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面朝大海 高科技向“深蓝”

  加强海洋科技创新,促进海洋高端产业孵化,发展海洋经济,是我国建设海洋强国战略的重要组成部分。日前,以“创新海洋科技引领产业发展”为主题的世界海洋科技大会在山东青岛举行,本期摘录和分享中国科学院院士吴立新等专家在大会上的精彩观点,并发布各国海洋专家形成共识的海洋领域前沿科学和工程技术的十大难题。

  海洋中包含着各种空间尺度的运动,上至海盆尺度的大洋环流,下至微尺度上的湍流运动。海洋运动的能量主要输入于环流尺度,而能量耗散则发生在湍流尺度。为了维持海洋的平衡态,能量必须从环流尺度跨越近10个数量级传递到湍流尺度(即能量串级)。能量向小尺度的串级过程,涉及不同运动形式间强烈的非线性相互作用,并深刻影响着环流、涡旋和湍流运动等所引起的物质和热量输运。上述多尺度能量串级与输运过程是贯穿整个海洋学研究的核心科学问题,同时也是经典难题。

  近半个世纪以来,深海大洋吸收了整个地球气候系统中超过90%的热量盈余以及超过30%的人类活动排放的CO2,从根本上减少了进入地球系统的净辐射,从而减缓了全球变暖的速率,维持了赖以生存的食物链来源和地球生态系统的平衡。然而,深海大洋对热量和CO2的极限吸收能力是多少?是否存在拐点?对热量与CO2的吸收如何改变海洋的动力和生物地球化学环境?又如何进一步影响全球极端气候、海平面、生态系统以及深海资源格局?这些关键问题与未来地球的宜居性息息相关。

  海洋观测与探测是认识海洋与经略海洋重要支撑。当前海洋观测与探测领域正向多学科、全海深、精细化、网络化、小型化、低能耗和智能化等方向发展,涉及大数据分析、人工智能、传感器、推进和驱动、先进材料、自主控制、先进制造、可持续能源、海洋通信技术等新型学科、行业和领域。特别地,基于人工智能的大数据分析技术已成为海洋观测技术创新的驱动力量。

  如何发展新技术,实现全球、长期、连续、实时、综合、精细、低成本的智能海洋观测与探测是目前面临的巨大挑战。

  海洋是地球系统的关键组成部分,准确、精细地预测海洋与地球气候系统的变化是科学应对和减缓全球气候变化的关键手段。当前海洋与地球系统变化的预报预测正向多圈层耦合以及高分辨率的方向发展,结合人工智能、大数据、超高性能计算机,以及海洋与地球系统综合观测数据日益增加,如何提高海洋与地球系统变化的精细化与精准化预报预测是国际上面临的急迫任务和巨大挑战。

  海岸带是地球系统中水圈、岩石圈、生物圈和大气圈的交汇地带,是陆地、海洋和大气之间物质和能量交换和多尺度过程相互作用最活跃的地带。海岸带区域人类活动的高度集中,社会与经济高度发展,高强度的工业、生活与养殖业污染排放,导致海岸带生态环境不断恶化,对海岸带可持续发展产生巨大的环境压力。同时,气候变化使得生态环境恶化进一步加剧,富营养化、缺氧、海洋酸化等成为海岸带区域突出的生态环境问题,造成渔业资源退化、海洋经济发展受到阻碍等严重后果。海岸带可持续发展是世界级难题。

  地球已有45.5亿年的历史,地球在宇宙中形成以后,最初是没有生命的。深海可能是地球生命的起源地之一。但是截至目前,我们还没有找到深海生命起源的直接证据。是否能够通过获得更原始的生命形式即更古老的微生物,来揭示生命的起源与演化的过程和机制仍是当前的科学难题。近些年来,深海热液区极端环境下不依赖于光能的生命现象和运转良好的黑暗生态系统的发现,提出了一系列新的生命科学的前沿科学问题,如深部生物圈生命的起源、生命耐受的极限、生命-环境互作过程以及生物如何与地球系统共进化。

  地球是唯一有海洋、有板块运动的类地行星,但是海底多圈层相互作用与板块构造之间的内在联系一直不清楚。相关科学问题有:海水与岩石圈相互作用的机制及其对大洋环流有什么影响?进入地球内部的水如何影响板块俯冲的起始和板块运动?大规模板块俯冲在海洋物质能量循环中扮演什么样的角色?其中,海底跨界面的物质能量交换与板块俯冲启动机制是有待回答的重大科学问题。

  深海海洋中蕴藏着丰富的多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物、稀土等矿产资源,主要集中在太平洋、印度洋和大西洋的海底,资源量巨大,含有稀有的重要战略性资源和贵金属,这些矿产尚处于资源勘探和开发技术前期准备阶段。目前,深海多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物、稀土等矿产勘探程度低、成矿规律认识不清,深海矿产的采矿、集矿、扬矿、选矿以及水下作业系统等技术装备需要尽快突破,深海矿产勘探开发的环境影响评价和开采安全保障还需要持续攻关。深海战略性矿产资源的成矿机理认识、资源精细勘查、资源量精确评估、绿色高效开发技术等问题是未来重要的科技方向。

  极地海洋的快速变暖和酸化,使得极地海区生态系统正受到严重威胁,并对全球环境和气候产生影响。一方面极地海洋的快速变化将导致全球水循环格局的改变,引发水资源分布变化、海平面上升等一系列重大问题;另一方面极地海洋环境与气候的变化改变了全球能量和质量分布格局,导致全球天气、气候不稳定性增加,引发区域和全球天气、气候灾害风险加剧。因此极地海洋快速变化已经引起国际政治家、经济圈、科学界和社会公众的高度关注,并成为国际政治和科学的核心议题之一。

  大型深海工程结构是海洋资源与能源开发利用的重要工程装备。实际工程中,台风、大浪、海流等海洋动力环境恶劣,平台系统结构复杂、庞大,海床土体非线性、流固耦合及几何大变形等问题突出。目前对深海平台系统的耦合作用机理仍然缺乏足够的科学认识,工程设计水平不足,安全运行保障技术滞后。建立极端动力环境下超长重现期动力环境设计标准,发展科学高效的平台系统整体耦合动力分析方法,揭示整体结构损伤演化规律和耦合失效模式,是海洋资源开发与海洋工程发展的核心问题。

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