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海洋领域“十大难题”公布,生命起源深海勘探等上榜

时间:2019-11-08 09:18:08 阅读:3541

济南9月24日电(记者谢强民、记者王晨)24日,主题为“创新海洋科技引领产业发展”的世界海洋科技大会在青岛举行。来自20个国家的近100名海洋领域著名学者和专家,以及来自大学和科研机构的700多名专家学者聚集在这座岛国城市寻求共同发展。会议发布了《海洋领域前沿科学与工程技术十大问题》、《深海与地球生命起源》、《深海战略矿产资源》勘探等。

问题1:海洋多尺度能量级联和传输

海洋包含各种空间尺度的运动,从海洋环流到盆地尺度,从湍流运动到微观尺度。海洋运动的能量主要输入环流尺度,而能量耗散发生在湍流尺度。为了维持海洋的平衡状态,能量必须从环流尺度跨越近10个数量级转移到湍流尺度(即能量级联)。小尺度能量级联过程涉及不同运动形式之间的强非线性相互作用,并深刻影响由环流、涡旋和湍流运动引起的物质和热量传输。上述多尺度能量级联和输运过程是整个海洋学研究的核心科学问题,也是经典问题。如何打破海洋环流和涡旋的平衡状态,实现能量向小尺度非平衡运动的转移?深海湍流混合的时空分布特征和驱动机制是什么,它们如何在数值模型中参数化它们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级联和输送中的作用是什么?这些都是当前海洋研究中亟待解决的难题。

问题2:深海和地球的可生存性

地球的可居住性决定了人类的生存,而深海是决定地球可居住性的重要标准,也是维持人类和其他复杂生命形式生存时间的重要因素。近半个世纪以来,深海吸收了整个地球气候系统90%以上的剩余热量和30%以上的人类活动排放的二氧化碳,从而从根本上减少了进入地球系统的净辐射,减缓了全球变暖的速度,并维持了地球赖以生存的食物链来源与地球生态系统之间的平衡。然而,深海对热量和二氧化碳的最终吸收能力是多少?有拐点吗?热量和二氧化碳的吸收如何改变海洋动力学和生物地球化学环境?它如何进一步影响全球极端气候、海平面、生态系统和深海资源格局?这些关键问题与地球未来的可居住性密切相关。

问题3:海洋观测和探测技术

海洋观测和勘探是理解和管理海洋的重要支持。目前,海洋观测与探测领域正朝着多学科、全水深、精细化、网络化、小型化、低能耗和智能化的方向发展,涉及新的学科、行业和领域,如大数据分析、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。特别是基于人工智能的大数据分析技术已经成为海洋观测技术创新的驱动力。如何开发新技术,实现全球、长期、连续、实时、综合、精细、低成本的智能海洋观测和探测,是当前面临的巨大挑战。卫星遥感和水下无人技术是两种最重要的手段。然而,到目前为止,还没有找到有效的方法来实现对数百米时间、整个海域和上层海洋的高时空分辨率的卫星观测。尽管星载海洋激光雷达被认为是实现这一目标最有希望的技术途径,但其在清洁海水中的最大穿透深度不足以满足上层海洋的实际探测需求。随着太赫兹、中微子、磁极波等相关新技术的突破,实现全球海洋数百米的遥感探测是卫星遥感和海洋观测面临的难题和挑战。尽管水下无人观测技术自21世纪以来取得了长足的进步,但与全球、全深度、多学科、长期智能观测仍有巨大差距。新材料、新能源技术、新制造技术和新通信技术与人工智能大数据融合相结合,开发具有“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。

