一个新的科学热点正在出现：这就是海底观测系统。其功能是把深海大洋置于人类的监测视域之内，以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。迄今为止，人类“入地”的能力仍然远逊于“上天”。海底是最贴近地球深部的去处，从海底“第三个平台”观测地球，将揭示地球系统“运作”之谜。建设中的海底观测系统，是通向新突破的捷径，作为新开的领域，各国都处在起步阶段。中国，正经历着数百年不遇的良机。
换个角度审视地球
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，那末新世纪在海底建立的，将是第三个观测平台。人类认识世界的过程，是一部不断扩展视野的历史。古人没有想到海洋有这么大，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，这要等到20 世纪中期，有了声波测深技术才能发现。现在我们知道，海水比河水多百万倍，海洋的平均水深3800米。隔了厚层的水，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。
人类视域的突变发生在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“哥白尼革命”。又一次突变发生在20 世纪：航天技术使人类克服地球引力进入太空，第一次看到地球的全貌，开始将地球看作一个整体，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,被喻为”第二次哥白尼革命”。
这次“革命”对地球科学的影响最大，尤其是浩瀚的大洋。人类对海洋的认识，大都是19世纪晚期以来通过航海从船上取得，这种星星点点、断断续续的观测，带来了许多错觉和误会。直到二十世纪早期，测量海底地形的办法还是用绳子系上重锤抛到海底，用绳子的长度测算水深，如此得来的测点寥若晨星，绘在图上当然只能说明海底平坦，地形单调。再如船上用温度计测量海水表层，只能测了上一点再测下一点，永远也画不出一张同时的海洋温度图来。20 世纪出现的遥测遥感技术从卫星获取地球信息，开辟了全新的对地观测系统，能够获取全球性的和动态性的图景。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，缺乏深入穿透的能力。隔了千百米厚的水层，遥感技术难以达到大洋海底。现在要问：能不能换一个视角,不要老是从海面看海底?可不可以从海底看海面，把观测平台放到海底去？新世纪伊始，一个新的热点正在出现：这就是海底观测系统。
海底的观测平台的功能是把深海大洋置于人类的监测视域之内，结果将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。
持续观测动态过程
现代地球科学要作环境预测，就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。人类自古就开始潜水,而真的潜入深海还是20 世纪的事。最深的纪录是在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，下到了世界大洋最深处——马里亚纳海沟，在10916 米深的海底呆了20 分钟。但是千米水深就有上百个大气压，到深海作“探险”可以，要蹲在海底长期“观测”又谈何容易！长期现场观测是当代地球科学的要求。当地球科学处在描述阶段、以寻找矿产资源为主要目标的时候，探险、考察大体上可以解决问题；而现代的地球科学要作环境预测，就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。一个例子是海洋沉积。深海海底的泥来自表层，长期以来总以为这是一种缓慢、均匀的过程，就像空气里的雨点那样降到海底。1978年发明了“沉积捕获器”，把下面装有杯子的“漏斗”投放到海水深层，每隔几天换一“杯”，看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。原来海洋里的沉积作用平时微乎其微，来时如疾风暴雨，是突发性的。但凡是在海里作连续观测都有能源供应和信息回收的限制，因为必须定期派船更换电池、取回观测记录。这种一年半载以后才能取回的记录，连续但并不及时，而海上预警要求有实时观测的信息，不是要“事后诸葛亮”的“马后炮”。海面作业更大的限制在于安全，而偏偏最不安全时候的观测最有价值，比如台风和海啸。
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。其优点在于摆脱了电池寿命、船时与舱位、天气和数据迟到等种种局限性，科学家可以从陆上通过网络实时监测自己的深海实验，命令自己的实验设备冒着风险去监测风暴、地震、藻类勃发、海底喷发和滑坡等各种突发事件。在海底建立观测地球系统的第三个平台，将从根本上改变人类认识海洋的途径，是地球科学又一次来自海洋的革命。如果说，从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，就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，而且正在海底铺设观察网，把大洋深处呈现在我们面前。可以设想，未来的人们可以打开家里的电视屏幕，像看足球赛那样观赏海底火山喷发的现场直播。
海底井塞由表及里我们生活中接触的大气、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——深部的地幔和地核。地球的外壳厚薄不匀,山越高，底下的“根”就越深，深海海底的地壳倒是最薄，离地球的深部也最近。世界各大洋的中央，蜿蜒着八万公里长的山脊，新的大洋地球就在这里生成，使大洋中脊以每年1-20 厘米的速度向两边分开，到板块的边缘向地球深部俯冲下去。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。因此海底观测最早的主题就是地震,将地震仪放到海底、最好是海底钻井的基岩里，就可以大为提高监测地震的灵敏度和信噪比。1991 年开始建设的“大洋地震网”,就是在大洋钻探（ODP）的钻孔中设置地震仪，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。
