第十二講海洋技術(shù)發(fā)展

海洋技術(shù)同濟(jì)大學(xué)物理系1一、海洋:巨大的資源寶庫地球上，陸地面積占總面積的29%，而海洋面積占到71%。最早出現(xiàn)的是原核生物，后來發(fā)展到真核生物。海洋是生命是的搖籃:地球上最早的生物出現(xiàn)在海洋(30億年前生命誕生)目前地球上80%的生物資源在海洋中5.7億年前，海洋中開始出現(xiàn)各種動植物。大約1.3億年后，各種動植物開始向陸地遷移，開始了陸上?植物的進(jìn)化。2今天地球上的生物種類動物:100萬種植物:40萬種微生物:10萬種海洋生物:20萬余種在不破壞生物平衡的條件下，海洋每年可提供30億噸水產(chǎn)品，能夠養(yǎng)活300億人口。在海洋水產(chǎn)品中，人們吃得最多的是魚類。全世界有魚類2萬多種，中國海域約有2000種。海洋巨大的資源寶庫3巨大的海洋資源寶庫:巨量的多金屬結(jié)核,其中錳含量約2000億噸海底磷礦、硫化礦、砂礦海水中含有大量化學(xué)元素，可提取的元素包括鈾、氘、氚等80余種海洋的潮汐能、海浪能、海流能、海水熱能等可再生能源的理論儲量約為1500億千瓦，其中可開發(fā)利用的約70多億千瓦，相當(dāng)于目前發(fā)電總量的十幾倍；海洋巨大的資源寶庫4海洋巨大的資源寶庫含30多種金屬元素:錳25%,鐵14%,鎳1.9%，銅0.5%，鈷0.4%大洋底的寶藏之一----錳結(jié)核結(jié)構(gòu):團(tuán)塊----以巖石碎屑，動、植物殘骸的細(xì)小顆粒，鯊魚牙齒等為核心，呈同心圓一層一層成的，像一塊切開的蔥頭。由此被命名為“錳結(jié)核”，又稱它為多金屬團(tuán)塊。大小尺寸變化從幾微米到幾十厘米，重量最大的有幾十公斤。生存:海洋2000-6000米水深海底的表層，4000-6000米水深海底的品質(zhì)最佳。總儲量:估計(jì)在30000億噸以上。其中以北太平洋分布面積最廣，儲量占一半以上，大約17000億噸。錳結(jié)核密集的地方，每平方米面積上有100多公斤。生長速度:平均每千年長1毫米，每年增加1000萬噸。

5問題:錳在海水中的含量并不算多，但什么卻會在蒙結(jié)核中獨(dú)占鰲頭呢?錳結(jié)核的成因?錳結(jié)核的物質(zhì)資源,大致有四方面:來自陸地，大陸或島嶼的巖石風(fēng)化后釋放出鐵、錳等元素，其中一部分被海流帶到大洋沉淀；來自火山，巖漿噴發(fā)產(chǎn)生的大量氣體與海水相互作用時，從熔巖搬走一定量的鐵、錳，使海水中鐵、錳越來越富集；來自生物，浮游生物體內(nèi)富集微量金屬，它們死亡后，尸體分解，金屬元素也就進(jìn)入海水；來自宇宙，有關(guān)資料表明，宇宙每年要向地球降落2000-5000噸宇宙塵埃，它們富含金屬元素，分解后也進(jìn)入海水。海洋巨大的資源寶庫6最具開發(fā)利用價值的海岸帶砂和礫石：海岸帶砂和礫石由各種途徑進(jìn)入海洋的泥沙和塵埃中包含有各種不同的元素。不同成分的塵埃顆粒，密度、比重不同，粒徑大小不同，扁、圓形狀也有差異。這些特征各異的礦物碎屑，在波浪、海流作用下，分別聚集沉積在一起，就形成了海濱砂礦床。海洋巨大的資源寶庫7我國海濱砂礦資源分布

