【海洋观点】海洋领域前沿科学和工程技术十大难题

  海洋多尺度能量串级与输运

! I4 W- p8 F' R: t, V. f 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。海洋环流和涡旋的平衡状态如何打破，从而实现能量向小尺度非平衡运动的传递？深海大洋湍流混合的时空分布特征和驱动机理是什么，在数值模式中又如何参数化其对环流和气候的影响？海-气和流-固相互作用在海洋多尺度能量串级与输运过程中扮演者怎样的角色？这些都是当前海洋研究亟待解决的难点问题。
  

    深海大洋与地球宜居性

$ |& O$ m% B5 _. A# N
, `5 S7 y6 ^# d$ z/ l7 p- T) ~

  Y3 B" \  h0 S' E9 P8 Q: p 地球宜居性决定着人类的生存，而深海大洋是决定地球宜居性的重要标准，是维持人类以及其他复杂生命体生存时间长度的重要因素。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。
2 A9 c" ^+ K  S( m& k  

    海洋观测与探测技术

* J! |7 X- c" I# P

$ R4 a( B6 O- l0 x9 s1 Y$ D 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、海洋通讯技术等新型学科、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。卫星遥感与水下无人技术是最重要两种手段。然而截至目前，尚未找到一种有效的手段可以实现对海洋上层几百米长时间、全海域、高时空分辨的卫星观测。星载海洋激光雷达虽被认为是当前最有望实现这一目标的技术途径，但其在大洋清洁水体的最大极限穿透深度尚不足以满足海洋上层的实际探测需要。借助太赫兹、中微子和磁极波等相关新技术的突破，实现全球海洋上几百米遥感探测是卫星遥感与海洋观测面临的难题与挑战。21世纪以来，水下无人观测技术虽有长足发展，但距全球范围、全水深、多学科、长时间的智能观测尚有巨大差距。新型材料、新能源技术、新型制造技术和新型通讯技术并结合人工智能大数据融合，发展具有“自主学习能力”的智能观测设备，是实现未来海洋观测的重要机遇和挑战。
& {0 p. W6 K0 |& s  

    海洋与地球系统变化预测

  
# U" ~: P) [3 j7 J$ a) }" t) p 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。经济社会可持续发展不仅要求将所有地球系统分量耦合在一起模拟预测大尺度气候信息，也要求能准确预报预测局地的海洋、大气等信息以及无缝隙地预报预测天气气候现象。这要求地球系统模式的解析度从百公里级精细到公里级，物理过程从大尺度平均近似的参数化描述上升到如对台风、中小尺度涡旋、海浪破碎等细节性过程的显式描述。海洋数值模式是海洋研究与服务功能的基础性平台，其研制涉及到计算数学、物理海洋、海洋生态、海洋生物地球化学、大气科学和计算机科学等多学科之间的交叉协作，具有基础研究和工程研究的双重特点。同时，海洋预报预测可以从全球和区域海洋发展的战略角度，为决策层进行海洋防灾减灾、海洋环境资源管理，以及应对全球变化影响等方面提供科学支撑。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。
  
" ~! ?7 x3 d' M9 E

    海岸带可持续发展

* m( ^) u3 P# r7 }% I  
/ x( U/ n$ [) c* v 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。近年来，国际上对近海生态系统的研究主要围绕着近海富营养化、生物多样性变化、有害藻华、缺氧、海洋酸化、渔业资源变动等问题，从驱动近海生态系统变动的关键要素、近海生态系统的演变过程、机制和效应，以及对近海生态系统变化趋势的预测、评估和管理等方面展开研究，强调在生态系统水平上研究多重压力驱动下海洋食物网结构和功能的改变及其对生物多样性的影响、资源持续利用的减弱与生态灾害的发生，海洋生态系统演变对人类经济社会发展和人类健康的影响，以及对生态系统未来变化趋势的预测和相应的管理对策研究。
  

