第十二講海洋技術(shù)的發(fā)展

1、海洋技術(shù),同濟大學(xué)物理系,P.2/37,一、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?植物的進化。,P.3/37,今天地球上的生物種類動物: 1

2、00萬種植物: 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,P.4/37,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

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,P.5/37,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

4、。由此被命名為“錳結(jié)核”，又稱它為多金屬團塊。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α? 估計在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。,P.6/37,問題

5、: 錳在海水中的含量并不算多，但什么卻會在蒙結(jié)核中獨占鰲頭呢? 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，金屬元素也就進入海水；

6、? 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 解后也進入海水。,海洋巨大的資源寶庫,P.7/37,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,P.8/37,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,P.9/37,較為稀少而價值甚高的海濱砂礦：金紅石、鉆石、獨居石、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,P.

8、10/37,大海就像一個粉碎機和分選機，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,P.11/37,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

9、、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,P.12/37,二、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：? 在海洋表面進行調(diào)查的科 學(xué)考察船、自動浮標(biāo)站? 在水下進行探測的各種潛 水器? 在空中進行監(jiān)測的飛機、 衛(wèi)星,P.13/37,海

10、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。,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。船上的機電設(shè)備、導(dǎo)航設(shè)備、通訊系統(tǒng)等先進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、探測技術(shù),P.15/37,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),P.16/37,1888~1920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

12、”號繪制的不夠準(zhǔn)確的海底地形圖。,據(jù)報道，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),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

13、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。以這次航行試驗成功為基礎(chǔ)，海洋科學(xué)技術(shù)中心還計劃開發(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),P.18/37,2. 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3

14、000米潛水器征服了深海,1953年，法國人奧古斯特·皮卡德設(shè)計建成的“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),P.19/37,1988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，可進行攝影、錄

15、像，還有兩只分別為7個和5個自由度的機械手，用來采集海底樣品。,1989年，日本建造了可達水深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。,第一艘有實用價值的潛水器是英國人哈雷于1717年設(shè)計的,海洋探測技術(shù),P.20/37,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),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(雷達成像系統(tǒng))利用海面“粗糙度”不同的原理來進行分析處理衛(wèi)星上向海面發(fā)出雷達波：無浪平靜海面(光滑面): 雷達波發(fā)生鏡反射,雷達接收不到回波。海面有波浪(“粗糙”面): 雷達波向各個方向散射，發(fā)生漫反射，雷達收到一部分回波。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),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)、無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，確定調(diào)查船或觀測點在海上的位置；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

18、探測技術(shù)探查海底砂礦。,海洋探測技術(shù),P.23/37,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

19、載荷開始進行對地觀測。海洋一號B星于2007年4月11日發(fā)射。,海洋探測技術(shù),P.24/37,1978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),P.25/37,Envisat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、大氣和海洋進行監(jiān)測。,海洋探測技術(shù),P.26/37,

20、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),P.27/37,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),P.28/37,三、海洋資源開發(fā)技術(shù),P.29/37,1. 海洋石油和天然氣開發(fā),海洋資源開發(fā)技術(shù),P.30/37,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

21、, 占54.6%亞洲、大洋洲: 石油、天然氣只有5%,P.31/37,海洋資源開發(fā)技術(shù),可燃冰99%的儲量都在海底,P.32/37,海洋資源開發(fā)技術(shù),在海洋進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。,P.33/37,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2萬多種。

22、,P.34/37,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)。這項工作將引發(fā)一場海水養(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，開發(fā)沿岸帶的鹽堿地、沙漠和荒地。即要迫使陸地植物“下?！?，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

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, 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.,P.36

25、/37,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。,海洋能絕大部分來源于太陽輻射能，較小部分來源于天體(主要是月球、太陽)與地球相對運動中的萬有引力。蘊藏于海水中的海洋能是十分巨大的，其理論儲量是目前全世界各國每年耗能量的幾百倍甚至幾千倍。,P.37/37,,海洋資源開發(fā)技術(shù),海洋能