发生了什么？让我们一起来看看

第六章　探测海洋

探测海洋的历史

到了19世纪，所有的陆地和海洋基本上都已发现，探险时代宣告结束。

这些目的不同的各种远洋航行和探险活动促进了人们对海洋的大小、深浅、洋流和风浪的认识，并开拓了新的航道，发展了造船技术，从而也为海洋科学调查和海洋探测奠定了基础。

如果说，海洋探险始于新石器时代的独木舟的话，那么，真正意义上的人类海洋探测活动，是始于距今120多年前的英国“挑战者”号的那次科学考察航行。这次大规模探险工作是在英国政府的主持和指导下进行的。作为一次规模空前的综合海洋探测活动，这次航行标志着海洋探险时代的结束和科学调查、探测时代的开始。此后，各国竞相建造海洋调查船，改进和发明了许多更加精密的科学探测技术。

20世纪20世纪60年代以来，海洋调查与探测进入了一个崭新的时期。这个时期的显著特点是海洋调查开始从基础科学研究转向海洋开发研究。与此同时，海洋观测技术也发生了根本性的变化，开始在海洋观测中使用飞机、卫星、深潜器、深海钻探船等，并引进计算机技术，从而可以宏观地、主体地观测海洋。

1960年，美国发射了第一颗气象卫星。1978年美国又发射了第一颗海洋卫星，开创了人类从空间观测地球表面的时代，把海洋观测技术从海洋表面的局部观测，引向从空间进行全面的宏观调查，使对海洋的监测、预报成为可能。1978年，美国海军还成功地下潜到世界大洋的最深处太平洋的马里亚纳海沟，宣告了人类已经具有征服大洋任何深度的能力。

随着现代科学技术的发展，目前海洋调查中已广泛应用遥感、遥控、水声、深潜、浮标、电子计算机等尖端技术，使现在的海洋探测向着海面、空间、海底立体化的方向发展。这些现代科学技术宛如优秀的侦察兵，日夜不停地探测着海洋的奥秘，并向人类预告万里海洋的最新情报……

原始探测

我们的人类从一开始就对神秘莫测的海洋产生了浓厚的兴趣。人类最早是用树棍、竹竿来测量水深。后来又发展为用绳索来测量水深。葡萄牙人麦哲伦做出了最早的深海测深报告。当他率领的船队航行到南太平洋的土阿莫土群岛时，他把拴有坠子的10根缆绳（每根约700米）接起来探测海深。但是仍未到底。于是麦哲伦宣称，这里是世界海洋最深的地方。后来调查的结果，这里的深度有5000米。

用缆绳测量海洋深度，测出的数字一般比实际深度大。这是因为装上坠子的缆绳放进深海后，由于中下层海流的作用，缆绳变成弓形，以致坠子碰到海底时，所放出的缆绳长度比实际深度大得多。

后来，美国人威克斯船长和丹纳博士又改用铜索作为测量绳。

在这期间，还存在着其他的测深方法。比如有一个叫开尔文的人曾经发明了化学管测深法。原理是这样的，首先，他将一支玻璃管内壁涂上红色的物质铬酸银，然后用拴有重锤的测量绳带着这支玻璃管沉入海中。入水后，海水便从开口处涌入管内。海水与管壁的铬酸银发生反应，生成白色颜色的氧化银。海水越深，压力就越大，进入玻璃管内的海水就越多，从而可以测得海底的最大水压，然后再根据物理学上的定律、公式，就会很容易地由水的气压算出海水的深度。

