白海军：海洋科学其实是一个故事---“国王死了，然后王后死了”

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文/白海军

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海洋科学包括诸多学科，主要可分为海洋物理学、海洋化学、海洋地质学、海洋生物学、古海洋学、海洋勘探等。

海洋物理学，以物理学的理论、技术和方法研究发生于海洋中的各种物理现象及其变化规律的学科。主要包括物理海洋学、海洋气象学、海洋声学、海洋光学、海洋电磁学、河口海岸带动力学等。主要研究海水如海流、潮汐、波浪、内波、行星波、湍流和海水层的微结构等。

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海洋化学是研究海洋各部分的化学组成、物质分布、化学性质和化学过程的学科。海洋化学包括化学海洋学和海洋资源化学等分支。

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海洋地质学是研究地球被海水淹没部分的特征和变化规律的学科。主要研究内容为：海岸和海底地形，海洋沉积的组成和形成过程，大洋地层学、洋底岩石的岩性、矿物和地球化学,海底地壳构造和大洋地质历史,海底的热流、重力异常、磁异常和地震波传播速度等地球物理特性。洋地质学当前研究的重大课题是海底矿产资源的分布和成矿规律，大陆边缘（包括岛弧——海沟系）和大洋中脊为主的板块构造，以及古海洋学等。

海洋生物学是研究海洋中一切生命现象和过程及其规律的学科，主要研究海洋中生命的起源和演化，海洋生物的分类和分布、形态和生活史、生长和发育、生理和生化、遗传，特别是生态的研究，以阐明海洋生物的习性和特点与海洋环境之间的关系，揭示海洋中发生的各种生物学现象及其规律，为开发、利用和发展海洋生物资源服务。海洋生物学包括生物海洋学、海洋生态学等分支学科。

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实际上，另外还涉及诸多其他科技，如造船技术、卫星技术、遥感技术、探测技术、医疗科技、智能科技、计算机科学等，可以这样说，海洋是人类的另一个空间，所以人类的任何技术都可以应用于这个空间。

说海洋是另一个空间，是因为海洋就像是地球上的另一个太空，直到今天，我们对海洋的了解仍然相当有限，甚至还不如对太空的了解----海水覆盖了地球表面的71%，至今人类却只探索了5%的部分。

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地球被分为3层，地球的核心部分称为地核，是外部融化、中心凝结，由此分为外地核和内地核。地核具有极高温度，其中外地核有2300公里厚，3900多摄氏度，主要由铁和镍组成，由于液体的粘滞性而移动；内地核是一个由1207公里厚的铁合金组成的球，地球磁场就是由其形成的，内地核有6100摄氏度，与太阳表面温度差不多。地幔是地心临层，主要由坚固的岩石组成，约占地球体积的84%；最外层是最薄的地壳。在地壳层面，分布着陆地和海洋，地球的表面70.8%被海水覆盖，其中超过2000米的深海区占海洋面积的84%。而由于99%的光线都难以穿过150米以上的海水，即便海水是清澈的，太阳光仍不能渗透到275米以下，实际上由于海水混浊，大部分海水在30米就变暗，所以深海几乎就是漆黑一团，再加上巨大的压力和低温，探索深海的确是困难重重。

在地球系统内，几乎每天都发生运动和变化，但大多数时候，我们对此毫无觉察，比如全世界范围内每年有将近500000次地震，其中大约只有20%的地震能被人们感觉到，其他大部分都是微小的地震。按此计算，其实平均每天要发生将近8000次地震，只有中强至巨大地震(5—8.9里氏规模)才会造成损失，里氏9.0—9.9级的极端地震十分少见，平均20年才发生一次，1556年发生在中国的嘉靖大地震造成了80万人死亡；历史上还没有记载过超过里氏10.0级的地震。

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陆地有巍峨的山川，海底同样有广阔的山脉。在海洋深处，有一条大洋中脊系统(The mid-ocean ridge system)，这实际上是一个广阔的海底火山群, 是海底宏伟壮观的巨大山脉，全长60000公里(37000海里)，长度仅次于南美洲西边届的7200公里(4500海 里)的安第斯山脉。是地球最突出的地理特征，但却是岩石圈中最年轻的地球地壳。大洋中脊系统是地球板块间的爆发性火山形成的,是海底火山喷发出的玄武岩熔岩堆积而成。地球上绝大多数的火山活动都出现在大洋中脊周围，因为大洋中脊是地壳运动的体现，当冰冷的海水渗入火山峰的裂缝时，又被炙热的火山加热至400摄氏度，然后向上喷发，产生灰黑色的玄武岩，这被称为“海底黑烟柱”。海底山脉在20世纪50年代才被发现，至今大部分仍未被详细探查。

其实，海洋以及地球的每一点变化都与人类息息相关---比如地核的流动、洋流的变化、海底火山的每一次小喷发，看似对我们的日常生活毫无影响，但事实上，由于“蝴蝶效应”，任何一个微小的变化，都在点点滴滴地改变着世界。

2002年，南极洲拉森冰架(Larsen Ice Shelf)在短短一个月的时间里崩塌，进入威德尔海(Weddell Sea)。拉森冰架原来的表面积约3250平方公里，高220米，重达7200亿吨。冰架崩塌后，原先冰川下的陆地明显上升，地下的岩石和熔岩同时发生活动，这引起人们对引起系列地震的担忧，比如，埃里伯斯火山(Mount Erebus) 是一座冰川下面的活火山，有一个巨大的高温熔 岩湖，随时可能爆发。