海底监测地震，目的是要测得地壳微细的移动，而对此最为敏感的是地壳里的液体。因而在海底钻井里监测地震中，发展了一项关键技术叫“海底井塞（CORK）”。这种上世纪90 年代发明的装置安在井口，防止地层水从井口逸出，或者海水从井口侵入。安装“井塞”，是监测海底地下水的“绝招”，既能测定岩石中流体的温度、压力，还可以取样分析。此后的13 年里，大洋钻探在18 个井口安装了“海底井塞”，大大推进了“大洋地震网”计划。海底地震观测网的另一项技术，是用光纤电缆与岸上连接以输送能源和信息，如果有退役的海底电信缆线可供利用，就能大幅度降低成本。1998 年美国在夏威夷和加利福尼亚之间建成水深5000 米的H2O 海底地震观测站，利用的就是退役的AT&T 越洋电缆。上世纪90 年代末期，日本也利用本州到关岛、冲绳到关岛的退役越洋电缆，建设深水地震监测站。
长期蹲点原位分析
从海底“向上看”，可以摆脱从海面“向下看”所受到的海况、供电和信息传送等限制，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。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。到野外进行现场采样，回室内开展实验分析，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：热液的温度、pH 值，采回来就变了;深海的许多生物，取上来也就死了；甚至沉积物颗粒，本来的团粒，一经采样也就散了，“分析”的结果都不是水层里的真实情况。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。
例如浮游生物，通常使用浮游网采集，取上后在显微镜下观测鉴定。但是，对细菌之类小于2 微米的“微微型”浮游生物，要依靠激光原理用流式细胞计才能统计。近来发明的下潜流式细胞计更进一步，可以不必取上水样，而是直接投入海中作自动的连续测量。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，依靠光纤将水里的生物图像发回，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”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。这样从海底“向上看”，可以摆脱从海面“向下看”所受到的海况、供电和信息传送等限制，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，甚至于还是高能物理探测基本粒子的所在。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文章来源。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。
及早介入国际竞争
海底观测系统的全面建设，即便发达国家目前也才处于起步阶段，如果我国能够从长远着眼、从当前着手，立即部署、尽快行动，完全有可能在这场新的海上竞争中，争得主动。进入21 世纪以来，围绕海洋的国际之争，最令人瞩目的就是海底观测系统的竞争。建设海底的地球观测平台，通过光缆联网供电和传递信息，对海底以下的岩石、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，是海洋科技的重大举措，预示着科学上的革命性变化，而同时也有军事上的重要性，必将成为海上权益之争的新手段。在这场正在酝酿的海上竞争中，走在最前面的是美国。其实最早进行海底观测的，正是美国的海军，他们的声波监听系统既可以监听鲸鱼和地震，也可以监听潜艇。上世纪90 年代起经过十多年的讨论，美国2006 年6 月底通过了由近海、区域、全球三大海底观测系统组成的 “海洋观测计划（OOI）”，今年起建，计划使用30 年。其中最为重要的是区域性海底观测网，即东北太平洋的“海王星”（NEPTUNE）计划，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，由美、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。美国的计划已经在欧洲和日本得到响应。2004 年，欧盟英、德、法等国的研究所制定了欧洲海底观测网计划（ESONET），针对从北冰洋到黑海不同海域的科学问题,在大西洋与地中海精选10 个海区设站建网，进行长期海底观测。日本长期以来特别关注板块俯冲带的震源区，上世纪80 年代末期以来，日本在其附近海域已经建立了8 个深海海底地球物理监测台网，有的已经和陆地台站相连结进行地震监测；2003 年又提出的ARENA 计划，将沿着俯冲带海沟建造跨越板块边界的观测站网络，用光缆连接，进行海底实时监测。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。
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。好在海底观测系统的全面建设，即便发达国家目前也才处于起步阶段，如果我国能够从长远着眼、从当前着手，立即部署、尽快行动，完全有可能在这场新的海上竞争中，争得主动。人们预计，21 世纪的突破将在地球系统科学的领域，人类从地面、空间、海底三管齐下观测地球，将能揭示地球系统“运作”之谜。当前建设中的海底观测系统，正是通向新突破的捷径，而且作为新开的领域，各国也都处在起步阶段。中国正经历着数百年不遇的良机。我国科学界应抓住时机，在这场新的突破中对人类作出应有的贡献。
文章来源：中国科普博览
