第十二讲海洋技术发展

海洋技术同济大学物理系1一、海洋:巨大的资源宝库地球上，陆地面积占总面积的29%，而海洋面积占到71%。最早出现的是原核生物，后来发展到真核生物。海洋是生命是的摇篮:地球上最早的生物出现在海洋(30亿年前生命诞生)目前地球上80%的生物资源在海洋中5.7亿年前，海洋中开始出现各种动植物。大约1.3亿年后，各种动植物开始向陆地迁移，开始了陆上?植物的进化。2今天地球上的生物种类动物:100万种植物:40万种微生物:10万种海洋生物:20万余种在不破坏生物平衡的条件下，海洋每年可提供30亿吨水产品，能够养活300亿人口。在海洋水产品中，人们吃得最多的是鱼类。全世界有鱼类2万多种，中国海域约有2000种。海洋巨大的资源宝库3巨大的海洋资源宝库:巨量的多金属结核,其中锰含量约2000亿吨海底磷矿、硫化矿、砂矿海水中含有大量化学元素，可提取的元素包括铀、氘、氚等80余种海洋的潮汐能、海浪能、海流能、海水热能等可再生能源的理论储量约为1500亿千瓦，其中可开发利用的约70多亿千瓦，相当于目前发电总量的十几倍；海洋巨大的资源宝库4海洋巨大的资源宝库含30多种金属元素:锰25%,铁14%,镍1.9%，铜0.5%，钴0.4%大洋底的宝藏之一----锰结核结构:团块----以岩石碎屑，动、植物残骸的细小颗粒，鲨鱼牙齿等为核心，呈同心圆一层一层成的，像一块切开的葱头。由此被命名为“锰结核”，又称它为多金属团块。大小尺寸变化从几微米到几十厘米，重量最大的有几十公斤。生存:海洋2000-6000米水深海底的表层，4000-6000米水深海底的品质最佳。总储量:估计在30000亿吨以上。其中以北太平洋分布面积最广，储量占一半以上，大约17000亿吨。锰结核密集的地方，每平方米面积上有100多公斤。生长速度:平均每千年长1毫米，每年增加1000万吨。

5问题:锰在海水中的含量并不算多，但什么却会在蒙结核中独占鳌头呢?锰结核的成因?锰结核的物质资源,大致有四方面:来自陆地，大陆或岛屿的岩石风化后释放出铁、锰等元素，其中一部分被海流带到大洋沉淀；来自火山，岩浆喷发产生的大量气体与海水相互作用时，从熔岩搬走一定量的铁、锰，使海水中铁、锰越来越富集；来自生物，浮游生物体内富集微量金属，它们死亡后，尸体分解，金属元素也就进入海水；来自宇宙，有关资料表明，宇宙每年要向地球降落2000-5000吨宇宙尘埃，它们富含金属元素，分解后也进入海水。海洋巨大的资源宝库6最具开发利用价值的海岸带砂和砾石：海岸带砂和砾石由各种途径进入海洋的泥沙和尘埃中包含有各种不同的元素。不同成分的尘埃颗粒，密度、比重不同，粒径大小不同，扁、圆形状也有差异。这些特征各异的矿物碎屑，在波浪、海流作用下，分别聚集沉积在一起，就形成了海滨砂矿床。海洋巨大的资源宝库7我国海滨砂矿资源分布

