我國海藻資源十分豐富,海藻植物生長劑的研究、開發和應用前景非常廣闊。
人工皮膚人的皮膚,是由外層的表皮和其下的真皮組成。因為意外事故導致的皮膚燒傷、燙傷及皮膚潰瘍等皮膚損壞,一旦傷及真皮就會完全失去再生的122可能。特別是較大麵積的損傷,如果得不到及時有效的覆蓋與治療,輕則患處疤痕增生,重則細菌感染、組織潰爛,進一步損傷血管、肌腱及淋巴組織等,直至危及生命。為了減輕病人的痛苦,加快傷口的愈合,最好的辦法是對損傷較重的部位首先用無菌材料覆蓋,然後進行植皮。皮膚創麵的覆蓋材料,可分為合成材料和生物材料兩類。機體和合成材料的親和性差,排異反應強,相比之下機體和生物材料的親和性強,排異性小,有較大的應用價值。過去曾采用新鮮的豬、羊和狗等動物皮膚作為生物材料;目前含有膠原的冷凍幹豬皮,仍被作為皮膚創傷的覆蓋材料,但製作和保存較複雜。因此,長期以來人們一直夢想有朝一日能製造出用於皮膚創傷麵覆蓋的人工皮膚,用於治療皮膚創傷,使之再生。
原本作為垃圾丟棄的蟹、蝦等甲殼動物的外骨骼,經清洗、幹燥、粉碎,用酸、堿處理後,再經脫鈣和去蛋白質後就變成高純淨的脫乙酰甲殼素,又稱脫乙酰殼多糖,經高溶解性處理後,可獲得2%左右的殼聚糖溶液,經鋪膜、固化及真空幹燥處理,可獲得厚度約20微米的薄膜,再在膜上打孔、消毒及無菌包裝,即可製得用於臨床皮膚創麵覆蓋的材料———人工皮膚。這種材料與創麵流出的血清蛋白具有較高的親和性,不影響創麵正常細胞的增殖,而且有助於表皮組織的形成,能促進傷口更快地愈合,且具有鎮痛、無過敏排斥反應等特點。但也存在不少缺點,如需添加高級一元醇、高級脂肪酸、稀酸等作為助劑,不溶於水;與傷口貼附不夠緊密;特別對深層次創傷、頑固性潰瘍效果較差,治療後易留疤痕。因此,開發一種以水為溶劑、與人體皮膚pH值接近、能與創口貼附緊密、治療後不留疤痕的皮膚修複材料是人們迫切的希望。
1998年中國海洋大學研究人員經多年努力,初步研究開發出一種具有上述特點的修複材料。這種材料可直接塗於創麵,數分鍾後自動脫水成半透膜;對浸出液多的創麵,可用粉劑材料塗於傷口,吸水後自動成膜。這種材料有效地克服了以往人工皮膜材料與創口貼附不緊的缺點。臨床實驗證明,它不僅能夠促進創麵愈合,而且能有效地抑製疤痕產生。對局部深層次皮膚組織損傷、頑固性皮膚潰瘍殘餘創麵、化學燒傷創麵均具有良好的修複效果,是一種性能極優良的人工皮膚修複材料。
123蟹、蝦殼也能做衣服在2001年舉辦的海洋科技博覽會上,亮相了一種由青島即發集團開發的以甲殼為主要原料的內衣產品。這些甲殼質內衣外觀看起來與普通內衣沒有差別,但其主要原料是甲殼質。甲殼質是一種線型氨基多糖高分子物質,廣泛存在於節肢動物和昆蟲的外殼及菌類的細胞壁中,在蝦、蟹甲殼中含量較高(含量為10%~30%)。甲殼質在自然界中生成量僅次於纖維素,估計僅海洋生物的年合成量可達千萬噸,是一種僅次於纖維素的蘊藏量極為豐富的有機再生資源,是21世紀重要的紡織纖維材料。原本堅硬的蝦、蟹甲殼經清洗、幹燥、粉碎,用酸、堿處理脫去鈣和蛋白質後,可獲得灰分在0.29%以下的高純度甲殼質粉,再經高溶解處理及脫乙烯化後,可得到甲殼胺溶液,然後讓甲殼胺溶液經微孔流入丁醇或異丙醇溶液中,凝固後,便可獲得細長的纖維。
甲殼質或甲殼胺纖維具有無毒、無味、耐堿、耐熱和耐腐蝕等特性。甲殼質纖維是自然界唯一帶正電荷的動物纖維,對危害人體健康的大腸杆菌、金黃色葡萄球菌、白色念珠菌等有較強的抑製作用,有害菌不能在其纖維上存活,從根本上消除了有害菌的滋生源和由細菌產生的異味。甲殼質纖維還具有較好的生物活性和生物兼容性,對人體有較好的養護作用。
此外,甲殼質纖維是一種可降解的環保型纖維,廢棄後可被微生物分解,不會汙染環境,完全符合人類綠色、環保、安全的著裝需求。
三倍體牡蠣牡蠣是一種鮮美的海產品,但在夏季產卵後,肥滿度和鮮味都會下降,原因是牡蠣在生長過程中將能量物質都用於性腺的發育。如何使牡蠣全年保持肥滿鮮美?現代染色體操作技術———“人工誘導三倍體牡蠣”解決了這一問題。
自然界進行有性生殖的生物體大多是二倍體,即包含了兩個染色體組。一組來自父親,一組來自母親。含有三倍以上染色體組的生物稱為多倍體生物。自然界存在的多倍體在植物中比較普遍,而在動物則較為罕見,僅存在於某些雌雄同體或單性生殖的動物中。自20世紀80年代以來,在水產動124物特別是海洋貝類人工誘導多倍體的研究取得了較大的進展。
貝類多倍體誘導,主要集中在三倍體和四倍體,這主要是因為三倍體生物具有生長快、個體大、肉質好等特點,而且由於三倍體具有三套染色體,在形成配子的減數分裂時,染色體聯合不平衡會導致三倍體的高度不育,所以三倍體個體無需將能量用於性腺發育,而全部用於生長,故可全年保持個體肥滿和味道鮮美。目前普遍采用的人工誘導貝類三倍體的方法是抑製第二極體的釋放,誘發三倍體。三倍體形成的機理如圖4-2所示。
圖4-2抑製第二極體產生三倍體太平洋牡蠣的模式圖125抑製第二極體的方法有:(1)物理方法:如水靜壓法、溫度休克法。前者是對受精卵施以200~250千克\/平方厘米的壓力,後者是以極限高溫(30~38℃)或低溫(0~8℃)處理受精卵。
(2)化學方法:是以一定濃度的化學試劑處理受精卵。常用的化學試劑有細胞鬆弛素B、二甲氨基嘌呤和咖啡因等。
上述兩種方法都能抑製第二極體的排出,產生三倍體。物理方法中以低溫休克法誘導為最好,具有操作簡單、成本低廉、對胚胎發育影響較小等優點,適合大規模生產。采用二甲氨基嘌呤的化學方法,具有低毒、且易溶於水的優點,其誘導效果可以與細胞鬆弛素B相媲美,是目前被認為能替代易造成環境汙染和致癌的細胞鬆弛素B的新型誘導劑。
四倍體具有四套染色體組,減數分裂過程中可以形成聯會配對,具有正常繁育的可能。四倍體與三倍體雜交可產生100%的三倍體,能夠克服通過物理、化學方法誘導三倍體所帶來的存活率低、誘導率低和汙染環境等一係列缺點,從而更加安全、簡便、高效地獲得三倍體。
美國於1983年開始已將三倍體太平洋牡蠣用於商業性生產,市場占有率達到30%~50%。我國三倍體太平洋牡蠣的研究和中試已經完成,預計近年可實現產業化生產,到時全年都可吃到鮮美可口的牡蠣了。
“超級魚”魚類,肉質鮮美,營養豐富,深受消費者喜愛。而一些名貴的經濟魚類,如牙鮃、真鯛、半滑舌鰨、石板魚、鰻魚等更受人們青睞。隨著經濟的發展和人民生活水平的提高,天然捕撈已不能滿足目前的需求。開展人工養殖已成為當前增加高品質經濟魚類產量的主要手段。然而,一般海水魚的養成周期均需1年以上,顯然增加了養殖成本和風險。如何高產穩產、降低養殖成本及風險,已成為當今養殖業急需解決的問題。研究表明:將一定量的天然高等動物或魚的生長激素引入魚體內,能加速魚類的生長發育和蛋白質的合成,增加抗病能力。其中以魚類生長激素對魚的生長最為明顯。然而,正常魚體內生長激素含量甚微,魚血中生長激素的含量僅為20微克\/立方分米,不可能從魚體中大量提取獲得。魚類生長激素是一種由200多個氨基酸126組成的蛋白質,用化學合成法在實際生產中也行不通。而利用基因工程方法,也就是從魚的腦下垂體中克隆出生長激素基因,然後將這種基因轉入微生物體內,利用工廠化發酵技術大量培養含這種基因的工程菌,再從工程菌的產物中提取純化這種生長激素。目前已有鮭魚、鰻魚、金槍魚、虹鱒和黃鰭鯛等魚的魚類生長激素基因被克隆和表達(運用重組DNA技術測得魚類生長激素的DNA序列,並在大腸杆菌、酵母或昆蟲細胞中進行重組表達),並將其作為添加劑加入魚類飼料中。用這種飼料養魚,可獲得生長周期短、個大味美的“超級魚”,這無疑會產生巨大的經濟效益。近年來全國沿海地區已普遍開展大麵積的海上網箱養殖、灘塗圍養和工廠化高密度養殖,養殖品種也多達十幾個。魚類生長基因工程開發產品必定有廣闊的市場。
