第十二講海洋技術(shù)的發(fā)展

1、海洋技術(shù),同濟(jì)大學(xué)物理系,P.2/37,一、海洋:巨大的資源寶庫(kù),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(lái)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(kāi)始出現(xiàn)各種動(dòng)植物。大約1.3億年后，各種動(dòng)植物開(kāi)始向陸地遷移，開(kāi)始了陸上?植物的進(jìn)化。,P.3/37,今天地球上的生物種類動(dòng)物: 1

2、00萬(wàn)種植物: 40萬(wàn)種微生物: 10萬(wàn)種海洋生物: 20萬(wàn)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(yú)類。全世界有魚(yú)類2萬(wàn)多種，中國(guó)海域約有2000種。,海洋巨大的資源寶庫(kù),P.4/37,巨大的海洋資源寶庫(kù):? 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

3、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(chǔ)量約為1500億千瓦，其中可開(kāi)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(kù),P.5/37,海洋巨大的資源寶庫(kù),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(dòng)、植物殘骸的細(xì)小顆粒，鯊魚(yú)牙齒等為核心，呈同心圓一層一層成的，像一塊切開(kāi)的蔥頭

4、。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?？們?chǔ)量: 估計(jì)在30000億噸以上。其中以北太平洋分布面積最廣，儲(chǔ)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(zhǎng)速度: 平均每千年長(zhǎng)1毫米，每年增加1000萬(wàn)噸。,P.6/37,問(wèn)題

5、: 錳在海水中的含量并不算多，但什么卻會(huì)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(lái)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(lái)自火山，巖漿噴發(fā)產(chǎn)生的大量氣體與海水相互 作用時(shí)，從熔巖搬走一定量的鐵、錳，使海水中 鐵、錳越來(lái)越富集；? 來(lái)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；

6、? 來(lái)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(kù),P.7/37,最具開(kāi)發(fā)利用價(jià)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

7、。,海洋巨大的資源寶庫(kù),P.8/37,我國(guó)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(lái)，世界每年開(kāi)采海濱建筑用砂和礫石的價(jià)值，也在2億美元以上。,海洋巨大的資源寶庫(kù),P.9/37,較為稀少而價(jià)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(gè)面的鉆石,雙面橘紅色鈣鋁石榴石,海洋巨大的資源寶庫(kù),P.

8、10/37,大海就像一個(gè)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(kāi)發(fā)利用的礦體。,臺(tái)灣藍(lán)寶籃玉髓,海洋巨大的資源寶庫(kù),P.11/37,除海上通道之外，人們正在開(kāi)拓新的利用領(lǐng)域，包括建設(shè)海上城市、海上機(jī)場(chǎng)、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?cè)絹?lái)越大的興趣：,海水本身也是一種重要資源，它不僅可以通過(guò)脫水處理變成淡水，還可以直接用于工業(yè)冷卻

9、、印染、清潔、消防，甚至將來(lái)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(lái)看，目前主要集中在海洋探測(cè)技術(shù)和海洋資源開(kāi)發(fā)技術(shù)兩部分。,海洋巨大的資源寶庫(kù),P.12/37,二、海洋探測(cè)技術(shù),人類用科學(xué)方法大規(guī)模、系統(tǒng)地對(duì)世界海洋進(jìn)行考察大約有50年左右。,海洋探測(cè)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(dòng)浮標(biāo)站? 在水下進(jìn)行探測(cè)的各種潛 水器? 在空中進(jìn)行監(jiān)測(cè)的飛機(jī)、 衛(wèi)星,P.13/37,海

10、洋探測(cè)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(chǎng)、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。,P.14/37,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