问题4:海洋和地球系统变化的预测

海洋是地球系统的重要组成部分。准确和准确地预测海洋和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。可持续的经济和社会发展不仅需要将地球系统的所有组成部分耦合在一起,以模拟和预测大规模的气候信息,还需要准确预测当地的海洋、大气和其他信息,并无缝预测天气和气候现象。这要求地球系统模型的分辨率在100公里到100公里之间,物理过程从大尺度平均近似的参数描述增加到台风、中小尺度涡旋、波浪破碎等详细过程的明确描述。海洋数值模型是海洋研究和服务功能的基础平台。它的发展涉及计算数学、物理海洋、海洋生态学、海洋生物地球化学、大气科学和计算机科学的跨学科合作,具有基础研究和工程研究的双重特征。同时,海洋预测和预报可以从全球和区域海洋发展的战略角度,为决策者提供预防和减轻海洋灾害、海洋环境资源管理以及应对全球变化影响的科学支持。目前,海洋和地球系统变化的预测和预报正朝着多圈耦合和高分辨率的方向发展。人工智能、大数据、超高性能计算机和海洋地球系统综合观测数据的结合日益增多。如何提高对海洋和地球系统变化的精细、准确预测是国际社会面临的一项紧迫任务和巨大挑战。

问题5:海岸带的可持续发展

海岸带可持续发展海岸带是地球系统中水圈、岩石圈、生物圈和大气的交汇区。它是物质和能量交换以及陆地、海洋和大气之间多尺度过程相互作用最活跃的区域。沿海地区人类活动高度集中,社会经济高度发展,工业、生活和水产养殖污染排放强度高,导致沿海地区生态环境不断恶化,给沿海地区的可持续发展带来了巨大的环境压力。与此同时,气候变化进一步加剧了生态环境的恶化。富营养化、缺氧和海洋酸化已成为沿海地区突出的生态环境问题,造成渔业资源退化和海洋经济发展受阻等严重后果。海岸带的可持续发展是一个世界级的问题。近年来,国际上对近海生态系统的研究主要集中在近海富营养化、生物多样性变化、有害藻华、缺氧、海洋酸化、渔业资源变化等问题上。该研究从驱动近海生态系统变化的关键因素、近海生态系统的演变过程、机理和影响以及近海生态系统变化趋势的预测、评估和管理等方面进行。重点研究多重压力驱动下海洋食物网结构和功能的变化及其对生物多样性的影响、资源可持续利用的削弱和生态灾害的发生、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的预测和相应的管理对策。

问题6:深海和地球生命的起源

地球有45.5亿年的历史。地球在宇宙中形成后,最初是没有生命的。生命起源的第一个重要过程是化学进化。大气中的氢、碳、氮、氧、硫、磷等有机元素合成有机分子(如甲烷、二氧化碳、一氧化碳、水、硫化氢、氨、磷酸等)。)在各种自然能源(如闪电、紫外线、宇宙射线、火山爆发等)的作用下。);在此基础上,这些有机分子被进一步合成并进化成构成生物体的单体化合物(如氨基酸、单糖、腺苷和核苷酸)。这些生物单体进一步聚合形成高分子量生物聚合物,如蛋白质、多糖、核酸等。核酸和蛋白质等生物聚合物出现后,最简单的生命诞生了。从那时起,生命开始在地球上存在。根据地质历史,地球上最早的生命形式可能出现在38亿年前。无论在实验室还是在自然环境中,高温高压化学催化是无机物合成有机物的基本条件,深海是具有化学催化能力的理想场所。因此,深海可能是地球上生命的起源之一。但是到目前为止,我们还没有发现深海生命起源的直接证据。是否有可能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起源和进化的过程和机制,仍然是当前的科学问题。近年来,在深海热液区极端环境中发现了光独立的生命现象和功能良好的黑暗生态系统,引发了生命科学中一系列新的前沿科学问题,如深海生物圈中生命的起源、生命耐受性的极限、生命与环境的相互作用过程、生物如何与地球系统共同进化等。