另外,科學家們還利用轉基因動物技術,將生長激素基因整合到魚的基因組中,培育出能快速生長的生長激素轉基因魚。這種魚能合成比普通魚多的生長激素,從而生長發育的速度要比普通魚類快得多。
能治病的毒素———河豚毒素河豚的種類很多,其肉味鮮美,但若處理不當,食後易中毒,故有“拚死吃河豚”的說法。河豚所含的毒素在其體內的分布是有差異的,以卵巢、肝髒、脾髒、血液等含量最多。冬春季節是河豚的產卵季節。此時,河豚的肉味最鮮美,但含的毒素也最高。河豚毒素是最早發現並加以研究的海洋生物毒素。從上世紀初人們就對其進行了研究,1975年最終確定河豚毒素的結構;1977年首次完成全人工合成。最早認為河豚毒素來源於河豚體內,後來在海星、紅藻、章魚等一些生物體內也發現了河豚毒素,因而認為它來源於藻類,最後研究人員又從含有河豚毒素的叉珊瑚、毒蟹、河豚等生物體內分離出一些細菌,經培養後檢測到有河豚毒素及其類似物,進而證明河豚毒素是由含毒生物的共生菌所產生。隨著科學技術的進步,令人恐懼的河豚毒素已步入了藥學殿堂,並且在治療人類疾病方麵發揮著越來越重要的作用。河豚毒素在醫療上可以用於治療癌症。“新生油”是從河豚肝髒中提取的抗癌藥物,用於治療鼻咽癌、食道癌、胃癌、結腸癌等,療效很好。河豚可以用於鎮痛,對癌症疼痛、外科手術後的疼痛、胃潰瘍引起的疼痛,河豚毒素製劑均有良好的止痛作用。使用河豚毒素的好處是用量極少(隻需3微克),127止痛時間長,又沒有成癮性。特別是穴位注射,作用快、效果明顯,可以作為成癮性鎮痛藥嗎啡和呱替啶的良好替代品。河豚毒素還可以止喘、鎮痙、止癢。河豚毒素可以治療哮喘、百日咳。對治療胃腸道痙攣和破傷風痙攣有特效。河豚毒素對細菌有強烈的殺傷作用。從河豚精巢提取的毒素,對痢疾杆菌、傷寒杆菌、葡萄球菌、鏈球菌、霍亂弧菌均有抑製作用,而且可以防治流感。目前,在國際市場上,河豚毒素結晶每克已經高達17萬美元。
對蝦病毒病的檢測技術1974年,自Couch在墨西哥灣的桃紅對蝦中發現首例對蝦病毒以來,迄今為止已發現近20種對蝦病毒。1993年我國蝦病爆發流行,引起養殖蝦大麵積死亡,經濟損失慘重。研究表明主要病因是一種新的沒有包涵體的C型杆狀病毒。該病毒能夠感染斑節對蝦、日本對蝦、中國對蝦、長毛對蝦、墨吉對蝦等我國所有人工養殖的對蝦種類。被感染的對蝦在頭胸內表麵有肉眼可見的不透明白斑。病蝦肝胰腺腫大發白。該病毒被稱為對蝦白斑杆狀病毒。由於這種病毒感染性強,發病快,死亡率高,至今尚無有效藥物治療,因而近期的解決辦法主要是進行病原的早期檢測與快速診斷。通常蝦病毒的檢測方法有組織病理學、血清免疫學及分子生物學等方法。組織病理學方法包括光學顯微鏡觀察和電鏡觀察。但病理學檢測耗時長,早期診斷困難。免疫學方法主要是采用酶聯免疫反應法,後又結合熒光技術,使靈敏度有所提高,目前主要缺點是特異性較低,檢出率不如分子生物學法高。分子生物學法主要有核酸雜交法和多聚酶鏈式反應(PCR)法。即從純化的病毒粒子中提取核酸,進行克隆,篩選具有專一性的克隆片段,標記或者設計引物對,便可以與組織中提取的核酸雜交或做PCR,就可檢測是否存在相應病毒。
PCR技術靈敏度要比核酸雜交高得多,因而在實際檢測中越來越多地采用PCR技術。隨著對對蝦白斑杆狀病毒分子生物學研究的不斷深入,現已推出了由PCR技術轉化的特異性好、靈敏度高、更加快捷方便的對蝦病毒檢測試劑盒。
褐藻多糖藥物海帶、巨藻、馬尾藻、裙帶菜等褐藻中存在大量的多糖物質,即褐藻多128糖,主要是指褐藻膠,此外還有褐藻糖膠、褐藻澱粉(海帶澱粉)等。褐藻膠是褐藻細胞間多糖,主要指褐藻酸及其鹽類。褐藻酸在海帶科海藻中含量較高,一般含量為20%~25%。在其他褐藻中含量也十分豐富。將褐藻洗淨後,加入熱堿水攪爛,用水稀釋後,去除殘渣後就可以得到一種分散均勻的溶解膠體,這種膠體就是褐藻酸鈉。如果將膠體用酸處理,就會得到凝膠褐藻酸。褐藻酸鈉和褐藻酸統稱為褐藻膠。褐藻酸鈉是褐藻類植物富含的一種可以藥用的成分。褐藻膠是安全有效的止血藥。用褐藻膠製成的止血紗布,用於壓迫和包紮大動脈出血,幾分鍾後,就能有效止血。褐藻膠製成的各種藥物,如止血粉、止血海綿等在外科中應用十分普遍。褐藻酸鈉可以製成良好的血漿代用品。當由於大量失血、大麵積燙傷、劇烈嘔吐等原因引起血液循環量降低、產生休克而需要輸血時,用褐藻酸鈉製成的羧甲澱粉,用於補充血容量和維持血壓,不但療效顯著,而且還有迅速排除體內毒素的作用。褐藻酸鈉能減少人類消化道對放射性物質———鍶的吸收。放射性鍶對人體危害很大,半衰期長達28年,主要積存在骨骼中,易引起白血病和骨癌。褐藻膠具有降低血清膽固醇、血液中甘油三酯和血糖的作用。褐藻膠還是鑲牙時使用的良好模材。到醫院鑲牙的病人先要咬牙模,醫院裏常用的一種藻酸鹽印模材,就是以褐藻膠為原料製成的。褐藻糖膠和褐藻澱粉具有抗凝血、降血脂的作用。
我國在海藻多糖藥物研究和開發方麵取得了一係列成果,有些成果已達到國際先進水平。例如我國以褐藻膠為原料,經分子修飾,研製出多種具有不同療效的海藻多糖藥物。中國海洋大學海洋藥物研究所在中國工程院院士管華詩教授帶領下研製的藻酸雙酯鈉(PSS)和甘糖脂等是較成功的範例。
海上石油汙染的生物降解技術———“超級嗜油工程菌”石油是遠古年代未能進行降解的有機物質積累,經地質變遷而形成的、離開了生態圈的天然有機質,人類的活動使其重新進入生態圈。在開采、運輸和使用過程中極易引起環境汙染。石油汙染主要發生在海洋。據統計,每年通過各種渠道泄入海洋的石油和石油產品,約占全世界石油總產量的1290.5%。由於航運而排入海洋的石油汙染物達160萬~200萬噸,其中1\/3左右是油輪在海上發生事故導致石油泄漏造成的。我國海上各種溢油事故每年約發生幾百起,沿海地區有的海域海水含油量已超過國家規定的海水水質標準2~8倍,石油汙染呈逐年上升趨勢。石油汙染會帶來嚴重的後果。因為石油的各種成分大多具有毒性,同時它還會破壞生物的正常生活環境,造成生物機能障礙。石油在海水中形成的油膜,會影響海洋與大氣氣體交換。汙染區內的甲殼類和魚類會受到傷害,海鳥也難以幸免。因為原油能損害羽毛的功能,使其遊泳和飛翔能力降低,最後凍餓而死。黏度大的石油能堵塞水生動物的呼吸和進水係統,使之窒息死亡。石油汙染還會使水產品品質下降,造成經濟損失。石油中還含有多種具有致癌性的環芳烴,經食物鏈富集和傳遞,危及人類健康。所以,為了保護海洋生態環境,發生石油汙染後,必須迅速消除。傳統上,石油溢出的處理大多采用物理或化學方法,如用圍油纜阻擋石油擴散、用抽吸機吸油、用水柵和撇沫器刮油等;或噴灑化學清除劑加速原油分解。但這些方法的效果都不太理想。
在自然界淨化石油汙染的綜合因素中,微生物降解起著重要作用。但是,海洋中天然存在的能分解原油的微生物數量較少,並且不是一種微生物可以完成原油所有石油烴的分解,需要多種微生物協同作用。如果能培養出一種微生物,具有上述多種微生物的功能直接分解原油,消除石油汙染就簡單多了。美國科學家Chkrabarty采用生物技術,以銅綠色假單胞菌(PseudomonasAeruginosa)作為受體,將惡臭假單胞菌(PseudomonasPutida)等攜帶的具分解原油烴各成分功能的多種質粒轉入其中,構成了帶有多種質粒的“超級嗜油工程菌”。這種菌具有降解原油大多數石油烴的能力,並且可以通過發酵工程大量培養,用於海上溢油處理,其清除油汙的能力比天然微生物高得多。美國環保局在阿拉斯加因石油泄露而被汙染的海灣采用“超級嗜油工程菌”降解修複方法,取得了較好的效果。