但是，在1920年以前，也就是距今80多年以前，用绳索来测量海深还是人们经常使用的、主要的探测方法。这种原始的探测手段，直到近几十年来才被更为科学的方法所替代。

声波探测

在第一次世界大战期间，德国的潜水艇发挥了很大的威力。为了能够探测到德国潜水艇的位置，英国、法国等国家的科学家们进行了长时间的研究。

法国有一位科学家叫郎之万的，发明了用声波来探测潜水艇的方法。那就是，向水中发射声波，并检查反射来的声波，这样来捕捉敌人的潜水艇。这种研究在当时曾经非常活跃。

在这种研究的基础上，人们进一步发展了音响测深法，以此来测量海洋的深度和海底地形。

大家都知道，当我们对着山丘或高大建筑物高声喊叫时，声音会在碰到它们之后反射回来，这就叫做“回声”。而声音在水中传播的性能和速度比在空气中传播的还要好、还要快。声音在空气中的传播速度是每秒340米，而在0℃水中是1500米。此外声波在水中的衰减比在空气中小，因此，声音在水中比在空气中传播得更远。

声音在水中遇到障碍物之后，也会反射回来。这样，根据声波在水中的传播速度，只要测出声音从船上发射再反射到船上的时间，就能知道海的深度。

这即是利用“回声”来测量海深的道理。但实际上，问题要比我们想象的复杂得多。这主要是由于，声波在海水中传播的速度不是固定不变的，它是随海水温度、盐度和水深的变化而变化的，也就是说，海水下面存在着声速不同的水层。如在温度为0℃的海水里，声音每小时可跑5000多千米，比在空气中的传播速度快4倍多；在30℃的海水里，它每小时可以跑5600多千米；在含盐多的水里，声音传播的速度比在含盐少的水中要快。另一方面，声音在穿过声速不同的水层时，还会产生不同的折射。此外，声音碰到海底或障碍物也会拐弯，也就是说，声音在水中是沿着一条看不见的声道，弯弯曲曲前进的。

这样，一种现代化的水声探测技术——声呐问世了。什么是“声呐”呢？

实际上，声呐就是人们利用水声能量进行水下观测和通信的一种仪器。前面我们已经讲了，声波在海水里并不是直线传播的，不同的水域、不同的水深以及不同的障碍物或海底地形，都会对声音的传播发生影响。而声呐正是利用了这一原理，通过回收不同的“回声”来探测海水的不同界面、海洋深度以及海底地形等。

声呐基本上可以分为两种。第一种可以称为主动声呐。它可以发射声波，遇到目标时，会产生回声，而声呐里装有能感受声音的装置，这样，声呐就可接收这种回声，并加以处理，然后在显示器上显示出目标的方位、大小及形状。有的还能根据回声的大小确定目标的远近。第二种可以称为被动声呐。这种声呐不能发射声波，它只接收目标发出的噪音，然后加以处理并将结果显示出来。

结果按照声呐安放的位置分，声呐还可以分为舰艇载、飞机载和固定式三种。

近年来，人类又发明了多波束回声测深仪。这种多波束回声测深仪与普通的声呐测深仪不同，它可以发射多束声波，而其接收装置会把反射回来的每一束声波都单独地接收下来，经过仪器内部的处理装置就会得出多束声波所接触的海底深度。这样，再经与之相联的电子计算机进行处理，就可以绘制出较大区域的海底地形图。

随着电子计算机技术的飞速发展，微型计算机的迅速崛起，回声、水声探测技术现在又进入了微处理机时代。一些国家已开始把微型计算机引入了水声测深技术之中，实现了水声测深仪中央控制和精细的信息处理。同时，在水声测深仪终端上不仅采用了屏幕显示器，进行传统的水深曲线的记录，而且还能够记录测量点编号、测量时间、测量位置等多项参数的情况，实现了图表注释可以自动打印记录，大大减轻了操作人员和绘图人员的劳动强度，提高了工作效率。而且这种测量精度高，图像数据记录清晰、可靠、直观，便于资料存档和查阅，特别适用于港湾、码头、湖泊、水库以及海洋上航道水深的测量和海图标绘，对于船舶导航，也有很大帮助。

总之，海洋探测的“顺风耳”——回声、水声探测技术为海洋事业的开发，提供了巨大的帮助。“顺风耳”耳听八方，为海洋开发充当着“侦察兵”的作用……

神奇的观测

海洋观测仪器是海洋调查工具，海洋调查是海洋开发和海洋科学研究的基础。没有高精度、高速稳定可靠的海洋仪器，就不可能为海洋开发和海洋学研究提供准确的一手材料。因此，海洋观测仪器的现代化受到了人们广泛的重视。

