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邢鸿飞／编译
●美国大型海底项目很快将向研究者们开放流动数据.但是,有些人怀疑该系统是否物有所值.
七月的一个晴日,汤普森号(R/V Thomas G.Thompson)花了90分钟通过了连接西雅图内陆水域与普吉特湾的通道.甲板上,约翰·德兰尼(John Delaney)不安地注视着海面.作为华盛顿大学的海洋学家,他已经经历了无数次在太平洋波涛下进行科学探索的出行.但德兰尼希望这次历时七周的行程为此类耗时的出行画上句号.他叹了口气说：“我们不想被拴在船上.”相反,他开始耗巨资,要在海底打开一扇永久的窗户.
德兰尼是建筑师,负责长达925公里的光纤电缆网络和安置在华盛顿及俄勒冈海底的其他设备.如果一切进展按部就班,到2015年这些设备就能将实时数据传回海岸,提供第一现场的录像片段,海底火山喷发,热液喷口的增多,以及来自海底的微生物群.有线网络是美国庞大的海洋观测计划(OOI)的关键部分,其目的在于能从固定的基站获得大量不间断的信息.
长期以来,海洋学家们的数据基本来自于单一的研究考察船、独立的浮标或者系泊设备.美国海洋观测计划和德兰尼本人准备改变这种传统的方式.德兰尼一拳击在夹板的扶手上,说：“我们的目标是开创科学发现的新纪元.游戏规则就要改变了.”
许多美国海洋学家尚未意识到国家海洋观测计划广泛的范围和巨大的潜力会对自己的研究产生怎样的影响.但一部分已经密切关注其发展的科学家们则发出警告,这一项目孤注一掷,代价太大.建设成本高达3.86亿美元,而且项目每年的运行和维修论文范文预计大约5500万美元.等到预计的25年寿命的时候,该计划将耗资接近18亿美元,这在海洋学研究中前所未有.
项目的运行成本将占美国国家科学基金会用于海洋科学年预算的将近1/6,这一比例还会继续增加.没有参与该计划的华盛顿大学海洋学家查尔斯·埃里克森(Charles Eriksen)说：“钱就这样被花掉了,不然可以分配给同行评审的其他科学.”批评人士同时抱怨OOI的基站只覆盖了全球海洋的很少一部分.
类似的反对,在德兰尼看来根本站不住脚.他说：“有人说电缆很贵.船也很贵的.”穿行过西雅图的水闸耗时一个半小时,就花去华盛顿大学近4000美元.
电信衍生品
国家观测计划萌芽,源自德兰尼和马萨诸塞州伍兹赫尔海洋学院的海洋科学家艾伦·查维(Alan Ch论文范文e)的一个想法.早在上世纪九十年代,德兰尼每隔几年才能有一到两天的乘船观测海底的时间,他对此非常苦恼.当时,查维就职于美国电讯业巨头美国电话电报公司(AT&,T).他建议通过已有的电话光缆,将设备连接到海床上.光纤电缆可以提供电力,将数据传回岸上.“这是颠覆性的思想.”德兰尼说.
建立永久的海洋观测站的想法慢慢地在国家科学基金会成熟,到2007年,基金会决定投资约3.3亿美元实现这一设想.问题的关键是要弄清楚到底建什么.观测站作为国家设施要物有所值,除了海底电缆之外,还要包括可以垂直探测水柱深度的工具.海洋观测计划支持者起初梦想着能以类固醇化合物格式建立观测站：十几个沿海深水基站,以及无数个电缆数组.毫不奇怪,最终的项目设计削减了大部分地区.“要量力而行,能建什么建什么.”海洋观测计划的项目科学家、华盛顿大学海洋地质学家黛博拉·凯莉(Deborah Kelly)说.
数百名研究人员加入该项目后,项目团队主要由三部分构成.第一个,也是最有野心的一个,是西雅图西南部的光纤网络,其中的大部分已经铺设完毕.它们将连接胡安·德·富卡地壳构造板块中无数的海底仪器、胡安·德·富卡板块位于北美洲,影响从北加利福尼亚州西海岸到加拿大温哥华岛区域内的地震活动.这些仪器集中用于研究海底活火山轴海山火山,以及水合物海岭,那里的海底释放出来的甲烷构建了一个独特的海底生态系统.