海洋微生物溶菌酶及其應用溶菌酶是一種專門作用於微生物細胞壁的水解酶,又稱細胞壁溶解酶。1922年英國人Fleming首次在人的鼻黏液和眼淚中發現存在有溶解細菌細胞壁的酶,並將其命名為溶菌酶。1937年,Abraham和Robinson從雞卵清130中最先提取分離出溶菌酶晶體。此後,人們在動物、植物和微生物中都發現了溶菌酶的存在。從此揭開了溶菌酶的研究曆史篇章。
中國水產科學院黃海水產研究所酶工程研究室的研究人員,在國家海洋“863”計劃“海洋新型酶的產業化研究”的支持下,從東海海泥中篩選到一種產溶菌酶的海洋細菌———側孢短芽孢杆菌S-12-86,並通過對溶菌酶產生菌發酵條件的優化,完成了生產性中試,即將投入商品性生產。
海洋微生物具有適應海洋的特殊性環境(低溫、高壓、低營養和高鹽)的特性,海洋微生物產生的海洋溶菌酶與陸生動、植物及微生物來源的溶菌酶比較具有獨特的優勢,例如,其最適作用溫度較低,熱穩定性和pH穩定性較好,溶菌譜廣泛,對格蘭氏陽性菌(金黃色葡萄球菌、溶壁微球菌等)、格蘭氏陰性菌(大腸杆菌、銅綠假單孢菌等)和真菌都有不同程度的抑菌作用。而一般動、植物和微生物的溶菌酶不能同時對金黃色葡萄球菌和大腸杆菌或銅綠假單孢菌都有作用。該海洋微生物溶菌酶,除具有一般溶菌酶在醫療上的抗菌、抗病毒、止血消腫及加快組織恢複等作用,在食品工業中用作防腐及生物工程中製備微生物原生質體的工具酶的功能外,在海水養殖業病害防治方麵也有獨到作用。自1945年磺胺藥成功地應用於治療鱒魚癤瘡病以來,氨苄西林、氯黴素、土黴素等相繼在水產養殖中應用。目前,在我國水產養殖中,化學藥品、抗生素和激素的大量使用及濫用的弊端也日益顯露出來,不僅危害人民身體健康,汙染環境,而且影響產品出口,製約我國水產養殖業的發展。經試驗,在養殖大菱鮃的飼料中添加少量(0.03%)海洋微生物溶菌酶,試驗組比對照組增重率、存活率、飼料效率和肥滿度均有較大提高。在中國對蝦養殖中應用,也有增強免疫力、血清殺菌活力和存活率的作用。海洋微生物溶菌酶是一種應用性強、性能優、無毒副作用、無殘留的“綠色製劑”,具有廣泛的應用空間和良好的市場前景。
“綠色殺蟲劑”———沙蠶毒素沙蠶是一種無脊椎動物,全球有1萬多種,我國近海有800多種。沙蠶體似蠕蟲,身體由很多體節組成。沙蠶棲居泥沙中,絕大多數生活在海洋中。沙蠶營養豐富,粗蛋白約占幹重的67%,含有18種必需氨基酸,尤以穀氨酸的含量最高。在我國北方,沙蠶多用作海水養殖魚、蝦的餌料,對魚蝦131的增重和促成熟效果顯著。沙蠶也是一種很好的海洋釣餌,是我國出口的水產品種之一。我國福建、台灣、海南島、廣東等沿海地區常用它煮粥喂養幼兒。沙蠶也是良好的補益強壯藥,所以有“海洋裏的冬蟲夏草”的美稱。
從索沙蠶科的異足索沙蠶可以提取一種毒性很強的毒素,叫做沙蠶毒素。這種毒素對鱗翅目、等翅目、雙翅目等多種害蟲,都有極強烈的觸殺和胃毒作用,可以用來製造殺蟲劑。由於沙蠶毒素是沙蠶體內的自然成分,容易分解,沒有殘毒,所以使用後不會像化學農藥那樣引起環境汙染。因而沙蠶毒素的提取物,被稱為當今世界上優良的“綠色殺蟲劑”。20世紀80年代國際上暢銷的殺蟲劑“巴丹”,就是日本武田藥廠根據沙蠶毒素的結構而合成的。我國生產的農藥“殺螟丹”,就是沙蠶毒素的衍生物,它能有效地殺死害蟲,對螟蟲的殺傷力最明顯。
全雌魚有些魚類雌雄生長差別很大,例如牙鮃的雌魚比雄魚長得快,同樣條件下,雌性比雄性的二齡魚重16%,三齡魚重28%,四齡魚重50%。有些魚的魚卵具有較高的商品價值,如鮭魚卵和鰉魚卵。因此,培育全雌的牙鮃、鮭魚和鰉魚,在水產養殖業中具有極重要的意義。如何能培養出全雌的魚呢?
大家知道雄魚的性染色體為XY,它產生兩種精子:一種精子具Y性染色體,另一種具X染色體。雌魚的性染色體為XX,所產的卵子都具有X性染色體。一般在沒有受精的情況下,卵子是不會發育的。如果卵子依靠自己的細胞核發育成個體,這種生殖行為稱雌核發育。它與孤雌生殖、雜種發育不同,雌核發育需要同種或異種魚的精子進入卵內,不過這些精子隻起激動卵子使它開始發育的作用,遺傳物質不參與卵子的發育,胚胎發育完全是在雌核控製下進行的。因此得到的後代全部是母性性狀,其基因型與母本相同或略有差異。
自然界也有雌核發育的魚類存在,像俄羅斯西部和我國黑龍江流域的銀鯽的某些種群,它們就是以雌核發育的方式繁殖後代。天然雌核發育具有重要的意義,因為在單一雌體存在的條件下,群體就可得以繁殖和發展。
用實驗手段也能誘發動物卵子雌核發育,方法有:①雜交,即用遠緣種的精子激活卵子;②射線處理,即用一定劑量的射線照射精子,使精子132的染色體失活而不損傷其受精能力,從而誘發雌核發育。精子隻起激活作用,不參與魚卵胚胎的發育,獲得的是單倍體胚胎。隻含有單倍的染色體組,其器官發生一般都異常,絕大多數幼魚在出膜前或出膜後不久就死亡。要使胚胎正常發育,必須進行特殊處理,使雌核發育的卵子染色體二倍化。雌核發育的卵子染色體二倍化有兩條途徑:①用溫度休克等方法抑製第二極體放出;②用水靜壓法等抑製第一次卵裂。經上述處理後得到的雌核發育二倍體均含有兩條X染色體,在遺傳表型上均為雌性。若將這種二倍體魚苗在一定階段內用雄性激素處理,使其轉變為功能上的雄魚,其遺傳型仍為XX,成熟後其所產精子都含X性染色體,與正常的雌魚(XX)交配所產的後代全為雌魚,即全雌魚(圖4-3)。
①雄魚XY♀♂②
二倍化及③
交配()失活精子激活雄性激素處理↓
↓↓
↓雌魚(XX)→卵子(X)→雌核發育單倍體→→功能雄魚(XX)X正常雌魚(XX)→全雌魚(XX)圖4-3全雌魚培育過程示意圖全雄魚羅非魚是聯合國糧農組織推薦的一種生長快、產量高的優良品種。如用海水養殖羅非魚,無淤泥味,味道比淡水養殖的魚更鮮美。羅非魚雄魚比雌魚長得快且大,由於其繁殖快,在一個養殖季節裏能繁殖好幾代。雌魚長不大,但同樣消耗餌料,增加養殖成本。通過性別控製培育全雄羅非魚,是一種高效、增產的有效途徑。
全雄魚與全雌魚不同,全雄魚是靠雄核發育來誘導的。精子有兩種:含X性染色體的精子和含Y性染色體的精子。雄核發育與雌核發育不同,它是使卵子失活(方法同精子失活),失活的卵子與具有X性染色體的精子受精後,再經二倍化處理成為帶有XX性染色體的雌魚,而失活的卵子與具有Y性染色體的精子受精後,再經二倍化處理成為具有YY性染色體而自然界不存在的超雄魚。具YY性染色體的超雄魚成熟後與正常雌魚交配產生的子一代全部是雄魚(XY),即全雄魚(圖4-4)。
133圖4-4全雄魚培育過程示意圖海洋化學技術防止金屬被海水啃掉的方法———海洋防腐說起金屬腐蝕,大家不難想到,如果將一個廢鐵盒放在室外,經過長時間的風吹、日曬、雨淋,你就會發現,鐵盒的表麵會生鏽,並逐漸開始腐爛,最後被一塊一塊地分解、爛掉。這就是一種典型的金屬腐蝕現象。引起金屬腐蝕的因素很多,若在幹燥空氣、無鹽河水和渾濁海水這三種不同情況下比較,哪一種條件下金屬腐蝕的速度最快呢?試驗結果表明:在幹燥空氣中的金屬受腐蝕的很少,在無鹽河水中金屬腐蝕也較慢,腐蝕速度最快的就數渾濁海水了。
隨著世界經濟的發展,海洋產業已經起到越來越重要的作用,海洋腐蝕與防護研究工作也越來越重要。據統計,世界上每年因腐蝕而造成的損失占國民經濟生產總值(GDP)的2%~4%,它比因火災、風災、水災和地震等自然災害所造成損失的總和還要大。而海水又是一種強電解質溶液,海洋環境是一種特定的極為複雜的腐蝕環境。海上大橋、海洋平台、海底電纜、海港碼頭、船舶等海洋工程設備的安全和正常運行,必須進行高效的防腐,才能得到可靠的保證。圖4-5為海水中的裸鋼樁在工作11年後的腐蝕情況。