自从1950年以来，航空遥感作为海洋环境调查和海洋开发的有效手段，开始受到了很多国家的关注，并同卫星、调查船、浮标、潜水器等一起列入了多数国家的发展规划。

尤其是最近10年来，航空海洋遥感技术在世界范围内取得了较大的进展，并已在气象和海洋领域开始广泛的应用。遥感飞机各种类型，如气象研究机、海洋学观测机、海洋磁测机、摄影测量机、地质调查机、综合研究机等等。

在航空海洋遥感的基础上，航天海洋遥感技术在近年来也获得了可喜的发展，而且其优势和性能远远高于航空海洋遥感，成为海洋调查空间技术的后起之秀。一般航空遥感飞机的飞行高度在10千米左右，一张航空照片覆盖地面面积只有10—30平方千米，探测一遍全球表面需要十几年的时间；而以人造卫星为观测平台的航天海洋遥感所覆盖的面积可达3．4万平方千米，每18天就可以覆盖全球一遍，其优越性是显而易见的。

以美国1978年发射的海洋卫星“西塞—A”号为例，它重2200千克，是由一个33．3米长的火箭把它带到805千米的高度。它的传感器可以观测海流、潮汐、波浪、海面温度、风暴、冰况及海岸现象等。这些信息传送到地面，经过加工处理被人们研究使用。“西塞—A”号卫星工作时间是1年，它每天绕地球14圈，它的传感器6小时扫描（即探测）一次，扫描的面积包括世界95%的海洋。国外认为这颗海洋卫星开创了“海洋科学发展的新纪元”，揭开了“海洋研究的新的一页”，价值很高。

中国在海洋遥感，特别在海洋航空遥感方面也取得了很多成果。自1970年以来，中国已能连续发射自己制造的人造卫星，并收回了各种科学数据。

此外，中国还收集了美国陆地卫星1、2、3号的卫星图像将近500幅，这些图像包含了中国沿岸和周围海域的丰富信息，反映了沿岸流、泥沙流、河口冲淡水的路径、变化、扩散范围等海洋特征。航空、航天海洋遥感技术，完全可以称得上是扫描（探测）万里海区立体画面的“千里眼”，在海洋探测和海洋调查中发挥着神通广大的积极作用。那么，这个“千里眼”是怎样工作的呢？原来，卫星和飞机对海洋的观测是通过安装在卫星或飞机上的遥感仪器来实现的。

遥感、遥感仪器又是怎么一回事呢？“遥感”这一新的术语，是美国海军的一位军官首先提出的。从广义上讲，远距离、不接触探测目标发射的或反射的某种能量（如电磁波、声波），并能够把探测目标转换成人们容易识别和分析的图像和信号，从而弄清目标的性质和特点，这个过程，即称为遥感。遥感的最显著特点是不接触目标和远距离探测。遥感所用的设备和仪器，称为遥感或遥感仪器、遥感设备。

目前遥感器大致有三种分类方法。一种是根据探测的结果来划分，把得到像照片那样结果的遥感器叫做成像遥感器；把仅通过感觉温度、音响、深浅等物理量的高低、大小来区分目标的遥感器，称为非成像遥感器。第二种分类方法是根据遥感器外部发射能量目标进行分类，把能够发射能量并接收目标反射回波的遥感器，称为主动遥感器；把不发射能量，只接收目标反射的能量或目标本身辐射的能量遥感器，称为被动遥感器。第三种分类方法是根据遥感器探测物理量的不同来分类：以探测声音来区分目标的，称为声学遥感器；以电磁波来区分目标的，称为光电遥感器。

那么遥感器又是靠什么来探测目标的呢？对于微波、红外、可见光的遥感器来说，它们是凭借物体反射和发射的各种电磁波（光也是一种电磁波）来探测目标的。电磁波是自然界存在的一种物质，是由物质内部电子强烈运动而产生的。任何温度高于绝对零度（－273℃）的物质，其内部都存在着电子，而且其内部的电子在运动着，因而该物质都要发射电磁波。

