书城科普海洋馆漫游:海洋科技看台
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第10章

这种软泥不像多金属结核那样普遍存在,而是只局限于红海中部深度大约2000米的底部和东太平洋海岭中部某些凹陷区,以及印尼外海布努维西海底火山区。在软泥层之上还覆盖着高温高盐的海水。目前发现,全世界约有1亿平方千米的海底分布有重金属软泥,而且它也是活矿床。据估计,它们以5毫米/千年速率增长。在1亿平方千米的面积上,仅铜一项1000年可净增5000万吨。目前已知的海底重金属软泥矿已有11处。德国已研制成功了一种开采多金属软泥的设备:即在采矿船下拖曳一根2000米长的钢管,管底端装一抽吸装置。该吸矿管把含有海底重金属软泥的海水吸到采矿船上,经过去水处理,最后可得含32%锌、5%铜、0074%银的浓缩金属混合物。

水声技术

我们知道,在空气中能够有效承担通讯与探测任务的主要是长波、中波、短波、超短波、微波、红外线、紫外线等形形色色的电磁波。可这些电磁波一旦接触到海水便衰减得极快,而且波长越短,损失越大。同时,海水对光波的吸收与散射也极其严重,人们潜到海中望月就如同雾里看花,至于几千米的深海之处,则更是“伸手不见五指”。那么,人类又是如何对深邃广阔的海洋进行探测和在海洋中进行信息传递的呢?

1826年,瑞士物理学家JD科拉东和法国数学家F·斯图在日内瓦湖测出水中声速是1435米/秒。从那时起,人类才知道声音不仅可以在水下传播,而且在水下传播得比在空气中还要快。1912年,英国的“坦塔尼克”号大客轮在赴美途中撞冰山沉没,为了寻找沉船,美国科学家费森登设计出世界上第一台回声探测仪,并于1914年使用这台探测仪发现了3公里以外的冰山,从此开始了海中探测采用水声技术的时代。

水声技术是指研究和开发海洋所采用的声学技术,一般包括回声探测、被动探测、声纳重入系统、水声通讯等。回声探测设备是利用一组换能器发射声信号,通过另一组换能器接收从目标反射的回声信号,再由处理后的信号判断目标的参数和性质。采用这种原理的水声设备多种多样,主要有声学多普勒海流计、侧扫声纳、鱼探仪和回声探测仪等。被动探测设备是用于接收水中传来的声信息,并由此判断发声体的位置与特性的装置,目前已广泛用于监视鱼群回游特性的技术系统,为海洋捕捞提供有价值的数据;同时,利用该设备制成的深海水听器系统,能够准确测出水下地震、水下火山爆发的位置及其强度等。声纳重入系统是一种具有搜索、定位及测定距离海底高度的声纳设备,主要用于海底勘探和海底油气开发。例如,在深海钻探时必须使钻探船保持原位,当风暴来临或出现其他变故,需要拔出钻头离开,暂避之后再恢复原位时就需要使用声纳重入系统来找到井口,并引导钻杆穿过急流落到安置在井口的“漏斗”内,进入原井口。

水声通讯则是利用声波在水下传递信息,有近程、中程和远程之分,最远距离可达4000多千米。目前,应用最广的水声通讯设备包括通讯声纳、水声应答器和水声遥控系统等。其中,通讯声纳又叫水电通讯机,它是采用一种特殊的单边带技术来传递信息。水声应答器是一种收到声询问信号后就能自动回答的声信号装置。至于水声遥控系统实际上是一种传送信息的通道,常用脉宽、脉冲重复频率、数字编码等脉冲调制形式传输信息。

现代海底军事基地

现代海底军事基地是指在海底建造的用于军事目的的基地。一般包括水下导弹与卫星发射基地、反潜基地、水下作战指挥中心和水下武器实验场等。

现代海底军事基地通常分为两大类。一类是设在海底表面的基地。这种基地采用在现场安装金属构造物,或者把建好的金属构造物放到预定地点等方法建成。这种基地又叫“水下居住站”。另一类基地建在海底以下,即建在海底下面开凿的隧道和岩洞里。这种基地又称“岩石基地”。

现代海底军事基地的造型有圆球型、圆柱型、椭圆型等多种,以圆球型最多。由于海底压力大,圆球型海底军事基地采用耐高压的高压钢球,有的则把许多耐高压的钢球联结起来,球壳与球壳之间有通道相连,通道口装有水密门,可根据需要随时开关。万一某个球壳破损,将这个球壳两边的水密门关闭即可保证其他球壳不受到破坏。球壳上装有观察窗、水下照明灯、水下电视及水下机械手,水面与海底之间有专用深潜艇往复运输,以帮助海底军事基地人员回到海面以及进行食品、器材的补给或运输新设备。深潜艇到达基地后,就与球壳舱口盖外边的裙壳对口,深潜艇上的人员通过裙壳就可进入海底基地,并把器材、供给品送进去;基地人员也可以转移到深潜艇上去,然后回到水面。为使水面上的设施与基地之间经常保持联系,海底基地上装有通讯声纳。并且,在海底基地上还装有小声源,能连续不断地发出声信号。当潜艇收到后,就能跟踪这个信号,直至接近基地。