134圖4-5在海中工作了11年後鐵樁柱受破壞的情況在受海水衝擊作用較強的地方,即浪濺區,是海洋腐蝕最嚴重的地方。對於海洋工程構件在這些區域的防腐方法,目前國內以防腐塗層為主,延伸到水下的部分,還可以利用陰極保護措施。但是這些措施對於這一腐蝕最嚴重部位的防腐還遠遠不足。因而海洋工程結構件在浪濺區的防腐研究及應用已成為一個急需解決的課題。
在國外發達國家,海洋浪濺區的防腐問題已得到了空前廣泛的關注。特別是跨海大橋橋樁等海上柱樁、橋梁的懸索、港口碼頭的基樁以及海上石油平台樁腿的浪濺區防腐,已經得到了深入的研究探討。現在公認的最成熟的防腐方法之一是防腐套包縛方案。據國外資料介紹,在美國、英國、日本等發達國家,越來越多的海上大橋、港口碼頭及海洋石油平台樁腿的浪濺區防腐均采用了防腐套技術,尤其在其他的防腐措施失敗以後,無不最後采用該技術。該技術防腐效果非常優異,安裝簡單,防腐壽命特長,綜合防腐成本低,得到了廣泛的認可,其應用技術已經非常成熟,是海洋工程浪濺區防腐方案的首選。
用、防結合的核電站防護技術輻射存在於整個宇宙空間。輻射防護是研究保護人類和其他生物種群免受或少受輻射危害的應用性學科。輻射分為電離輻射和非電離輻射兩135。α、、γ、X、,、類射線β射線射線射線質子和中子等屬於電離輻射而紅外線紫外線、微波和激光則屬於非電離輻射。在核能領域,人們主要關心的是電離輻射可能對健康產生的影響及其防護措施。通常將電離輻射簡稱為輻射或輻射照射。核能應用領域的輻射來源於核能產生裝置(如核電站)在運行過程中產生的各種放射性核素。
人們在對輻射產生危害的機理進行大量研究的基礎上,建立了有效的輻射防護體係,並不斷加以發展和完善。目前,國際上要求任何伴有輻射的實踐所帶來的利益應當大於其可能產生的危害,在綜合考慮社會和經濟等因素之後,將輻射危害保持在合理可行、盡量低的水平上,為了保證社會的每個成員都不會受到不合理的輻射,規定了個人劑量限值。國際基本安全標準規定公眾受照射的個人劑量限值為1毫希\/年,而受職業照射的個人劑量限值為20毫希\/年。
核能發電是目前核能和平利用的最主要的方式。在正常運行情況下,核電站對周圍公眾產生的輻射劑量遠遠低於天然的輻射水平。在我國,國家核安全法規要求核電站在正常運行狀況下對周圍居民產生的年輻射劑量不得超過0.25毫希,而核電站實際產生的輻射劑量遠遠低於這個限值。大量的研究和調查數據表明,核電站對公眾健康的影響遠遠小於人們日常生活中所經常遇到的一些健康風險,例如吸煙和空氣汙染等等。因此,核電站在正常運行情況下的環境安全性已被人們所廣泛接受。那麼,核能釋放的輻射是通過什麼方式被屏蔽到這麼低的水平呢?
核電安全的核心在於防止反應堆中的放射性裂變產物泄漏到周圍的環境,為此,一般采取多層次縱深防禦的安全原則。為了防止反應堆堆芯中的放射性裂變產物的外泄,在工程上設置有適當的實體屏障。核電站一般都有3道安全屏障,即燃料元件包殼、一回路壓力邊界和安全殼。
為了在萬一發生嚴重事故、大量放射性物質泄漏到外部環境的情況下,能夠保障周圍公眾的健康與安全,核電站還必須製訂應急響應計劃,並做好相應的應急響應準備工作。隨著研究的深入和運行經驗的不斷積累,核電站的運行安全水平將不斷提高,而未來的先進核電站將具有更高的安全水平。
136一箭三雕———海水淡化、核電站和海水綜合利用相結合隨著社會的發展,陸地上的資源已越來越不能滿足人們的長期需要,節約資源、提高資源利用率引起人們的廣泛關注。將海水淡化與核電站和海水綜合利用結合起來,是一種可以充分提高資源利用率、最大限度地節約資源的好方法。
核電站在工作過程中,需要大量的冷卻水來維持設備的正常運轉,這些冷卻水一般是海水。海水在冷卻管道的過程中被加熱,可以利用多級閃蒸蒸餾法將該部分海水淡化為可飲用的淡水。該方法是根據水的沸點隨著壓力的降低而降低的原理,將已經被加熱的海水引到一個壓力較低的設備中,海水便很快蒸發變成蒸汽,蒸汽急速離開海水通過冷凝被接收下來,而鹽則留在液體中。這種過程是連續的,也就是說在一組蒸餾設備中有很多隔室,在這些隔室中海水的溫度由高至低逐步降低,並且各個隔室中的壓力也是相應逐步減小的,那麼海水便會在各個隔室中沸騰、蒸發,變成蒸汽,冷卻後的冷凝水就變成了所需要的淡水,被冷凝器吸收的熱能又可以用來加熱新進入的海水。每個隔室中剩下的海水,其含鹽量從小到大逐漸增高,最後變成濃鹽水排出室外,具體情況如圖4-6所示。這些高濃度海水含有天然海水中含有的全部鹽類,可以從這些高濃度海水中提取各種各樣的化學元素,例如食鹽、鎂砂、鉀元素等與人們生活有密切關係的物質。從濃縮海水中提取物質,比天然海水要容易得多,能耗也要小得多。如此,既得到了電能,又可以得到淡水,還可以從“廢水”中得到各種各樣的寶貝,真是“一舉三得”的好事。
圖4-6多級閃蒸原理137國家工業的基礎———鹽化工技術鹽是化學工業的重要原料,可製成氯氣、金屬鈉、純堿、燒堿和鹽酸等。以鹽為原料的鹽化工產業,主要用來生產純堿和氯堿及延伸產品。受成本的限製,鹽製金屬鈉並未得到快速發展。
純堿的主要下遊產品為硼砂(四硼酸鈉)、紅礬鈉、氧化鋁、合成洗滌劑、日用玻璃製品、肥皂、平板玻璃、矽酸鈉(包括偏矽酸鈉)、合成洗衣粉、三聚磷酸鈉等。
無機氯產品主要有液氯、鹽酸、氯化鋇、氯磺酸、漂粉精、次氯酸鈉、三氯化鐵、三氯化鋁等10餘個品種。
近年來比較重視高科技精細化工氯產品的開發,如高分子化合物及氯化聚合物(聚氯乙烯、氯化橡膠、聚偏二氯乙烯及其共聚物、氯化聚乙烯、氯化聚丙烯)、環氧化合物(環氧氯丙烷)、光氣係列產品(光氣、雙光氣、三光氣)、甲烷氯化物(一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳)、含氯中間體(氯苯和硝基氯苯、氯乙酸、氯化苄、氯乙酰氯、氯化亞碸)等。
氯堿工業與石油和天然氣工業有著相互依存的關係。氯堿化工與石油化工相結合是市場競爭規律的體現,氯堿化工以石油化工為依托,石油化工發展以氯堿化工為方向,相互融合,相互促進,向大型集中化發展。
目前,我國的鹽化工企業已經有300家左右,世界上的鹽化工廠更是不可勝數。鹽化工作為國家的支柱產業,將會得到更大的發展。
海洋地質調查技術如何為古老的地球定年齡地球年齡接近46億年,月球也與之相同。這是怎麼得來的?在這漫長的地質曆史過程中,地球經曆了無數次的構造和造山運動,演變成了現在的狀態。那麼,我們是如何知道地球、月球的年齡,如何知道構造運動發生的時間呢?這就要借助於同位素測年技術。
居裏夫婦在1898年就提出了利用礦物中元素的放射性衰變規律來測定138礦物形成年齡的設想。直至20世紀70年代,計算機應用技術和高精度質譜分析技術的快速發展,才使礦物年齡的測定方法趨於成熟,地球形成的年代也逐漸為人類所知。
元素同位素是指原子序數相同但質量數不同的核素,它們屬於同一種元素,在元素周期表中占據同一個位置。自然界中的同位素按其原子核的穩定性可分為放射性同位素(不穩定的)和穩定同位素(穩定的)兩大類。放射性同位素的原子核是不穩定的,它能發生“衰變”———不間斷地、自發地放(α、、γ),。
出各種射線射線β射線射線直至衰變成另一種穩定同位素我們正是利用放射性同位素這一特點來測年的。
放射性同位素衰變前的原子核叫母體核素,產生的新原子核叫子體核素。在放射性同位素衰變過程中,放射性母體核素的數目衰減到原有數目的一半所需要的時間叫做半衰期。半衰期是放射性同位素的一個特定常數,它一般不隨外界物理條件或元素所處化學狀態的變化而改變,並且不同的放射性同位素的半衰期也是不一樣的。所以利用礦物中特定的放射性元素,測定其母體核素與子體核素的比率,就可以根據它的半衰期得出礦物的形成時間,進而得到星球的年齡。
