探寻“神秘微笑”的深度

马里亚纳海沟地貌呈弧形分布，酷似一抹“神秘微笑”。

我国深海载人潜水器“奋斗者”号。

　　北太平洋西部马里亚纳群岛以东海底，有一条幽美的弧形洼地，如一抹“神秘微笑”镶嵌于深蓝。这就是人类已知的地球表面最深处——马里亚纳海沟。

　　近日，由中国科学院、中国工程院主办，两院院士投票评选产生的2020年中国十大科技进展新闻揭晓，其中一条新闻格外亮眼：我国“海斗一号”无人潜水器在马里亚纳海沟实现最大下潜深度10907米;“奋斗者”号载人潜水器在同一海沟成功坐底，创下10909米的中国载人深潜新纪录。

　　这一新闻，又一次把人们的目光引向了有着地球“第四极”之称的马里亚纳海沟。多少年来，来自世界各国的海洋学家和测量学家勇往直“潜”，在一次次突破极限中探索马里亚纳海沟的奥妙。“奋斗者”号此次深潜，是人类历史上第3次将载人潜水器送达这里。

　　秘境探险，各国竞相发力

　　马里亚纳海沟，长度延伸约2550千米，平均宽约70千米，整体水深深于6000米，最深处位于海沟内的查林杰海渊，为11040.4米。

　　这个深度是什么概念?如果把8848.86米的珠穆朗玛峰放在沟底，峰顶还会淹没在水下2100余米。

　　关于马里亚纳海沟的成因，说法不一。有的理论认为，是海洋板块与大陆板块相互碰撞所致，海洋板块因岩石密度大、位置低，俯冲插入大陆板块之下，进入地幔后逐渐熔化而消失，在发生碰撞的地方形成了海沟;还有理论认为，其形成源于海底地壳的剧烈凹陷。

　　人类对于马里亚纳海沟的正式探测，始于20世纪50年代。

　　1951年，英国皇家海军“挑战者”号首次测量海沟，测得最大深度为10900米，所在海域以测量船名字命名为“Challenger Deep”(“查林杰海渊”)。

　　1957年，苏联科学院海洋研究所海洋考察船“斐查兹”号，对马里亚纳海沟进行了详细探测，在其西南部也发现了查林杰海渊，测得其最大深度为11034米。

　　1960年，瑞士著名深海探险家雅克·皮卡尔与美国海军中尉沃尔什，乘坐美海军“的里雅斯特”号深海潜水器，首次成功下潜至马里亚纳海沟底部进行科学考察，创造了载人下潜海沟10916米的世界纪录。

　　1962年，机动载具“史宾塞·傅乐顿·拜尔德”号测得最大深度为10915米。1984年，日本将探测航具“拓洋”号送入马里亚纳海沟，测得其最大深度为11040.4米。1995年，日本深海探测机器人“海沟”号测得深度为10911米。

　　2012年，美国好莱坞著名导演詹姆斯·卡梅隆，独自乘坐“深海挑战者”号深潜器下潜至10929米深处，成为人类第二次载人深潜探底马里亚纳海沟、单枪匹马潜至地球最深处的第一人。

　　我国深海勘探技术始于20世纪70年代。

　　1986年，中国第一艘深潜救生艇完成了300米深度试验，揭开了中国载人深潜序幕。随着近年来科技发展进步，我国先后自主研制了3艘载人潜水器，并成功进行了深海下潜试验，成为继美、法、俄、日之后世界上第5个掌握载人深潜技术的国家。

　　2012年，我国深海载人潜水器“蛟龙”号，在马里亚纳海沟先后进行了多次试潜，创造了下潜7062米的中国载人深潜纪录，也是世界作业类型潜水器最大下潜深度纪录。

　　我国第二台深海载人潜水器“深海勇士”号，2017年以来也多次在南海和马里亚纳海沟进行载人下潜试验，最深成功下潜4500米。

　　2020年，我国第三台深海载人潜水器“奋斗者”号，多次成功进行万米海试，最深潜入马里亚纳海沟10909米，创下中国载人深潜新纪录，也创造了3名科考队员同时搭乘同一深潜器下潜到海洋最深处的世界纪录。

　　勇往直“潜”，考验硬核实力

　　据初步探测，全球深于6000米的海沟约有37条。这些深海区域，几乎都是冰冷、高压和漆黑的世界。

　　马里亚纳海沟水温仅有2℃，水压高达上千个大气压，深潜器需要承受巨大压力，相当于30头大象站在一个成年人的手掌上。

　　神话传说中，“八仙”凭借不同“法宝”，各显神通才成功渡海。现代测绘工作者想要在深海大洋里“以手掌对抗大象的压力”，描绘出马里亚纳海沟这抹“神秘微笑”的深度，亦自有“法宝”：

　　母船——坚实的“画板”。绘就佳作少不了画板支撑，承载深潜器的母船像“画板”一样，为茫茫大海上的测绘工作提供了作业平台。

　　随着深海探测技术的深入发展，各国作业母船深潜科研保障能力越来越强，船上设备越来越先进。除有远洋航行和科考功能设备外，一般都还有固定深潜器的装置、吊装潜水器的吊车、全海深地质绞车、光缆绞车、指挥和接收图像的操控室等。

　　据报道，我国“奋斗者”号万米深潜，采用了双母船护航模式。其中，载人潜水器“深海勇士”号的科研母船“勘探一号”作为支援船，和新建造的第一只专用万米深海科研母船“勘探二号”保障船“双船合璧”。“勘探二号”吨位大、性能好，搭载了多台(套)我国自主研发的科研设备和探测仪器，是一个多功能深海科研平台。