同样，我们的生活也对自然世界息息相关----自从工业革命开始，海水酸度已经增加30%，导致生态系统发生变化，比如破坏了珊瑚礁，同时也导致其他海洋生物受到影响，过度捕捞也使得一些物种濒临灭绝；至今，每年仍然有将近1.8亿吨的毒性垃圾入海，它们不但危害海洋生态，而且实际上也早已通过循环进入到我们的餐桌。而持续的气候变暖正是人类大量排放二氧化碳等温室气体造成，甚至已经影响到了地球重力变化---加拿大的哈德逊湾(Hudson Bay)地心引力比地球上大部分地区都小，这主要是因为冰川时代劳伦太德冰盖 (Laurentide Ice Sheet)覆盖了加拿大大部分地区以及北美部分地区，在其融化时产生了持久影响，至今还未恢复，结果影响了重力。近些年冰川融化也导致局部区域重力发生变化，比如南极；同时陆地分布、陆地的密度、海洋活动以及地球板块活动、地核活动等都会影响重力。

地球是我们的家园，而我们的科技，其意义不仅仅在于攫取资源，更重要的是让我们的家园用保平衡。

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1978年，世界最重要的科学期刊《自然》（Nature）刊登了一篇文章，主要内容是两位科学家研究了大量鹦鹉螺壳，其中最古老的壳的距今几乎有五亿年，他们的结论是，鹦鹉螺壳每个腔室的条纹的数目同月亮绕地球运动的周期时间相关。因为他们发现，今天的螺壳大概每个腔室有30条纹路；四亿两千万年前的螺壳每个腔室只有9条。这项研究结论的意义在于，如果果真如此，那么说明四亿两千万年前月亮绕地球公转的周期是9天，这当然引起科学界的轰动，因为月球绕地球周期的变化涉及诸多领域。

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但是，华盛顿大学的生物学和地球空间科学教授彼得·沃德（Peter Ward），他也被称为“世界上最顶尖的鹦鹉螺专家”，他认为“鹦鹉螺腔室和螺壳条纹的生长并没有规律的周期”，他针对性地做了实验研究，将一批自然环境下的鹦鹉螺进行标记，然后在实验室中用X射线照射，再把鹦鹉螺养在水箱里面。不久后，他们发现鹦鹉螺每个腔室在生长中略微变大，而形成每一个更大的腔室都会需要更多时间。“在自然环境下，最后的2到3个腔室都各需要6个月都时间长成；相比之下，在生长初期，形成每个腔室大约只需要2星期。”所以，他的结论是：鹦鹉螺腔室和螺壳条纹“只是装饰而已，与固定时间毫无关联。”（果壳网，2015年5月17日）

由此，“鹦鹉螺上的月亮”成为一个科学探索历史上一个有趣、美丽的故事，如沃德所说，“我们喜欢这样神奇的故事。一种受月亮影响的动物？哈！我能理解。我们自己就受月亮的影响。我们也有月周期。这一场景能有什么问题呢？问题就是，它是假的。” （果壳网，2015年5月17日）

这个故事更有趣的应该是“意义”，我们如今崇信大数据，但是当我们用物理世界的数据来解释一些物理事实的时候，很可能只是制造了一个美丽的故事，而不是还原了物理的真实现象。这是因为数据的不完整，或者“软件分析”出现了失误。

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正是如此，对于人类来说，如果海洋是一个故事，那么海洋科技就是还原故事真实性的技术手段。

E·M·福斯特（E.M.Forster）关于写作的经典著作《小说的几个方面》有这样一个描述:“国王死了，然后王后死了。”于是，文学院的学生会把这个当成一个故事的微缩大纲，然后展开一个故事，因为“国王死了”和“王后死了”必然存在某种因果关系，否则为什么要放在一起说呢？但是，“国王死了”和“王后死了”其中可以编造出千万个版本的故事来---就像是鹦鹉螺与月亮，如果是文学，那么这可以说是创作的繁荣，但是如果是破案，那就需要寻找出唯一的、真正的版本来。

2011年，《自然》杂志公布，在过去的10年内，撤稿量增长了10倍，而文章发表量只增长了44%。同时，在《自然》又刊登了科学家C·格伦·贝格利（C. Glenn Begley）和李·M·埃利斯（Lee M. Ellis）的文章，其中写道，去年他们在Amgen生物技术公司的同事尝试重复了血液学和肿瘤学的研究方面具有程碑意义的53项研究，但成功的只有6项。类似地，拜耳的科学家报告说，在2011年与他们工作有关的肿瘤研究中，三分之二的成果无法可靠地重现。这说明，过往的研究，并不完全可靠。

“鹦鹉螺上的月亮”的故事告诉我们，科学探索可以像文学创作一样“推理”出许多版本，但是，科技手段可以给出唯一真相。

2006年，格陵兰岛的北湖，这是一个面积5.6平方公里的冰面融水湖，在不到2个小时的时间里，将近40亿吨的水就全部流失了。是什么原因能使如此多的水在这么短的时间里完全消失？这有多个版本。2年后，人们终于真正的答案，这是水压裂缝（Hydrofracture）导致的。水压裂缝是湖水压力下形成的巨大裂缝，这些裂缝很可能就是在湖的正中底下，且一直延伸到冰盖的冰床上。但是这些裂缝形成的原因却一直是个谜。直到2015年6月3日，《自然》杂志发表了研究结论：研究者利用GPS技术发现水压裂缝是张力造成的压力作用形成的，这种压力来源于冰盖的移动；而冰盖移动又是由于融水流动引发的。这项研究结论的意义当然不止于格陵兰冰盖融水湖，而是可以帮助科学家研究冰盖在海平面升高中的作用。

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