如何確定你在地球上的具體位置———定位技術鄭和七下西洋,是世界航海史上的偉大創舉。數萬人的船隊遠航,與大海波濤、明島暗礁及變化萬千的惡劣氣候搏鬥,必須準確地知道船舶的地理位置和航向。那麼,這樣大的船隊航行,靠什麼來知道自己的位置呢?又是如何知道自己的航行方向呢?這就是古代的天文定位導航技術(即觀測恒星高度來確定地理緯度),所用的測量工具叫做牽星板。
如今傳統的一些海上導航技術和定位設備(如指南針、羅盤、牽星板等)已被廣泛應用的人造衛星高精度導航定位係統取代。當前衛星導航定位係統主要有全球定位係統(GPS)、全球導航衛星係統(GLONASS)和定於2008年實現的伽利略係統(Galileo)。
(1)全球定位係統GPS(GlobalPositioningSystem):GPS是美國國防部組織研製、部署和控製的軍民兩用導航定位衛星係統,也是目前應用最為廣泛的導航定位係統。自20世紀70年代開始研製,1994年全麵建成。
139GPS主要由三大部分組成:控製部分、空間部分、用戶部分。控製部分由主控站(負責管理、協調整個地麵控製係統的工作)、地麵天線、監測站和通訊輔助係統組成;用戶部分由GPS接收機和衛星天線組成;空間部分由24顆衛星組成,分布在6個軌道平麵上,軌道高度20180千米,衛星運行周期約12小時,使得在任意時刻、在地麵上的任意一點都可以同時觀測到4顆以上的衛星,由於衛星的位置精確可知,通過測量衛星到接收機的距離,即可得知觀測點的經緯度和高程。
(2)全球導航衛星係統(GLONASS):俄羅斯在1982年發射了第一顆GLONASS(GlobalNavigationSateliteSystem)衛星,在1995年完成了GLONASS衛星網。GLONASS係統建成之後由於國防和航天經費嚴重不足,補網衛星不能及時發射,目前該係統不能滿足最低導航定位要求。
(3)伽利略係統(Galileo):雖然美國的GPS係統免費開放,但美國出於自身戰略利益的考慮,往往降低他國的使用精度,有時甚至幹脆予以關閉,使得盟友們也不得不看美國的臉色行事。為了擺脫受製於人的困境,歐洲於2002年開始實施“伽利略”計劃,計劃在5年內完成“伽利略”衛星導航係統的部署工作,2008年全部建成並投入運營。據稱,“伽利略”衛星導航係統定位精度要比GPS精確10倍。有關專家說:“如今的GPS隻能找到街道,而‘伽利略’衛星導航係統卻能找到車庫之門。”我國將以平等地位與歐盟15個國家一同參與此項合作。
(4)北鬥衛星導航係統(CNSS):我國結合自身國情,從“九五”開始立項,研究北鬥導航係統。合理提出我國衛星導航係統分三步走的戰略:第一步建立實驗係統,為國家積累經驗技術,培養人才,為下一步研究打下基礎;第二步為2010年底發射10餘顆衛星,實現衛星導航網絡覆蓋距太區域;第三步則計劃在2020年左右,北鬥衛星導航係統將形成全球覆蓋能力。為此我國科技工作者做了大量研究工作,而與歐洲伽利略計劃合作的經曆,更堅定了我國建設完全自主的衛星導航定位係統的決心。經過二十餘年的研究與建設,該係統於2011年10月完成全麵測試,具備了向我國大部分地區提供初始服務的條件,2012年為亞太地區用戶提供服務。北鬥係統遵循開放性、自主性、兼容性、漸進性等建設原則,如今已成功應用於測繪、電信、水利、漁業、交通運輸、森林防火、減災救災和公共安全等諸多領域,產生顯著140的經濟效益和社會效益。
在水下是如何定位的———水聲定位當前大多海洋工程,如海洋油氣開發、深海礦藏資源調查、海底光纜管線路由調查與維護等,需要對水下儀器進行導航定位,如水下遙控機器人ROV、電視抓鬥、海底土工原位測試儀、聲呐係統和海底攝像係統的水下拖魚等。此時,由於海水對衛星信號的阻擋,為地表提供定位服務的GPS等定位係統就無能為力了,那麼我們是怎樣實現水下定位的呢?
可采用水聲定位係統來實現水下定位。水聲定位係統有三種工作形式:長基線水聲定位、短基線水聲定位和超短基線水聲定位。
(1)長基線定位係統(LBL):需要在海底布設3個以上的基點,組成海底定位基陣,基點之間的距離在幾百米到幾千米之間,工作船(或被測目標)一般位於基陣之內,通過測量應答器與各基點之間相對位置來確定應答器的坐標。長基線係統的優點是定位精度與水深無關,對大麵積的調查區域可得到非常高的相對定位精度;缺點是係統複雜,操作繁瑣,數量巨大的定位基陣,費用昂貴,也需要長時間布設和收回海底定位基陣。
(2)短基線定位係統(SBL):與長基線定位係統所不同的是定位基點是安裝在船底的。3個以上的基點在船底構成基陣,這些基點之間的距離僅有幾米到幾十米,故稱短基線係統。通過測量聲波在應答器與基點之間的傳播時間來確定斜距,再通過測定聲波的相位差來確定方位(垂直和水平角度),進而推算出應答器的坐標。短基線定位係統的優點是係統組成簡單,便於操作;缺點是需要在船底布置3個以上的發射接收器,這就對船隻提出了更高的要求,整個係統需要做大量的校準工作。
(3)超短基線定位係統(USBL):與短基線定位係統一樣定位基線是布置在船底的,隻是它的基線長度更短些,基點是集中做在一個陣列上的,同樣是通過測時、測相技術來確定應答器的空間位置。超短基線的優點是整個係統的構成簡單,操作方便;缺點同樣是需要做大量的校準工作,絕對定位精度主要依賴於外圍傳感器等。
另外還有組合定位係統。組合定位係統有多種形式,組合係統的最大優點是選取不同係統的優勢,提高定位精度,擴大應用範圍,但是組合係統141的設備組成和操作也變得更為複雜,組合係統一般是為用戶的特殊需要定製,目前應用較多的是超短基線\/長基線組合係統和超短基線\/短基線組合係統。
地震勘探及其在石油探測中的應用在陸地資源日漸枯竭的今天,向海洋取寶已經迫在眉睫。盡管在茫茫無際的海水下埋藏著巨量的石油、天然氣資源,可我們看不見摸不到,如何才能找到它們,為我們的生產、生活服務呢?這就需要我們首先想方設法來探測這些沉睡在海底的寶藏。
目前,我們在海上勘探石油和天然氣主要采用海洋地震的方法,海洋重力勘探、海洋磁力勘探和測深等其他地球物理方法僅僅起到輔助和配合作用。這裏所說的地震和自然界發生的地震完全是兩碼事,那麼什麼是地震勘探呢?
地震勘探是利用地震波在海底地層中的傳播規律,來研究海底以下的地質構造,尋找油氣田。在進行地震勘探時,勘探船通過一種人工震源在水中激發,釋放地震波,地震波遇到海底內部不同的岩層會產生強弱不同的反射,通過拖在船後在水中一定深度的檢波係統,依次記錄下反射回來的地震波的時間和強度,對它們進行分析處理,就可以得到海底下幾十米乃至幾千米深的地層構造和岩性等資料,再通過分析、判斷就能對石油和天然氣進行遠景評估了。
地震探測係統主要由三部分組成:震源係統、接收係統和數據采集係統。最初用炸藥作震源,後來人們發明了其他種類的震源,如壓電換能器、電磁脈衝震源、電火花震源、氣槍震源等。由高精度的電子元件組成的接收係統,將接收到的微小震動轉換為電信號輸出到數據采集係統中,最終被記錄下來。
自1936年美國首次在海洋中開展地震探測以來,海洋地震探測經曆了近70年的不斷發展和進步,目前已經成為海底勘查應用最廣、成效最高的地球物理探測技術。
如何解除水雷的威脅———磁力水雷是一種不引人注意、成本低廉但又非常有效的水下攻擊武器。戰爭142中水雷對抵禦侵略、反抗霸權主義起到了不可磨滅的作用,但是戰爭結束之後海洋中遺留的成千上萬枚沒有引爆的水雷對我們今天的船舶航行構成了巨大的威脅,成為航海人的一個噩夢。那麼如何才能解除這個航海噩夢呢?
