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。這就是人類已知的地球表面最深處——馬里亞納海溝。
近日，由中國科學院、中國工程院主辦，兩院院士投票評選產(chǎn)生的2020年中國十大科技進展新聞揭曉，其中一條新聞格外亮眼：我國“海斗一號”無人潛水器在馬里亞納海溝實現(xiàn)最大下潛深度10907米；“奮斗者”號載人潛水器在同一海溝成功坐底，創(chuàng)下10909米的中國載人深潛新紀錄。
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，來自世界各國的海洋學家和測量學家勇往直“潛”，在一次次突破極限中探索馬里亞納海溝的奧妙?！皧^斗者”號此次深潛，是人類歷史上第3次將載人潛水器送達這里。
秘境探險，各國競相發(fā)力
馬里亞納海溝，長度延伸約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，峰頂還會淹沒在水下2100余米。
關于馬里亞納海溝的成因，說法不一。有的理論認為，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；還有理論認為，其形成源于海底地殼的劇烈凹陷。
人類對于馬里亞納海溝的正式探測，始于20世紀50年代。
1951年，英國皇家海軍“挑戰(zhàn)者”號首次測量海溝，測得最大深度為10900米，所在海域以測量船名字命名為“Challenger Deep”（“查林杰海淵”）。
1957年，蘇聯(lián)科學院海洋研究所海洋考察船“斐查茲”號，對馬里亞納海溝進行了詳細探測，在其西南部也發(fā)現(xiàn)了查林杰海淵，測得其最大深度為11034米。
1960年，瑞士著名深海探險家雅克·皮卡爾與美國海軍中尉沃爾什，乘坐美海軍“的里雅斯特”號深海潛水器，首次成功下潛至馬里亞納海溝底部進行科學考察，創(chuàng)造了載人下潛海溝10916米的世界紀錄。
1962年，機動載具“史賓塞·傅樂頓·拜爾德”號測得最大深度為10915米。1984年，日本將探測航具“拓洋”號送入馬里亞納海溝，測得其最大深度為11040.4米。1995年，日本深海探測機器人“海溝”號測得深度為10911米。
2012年，美國好萊塢著名導演詹姆斯·卡梅隆，獨自乘坐“深海挑戰(zhàn)者”號深潛器下潛至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。
我國深?？碧郊夹g始于20世紀70年代。
1986年，中國第一艘深潛救生艇完成了300米深度試驗，揭開了中國載人深潛序幕。隨著近年來科技發(fā)展進步，我國先后自主研制了3艘載人潛水器，并成功進行了深海下潛試驗，成為繼美、法、俄、日之后世界上第5個掌握載人深潛技術的國家。
2012年，我國深海載人潛水器“蛟龍”號，在馬里亞納海溝先后進行了多次試潛，創(chuàng)造了下潛7062米的中國載人深潛紀錄，也是世界作業(yè)類型潛水器最大下潛深度紀錄。
我國第二臺深海載人潛水器“深海勇士”號，2017年以來也多次在南海和馬里亞納海溝進行載人下潛試驗，最深成功下潛4500米。
2020年，我國第三臺深海載人潛水器“奮斗者”號，多次成功進行萬米海試，最深潛入馬里亞納海溝10909米，創(chuàng)下中國載人深潛新紀錄，也創(chuàng)造了3名科考隊員同時搭乘同一深潛器下潛到海洋最深處的世界紀錄。
勇往直“潛”，考驗硬核實力
據(jù)初步探測，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℃，水壓高達上千個大氣壓，深潛器需要承受巨大壓力，相當于30頭大象站在一個成年人的手掌上。
神話傳說中，“八仙”憑借不同“法寶”，各顯神通才成功渡海。現(xiàn)代測繪工作者想要在深海大洋里“以手掌對抗大象的壓力”，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——堅實的“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，為茫茫大海上的測繪工作提供了作業(yè)平臺。
隨著深海探測技術的深入發(fā)展，各國作業(yè)母船深潛科研保障能力越來越強，船上設備越來越先進。除有遠洋航行和科考功能設備外，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、指揮和接收圖像的操控室等。
據(jù)報道，我國“奮斗者”號萬米深潛，采用了雙母船護航模式。其中，載人潛水器“深海勇士”號的科研母船“勘探一號”作為支援船，和新建造的第一只專用萬米深?？蒲心复翱碧蕉枴北Ｕ洗半p船合璧”?！翱碧蕉枴眹嵨淮?、性能好，搭載了多臺（套）我國自主研發(fā)的科研設備和探測儀器，是一個多功能深?？蒲衅脚_。
深潛器——精準的“畫筆”。母船到達目標海域后，深潛器閃亮登場，如同一支在大海海底這頁畫紙上描繪的畫筆。
打造一支好“畫筆”，材料和工藝很重要。1960年，美國載人深潛器“的里雅斯特”號，潛至9785米海深時發(fā)生劇烈震動，一塊19厘米厚的舷窗玻璃出現(xiàn)輕微裂痕，足見海底高壓對潛水器材料和結構設計要求極高。