物体温度不同，发射电磁波这种能量的本领也不一样。物体温度越低，发射电磁波的能量越弱，电磁波的波长越长；物体温度高，并且发射的能量多，电磁波的波长就越短。另外，物体的化学成分和物理构造不同，反射电磁波的本领也不一样。

物质物体反射和辐射不同电磁波的本领，叫做目标特征信息，它是识别有用目标的重要依据。收集和研究物体反射和辐射电磁波随时间、地点和季节变化，以及电磁波在大气中传播的规律，是遥感技术的一项重要内容。

通过前面的叙述，我们大体上了解了什么是遥感及其相关的知识。现在让我们看一下“千里眼”是如何扫描万里海区的。

我们已经知道，卫星和飞机对海洋的遥测是通过安装在卫星或飞机上的遥感器来实现的。

一方面，卫星和飞机上的遥感器主动地向海洋发射能量，辐射电磁波，然后再通过遥感器内部的装置来接收这些目标反射回波，进行处理之后成像或非成像显示，传向地面。

卫星和飞机遥感仪器经过不断完善，已经历了三代技术更新。第一代是可见光遥感仪器，如光导摄像机等。这种遥感仪器只能在白天工作，黑夜就变成了瞎子。第二代技术产品是红外线遥感仪器。这种遥感仪器可以使卫星实现昼夜观测，但每当天空阴云密布或雨雪交加时，红外遥感仪就会受到干扰。第三代是微波遥感仪，这是新一代的“全天候”遥感仪器。微波是介于红外波段和无线电波段的电磁波，它不仅可以昼夜工作，而且具有一定的穿透云层、雨雪和地面植被的能力。目前海洋卫星上试用的遥感仪基本上都是微波遥感仪。

已经试验使用过的海洋遥感仪器有海洋水色扫描仪、海水温度扫描仪、机载激光测深仪、图像自动传统系统、高级光导照相机、多光谱海洋环境监测扫描仪等。

海洋卫星的观测本领极高，可以直接对海面温度变化、海冰分布、海上灾害、天气和海况进行有效的监测，其中对海洋上台风的生成和活动的监测效果尤为显著。卫星借助遥感器可以精确测量海面的变化、海面起伏和海浪高度，还可以测出海水表层的流速，可以测量海面风速、海面水温以及海水和大气中的水汽含量等。海洋卫星所获取的信息量之大是极惊人的，它一天所获得的海洋情报，相当于2万份船舶观测资料。

另一方面，卫星和飞机上的遥感器还可以定时地接收放在海洋里的锚系浮标和漂流浮标所探测到的信息。锚系浮标基本上是位置固定的浮标，大致有12米和10米直径的钢质饼型浮标、6米铝质船型浮标、3米直径铝质饼浮标等几种规格。锚系浮标的观测项目和搜集信息的范围有风、气压、气箱、海面温度等。这些浮标的标体都载有太阳能供电系统。浮标上装置着单根长索，长索上悬挂着许多小型紧固的传感器。这些传感器的可靠性都很好。

锚系浮标中的信息接收机可以接收海水中的传感器所搜集的信息，卫星或飞机遥感器会定时地接收这些信息，进行处理。现在世界上已有两颗极地轨道卫星专门来负责接收这些海上指定点的信息情况。这种卫星每105分钟就绕地球一周，轨道高度约900千米，能够覆盖全球范围的海域。

漂流浮标主要用于监测飓风和热带气旋、海啸等。除此之外，对海浪、海温、潮汐、海冰、极冰、赤潮等也都有良好的观测作用。这种浮标重在流动性，可以在船上或飞机上投放，其工作原理和锚系浮标基本类似。