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第二部分涉及铺设系泊阵列辅助美国东西部海岸的仪表仪器.在每一阵列中,自动化分析器将上下穿梭,测量从海底到海面的叶绿素、氧气以及其它指标.系泊阵列之间有六个滑翔器,进行类似测量.项目的第三部分将使用系泊设备和滑翔器监控北部和南部的四个深水基站.一共六个基站由伍兹霍尔海洋研究所、加利福尼亚拉荷亚的斯克里普斯海洋研究所以及科瓦利斯的俄勒冈州立大学负责管理.
总之,这些站点要统一管理共约760个传感器、47项不同设计,以收集包括海水温度、盐度、酸度和密度、二氧化碳以及氧气水平在内的各种数据变量.凯莉说：“其中最具革命性之一的就是该项目的跨学科性.”
其他地方,一样雄心勃勃的海洋观测站也已经投入使用.日本目前有两个密集的海底观测站：DONET和DONET2,主要用于观测地震和海啸研究.很多国家使用浮标网络：国际Argo计划已有超过3000个浮标阵列.海洋观测计划还将收集更多的信息.在加拿大,类似海洋观测计划的项目从2009年末开始上马并启动.这个被称作加拿大海王星计划拥有800公里的光纤电缆.铺设在胡安·德·富卡板块的北部地区.加拿大政府耗资2亿加元（合1.94亿美元）投入海底观测站.加拿大海洋网络负责管理海王星计划,其总裁凯特·莫兰(Kate Moran)表示,海洋观测计划的有缆观测站大同小异,但新建观测站的传感器和系泊设备设计更新颖.
德兰尼指望着这些传感器能在七月汤普森号到达轴海山火山的时候派上用场.当船长将船泊在水下山脉的上部,工程师们操纵一个四四方方论文范文的潜水器ROPOS,将其放入水中.从水平面以下1500米的地方,ROPOS发回一段模糊的影像资料,视频中有一个8米高的矿物烟囱.其两侧挂满各类微生物,顶部向外喷出咕嘟咕嘟的热水.
科学快照
类似这样拜访轴海山一天的成本差不多7万美金,而且只能获得火山活动的粗略情况.过去,海洋学家们将地震仪和水诊器放入轴海山,之后再取出来,以此方法可以研究喷发后的火山.2011年,由美国国家海洋与大气管理局组织的一次出行正好是在火山爆发数月之后,科学家们有了研究最新的火山熔岩流的绝佳机会.但目击水下喷发的机会相当罕见,尽管这是地球上火山作用最常见的类型.
轴海山有望十年内再次爆发,海洋观测计划中的研究人员希望有机会亲临现场.一种底部压力量测仪可以测量变化过程.能显示出火山的膨胀：另外一种先进的质谱仪在熔浆由下向上升高时.能够吸水.火山喷发迫在眉睫,需要部署一些滑翔器用于研究水柱中的化学物质.今年夏季新安装的一台高清摄像机会记录下轴海山侧面的热液喷口.这些准备都将提供详尽信息,让科学家们了解熔浆如何到达火山的山顶,火山喷发与地震活动之间的关系,以及生存在如此极端环境下的生物体如何应对火山喷发.凯莉说：“有很多问题我们不知晓答案.”
德兰尼表示,投资1.26亿美元的电缆观测台是有效监控轴海山的唯一途径.设在华盛顿监督海洋观测计划的组织海洋规划协会项目主管蒂姆·考尔斯(Tim Cowels)认为,海洋观测计划在海洋其他部分的投入也能够收集到用现有设备无法获取的信息.
例如,四个高纬度深海系泊用以在强风吹翻海平面的浪花形成泡沫时,研究空气和水之间的转换.天气预报员和气候分析员需要更精确地了解在深海、海平面和大气之间能量和气体如何移动.但是由于海洋设施在恶劣天气下会受到冲击,在高纬度地区测量数据寥寥无几.七月,在阿拉斯加海湾由乌维·森德(Uwe Send)领导的一个小组动用了57台设备,完成了深海海洋观测计划第一个站点的完工.