海洋磁力測量技術的出現使我們看到了希望!
海洋磁力測量是測定海上地磁要素的工作。通常是將磁力測量儀(簡稱磁力儀)探頭放置於海水中采集海洋區域的地磁場強度數據,將觀測值減去正常磁場值(測量區背景磁場強度),再作地磁日變校正後就得到了磁異常(特殊目標)的位置。
海洋磁力測量成果有多方麵的用途:首先,對磁異常的分析,有助於闡明區域地質特征,如斷裂帶展布、火山岩體的位置等。磁力測量的詳細成果,可用於編製海底地質圖。世界各大洋地區內的磁異常,都呈條帶狀分布於大洋中脊兩側,由此磁力測量可以用於研究大洋盆地的形成和演化曆史。同樣磁力測量也是尋找鐵磁性礦物的重要手段。
其次,在海道測量中,磁力測量可用於掃測沉船等鐵質航行障礙物,探測海底管道和電纜等。
其三,在軍事上,海洋磁測在發現海底各種掩埋、廢棄的鐵磁性物質等方麵非常有效,如戰爭時期遺留在海底的炸彈、水雷、沉沒的艦船和海底管線,甚至水下考古發現等。由於潛艇的潛航和反潛技術以及水雷的布設與探測技術與認識地磁場的關係十分密切,使得海洋地磁勘查在軍事方麵的應用也凸顯其重要性。
另外,用各地的磁差值和年變值編成磁差圖或標入航海圖,是船舶航行時用磁羅經導航不可缺少的資料。
因此,現在越來越多的國家都把海洋磁力測量作為海洋測量的重要內容。
海底深度是怎麼測量的———測深技術在陸地上,大家可以領略到喜馬拉雅山的宏偉,雅魯藏布江大峽穀的深邃和亞馬遜平原的遼闊;在海底,同樣有雄偉的高山,深邃的峽穀和遼闊的平原,但由於海水覆蓋,它們長期不為人所知。在人類文明高度發展的今天,水下地形測量技術的應用,海底地形的神秘麵紗才逐步被揭開。
143水深是航船安全最大的問題。最初水手們是使用測深繩測量水深,效率極低。20世紀30年代初,單波束回聲測深儀的問世替代了傳統的測深繩,標誌著海洋測深技術發生了根本變革。到六七十年代,多波束回聲測深儀的開發與利用,是海底聲學探測技術發展的又一個裏程碑。隨著科學技術的發展,又出現了機載激光測深、衛星遙感測深、電磁測深等測量方法。
單波束測深儀是如何測得水深的呢?大家知道聲波吧,在水麵下發射聲波,聲波向下傳播遇到海底就會產生反射,將聲波從發射到發射波被接受到的時間段(聲波在水中傳播的時間)乘以區域水體聲波的傳播速度,即可換算出水深。回聲測深儀可以在船隻航行時快速而準確地獲得航船下連續的水深數據,已成為水深測量的主要儀器。
多波束也是利用聲波反射原理來測量水深的。與單波束不同的是,多波束測深係統能在與航跡垂直的平麵內一次發射幾十甚至上百個波束,再由接收換能器接收由海底返回的聲波,從而能夠測出一條以船舶航線為軸線的,具有一定寬度(水深值的7倍左右)的全覆蓋水深條帶。
需要說明的是,由於潮汐使海平麵做周期性的升降運動,水深測量就是在這個不斷變化的海麵上進行的,為了正確描繪海底地形,必須人為規定一個水深零米麵———基準麵,對所測水深值必須進行相對於該麵的潮汐改正。在我們國家,規定青島近海多年的平均海平麵為測量基準麵,該麵被稱為1985國家高程基準麵。另外各個省市為了測量工作的方便,也多有自己規定的基準麵。
如何“透視”海底之下———淺剖如果我們走到山崖下,或站在河岸的陡壁旁,可以看到岩石是一層疊著一層堆積起來的,這層層重疊的岩石叫做“地層”。海底岩石和泥沙同樣具有這種成層的地層結構。某些地層內蘊藏著豐富的石油和天然氣資源,而某些地層結構對海洋工程建設有極大的潛在危害。那麼,我們用什麼辦法探測海底的地層結構,使我們趨利避害呢?
淺地層剖麵儀是探測海底淺地層結構、海底沉積特征和海底表層礦產分布的重要工具。它的工作原理與多波束測深儀和測掃聲呐相似,其區別在於淺地層剖麵儀的發射頻率較低,聲波的穿透能力較強,能夠有效地穿透144海底數十米深的地層。在探測船走航過程中,設置在船上或拖體上的發射換能器向水下垂直發射聲波,聲波抵達海底時,一部分反射回來,還有一部分繼續向地層深處傳播,遇到更深層界麵又都有部分聲波被反射,由於這些反射界麵的特性和深度不同,在船上接收到回波信號的時間和強度也不同,通過對回波信號的放大和過濾等處理後,送入記錄器,就可以在記錄紙上清晰地描繪出地層的剖麵結構。
實際上,在20世紀40年代就出現了最原始的海底剖麵儀,60~70年代出現商品設備。由於當時技術條件的限製,地層探測結果隻能繪在記錄紙帶上,不能長期保存。90年代以來,隨著電子和計算機技術的快速發展,數字信號處理、海量數據存儲和電子自動成圖等技術得以實現,促進新型剖麵測量係統的問世。現在,淺地層剖麵儀已廣泛應用於海洋地質調查、港口建設、航道疏浚、海底管線布設、海上石油平台建設及軍事等方麵。
“水下千裏眼”是怎樣“看”到海底的———側掃聲呐萬頃碧波下是肉眼看不到的海底,那麼有什麼辦法來“觀察”海底嗎?
被稱為“水下千裏眼”的側掃聲呐就是用來解決這個問題的。
側掃聲呐屬於聲呐的一種,最初發明的側掃聲呐主要用在軍事方麵。直到20世紀80年代後期,隨著海洋開發事業的迅速發展,側掃聲呐才廣泛地應用到民事方麵,現在已成為廣泛應用的海底成像技術,而且是海洋科學調查中必不可少的儀器裝備。側掃聲呐係統的應用主要有以下幾個方麵:探測海底地形,可以測繪出海底地貌、沉積物分布;對水下工程設施、輸油管道、海底電纜進行監視和定位;搜尋沉船、飛機等;探測礦產,如石油、金屬礦物等;探測魚群,有利於漁業的發展等等。
側掃聲呐由拖在水中的拖魚、線纜和船上的處理器三部分組成。其工作原理為:由隨船行進的拖魚產生兩束與船行進方向垂直的扇形聲束,聲波碰到海底或礁石、沉船等物體就被反射回來,反射回來的信號由接收係統接收,然後被處理器以圖像的形式顯示並記錄反射信號。與其他海底探測技術相比,側掃聲呐係統具有形象直觀、分辨率高和覆蓋範圍大等優點,它能清楚反映海底狀況,包括目標物的位置、高度等,故又稱為“海底地貌儀”。
145怎樣給古老的地球量體溫———古氣溫現代氣溫的高低可以從溫度計上讀出來,那麼一千年、一萬年以前的氣溫呢?某地質曆史時期的氣溫呢?我們能不能像讀溫度計那樣“讀”出來?