11、探測(cè)技術(shù),P.15/37,專用科學(xué)考查船始于1872年的英國(guó)“挑戰(zhàn)者”號(hào)。該船長(zhǎng)226英尺，排水量2300ｔ，使用風(fēng)力和蒸汽作為動(dòng)力。從1872年起，歷經(jīng)4年時(shí)間環(huán)繞航行，觀測(cè)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(cè)技術(shù),P.16/37,1888~1920年，美國(guó)的“信天翁”號(hào)探測(cè)船探測(cè)了太平洋。1927年德國(guó)的“流星”號(hào)探測(cè)船首次使用電子探測(cè)儀測(cè)量海洋深度，校正了“挑戰(zhàn)者

12、”號(hào)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(guó)500多艘，原蘇聯(lián)400多艘，日本380多艘。,海洋探測(cè)技術(shù),P.17/37,日本海洋科學(xué)技術(shù)中心最近宣布，他們研制的無(wú)人駕駛深海巡航探測(cè)器“浦島”號(hào)，在3000米深的海洋中行駛了3518米，創(chuàng)造了世界紀(jì)錄。“浦島”號(hào)全長(zhǎng)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。“浦島”號(hào)上安裝著高精度

13、的導(dǎo)航裝置及測(cè)試儀器，使用鋰電池作動(dòng)力。這艘無(wú)人駕駛的深海探測(cè)器，使用無(wú)線通信手段向海面停泊的母船“橫須賀”號(hào)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(kāi)發(fā)性能更高的無(wú)人駕駛深海探測(cè)器，并且使用燃料電池作動(dòng)力源。,海洋探測(cè)技術(shù),P.18/37,2. 潛水器核潛艇活動(dòng)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3

14、000米潛水器征服了深海,1953年，法國(guó)人奧古斯特·皮卡德設(shè)計(jì)建成的“里雅斯特”號(hào)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(guó)海軍上尉唐納唐·維爾什共同乘坐，闖蕩萬(wàn)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(cè)技術(shù),P.19/37,1988年，法國(guó)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

15、像，還有兩只分別為7個(gè)和5個(gè)自由度的機(jī)械手，用來(lái)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(hào)，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(jià)值的潛水器是英國(guó)人哈雷于1717年設(shè)計(jì)的,海洋探測(cè)技術(shù),P.20/37,我國(guó)首個(gè)7000米超深度載人潛水器明年下水,俄“和平號(hào)”深海潛水器2007.08.02從洋底返航,海洋探測(cè)技術(shù),P.21/37,3. 海洋衛(wèi)星主要技術(shù): 傳感技術(shù),海面溫

16、度分布圖: 測(cè)量海面的溫度及其特征 對(duì)數(shù)據(jù)分析并打印成表,海浪高度: 即主動(dòng)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(lái)進(jìn)行分析處理衛(wèi)星上向海面發(fā)出雷達(dá)波：無(wú)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(gè)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(cè)技術(shù),P.22/37,海洋地質(zhì)調(diào)查

17、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(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)，確定調(diào)查船或觀測(cè)點(diǎn)在海上的位置；利用回聲測(cè)深儀，多波束回聲測(cè)深儀及旁測(cè)聲納測(cè)量水深和探測(cè)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(cè)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ǎ綔y(cè)海底各種地球物理場(chǎng)特征、地質(zhì)構(gòu)造和礦產(chǎn)資源，有的還利用放射性

18、探測(cè)技術(shù)探查海底砂礦。,海洋探測(cè)技術(shù),P.23/37,海洋一號(hào)(HY-1A)衛(wèi)星是中國(guó)第一顆用于海洋水色探測(cè)的試驗(yàn)型業(yè)務(wù)衛(wèi)星。星上裝載兩臺(tái)遙感器，一臺(tái)是十波段的海洋水色掃描儀，另一臺(tái)是四波段的CCD成像儀。 　HY-1A號(hào)星于北京時(shí)間2002年5月15日9時(shí)50分在太原衛(wèi)星發(fā)射中心與FY-1D衛(wèi)星由長(zhǎng)征四號(hào)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(shí)間有效