问题7:海底多层和板块俯冲的相互作用

地球是唯一有海洋和板块运动的类地行星,但海底多层相互作用与板块构造之间的内在关系仍不清楚。传统的物理海洋学研究将海水和固体(流体-固体)之间的界面视为刚性绝热界面。然而,在实践中,高度复杂的流固界面不符合上述假设。一方面,深海水沿着裂缝不断渗入岩石圈,使其发生蚀变和变质。蚀变岩石圈的含水量可达6%-13%,地球上约有3-10个大洋。它被认为是“海底的海洋”,是一个重要的海水水库。另一方面,火山、热液和冷泉将板块内部的物质能量转移到海洋,地热能也将地球深部的能量转移到深海。上述过程对深海有明显的物质和能量作用力。来自地球深部的物质能量通过海洋环流和湍流输送到各个海域,最后通过海底裂隙返回板块内部,形成一个跨海盆、跨尺度、跨圈层的物质能量循环系统。此外,海洋地壳的年龄与海水深度正相关,全球海洋地壳的平均年龄对海平面有很大影响。相关科学问题包括:海水与岩石圈相互作用的机制及其对海洋环流的影响?进入地球的水如何影响板块俯冲和板块运动的开始?大规模板块俯冲在海洋物质的能量循环中扮演什么角色?其中,物质和能量交换的机制和海底板块俯冲的起始是一个有待回答的重大科学问题。

问题8:深海战略矿产资源

深海富含多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物、稀土和其他矿物资源,主要集中在太平洋、印度洋和大西洋海底。资源巨大,含有稀有而重要的战略资源和贵金属。这些矿物仍处于资源勘探开发技术的初步准备阶段。当前,世界各国都在加大深海矿产资源勘探开发的主导地位和优先地位的争夺,推进深海矿产资源勘探开发的理论、技术和工程创新,破解多层次相互作用、深层次过程和矿化等重大基础科学问题,攻克勘探开采技术和装备体系,是保障国家能源和资源安全的重大战略迫切需要。目前,深海多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物、稀土等矿物勘探程度低,对成矿规律认识不清。需要尽快突破深海矿产的技术装备,如采矿、集矿、提矿、选矿和水下作业系统。深海矿产勘探和开发的环境影响评估和采矿安全保障需要不断解决。了解深海战略矿产资源的成矿机理、精细勘探资源、准确评价资源、绿色高效开发技术等是未来重要的科技方向。

问题9:极地海洋的变化

自本世纪初以来,随着全球变暖和人类活动的迅速增加,极地海域的气候环境发生了迅速变化:极地海洋变暖超过了全球平均水平,是全球变化的放大器;北极海冰的厚度和范围正在迅速减少,南极冰架的持续解体是气候变化最敏感的指标。极地海洋的迅速变暖和酸化正在对极地海洋的生态系统造成严重威胁,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模式的变化,引发一系列重大问题,如水资源分布变化和海平面上升。另一方面,极地海洋环境和气候的变化改变了全球能源和质量分布模式,导致全球天气和气候不稳定加剧,区域和全球天气和气候灾害风险增加。因此,极地海洋的快速变化引起了国际政界、经济界、科学界和公众的极大关注,成为国际政治和科学的核心问题之一。然而,与其他海洋相比,极地海域是目前我们所知最少的海域,由于其特殊的环境,主要存在着包括极地冰盖不稳定性和海平面变化在内的科学问题。北极海冰的快速融合及其气候效应;南海环流变化及其全球影响;极地生态系统的敏感性和脆弱性;双极性冰盖变化对亚太和世界多尺度气候变化的调控:气候变化影响下极地新出现的生态环境问题。为了解决上述科学问题,有必要加强极地海洋观测和探测技术,并结合新能源、新材料、无人智能潜水器、卫星遥感等技术进步。确保极地勘探和其他海洋活动,并支持今后极地海洋的开发和利用。

问题10:大型深海项目的安全保障

大型深海工程结构是开发利用海洋资源和能源的重要工程设备,通常包括水面大型浮体、超长细比柔性立管和系泊系统。在实际工程中,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,海床土非线性、流固耦合、几何大变形等问题突出,构成动力环境、结构和海床土之间多尺度、多过程耦合的复杂系统。然而,目前对深海平台系统的耦合机制仍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。建立极端动态环境下超长重现期动态环境的设计标准,开发科学高效的平台系统集成耦合动态分析方法,揭示整个结构的损伤演化规律和耦合失效模式,是海洋资源和海洋工程发展的核心问题。

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