以往,人們利用地層中的化石大概地判斷某地質曆史時期氣溫的高低:如果地層中含有珊瑚化石,那麼此地層形成的環境一定是溫暖的,因為珊瑚在寒冷的環境中是無法存活的;如果地層中含有仙女木植物化石,那麼此地層形成的環境一定是寒冷的,因為仙女木隻能生長在苦寒之地。
用上述方法隻能粗略地估計氣溫的高低,而同位素分餾方法可讓我們確切得到當時的溫度。同位素分餾是指在一係統中,某元素的同位素以不同的比值分配到兩種物質或物相中的現象。以氧同位素分餾為例,我們用單位物質中18O和16O的原子數之比表示該物質的氧同位素比值,其中18O要比16O重一些,同位素的質量差會造成不同物質間的同位素分餾,重量較小的16O更容易流失,重量較大的18O會隨沉積物保存下來。當同位素交換反應達到平衡時,共生礦物對或礦物與水之間的同位素分餾與溫度有一定關係。這樣,隻要測得礦物中氧同位素的分餾係數,就可以反推當時的溫度。有了這種方法,準確測得千、萬年前的溫度就不再是難事了。
陸地上的資源耗盡之後人類將何去何從———深海資源有很多古老的神話故事,形象地描述著大海的底部蘊藏著無窮無盡的黃金、白銀及各種各樣閃閃發光的珍珠、寶石。這是在科學技術還不發達的時代,人們對深邃莫測的海底的一種猜想和向往。
直到第二次世界大戰以後,隨著科學技術的進步,人們才真正有目的地對包括深海大洋在內的整個海洋,進行地質和地球物理探測,漸漸地了解到海底的一些情況。尤其是近年來,世界人口急劇增長,陸地資源日漸枯竭,世界各國(特別是沿海國家)紛紛把目光投向海底礦產資源,掀起了海底礦產資源勘測的熱潮。
大洋資源主要包括以下五種:(1)多金屬結核:是形如土豆的結核狀軟礦物體,暗褐色,直徑一般為1463~7厘米,富含錳、鐵、鎳、鈷、銅等幾十種元素。分布在世界大洋底部水深3500~6000米海底表層。據科學家們分析估計,世界洋底多金屬結核資源為3萬億噸,僅太平洋就達1.7萬億噸。
(2)富鈷結殼:是生長在海底岩石或岩屑表麵的富含錳、鐵、鈷等戰略礦產的結殼狀自生沉積物,金屬殼厚1~6厘米,最厚可達15厘米,主要分布於水深1000~3000米的海山、海台及海嶺的頂部和斜坡上。據不完全統計,在太平洋西部火山構造隆起帶,富鈷結殼礦床潛在資源量達10億噸,鈷金屬含量達百萬噸,結殼因其孔隙率高可做空氣清潔材料,具有重要的經濟價值,因此成為繼多金屬結核之後各發達國家競相爭奪的對象。
(3)熱液硫化物:主要出現在2000多米水深的大洋中脊和斷裂活動帶上,是一種含有銅、鋅、鉛、金、銀等多種元素的重要礦產資源,具有良好的開發遠景。
(4)“天然氣水合物”:又被稱為“可燃冰”,資源總量約等於世界煤炭、石油、天然氣的總儲量的2倍,是一種潛力極大的新型能源。
(5)深海生物資源:深海海底蘊藏著豐富的生物資源,它們依靠地熱在高溫和黑暗的環境下靠化合作用維持生命。對深海生物資源的研究至少將從三個方麵對人類科學和生活產生重要影響:一是豐富和發展對生命形式的認識,促使生物學家更深刻地去研究、理解生命的起源和進化,為人類探索地球以外星球的生命存在形式提供理論和依據;二是新型藥用活性物質以及各種極端條件工業用酶的開發和應用;三是研究細胞在各種極端條件下的調節適應機製,幫助設計提高人類、動物和植物抵禦疾病、適應環境能力的方法。這些帶給我們的都將是一種全新的概念。
就在各國競相開赴大洋、搶占先機的時候,中國也在實施著自己的計劃。向大洋挺進,維護自己應有的權益。相信在不久的將來,隨著海底礦產資源奧秘的進一步揭開,一個大力開發海底礦產資源的高潮一定會到來。
怎樣取得海底樣品———取樣器先進的海洋探測儀器能使我們了解海底地形起伏狀況和海底地層結構,然而要想全麵了解海底,僅僅用這些手段是不夠的,有時候需要對海底沉積物或礦產等做更進一步的研究。可是由於海水的阻擋,使得200米以下147的海底一片漆黑,而且海水產生的巨大壓力能輕易地將人體壓得粉碎,怎樣才能從神秘的海底取出樣品呢?為了適應海洋地質研究的需要,各種各樣的取樣器便應運而生了。
在各種取樣器中,最簡單的是拖網,船航行時,將海底的岩石樣品拖入一個鐵質的網狀容器內;再就是抓鬥,可以抓取某一個特定地點的樣品,不僅是岩石,砂、泥,甚至一些海底的生物也可以一起抓上來。然而以上兩種還是遠不能滿足我們科學研究的需要,人們又設計出其他更加精密、更加有利於科學研究的取樣儀器,如箱式取樣器和柱狀取樣器。箱式取樣器一般呈方形或長方形,靠鉛錘打入海底的沉積物中,由閉合鏟將樣品封閉在取樣器中,樣品與在海底時相比變化不大,保存了更多海底的信息。柱狀取樣器,顧名思義,取樣器為柱狀,取上來的樣品是一個長柱,其主要由岩心管、鑽頭、重錘等推進裝置組成,取樣管內套有襯管,可以使取上來的樣品不受外部條件的幹擾。
借助這些取樣器取得海底樣品後,送入實驗室進行分析,獲得更多海底信息。
能在海底隨心所欲取到我們想要的東西嗎———電視抓鬥在海洋研究過程中,常需要從海底撈取某種特定樣品以供分析,而海底物質種類較多魚龍混雜,造成取樣的極大盲目性,取樣器往往取不到我們想要的東西。試想想在茫茫的海底要取得一種特定的樣品,而又不知道樣品的確切位置,那真有“海底撈針”的感覺。為此,科學家們給取樣器裝上了“眼睛”,即研製了電視抓鬥。
電視抓鬥是我國自行研製的深海可視采樣係統,是將機械抓鬥和電視攝像、照明、傳輸、遙控裝置結合起來。該裝置包含創新性抓鬥機構設計、深水液壓動力係統、深水視覺與遠程載波通信、深水設備狀態監測與甲板監視等關鍵技術,是一套現代化海底可視采樣係統,也是我國未來海洋礦產資源勘查迫切需求的設備。它能把海底“看”得一清二楚,並將拍攝到的海底圖像同步傳輸到實驗室裏,實驗室裏的考察人員利用電視抓鬥的“眼睛”,分辨、挑選海底樣品,一旦發現想要的東西,就操縱電視抓鬥,將樣品從深海抓到船上。有了這個電視抓鬥,考察人員從深海取樣就不再“摸黑”了。
148海洋鑽探———在海洋中鑽井有什麼用現今,海上鑽井數量和鑽井深度是一個國家鑽井技術水平的綜合反映。可你知道為什麼要在海上鑽井嗎?在海上鑽井有什麼用呢?又有哪些鑽井方法呢?
首先,在海底油氣勘探中,海上鑽井是必不可少的技術手段,它是在海上物探的基礎上進行的,是對海底石油和天然氣情況的詳查,通過對鑽井取芯的分析,可搞清地層的岩性和油層的厚度情況。其次,在進行海洋施工之前,也必須通過鑽井確定其工程地基的穩定性。另外,在地球環境演變過程中,在不同環境下留下了各種各樣的“曆史檔案”,隻有通過鑽探取樣才能“提取”出這些“檔案”,來研究區域演變曆史。
由於海上作業的環境條件與陸上完全不同,所以海上鑽井技術難度大、投資多。在海上鑽井必須建造高出海麵、置於海底的各種鑽井平台,把鑽機裝在平台上進行鑽探,稱為固定式鑽井平台。若在海上采用漂浮式的鑽井裝置,即為活動式鑽井平台。目前,世界海洋鑽井多采用活動式鑽井裝置。這類鑽井裝置既能保證鑽井時的平穩性,又具有易移動且能適應各種水深的優點。
深海沉積是保存得最完整的地球曆史檔案,其研究意義越來越引起科學家的重視。先前的油氣鑽井技術已不能滿足大洋鑽探的需要,獲取大洋沉積物樣品需要更先進的鑽探技術。目前,各國正在加強合作研究,努力發展大洋鑽探技術。2003年,新的“綜合大洋鑽探計劃(IODP)”正式開始,我國也已作為參與成員的身份加入。
什麼是載人深潛器千百年來,古今中外的探險家一直在探索下到海洋深處的辦法,潛水技術就是水下作業的一種重要手段。人們研製深潛器最初隻是為了深海探險,到20世紀70年代以後,人們才熱衷於用深潛器為科學研究和海洋開發服務,深潛器的商業和科學應用也掀起了一個高潮。隨著海洋開發的需要,載人深潛技術已經成為一項專門技術,可應用於水下考察、海底勘探、海底采礦、打撈救生、水下施工、軍事偵察等。
149以海洋科學研究為目的的載人深潛器,使用特殊的抗壓材料作殼體,不僅要求它能承受得住極大的壓力,還要求它的滲水率極低,否則深潛器就會沉入海底。在高壓環境下,耐高水壓的動態密封技術是深潛器的一項關鍵技術,深潛器上的任何一個密封的電氣設備、連接線纜和插件都不能有絲毫滲漏,否則會導致整個部件甚至整個電控係統的毀滅。深潛器上裝配有世界最尖端的海洋探測儀器和設備,能夠對海底進行全方位的探測,還安裝有機械手和各種取樣器,便於人們在海底考察時隨時采集樣品。計算機技術的應用對深潛器起到控製和監測的功能,有效地減輕了駕駛員的工作負荷。深潛器上還裝有水聲定位係統,所以無論它在何處,都能由隨行的考察船監測到,而且能知道所考察地點的確切位置。在海底工作,即使最先進的深潛器也不能保證絕對的安全,所以深潛器還會有一個逃生係統。所以,一個先進的載人深潛器集人類深海探索科技精華於一身,是應人類對深海探索的需要而誕生的。
