)接收回波信號(hào)特征，獲取測(cè)量數(shù)值和海底圖像。而對(duì)深于6000米的海域，尚需深入研究聲波在深海的傳播規(guī)律，并研發(fā)應(yīng)用于深海探測(cè)的多波束測(cè)深儀、側(cè)掃聲吶和淺地層剖面儀等高精度高分辨率深海測(cè)量設(shè)備，將其搭載在測(cè)量船上。如此，科研人員才能在海面精確探測(cè)出深海大洋的深度，同時(shí)能給海底構(gòu)成物質(zhì)進(jìn)行CT掃描診斷，提高探測(cè)精度。
此外，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人深潛器的研發(fā)和利用也將成為熱門。
比起載人深潛器，無(wú)人深潛器不僅具有體積小、能提高深潛器在海底活動(dòng)靈敏度等特點(diǎn)，還能降低探測(cè)人員的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。僅需利用載人深潛平臺(tái)，對(duì)一些重要海底區(qū)域進(jìn)行深潛測(cè)深和采樣作為補(bǔ)充手段，將所采集數(shù)據(jù)與海面儀器測(cè)量的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)校驗(yàn)，便可大幅提高深海探測(cè)效益，更精確地描繪出海底地貌形態(tài)。
2016年，我國(guó)自主研制的“海斗”號(hào)無(wú)人潛水器，隨同母船“探索一號(hào)”科考船在馬里亞納海溝開展萬(wàn)米深潛試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)最大潛深10767米，創(chuàng)造了我國(guó)無(wú)人潛水器最大下潛及作業(yè)深度紀(jì)錄，標(biāo)志著我國(guó)無(wú)人下潛技術(shù)正在走向成熟。
縱橫海底，科技日新月異，值得我們持續(xù)關(guān)注的是，還需推動(dòng)深?？睖y(cè)法律體系的建立健全。
科考人員在深海探測(cè)馬里亞納海溝時(shí)，發(fā)現(xiàn)有沉積塑料，說(shuō)明海洋污染已較為嚴(yán)重。各國(guó)對(duì)深海資源的探測(cè)、開采等，勢(shì)必帶來(lái)競(jìng)爭(zhēng)，也會(huì)給深海大洋造成一定的污染威脅。為此，完善深海大洋資源開發(fā)方面的法律迫在眉睫，不能將開發(fā)深海資源變成打開“潘多拉魔盒”。
滄海變桑田，追夢(mèng)無(wú)極限。隨著我國(guó)綜合科技實(shí)力從傳承到創(chuàng)新、從量變到質(zhì)變，隨著海洋學(xué)家和測(cè)量學(xué)家的妙手勾勒，馬里亞納海溝這抹“神秘微笑”必將更加迷人。
供圖：王皓凡