　　深潜器——精准的“画笔”。母船到达目标海域后，深潜器闪亮登场，如同一支在大海海底这页画纸上描绘的画笔。

　　打造一支好“画笔”，材料和工艺很重要。1960年，美国载人深潜器“的里雅斯特”号，潜至9785米海深时发生剧烈震动，一块19厘米厚的舷窗玻璃出现轻微裂痕，足见海底高压对潜水器材料和结构设计要求极高。

　　近年来，出现的新型钛合金材料，强度大、韧性好，经过多年试用，可完全满足深潜的高压和冲击要求。另外，精密的工业制造、冷弯和焊接技术，为载人潜水器载人舱的安全可靠性提供了技术保障。

　　据悉，我国深海载人潜水器“奋斗者”号载人舱采用钛合金材料制造，耐压浮力好，直径达到2米，为世界最大深潜器。这标志着我国钛合金材料技术和焊接加工技术已处于国际领先水平。

　　黑暗中，“运笔”需更加灵敏。潜水器控制系统属于深潜器的“大脑中枢”，是保证深潜设备和潜航员安全的关键。过去，巡航过程中若前面出现巨石，深潜器需要绕过去;如果通过声波遥控实现避障，往往会来不及。现在，日益完善的自主导航技术，能保证深潜器按照预设航线自动巡航。特别是先进的避碰系统，可确保潜水器在深海航行过程中规避障碍物。潜水器发生漏水等意外情况，控制系统可关闭液压系统，以保护潜水器主体和潜航员。

　　声波——鲜艳的“颜料”。由于海水吸收及散射作用，光波和无线电波均无法达到深海海底，因而声波成了勾勒海沟深度痕迹的最佳“颜料”。声波在海水中的传播速度约为1500米/秒，正常情况下由母船传播到万米海底约需7秒钟。可采用有缆通信和无缆通信两种深海水声通信技术。

　　有缆通信就是母船与深潜器之间采用的光缆通信。母船发出的信号和深潜器上实时获得的信息，通过光缆传输，操作人员可观察监视器上的图像，在母船上对深潜器进行操作。潜航员也可根据母船上的指令进行深海作业，实时上传获取数据。这种通信方式，信号传输精度高、损耗少，但上万米的线缆在海中容易缠绕到岩石上，且线缆长度会限制潜水器活动范围。

　　在万米海底，光缆还会因承受巨大水压而变形。20世纪90年代，日本“海沟”号深潜试验时，曾出现过信号中断、图像消失的现象。其原因就在于电缆内有间隙，当遇上海底高压时，光纤出现了变形。后来，电缆中填充了软合成树脂，以保持其柔韧性，试验才取得成功。

　　无缆通信则是利用声波在海水中传播距离远、能量耗散低的特性，在母船和深潜器之间利用声波通信系统直接进行的通信。但由于受海水温度、盐度、密度、跃变层及洋流、悬浮物等复杂因素影响，水声信号在深海传播也会发生散射、能耗等现象，致使母船和深潜器之间的通信时常出现信号减弱、延迟等。

　　据了解，我国目前载人深潜器都采用无缆通信方式。“奋斗者”号载人潜水器下潜万米海试中，成功实现全球首个万米水下高清视频信号直播传输。

　　展望未来，梦想照进深海

　　人类目前测得的马里亚纳海沟深度，并非深海探测的最终目的和科研峰顶。海底下，还蕴藏着无穷无尽的奥秘，等待着人类去追寻。展望未来，我国在这方面，尚处于刚刚起步，还需奋起直追。

　　在世界范围来看，目前各国对不超过6000米的海面探底测深技术和4000米以内的海底浅层沉积物探测技术已经成熟。其原理都是利用船载探测设备上的换能器向海底发射声波，根据接收回波信号特征，获取测量数值和海底图像。而对深于6000米的海域，尚需深入研究声波在深海的传播规律，并研发应用于深海探测的多波束测深仪、侧扫声呐和浅地层剖面仪等高精度高分辨率深海测量设备，将其搭载在测量船上。如此，科研人员才能在海面精确探测出深海大洋的深度，同时能给海底构成物质进行CT扫描诊断，提高探测精度。

　　此外，随着人工智能技术的发展，无人深潜器的研发和利用也将成为热门。

　　比起载人深潜器，无人深潜器不仅具有体积小、能提高深潜器在海底活动灵敏度等特点，还能降低探测人员的作业风险。仅需利用载人深潜平台，对一些重要海底区域进行深潜测深和采样作为补充手段，将所采集数据与海面仪器测量的海量数据进行比对校验，便可大幅提高深海探测效益，更精确地描绘出海底地貌形态。

　　2016年，我国自主研制的“海斗”号无人潜水器，随同母船“探索一号”科考船在马里亚纳海沟开展万米深潜试验，实现最大潜深10767米，创造了我国无人潜水器最大下潜及作业深度纪录，标志着我国无人下潜技术正在走向成熟。

　　纵横海底，科技日新月异，值得我们持续关注的是，还需推动深海勘测法律体系的建立健全。

　　科考人员在深海探测马里亚纳海沟时，发现有沉积塑料，说明海洋污染已较为严重。各国对深海资源的探测、开采等，势必带来竞争，也会给深海大洋造成一定的污染威胁。为此，完善深海大洋资源开发方面的法律迫在眉睫，不能将开发深海资源变成打开“潘多拉魔盒”。

　　沧海变桑田，追梦无极限。随着我国综合科技实力从传承到创新、从量变到质变，随着海洋学家和测量学家的妙手勾勒，马里亚纳海沟这抹“神秘微笑”必将更加迷人。

　　供图：王皓凡