19、載荷開(kāi)始進(jìn)行對(duì)地觀測(cè)。海洋一號(hào)B星于2007年4月11日發(fā)射。,海洋探測(cè)技術(shù),P.24/37,1978年6月28日美國(guó)發(fā)射了世界上第一顆海洋衛(wèi)星——“海洋衛(wèi)星-1”號(hào),俄海洋探測(cè)衛(wèi)星可觀察60米深的核潛艇,海洋探測(cè)技術(shù),P.25/37,Envisat衛(wèi)星是歐洲迄今為止研制過(guò)的最大的地球觀測(cè)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(duì)地球表面的陸地、大氣和海洋進(jìn)行監(jiān)測(cè)。,海洋探測(cè)技術(shù),P.26/37,

20、海洋探測(cè)技術(shù),2004-7-11上海建立我國(guó)首個(gè)海洋環(huán)境立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng),P.27/37,全球定位系統(tǒng)，由30個(gè)覆蓋全球的衛(wèi)星組成，通過(guò)衛(wèi)星的無(wú)線導(dǎo)航定位功能，可提供陸地、海洋、航空等實(shí)時(shí)性的導(dǎo)航、定位、定時(shí)甚至速度測(cè)量等功能。,海洋探測(cè)技術(shù),P.28/37,三、海洋資源開(kāi)發(fā)技術(shù),P.29/37,1. 海洋石油和天然氣開(kāi)發(fā),海洋資源開(kāi)發(fā)技術(shù),P.30/37,海洋資源開(kāi)發(fā)技術(shù),中東地區(qū): 石油儲(chǔ)量最多, 占56.8%；歐洲: 天然氣儲(chǔ)量最多

21、, 占54.6%亞洲、大洋洲: 石油、天然氣只有5%,P.31/37,海洋資源開(kāi)發(fā)技術(shù),可燃冰99%的儲(chǔ)量都在海底,P.32/37,海洋資源開(kāi)發(fā)技術(shù),在海洋進(jìn)行石油和天然氣的勘探開(kāi)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(tái)技術(shù)、鉆井技術(shù)和油氣輸送技術(shù)等。,P.33/37,海洋資源開(kāi)發(fā)技術(shù),2. 海洋生物資源開(kāi)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(guó)海域的生物種類豐富多樣，已有描述記錄的物種達(dá)2萬(wàn)多種。

22、,P.34/37,海洋資源開(kāi)發(fā)技術(shù),未來(lái)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(guò)人為干涉，改造海洋環(huán)境，以創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)生物生長(zhǎng)發(fā)育所需的良好環(huán)境條件，同時(shí)也對(duì)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(lái)，遇到充足的陽(yáng)光，就會(huì)形成一個(gè)產(chǎn)量倍增的新的人工生態(tài)系統(tǒng)。溫差可以用來(lái)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(chǎng)海水養(yǎng)殖的革命，稱為“藍(lán)

23、色革命”。,指直接用海水灌溉農(nóng)作物，開(kāi)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。,P.35/37,大力推廣海水利用，可以大大緩解濱海城市缺水問(wèn)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(kāi)發(fā)海水技術(shù),海洋資源開(kāi)發(fā)技術(shù),3. 海水資源開(kāi)發(fā),海水直接利用技術(shù)包括:海水直流冷卻 (目前

24、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(jí)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.,P.36

25、/37,海洋資源開(kāi)發(fā)技術(shù),4. 海洋能源開(kāi)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。,海洋能絕大部分來(lái)源于太陽(yáng)輻射能，較小部分來(lái)源于天體(主要是月球、太陽(yáng))與地球相對(duì)運(yùn)動(dòng)中的萬(wàn)有引力。蘊(yùn)藏于海水中的海洋能是十分巨大的，其理論儲(chǔ)量是目前全世界各國(guó)每年耗能量的幾百倍甚至幾千倍。,P.37/37,,海洋資源開(kāi)發(fā)技術(shù),海洋能