示意图海滨砂矿大宗应用：建筑用砂和砾石。70年代以来，世界每年开采海滨建筑用砂和砾石的价值，也在2亿美元以上。海洋巨大的资源宝库8较为稀少而价值甚高的海滨砂矿：金红石、钻石、独居石、石榴石、钛铁砂、铌铁砂、钽铁砂、磁铁砂、铬铁砂、锡砂、磷钇砂、金砂、铂砂、琥珀砂、金刚砂、石英砂等等。金红石99个面的钻石双面橘红色钙铝石榴石海洋巨大的资源宝库9大海就像一个粉碎机和分选机，日夜不停地加工制造富含各种金属和非金属的细砂，并把它们按种类聚集在一起，形成可供人类开发利用的矿体。台湾蓝宝篮玉髓海洋巨大的资源宝库10除海上通道之外，人们正在开拓新的利用领域，包括建设海上城市、海上机场、海下桥梁、海底隧道、海底隧道等，以期拓展人类生存的空间。海洋空间正引起人们越来越大的兴趣：海水本身也是一种重要资源，它不仅可以通过脱水处理变成淡水，还可以直接用于工业冷却、印染、清洁、消防，甚至将来有可能用于农业灌溉。从现代海洋技术的发展来看，目前主要集中在海洋探测技术和海洋资源开发技术两部分。海洋巨大的资源宝库11二、海洋探测技术人类用科学方法大规模、系统地对世界海洋进行考察大约有50年左右。海洋探测技术主要方面：在海洋表面进行调查的科学考察船、自动浮标站在水下进行探测的各种潜水器在空中进行监测的飞机、卫星12海洋探测技术1.科学考察船海洋科学考察船的任务：调查海洋、研究海洋它调查的主要内容有海面与高空气象、海洋水深与地貌、地球磁场、海流与潮汐、海水物理性质与海底矿物资源(石油、天然气、矿藏等)、海水的化学成分、生物资源(水产品等)、海底地震等。13大型海洋调查船性能要求：稳性和适航性能好，能经受住大风大浪的袭击。船上的机电设备、导航设备、通讯系统等先进燃料及各种生活用品的装载量大具有优良的操作性能和定位性能海洋探测技术14专用科学考查船始于1872年的英国“挑战者”号。该船长226英尺，排水量2300ｔ，使用风力和蒸汽作为动力。从1872年起，历经4年时间环绕航行，观测资料包括洋流、水温、天气、海水成分，发现了4700多种海洋生物，并首次从太平洋上捞取了锰结核。海洋探测技术151888~1920年，美国的“信天翁”号探测船探测了太平洋。1927年德国的“流星”号探测船首次使用电子探测仪测量海洋深度，校正了“挑战者”号绘制的不够准确的海底地形图。据报道，全世界总共有科学考察船2000多艘，其中美国500多艘，原苏联400多艘，日本380多艘。海洋探测技术16日本海洋科学技术中心最近宣布，他们研制的无人驾驶深海巡航探测器“浦岛”号，在3000米深的海洋中行驶了3518米，创造了世界纪录。“浦岛”号全长9.7米、宽1.3米、高1.5米、重7.5吨，水中行驶速度为4节，巡航速度为3节，最大潜水深度是3500米。“浦岛”号上安装着高精度的导航装置及测试仪器，使用锂电池作动力。这艘无人驾驶的深海探测器，使用无线通信手段向海面停泊的母船“横须贺”号上传送了用水中摄像机拍摄的深海彩色图像。日本海洋科学技术中心认为，这一装置在世界上居领先地位。以这次航行试验成功为基础，海洋科学技术中心还计划开发性能更高的无人驾驶深海探测器，并且使用燃料电池作动力源。海洋探测技术172.潜水器核潜艇活动范围：300～400米的海洋深处现状：占地表77%以上面积的海洋深处3000米潜水器征服了深海潜水器深海探测的工具进行水下工程的重要设备载人潜水器无人潜水器1953年，法国人奥古斯特·皮卡德设计建成的“里雅斯特”号自航式浮水器，1960年1月23日由奥古斯特·皮卡德的儿子雅克·皮卡德以及另一名潜水员美国海军上尉唐纳唐·维尔什共同乘坐，闯荡万米深渊——马里亚纳海沟。创下了10916米的世界纪录。海洋探测技术181988年，法国研制的可下潜6000米的深潜器，可载3人，能直接考察世界97%的洋底，可进行摄影、录像，还有两只分别为7个和5个自由度的机械手，用来采集海底样品。1989年，日本建造了可达水深6500米的深潜器“深海6500”号，创造了载人深潜器水下6527米作业的世界纪录。第一艘有实用价值的潜水器是英国人哈雷于1717年设计的海洋探测技术19我国首个7000米超深度载人潜水器明年下水俄“和平号”深海潜水器2007.08.02从洋底返航海洋探测技术203.海洋卫星主要技术:传感技术海面温度分布图:测量海面的温度及其特征对数据分析并打印成表海浪高度:即主动微波遥感(雷达成像系统)利用海面“粗糙度”不同的原理来进行分析处理卫星上向海面发出雷达波：无浪平静海面(光滑面):雷达波发生镜反射,雷达接收不到回波。海面有波浪(“粗糙”面):雷达波向各个方向散射，发生漫反射，雷达收到一部分回波。电脑算出海面的“粗糙”度，从而得知海浪的高度。海洋探测技术21海洋地质调查主要技术手段：