海底军事基地,特别是弹道发射基地,具有得天独厚的隐蔽性。在水下基地发射导弹可以击中空中和远距离的陆地和海上目标。海底基地对于反潜作战更具有特殊的优势。因此,发达的军事强国都在研究和制造深海军事基地,在深海建立有人控制的反潜基地和作战指挥中心。有的深潜基地可以设在2000米的深海底,这样就可以使沿海边防线向前推进200海里。迄今为止,美国和前苏联建造的海底军事基地最多。美国从60年代就开始制定一系列建立海底军事基地的计划,如“海底威慑计划”、“深潜系列计划”、“海床计划”、“深海技术计划”等等,并逐个完成。像美国设计的陀螺形“水下居住站”可供5人小分队在2000米深的海底完成为期20天的任务,这种基地从冰岛到非洲西南部大西洋2000米深的海底都有布设,既可作为水下指挥控制中心,又可作为水下观察站、水下补给基地等。此外,美国还建成了能容纳几千人的海底军事隧道、可供导弹实验的核武器实验场、可供潜水艇和水下武器实验的“大西洋水下试验与评价中心”等。

海底隧道、海上机场和跨海大桥

由于海上交通易受天气变化、港口布局的影响,船舶运载远非铁路快捷便利。飞机虽然快捷便利,但运输大宗货物时其综合优越性却不如铁路。海底隧道的建成,可以连接隔海地区铁路干线与公路干线,从而达到扩展铁路运输网,提高铁路运输效能的目的。

海底隧道的施工方法有两种:一种是在海底的地下,采用钻机在海床上钻洞;另一种是沉埋管道,将预先制好的钢筋水泥管道敷设于海底地面上,并用特制的钢架将其固定在海床上。

目前,世界上已建成的最长海底隧道为日本的青函隧道,总长5385千米,其中23千米在海底。该隧道工程采用巨型挖掘机从海峡两岸同时并进,开凿直径4米的窟窿,日进尺2米;每推进30厘米,周框立即装上拱型钢架,注进水泥、骨性钾、硅石混合浆,3分钟凝固后铺上钢筋水泥板。

连接英国与欧洲大陆的英吉利海峡海底隧道,全长53千米,其中38千米在海底40米深的岩层中穿行。该项工程由英法两国同时从两岸开挖,采用激光导向,整个工程完全采用流水作业方式,挖下岩土由传送带运走,边挖掘边加固,隧道的主骨架用拱石筑成,钢筋混凝土拱圈和壁板借助绞合架就位,电缆、通风管道等随着主体管道的向前延伸而同时延伸。整个工程耗资170亿美元。

海上机场是指在海面上建造飞机场。在海面上建飞机场,首先可以降低成本,因为海上机场占地费用低于距大城市中心附近的机场用地费;其次可以把噪音和废气转移到海上,减轻对城市的污染;另外,海上机场周围数公里没有高大建筑物,视野开阔,可提高飞机升降的安全性。

目前,海上机场建设的方式主要有四种。第一,填筑式,即把陆上大量土石填入浅海,先建成人工岛再建机场。第二,围海式,即在浅海岸边用堤坝将海滩围起,抽出海水,再填上土石构成。第三,桩基式,一般是把钢桩打入海底,机场本身就坐落在钢管桩墩上。第四,浮体式,利用浮力原理,将巨大钢制箱体焊接在许多钢制浮体上,箱体高出海面作为机场,浮体半潜于水中,支撑着上部重量,整个机场用索链锚系于海底。这是海上机场的最新结构,有着良好的开发前景。

跨海大桥一般采用多桥墩支撑钢架式和少桥墩拉索式钢铁大桥。由于海洋环境恶劣、风大浪急,不利于修建多个桥墩,因此现代跨海大桥多采用拉索式钢铁吊桥。我国的厦门大桥于1987年始建,1991年5月建成通车。这座47对矩形桥墩撑起的大桥全长6599米。在此桥的建设中我国首次采用了海上大直径嵌岩钻孔灌注桩施工法和滑移式钢架设备,它所选用的预应力材料也具备了国际先进水平。

人工岛和海上城市

人工岛就是在近岸浅海水域中用人工筑成的海岛,是局部海域的陆地化。现代工业发达的沿海国家,普遍面临滨海一带人口密集、城市拥挤所带来的发展难题,兴建海上人工岛是改善或解决这些老城区发展难题的重要途径。同时,近海海底油气的开发也需要兴建人工岛来安置钻井设施、采油设施、油气贮存与处理设施、运输设施和生活设施等。人工岛已成为人类利用海洋空间的重要方式。