    深海与地球生命起源

+ q9 A; g4 n; Y& W$ g# A


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。生命起源的第一个重要过程是化学演化。大气中的有机元素氢、碳、氮、氧、硫、磷等在自然界各种能源（如闪电、紫外线、宇宙线、火山喷发等等）的作用下，合成有机分子（如甲烷、二氧化碳、一氧化碳、水、硫化氢、氨、磷酸等）；在此基础上，这些有机分子进一步合成，演化成了组成生物体的单体化合物（如氨基酸、单糖、腺甙和核甙酸等）；这些生物单体进一步聚合，演化成高分子量生物聚合物，如蛋白质、多糖、核酸等；核酸、蛋白质等生物高分子聚合物出现后，最简单的生命也随着诞生了，从此，地球上就开始有生命了。根据地质历史记录，地球上最早的生命形式可能出现于38亿年前。无论是实验室还是自然环境中，高温高压的化学催化是从无机物合成有机物的基本条件，而海洋深部是具有化学催化能力的理想场所。因此，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。
1 o* Q- c8 k5 |  

    海底多圈层相互作用与板块俯冲

  
; Y1 A" A( G* ^ 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。传统的物理海洋学研究将海水与固体（流固）界面视为一个刚性的绝热界面。然而，实际中高度复杂的流固界面并不满足上述假定。一方面，深层海水不断沿裂隙下渗到岩石圈中并导致其发生蚀变、变质，蚀变岩石圈含水量可达6%—13%，地球内部有约3—10个海洋的水，被认为是“海底下的海洋”，是重要的海水储库；另一方面，火山、热液和冷泉将板块内部的物质能量输送给海洋，地热也将地球深部的能量传递到深层海水。上述过程对深层海洋存在明显的物质和能量强迫作用。来自地球深部的物质能量经海洋环流和湍流输运到各个海域，并最终通过海底裂隙重新回到板块内部，形成一个跨海盆、跨尺度、跨圈层的物质能量循环系统。此外，洋壳的年龄与海水深度呈正相关，全球洋壳平均年龄对海平面的影响巨大。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。
* [1 ?" n6 M+ b% z  

    深海战略性矿产资源

, }: e! F; ~2 r+ f( o/ j2 ?$ Z: l
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。当今世界各国正在加紧争夺深海矿产资源勘探开发的主导权和优先权，推动深海矿产资源勘探开发的理论、技术、工程创新，破解多圈层相互作用、深部过程与成矿等重大基础科学问题，攻克勘查开采技术装备体系，是保障国家能源资源安全重大战略的急迫需求。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。


6 p" \& K) j. s) m  F6 t! a
" A8 n3 r2 e# Z+ y, S7 m9 j: Q

    变化中的极地海洋

+ d) j& Y: X8 u; u: j8 m% w; y

& ?( h# R4 J+ F0 _, T" s6 u
进入本世纪以来，随着全球变暖和人类活动急剧增加，导致极地海区气候环境发生快速变化：极地海洋的增暖超出全球的平均水平，是全球变化的放大器；北极海冰的厚度与范围快速降低，南极冰架持续的崩解，是对气候变化最敏感的指示器。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。
  
但是相比其他大洋，极地海区是目前我们了解最少的海区，且由于其特殊的环境，主要存在科学问题包括极地冰盖不稳定性和海平面变化；北冰洋海冰快速融合及其气候效应；南大洋环流变化及其全球效应；极地生态系统的敏感性与脆弱性；两极冰盖变化对亚太及全球多尺度气候变化的调控；气候变化影响下的极地新兴生态环境问题。要想解决上述科学问题，需要加强极地海洋的观探测技术，结合新能源、新材料、无人智能冰下航行器、卫星遥感等技术进步，保障对极区的考察和其他海上活动，支撑未来极区海洋开发利用。
  

    大型深海工程安全保障

8 c5 f/ c* K' X* Y  
5 [1 X( \6 i2 ]' B/ Q* S+ J) O7 ?    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，通常包括水面大型浮体、超长细比柔性立管及系泊系统等。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，构成动力环境-结构-海床土体之间多尺度多过程耦合作用的复杂系统。然而，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。
  
3 i- M5 J6 m: D3 _7 v% R# G. a9 n/ W& ~文章来源于：中国海洋报