示意圖海濱砂礦大宗應(yīng)用：建筑用砂和礫石。70年代以來，世界每年開采海濱建筑用砂和礫石的價值，也在2億美元以上。海洋巨大的資源寶庫8較為稀少而價值甚高的海濱砂礦：金紅石、鉆石、獨(dú)居石、石榴石、鈦鐵砂、鈮鐵砂、鉭鐵砂、磁鐵砂、鉻鐵砂、錫砂、磷釔砂、金砂、鉑砂、琥珀砂、金剛砂、石英砂等等。金紅石99個面的鉆石雙面橘紅色鈣鋁石榴石海洋巨大的資源寶庫9大海就像一個粉碎機(jī)和分選機(jī)，日夜不停地加工制造富含各種金屬和非金屬的細(xì)砂，并把它們按種類聚集在一起，形成可供人類開發(fā)利用的礦體。臺灣藍(lán)寶籃玉髓海洋巨大的資源寶庫10除海上通道之外，人們正在開拓新的利用領(lǐng)域，包括建設(shè)海上城市、海上機(jī)場、海下橋梁、海底隧道、海底隧道等，以期拓展人類生存的空間。海洋空間正引起人們越來越大的興趣：海水本身也是一種重要資源，它不僅可以通過脫水處理變成淡水，還可以直接用于工業(yè)冷卻、印染、清潔、消防，甚至將來有可能用于農(nóng)業(yè)灌溉。從現(xiàn)代海洋技術(shù)的發(fā)展來看，目前主要集中在海洋探測技術(shù)和海洋資源開發(fā)技術(shù)兩部分。海洋巨大的資源寶庫11二、海洋探測技術(shù)人類用科學(xué)方法大規(guī)模、系統(tǒng)地對世界海洋進(jìn)行考察大約有50年左右。海洋探測技術(shù)主要方面：在海洋表面進(jìn)行調(diào)查的科學(xué)考察船、自動浮標(biāo)站在水下進(jìn)行探測的各種潛水器在空中進(jìn)行監(jiān)測的飛機(jī)、衛(wèi)星12海洋探測技術(shù)1.科學(xué)考察船海洋科學(xué)考察船的任務(wù)：調(diào)查海洋、研究海洋它調(diào)查的主要內(nèi)容有海面與高空氣象、海洋水深與地貌、地球磁場、海流與潮汐、海水物理性質(zhì)與海底礦物資源(石油、天然氣、礦藏等)、海水的化學(xué)成分、生物資源(水產(chǎn)品等)、海底地震等。13大型海洋調(diào)查船性能要求：穩(wěn)性和適航性能好，能經(jīng)受住大風(fēng)大浪的襲擊。船上的機(jī)電設(shè)備、導(dǎo)航設(shè)備、通訊系統(tǒng)等先進(jìn)燃料及各種生活用品的裝載量大具有優(yōu)良的操作性能和定位性能海洋探測技術(shù)14專用科學(xué)考查船始于1872年的英國“挑戰(zhàn)者”號。該船長226英尺，排水量2300ｔ，使用風(fēng)力和蒸汽作為動力。從1872年起，歷經(jīng)4年時間環(huán)繞航行，觀測資料包括洋流、水溫、天氣、海水成分，發(fā)現(xiàn)了4700多種海洋生物，并首次從太平洋上撈取了錳結(jié)核。海洋探測技術(shù)151888~1920年，美國的“信天翁”號探測船探測了太平洋。1927年德國的“流星”號探測船首次使用電子探測儀測量海洋深度，校正了“挑戰(zhàn)者”號繪制的不夠準(zhǔn)確的海底地形圖。據(jù)報(bào)道，全世界總共有科學(xué)考察船2000多艘，其中美國500多艘，原蘇聯(lián)400多艘，日本380多艘。海洋探測技術(shù)16日本海洋科學(xué)技術(shù)中心最近宣布，他們研制的無人駕駛深海巡航探測器“浦島”號，在3000米深的海洋中行駛了3518米，創(chuàng)造了世界紀(jì)錄?！捌謲u”號全長9.7米、寬1.3米、高1.5米、重7.5噸，水中行駛速度為4節(jié)，巡航速度為3節(jié)，最大潛水深度是3500米?！捌謲u”號上安裝著高精度的導(dǎo)航裝置及測試儀器，使用鋰電池作動力。這艘無人駕駛的深海探測器，使用無線通信手段向海面停泊的母船“橫須賀”號上傳送了用水中攝像機(jī)拍攝的深海彩色圖像。日本海洋科學(xué)技術(shù)中心認(rèn)為，這一裝置在世界上居領(lǐng)先地位。以這次航行試驗(yàn)成功為基礎(chǔ)，海洋科學(xué)技術(shù)中心還計(jì)劃開發(fā)性能更高的無人駕駛深海探測器，并且使用燃料電池作動力源。海洋探測技術(shù)172.