人工岛的位置一般选在较靠近海岸的海域,水深宜在20米以内。邻近应有足够的土石。

建岛工程主要包括岛身填筑、环岛护岸与岛陆交通联系三个部分。关于岛身填筑,一般有两种方法:先抛填后护岸或先围海后填筑。前者适于掩蔽性较好的海域,方法是用驳船运送土石在海上直接抛填。后者适于风浪较大的海域,方法是先将所需水域用堤坝圈围起来,留必要的缺口,再用驳船运送土石进行抛填,或用挖泥船进行吹填,或用已预制好的大型沉船运至预定海域内下沉,形成沉井,再向沉井内吹填沙土。修建环岛护岸时则必须保证护岸具有抗御波浪、水流及冰凌强烈冲击的功能,常用的工程结构有斜坡式和直墙式两种。斜坡式采用斜坡堤,外坡用块石、混凝土块或人工异形块体护面;直墙式采用钢板桩墙或钢筋混凝土板桩墙等,有时还采用钢板桩格型结构或沉箱、沉井等。岛陆之间的交通一般采用栈桥或海底隧道连接,通过皮带运输机、管道或缆车等设备传输,也可铺设公路或铁路运输。人工岛离陆地较远且又无大宗陆运物资时,常采用船舶运输,因此岛上要设置船舶停靠场所。

60年代以来,日本建造的人工岛最多,规模也最大。大阪湾西部神户港外海域中,1966-1981年建成总面积为436万平方米的神户人工岛。该岛在10米水深中用08亿立方米土石料填筑高达20米,用大桥与陆地连接。以后,又建成面积达580万平方米的六甲人工岛与长崎新大村飞机场。

80年代后期,我国在渤海湾大港油田建设张巨河人工岛,首先用气垫技术将一直径60米的钢质沉井从陆上成功运至海域,定位下沉后再浇注钢筋混凝土岛壁,壁下采用钢筋混凝土灌注桩。这项技术也属世界领先水平。

海上城市是指在海上建立的居住区,可供数万人生活,具有现代化的城市功能和新的交通体系。海上城市与人工岛没有实质性差别。不同之处仅在于:海上城市是工业、商业、科研、居住、娱乐等人类社会活动的综合体;而人工岛通常只是特殊行业用地向海洋的延伸,如为了开采近海油气、深海锰结核或热液矿床而修建的海上专用人工岛等。值得指出的是,人们一般把用水量大、污染严重的行业都设在海上人工岛上。这在一定程度上加剧了海洋的污染。

蓝色革命

“民以食为天”。过去,人类的食物主要源于陆地。随着地球上人口数目的激增和人们食物结构的变化,陆地的承载力日趋饱和,在供应人类所需蛋白质方面已难以为继。于是,占地球表面71%、而且基本上未被开发的最后一片疆土——海洋便成了人类的希望所在。《第三次浪潮》的作者托夫勒曾经预言:“海洋能帮助我们解决最困难的粮食问题。”

人类对于海洋的开发并非一片空白。尚在远古时期,便有人在海滩拾贝,在近岸叉鱼。

时至今日,世界各国每年从海洋中捕捞的水产品已达到8000多万吨,然而这远远满足不了人类对于水产品日益增长的需要。同时,现有的海洋捕捞能力已经接近或超过传统渔业资源的再生能力,很难再有大幅度的增产。本世纪60年代起,由于海洋高新捕捞技术、海洋牧场开发技术、生物工程技术、工业原料开发技术以及海洋生物药业的出现,人类开始从一个全新的角度来开发利用潜力巨大的海洋生物资源,变传统、被动、掠夺性质的狩猎式渔业为积极、主动、养殖型的农牧式渔业。这种用高新技术耕海牧鱼的新产业的兴起,便被称为一场“蓝色革命”。

深海潜水器诞生记

据史料记载,古代希腊的潜水员,不使用任何呼吸器具,能够在浅水区潜水4~5分钟,到了1300~1400年,人们再度开发海洋时,已经有了能在深海里呼吸的装置。

最早研究这种装置的达文西是欧洲文艺复兴时代(1300~1500年)最优秀的人物之一。他所设计的水中装置,是一种装在头上能抵抗水压的头盔,盔上装有可伸出海面与浮标相连的呼吸管,并戴上玻璃潜水眼罩,而且在金属头盔上钉上许多大铁钉,以避免海中动物的侵袭。

达文西还设计了有蹼的手套和蛙鞋,但他没有实际试验过自己发明的器具,否则他将会发现许多意想不到的缺点。戴上达文西呼吸管的潜水员,潜至不超过5尺处,一定会窒息而死,因为在那个深度,胸部所受的压力使得肺不能充分扩张,以致无法吸收空气。

又过了100多年后,艾德蒙·哈利发明了在钟里输送压缩空气的方法。他发现,如果潜水员所呼吸的空气与他周围的水压相等的话,他的胸部就不会受水压的影响,并能正常呼吸。哈利就以这观点作为制作潜水钟的原理。潜水钟由钢铁制成,但无底部,钟下可容纳1个或2个潜水夫。潜水钟深入海里时,水的重量会将钟内的空气压缩,潜水夫就能在钟内暂时地吸些空气。