利用人造卫星导航、全球定位系统(GPS)、无线电导航系统，确定调查船或观测点在海上的位置；利用回声测深仪，多波束回声测深仪及旁测声纳测量水深和探测海底地形地貌；用拖网、抓斗、箱式采样器、自返式抓斗、柱状采样器和钻探等手段采取海底沉积物、岩石和锰结核等样品；用浅地层剖面仪测海底未固结浅地层的分布、厚度和结构特征。用地震、重力、磁力及地热等地球物理方法，探测海底各种地球物理场特征、地质构造和矿产资源，有的还利用放射性探测技术探查海底砂矿。海洋探测技术22海洋一号(HY-1A)卫星是中国第一颗用于海洋水色探测的试验型业务卫星。星上装载两台遥感器，一台是十波段的海洋水色扫描仪，另一台是四波段的CCD成像仪。

HY-1A号星于北京时间2002年5月15日9时50分在太原卫星发射中心与FY-1D卫星由长征四号乙火箭一箭双星发射升空，在完成了7次变轨后，于2002年5月27日到达798公里的预定轨道，并于2002年5月29日按预定时间有效载荷开始进行对地观测。海洋一号B星于2007年4月11日发射。海洋探测技术231978年6月28日美国发射了世界上第一颗海洋卫星——“海洋卫星-1”号俄海洋探测卫星可观察60米深的核潜艇海洋探测技术24Envisat卫星是欧洲迄今为止研制过的最大的地球观测卫星，欧洲所有的航天企业都参与了研制工作。

该卫星2002年3月1日发射，对地球表面的陆地、大气和海洋进行监测。海洋探测技术25海洋探测技术2004-7-11上海建立我国首个海洋环境立体监测系统26全球定位系统，由30个覆盖全球的卫星组成，通过卫星的无线导航定位功能，可提供陆地、海洋、航空等实时性的导航、定位、定时甚至速度测量等功能。海洋探测技术27三、海洋资源开发技术281.海洋石油和天然气开发海洋资源开发技术29海洋资源开发技术中东地区:石油储量最多,占56.8%；欧洲:天然气储量最多,占54.6%亚洲、大洋洲:石油、天然气只有5%30海洋资源开发技术可燃冰99%的储量都在海底31海洋资源开发技术在海洋进行石油和天然气的勘探开采工作要比陆地上困难多。必须具备一些与陆地不同的特殊技术，如平台技术、钻井技术和油气输送技术等。32海洋资源开发技术2.海洋生物资源开发构成海洋生物量的金字塔海洋食物链示意图中国海域的生物种类丰富多样，已有描述记录的物种达2万多种。33海洋资源开发技术未来海洋农业发展的主要方向:海洋水产生产农牧化蓝色革命计划海水农业通过人为干涉，改造海洋环境，以创造经济生物生长发育所需的良好环境条件，同时也对生物本身进行必要的改造，以提高它们的质量和产量。着眼于大洋深处海水的利用。将深层水抽上来，遇到充足的阳光，就会形成一个产量倍增的新的人工生态系统。温差可以用来发电或直接用于农业生产。这项工作将引发一场海水养殖的革命，称为“蓝色革命”。指直接用海水灌溉农作物，开发沿岸带的盐碱地、沙漠和荒地。即要迫使陆地植物“下海”，这是与以淡水和土壤为基础的陆地农业的根本区别。目前已经获得了可以用海水灌溉的小麦、大麦和西红柿等。34大力推广海水利用，可以大大缓解滨海城市缺水问题的。海水直接利用海水淡化海水化学物质提取利用综合开发海水技术海洋资源开发技术3.海水资源开发海水直接利用技术包括:海水直流冷却(目前工业应用的主流);海水循环冷却;海水冲洗;阴极保护,防生物附着,防漏渗,杀菌技术等。主要的淡化方法有：多级闪蒸(用于海水的循环和流体的输送),低温多效(用于流体输送),反渗透。海水中的元素分为两类,常量元素:>1毫克/升(有80多种金属和非金属元素)；微量元素<1毫克/升(60多种).提溴(以提高现有地上卤水资源的溴利用率，发展高效溴化剂和新型阻燃剂等)；海水、卤水提钾；提镁；提铀.35海洋资源开发技术4.海洋能源开发海洋能包括温度差能、波浪能、潮汐与潮流能、海流能、盐度差能、岸外风能、海洋生物能和海洋地热能等8种。蕴藏于海上、海中、海底的可再生能源，属新能源范畴。