潛水器核潛艇活動范圍：300～400米的海洋深處現(xiàn)狀：占地表77%以上面積的海洋深處3000米潛水器征服了深海潛水器深海探測的工具進(jìn)行水下工程的重要設(shè)備載人潛水器無人潛水器1953年，法國人奧古斯特·皮卡德設(shè)計(jì)建成的“里雅斯特”號自航式浮水器，1960年1月23日由奧古斯特·皮卡德的兒子雅克·皮卡德以及另一名潛水員美國海軍上尉唐納唐·維爾什共同乘坐，闖蕩萬米深淵——馬里亞納海溝。創(chuàng)下了10916米的世界紀(jì)錄。海洋探測技術(shù)181988年，法國研制的可下潛6000米的深潛器，可載3人，能直接考察世界97%的洋底，可進(jìn)行攝影、錄像，還有兩只分別為7個和5個自由度的機(jī)械手，用來采集海底樣品。1989年，日本建造了可達(dá)水深6500米的深潛器“深海6500”號，創(chuàng)造了載人深潛器水下6527米作業(yè)的世界紀(jì)錄。第一艘有實(shí)用價值的潛水器是英國人哈雷于1717年設(shè)計(jì)的海洋探測技術(shù)19我國首個7000米超深度載人潛水器明年下水俄“和平號”深海潛水器2007.08.02從洋底返航海洋探測技術(shù)203.海洋衛(wèi)星主要技術(shù):傳感技術(shù)海面溫度分布圖:測量海面的溫度及其特征對數(shù)據(jù)分析并打印成表海浪高度:即主動微波遙感(雷達(dá)成像系統(tǒng))利用海面“粗糙度”不同的原理來進(jìn)行分析處理衛(wèi)星上向海面發(fā)出雷達(dá)波：無浪平靜海面(光滑面):雷達(dá)波發(fā)生鏡反射,雷達(dá)接收不到回波。海面有波浪(“粗糙”面):雷達(dá)波向各個方向散射，發(fā)生漫反射，雷達(dá)收到一部分回波。電腦算出海面的“粗糙”度，從而得知海浪的高度。海洋探測技術(shù)21海洋地質(zhì)調(diào)查主要技術(shù)手段：

利用人造衛(wèi)星導(dǎo)航、全球定位系統(tǒng)(GPS)、無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，確定調(diào)查船或觀測點(diǎn)在海上的位置；利用回聲測深儀，多波束回聲測深儀及旁測聲納測量水深和探測海底地形地貌；用拖網(wǎng)、抓斗、箱式采樣器、自返式抓斗、柱狀采樣器和鉆探等手段采取海底沉積物、巖石和錳結(jié)核等樣品；用淺地層剖面儀測海底未固結(jié)淺地層的分布、厚度和結(jié)構(gòu)特征。用地震、重力、磁力及地?zé)岬鹊厍蛭锢矸椒?，探測海底各種地球物理場特征、地質(zhì)構(gòu)造和礦產(chǎn)資源，有的還利用放射性探測技術(shù)探查海底砂礦。海洋探測技術(shù)22海洋一號(HY-1A)衛(wèi)星是中國第一顆用于海洋水色探測的試驗(yàn)型業(yè)務(wù)衛(wèi)星。星上裝載兩臺遙感器，一臺是十波段的海洋水色掃描儀，另一臺是四波段的CCD成像儀。

HY-1A號星于北京時間2002年5月15日9時50分在太原衛(wèi)星發(fā)射中心與FY-1D衛(wèi)星由長征四號乙火箭一箭雙星發(fā)射升空，在完成了7次變軌后，于2002年5月27日到達(dá)798公里的預(yù)定軌道，并于2002年5月29日按預(yù)定時間有效載荷開始進(jìn)行對地觀測。海洋一號B星于2007年4月11日發(fā)射。海洋探測技術(shù)231978年6月28日美國發(fā)射了世界上第一顆海洋衛(wèi)星——“海洋衛(wèi)星-1”號俄海洋探測衛(wèi)星可觀察60米深的核潛艇海洋探測技術(shù)24Envisat衛(wèi)星是歐洲迄今為止研制過的最大的地球觀測衛(wèi)星，歐洲所有的航天企業(yè)都參與了研制工作。