与此同时,沿海阵列对于研究赤潮应该是能派上用场的.南佛罗里达大学生物海洋学家,海洋观测计划项目科学家肯德拉·戴利(Kendra Daly)解释,地表温度的逐渐变化会极大地影响春季浮游植物繁殖形式,但要当场能观察繁殖的变化实在太难.“我们无法准确预测发生的时间,所以很难在浮游植物繁殖的时机到达现场.”现场测量养分浓度和初级生产力,可以让科学家们更精确地确定繁殖中吸收的二氧化碳量,这将有助于理解生物系统与气候之间的相互作用.
为了着手解决这些科学问题,海洋观测计划团队需要在2015年2月前将仪器放入水中.之后,还需投入大量资金运作.考尔斯说：“本来在项目最后6个月要做的这些事让我们都很紧张.”从2009年开始.项目的时间表就开始抓狂,当时项目获得政府在经济萧条时期执行的刺激性资金,大约1.06亿美元.有人给钱谁都欢迎,但拿了钱团队就要全力以赴.考尔斯说：“这些钱逼着我们赶工期,从那之后,我们一直在努力地追赶.”
要想按时完工,至少有一个障碍.目前,华盛顿大学领导的团队无法将其部署的设备与通向海岸的能量一信息电缆相连接.国家科学基金会要求,生产电缆的公司L-3 Maripro保证,他们在交货之前设备一切正常,但L-3 MariPro没有跟上进度.德兰尼的团队只好缩短今年夏天的工作时间.将部分出行的时间留到2014年,希望到那时候一些设备连接无误.
除此之外,还有其他更让人担忧的事.一个是令人生畏的维修论文范文.海洋观测计划站点计划每一年、三年或五年要进行维修,具体时间根据设备来定.这笔论文范文能花掉大型船只出行一趟的成本.无法预料的故障也会产生重创.加拿大海王星计划曾经出现过较严重的技术性问题；,包括数公里长的电缆部分出现故障,以及置于海底刚刚一年就完全失灵的设备.
如何确保数据的质量也让人担心.道格拉斯·卢瑟(Douglas Luther),海洋观测计划项目科学家、夏威夷大学海洋学家,说：“这是我最担心的.”海洋观测计划的网络基础平台团队开发了自动算法来标记任何明显的问题,比如比相邻设备记录下的温度高几百度的传感器等.但目前没有资金来支持一个大型的质量控制小组.
另一个问题是,数据量的多少.并非每个人都可以为了使用项目的设备而放弃实地考察.微生物海洋学家,来自伍兹赫尔海洋生物实验室的朱莉·休伯特(Julie Hubert)研究轴海山火山上的微生物体.海洋观测计划的电缆网络对她没什么用,迄今为止,针对她的生物监控,她还未动用多任何设备.她说：“它不能代替我去.”
海洋外延
海洋观测计划的领导人可以效仿他们北边的同事.加拿大的海底电缆网络每年运作成本达到1600万加元,每年的活跃用户有近8000人,这个现状与项目投资者的预期基本吻合.在很大程度上,加拿大海洋网络雇佣了6名工作人员来接触其他研究者和教育工作者,教他们如何使用数据.莫兰说：“用户不用来,但那是你的工作.”迄今为止,海洋观测计划还没有正式的外站规划.
有人担心,N论文范文的项目经理们会感到压力,为使用数据的项目投资,以确认其实际成本.斯克利普斯已退休的海洋学家拉斯·戴维斯(Russ D论文范文is)说：“更重要的是,我们要付出很多钱,来让这个硬件获得成功.如果进展得不好,那将会对国家科学基金会不利,对科学也不利.”戴维斯曾协助开发Argo阵列的重点浮标.
对德兰尼来说,海洋观测计划的潜力超过了以上种种担忧.当汤普森号在太平洋上驰骋,远离海底火山,他正仔细思考着大洋之间的相互关系.他说：“一艘船同一次只能出现在一个地方.而我们则需要它们出现在不同的地方.”
无处不在的能力正是海洋观测计划的全部.如果它花销巨大,德兰尼希望研究机构能从这样的角度思考问题：相比之下,美国宇航局每年的开支达到几十亿.他说：“我们在海洋的投资远远低于在外太空的投资.但获得的回报反而更丰厚.”
[资料来源：Nature][责任编辑：彦隐]
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海洋引用文献:
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