近年來，出現(xiàn)的新型鈦合金材料，強度大、韌性好，經(jīng)過多年試用，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，為載人潛水器載人艙的安全可靠性提供了技術保障。
據(jù)悉，我國深海載人潛水器“奮斗者”號載人艙采用鈦合金材料制造，耐壓浮力好，直徑達到2米，為世界最大深潛器。這標志著我國鈦合金材料技術和焊接加工技術已處于國際領先水平。
黑暗中，“運筆”需更加靈敏。潛水器控制系統(tǒng)屬于深潛器的“大腦中樞”，是保證深潛設備和潛航員安全的關鍵。過去，巡航過程中若前面出現(xiàn)巨石，深潛器需要繞過去；如果通過聲波遙控實現(xiàn)避障，往往會來不及?，F(xiàn)在，日益完善的自主導航技術，能保證深潛器按照預設航線自動巡航。特別是先進的避碰系統(tǒng)，可確保潛水器在深海航行過程中規(guī)避障礙物。潛水器發(fā)生漏水等意外情況，控制系統(tǒng)可關閉液壓系統(tǒng)，以保護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，光波和無線電波均無法達到深海海底，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米海底約需7秒鐘?？刹捎糜欣|通信和無纜通信兩種深海水聲通信技術。
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)出的信號和深潛器上實時獲得的信息，通過光纜傳輸，操作人員可觀察監(jiān)視器上的圖像，在母船上對深潛器進行操作。潛航員也可根據(jù)母船上的指令進行深海作業(yè)，實時上傳獲取數(shù)據(jù)。這種通信方式，信號傳輸精度高、損耗少，但上萬米的線纜在海中容易纏繞到巖石上，且線纜長度會限制潛水器活動范圍。
在萬米海底，光纜還會因承受巨大水壓而變形。20世紀90年代，日本“海溝”號深潛試驗時，曾出現(xiàn)過信號中斷、圖像消失的現(xiàn)象。其原因就在于電纜內(nèi)有間隙，當遇上海底高壓時，光纖出現(xiàn)了變形。后來，電纜中填充了軟合成樹脂，以保持其柔韌性，試驗才取得成功。
無纜通信則是利用聲波在海水中傳播距離遠、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、懸浮物等復雜因素影響，水聲信號在深海傳播也會發(fā)生散射、能耗等現(xiàn)象，致使母船和深潛器之間的通信時常出現(xiàn)信號減弱、延遲等。
據(jù)了解，我國目前載人深潛器都采用無纜通信方式。“奮斗者”號載人潛水器下潛萬米海試中，成功實現(xiàn)全球首個萬米水下高清視頻信號直播傳輸。
展望未來，夢想照進深海
人類目前測得的馬里亞納海溝深度，并非深海探測的最終目的和科研峰頂。海底下，還蘊藏著無窮無盡的奧秘，等待著人類去追尋。展望未來，我國在這方面，尚處于剛剛起步，還需奮起直追。
在世界范圍來看，目前各國對不超過6000米的海面探底測深技術和4000米以內(nèi)的海底淺層沉積物探測技術已經(jīng)成熟。其原理都是利用船載探測設備上的換能器向海底發(fā)射聲波，根據(jù)接收回波信號特征，獲取測量數(shù)值和海底圖像。而對深于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)應用于深海探測的多波束測深儀、側掃聲吶和淺地層剖面儀等高精度高分辨率深海測量設備，將其搭載在測量船上。如此，科研人員才能在海面精確探測出深海大洋的深度，同時能給海底構成物質(zhì)進行CT掃描診斷，提高探測精度。
此外，隨著人工智能技術的發(fā)展，無人深潛器的研發(fā)和利用也將成為熱門。
比起載人深潛器，無人深潛器不僅具有體積小、能提高深潛器在海底活動靈敏度等特點，還能降低探測人員的作業(yè)風險。僅需利用載人深潛平臺，對一些重要海底區(qū)域進行深潛測深和采樣作為補充手段，將所采集數(shù)據(jù)與海面儀器測量的海量數(shù)據(jù)進行比對校驗，便可大幅提高深海探測效益，更精確地描繪出海底地貌形態(tài)。
2016年，我國自主研制的“海斗”號無人潛水器，隨同母船“探索一號”科考船在馬里亞納海溝開展萬米深潛試驗，實現(xiàn)最大潛深10767米，創(chuàng)造了我國無人潛水器最大下潛及作業(yè)深度紀錄，標志著我國無人下潛技術正在走向成熟。
縱橫海底，科技日新月異，值得我們持續(xù)關注的是，還需推動深海勘測法律體系的建立健全。
科考人員在深海探測馬里亞納海溝時，發(fā)現(xiàn)有沉積塑料，說明海洋污染已較為嚴重。各國對深海資源的探測、開采等，勢必帶來競爭，也會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，追夢無極限。隨著我國綜合科技實力從傳承到創(chuàng)新、從量變到質(zhì)變，隨著海洋學家和測量學家的妙手勾勒，馬里亞納海溝這抹“神秘微笑”必將更加迷人。
供圖：王皓凡