該衛(wèi)星2002年3月1日發(fā)射，對地球表面的陸地、大氣和海洋進(jìn)行監(jiān)測。海洋探測技術(shù)25海洋探測技術(shù)2004-7-11上海建立我國首個海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)26全球定位系統(tǒng)，由30個覆蓋全球的衛(wèi)星組成，通過衛(wèi)星的無線導(dǎo)航定位功能，可提供陸地、海洋、航空等實(shí)時性的導(dǎo)航、定位、定時甚至速度測量等功能。海洋探測技術(shù)27三、海洋資源開發(fā)技術(shù)281.海洋石油和天然氣開發(fā)海洋資源開發(fā)技術(shù)29海洋資源開發(fā)技術(shù)中東地區(qū):石油儲量最多,占56.8%；歐洲:天然氣儲量最多,占54.6%亞洲、大洋洲:石油、天然氣只有5%30海洋資源開發(fā)技術(shù)可燃冰99%的儲量都在海底31海洋資源開發(fā)技術(shù)在海洋進(jìn)行石油和天然氣的勘探開采工作要比陸地上困難多。必須具備一些與陸地不同的特殊技術(shù)，如平臺技術(shù)、鉆井技術(shù)和油氣輸送技術(shù)等。32海洋資源開發(fā)技術(shù)2.海洋生物資源開發(fā)構(gòu)成海洋生物量的金字塔海洋食物鏈?zhǔn)疽鈭D中國海域的生物種類豐富多樣，已有描述記錄的物種達(dá)2萬多種。33海洋資源開發(fā)技術(shù)未來海洋農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要方向:海洋水產(chǎn)生產(chǎn)農(nóng)牧化藍(lán)色革命計(jì)劃海水農(nóng)業(yè)通過人為干涉，改造海洋環(huán)境，以創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)生物生長發(fā)育所需的良好環(huán)境條件，同時也對生物本身進(jìn)行必要的改造，以提高它們的質(zhì)量和產(chǎn)量。著眼于大洋深處海水的利用。將深層水抽上來，遇到充足的陽光，就會形成一個產(chǎn)量倍增的新的人工生態(tài)系統(tǒng)。溫差可以用來發(fā)電或直接用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。這項(xiàng)工作將引發(fā)一場海水養(yǎng)殖的革命，稱為“藍(lán)色革命”。指直接用海水灌溉農(nóng)作物，開發(fā)沿岸帶的鹽堿地、沙漠和荒地。即要迫使陸地植物“下海”，這是與以淡水和土壤為基礎(chǔ)的陸地農(nóng)業(yè)的根本區(qū)別。目前已經(jīng)獲得了可以用海水灌溉的小麥、大麥和西紅柿等。34大力推廣海水利用，可以大大緩解濱海城市缺水問題的。海水直接利用海水淡化海水化學(xué)物質(zhì)提取利用綜合開發(fā)海水技術(shù)海洋資源開發(fā)技術(shù)3.海水資源開發(fā)海水直接利用技術(shù)包括:海水直流冷卻(目前工業(yè)應(yīng)用的主流);海水循環(huán)冷卻;海水沖洗;陰極保護(hù),防生物附著,防漏滲,殺菌技術(shù)等。主要的淡化方法有：多級閃蒸(用于海水的循環(huán)和流體的輸送),低溫多效(用于流體輸送),反滲透。海水中的元素分為兩類,常量元素:>1毫克/升(有80多種金屬和非金屬元素)；微量元素<1毫克/升(60多種).提溴(以提高現(xiàn)有地上鹵水資源的溴利用率，發(fā)展高效溴化劑和新型阻燃劑等)；海水、鹵水提鉀；提鎂；提鈾.35海洋資源開發(fā)技術(shù)4.海洋能源開發(fā)海洋能包括溫度差能、波浪能、潮汐與潮流能、海流能、鹽度差能、岸外風(fēng)能、海洋生物能和海洋地?zé)崮艿?種。蘊(yùn)藏于海上、海中、海底的可再生能源，屬新能源范疇。