卫星、飞机遥感器主要是通过上述两方面的渠道来时刻监视海洋的。它们宛如无数只“千里眼”，时刻不停地洞察、扫描着这无垠的海洋，探测着这万里海区的最新“敌情”……

水下照相

现在让我们把历史的聚光灯扫向130多年前。那时，有一位叫汤姆森的英国人对摄影着了迷，拍摄了大量的照片。后来，他对水下世界也逐渐感兴趣起来。于是他经常拿着照相机在海滩上游玩，或驾着小船在大海中漂荡。

有一天，他忽然灵机一动，用他的普通照相机摄下了第一张水下照片。从此，水下摄影成了此后很多人所追求的事业。后来，一位法国潜水员路易·布当又迷上了水下摄影，并对水下摄影做出了卓越的贡献。这位潜水员花了8年时间，研制出当时世界上第一架水下摄影机。这架摄影机从外观上看，既大又笨重；摄影机外面罩着一个金属箱作防水外套；前边镶嵌着一块玻璃，镜头可以通过这里摄影。防水金属箱的里面是一个9×12厘米的普通玻璃底板摄影机。这个法国人身穿潜水服，潜入水中进行摄影。当时还没有研制出摄影用的防水表，所以在水下不能掌握准确的曝光时间，还必须在这架摄影机上系上一条绳子，由水面上的人拉动作为信号来确定曝光时间。这位法国人就是用这架原始的水下摄影机，拍摄了大量的海蟹、游鱼等多种海洋生物的照片。但是，由于当时还没有研制出水下摄影用的闪光灯，这些摄影只能安排在天气晴朗而且较浅的海区进行，只有这样才能保证照相需要的足够的光线。这样一来，照相的时间和海域都受到了很大限制，为水下照相带来了极大的不便。这个法国人又经过了不断的实验，终于制造出一种水下闪光灯。

这种水下闪光灯其实就是一个大玻璃球。球里面放上一盏酒精灯和一些镁粉。大家知道，镁粉遇热燃烧会发出明亮的光来。下水前，只需把酒精灯点燃，这样酒精灯就会诱燃镁粉发出阵阵明亮的光来，就可以进行水下摄影了。

这个玻璃球和水面上充满空气的大酒桶相连接，可以保证有充分的氧气燃烧，因而球里面的灯火也就不会窒熄了。遗憾的是，这种水下闪光灯经常发生爆炸，有时也会伤害一些摄影人员，所以这种方法很快就不使用了。这位法国人布当仍然继续进行水下摄影照明的研究。最后，他终于制造出一种防水的弧光灯。用这种弧光灯进行水下摄影，可以在50米的海洋深处拍到效果非常好的照片。这位法国人还专门写了一本介绍水下摄影的专著，为后人留下了宝贵的资料。

继法国人布当之后，进一步发展水下摄影事业的是美国人列·普里也尔，他为水下摄影机设计了一个不锈钢的外壳，胶片装在一个发条机构上，潜水时使用这样的摄影机，一次可以连续拍摄35—36个镜头。美国电气工程师德米特里·列比科夫，又研制出一种水下自动摄影机。这种摄影机的外壳像一个鱼雷，是一个长长的椭圆形；壳体是不锈钢的，浮力为零，不升不降地处于悬浮状态。壳里面装着摄影机、聚光灯和电池组。壳的外面装上电动螺旋钉，可以在海中自动前进。壳里面的摄影机也是自动装置的。于是，这种水下自动摄像机可以穿越海洋中狭小的通道，拍摄下沉船内部和水下岩洞的情况。后来，人们又经过不断探索，发明了深海摄影机。这种摄影机的原理是这样的：摄影机上附着一个重物，这块重物携带着照相机迅速下沉，当重物与海底碰撞时，照相机上的照明灯会自动打开，启动快门，转动胶片，同时把重物弹射开，这样摄影机又浮上了水下面。这种深海摄影机可以拍摄深海中的许多景色，可以在几千米的深海中照相。

现在水下摄影机已经十分普及了，而且种类繁多，功能齐全，对焦距、拨光圈、转底片都可以在水下进行，水下闪光灯也比较完善了。