向深海進軍是大勢所趨,我國為能成為一個海洋強國,正做著不懈的努力,我國已研製成功能深潛7000米以上的“姣龍號”載人潛水器,能探測海洋99%的海底。成為繼美國、日本、法國、俄羅斯之後第五個掌握深潛技術的國家。
什麼是水下機器人水下機器人是一種不載人的遙控深潛器,可在載人深潛器所不能到達的深度與不安全的環境下進行作業。
水下機器人由執行係統傳感係統和計算機控製係統組成。執行係統包括進行海底考察的各種裝備,如移動裝置、機械手、采樣器等。傳感係統則是用來收集海洋環境和係統工作的一切信息的“感覺器官”。計算機係統則是用來處理和分析各種信息數據的綜合係統。水下機器人是涉及多個學科的綜合性很強的高新技術。
根據遙控方式的不同,水下機器人可以分為有纜(國際上通稱ROV)和無纜(國際上通稱AUV)兩種類型。有纜水下機器人(ROV)通過電纜與考察船相連,同時通過電纜向水下機器人提供電力並對它進行控製。水下機器人可以在海底行走,其上安裝有機械手,能模仿人的手臂運動,完成水下150作業所需的動作。無纜水下機器人(AUV)是深潛器家族的後起之秀,分為聲控式、自控式、混合式三種,由工作船發出遙控指令,對其實施遙控。無纜機器人和有纜機器人的結構、設備及作業能力相似,但因為無纜,所以活動範圍更廣,可是由於成本較高,遙控技術要求也很高,發展速度不快。
水下機器人不斷向智能化發展。最初的水下機器人隻能實現一些固定的動作,其程序都是預先設定好的。以後,水下機器人開始具有了自適應能力,其動作程序可以根據外界條件變化而改變。最新的水下機器人是一個完全獨立的係統,具有人工智能的特點,可以適應環境變換動作,並積累與外界交互的經驗,完成給定的作業指令。
目前,水下機器人已成為世界海洋高科技競爭的重要內容。隨著海洋開發的迅速推進和海洋考察範圍的擴大,世界上許多國家都非常重視水下機器人的發展。我國從20世紀70年代開始水下機器人的研製工作,在各方麵都取得了長足進步。1995年研製成功的“CR-01”號無纜水下機器人,可在水下6000米考察,使我國水下機器人技術水平躋身世界先進行列。
導彈靠什麼提高命中精度1988年9月27日,南太平洋某海域,我新型潛艇水下發射的彈道導彈轟然出水,直刺蒼穹,精確命中預定目標。這正是海測兵取得的海洋重力測量成果,保障了的火箭飛行路線的準確性。
海洋重力測量鮮為人知,卻關係重大。海洋重力場的微小差異,就能直接影響到戰略導彈等遠程武器的命中精度。試驗表明,1毫伽(重力異常的單位)的重力誤差,足以導致彈道導彈偏離目標1千米。
海洋重力測量是測量海區重力加速度的工作。海洋重力測量技術的進步,以及重力成果的廣泛使用越來越證明海洋重力數據在大地測量學、地球科學、海洋科學、航天技術的研究和軍事上的重要意義。
各種岩石和礦物的密度(質量)是不同的,根據萬有引力定律,其引力也不相同。據此研究出重力測量儀器,測量地麵上各個部位的地球引力(即重力),排除區域性引力(重力場)的影響,就可得出局部的重力差值,發現異常區,這一方法稱作重力勘探。它就是利用岩石和礦物的密度與重力場值之間的內在聯係來研究地下的地質構造。
151海底具有許多不同密度的地層分界麵,這種界麵的起伏也會導致重力異常。因此,通過對各種重力異常的解釋,包括對某些重力異常的分析和延拓,可以取得地球形狀、地殼構造和沉積岩層中某些界麵的資料,進而解決大地構造、區域地質方麵的任務,為尋找礦產提供依據。
重力加速度還會影響航天器的飛行,因此,重力異常數據對保證航天和遠程武器的發射是不可缺少的資料。
加強國防建設,必須重視海洋重力測量的重要作用!
給地球裝上“千裏眼”“遙感(RemoteSensing)”,顧名思義,就是遙遠地感知,古代傳說中的“千裏眼”“順風耳”就具有這樣的能力。人們通過研究,發現地球上每一個物體都在不停地吸收、發射和反射各種信息和能量,其中有一種人類已經認識到的形式———電磁波,並且發現不同物體的電磁波特性是不同的。遙感就是根據這個原理來探測地表物體對電磁波的反射和其發射的電磁波,從而提取這些物體的信息,完成遠距離識別物體的。遙感儀器必須依賴於輻射(光、熱)或波(電磁波、聲波)把研究區域的有用信息傳遞到觀測儀器。
自20世紀60年代初,氣象衛星Tiros-1取得了若幹海洋學信息後,隨即掀開了從太空研究海洋的新思維。人類能在瞬間看到幾百千米的洋麵上水文、生物和化學的變化,這連最美麗的神話也望塵莫及。遙感技術與海洋學的結合給海洋研究開辟了一條新途徑。後來的實踐表明,海洋遙感這一手段具有廣泛的用途和強大的生命力。今天,當我們從電視中收看天氣預報時,可以看到我國上空整個衛星雲圖及雲層的移動情況和未來幾天裏的天氣變化。對航海、漁業、沿海工業布局、海洋資源利用和沿岸海洋工程起到保護和促進作用。目前的航天海洋遙感主要是結合在氣象衛星上進行的。
在海洋學方麵,運用氣象衛星資料的領域非常寬廣。連續的氣象衛星紅外雲圖和可見光雲圖,可以從波譜和溫度信息中區分出不同波譜、不同溫度的水團、水流位置、範圍、界線和運移情況並推算出其運移速度,從而了解水團、渦旋的分布、洋流的變動等。在航海事業中,了解洋流變動是十分重要的,它不僅能確保航海安全,還可以節省燃料。海冰的研究也是許多國家關注的問題,在海冰區航行時,即使有破冰船也得盡量選擇冰裂縫或薄弱地152帶,利用衛星雲圖就可實時選擇航線。
從氣象衛星紅外雲圖上監測海冰和陸上冰雪區,一個突出的問題是正確而迅速地把冰雪與雲層區分開來。由於氣象衛星每天定時對地表上任何地點進行重複攝影或掃描,而雲層是每天變化的,所以一般采用連續幾天的圖像進行對比來識別。
氣象衛星對觀測海流也是非常有效的。其實質是研究海洋表麵溫度分布狀況。利用VOAA的紅外雲圖,加上水流訂正,可測海麵溫度,繪製大範圍的海麵溫度圖,精度可達1℃。
此外,遙感在海洋資源的開發與利用、海洋環境汙染監測、海岸帶和海島調查、漁業等方麵也已取得了成功的應用。
海上原位測試技術隨著海洋資源的開發利用,人們海上活動越來越頻繁,海洋工程建設越來越多。為保證海洋工程設施的安全穩定,我們必須確定其地基的工程性質。雖然我們可以通過室內實驗來確定海洋土的工程特征,包括其粒度、容重、含水量等物理性質和滲透性、壓縮性、剪切強度等力學性質,但室內實驗需要從海底取上樣品,並且在機械取樣和搬運過程中無可避免的造成樣品擾動、損壞,也就是使所測的力學指標“失真”,這就無法為海洋工程建設提供準確的信息。為了克服室內實驗的弱點,海上原位測試技術就應運而生了。
所謂原位測試,就是在所要調查的地區在盡可能不改變海洋土原狀態的前提下直接進行野外工作,獲得各項工程力學指標。海上原位測試的方法通常包括靜力觸探、十字板剪切試驗、水氣探測試驗、壓電試驗、旁壓試驗和密度試驗等。不同的原位測試方法具有各自的測試優勢,因而對不同的測試要求選擇有效的測試方法是非常必要的。
靜力觸探試驗(CPT)是目前海上幾乎任何一個場地工程地質調查的必要組成部分,靜力觸探試驗是把錐尖和圓柱形貫入儀按恒定的速率推進到土中去,記錄過程中的錐尖阻力和側壁阻力,此方法可獲得淺地層剖麵的強度資料,並確定沉積物的抗剪強度,進行地層分層和直接用作工程設計參數。
153十字板剪切試驗常被用在非常軟的海洋黏土上,在地下一定深度轉動十字板頭,通過數字設備讀取板頭所受的阻力扭矩以獲得土體的抗剪強度。
水氣探測試驗也是非常重要的,因為水和氣對工程地質性質的影響非常大,所用探測儀器通常為BAT探測器和深水探測器DGP,它們與CPT試驗類似,將探測裝置推進到海底,取得的樣品通常立即在船上分析。
其他原位測試也是可以利用的,但它們一般被用在土的特殊性能調查中。對於要求高的大型海上工程項目,應該綜合使用各種海上原位測試方法。
海洋能的利用技術能源是人類賴以生存發展的基礎因素之一,人類曆史上每一次巨大的飛躍無不與能源的開發利用有關,而一次次的全球危機也與能源緊密相連。從長遠來看,石油和煤炭等化石能源總會耗盡,重視海洋能源開發是未雨綢繆。在浩瀚的海洋裏,蘊藏著極為豐富的自然資源和巨大的可再生能源,據專家估計,全世界的海洋,每年波能總量約為236520億千瓦·小時,潮汐能約為255442億千瓦·小時,海流能約為473040億千瓦·小時,溫差能約為189216億千瓦·小時,鹽差能約為245980億千瓦·小時。此外,海麵上的太陽能蘊藏量約為756864億千瓦·小時,風能約為94608~946080億千瓦·小時,而它們是可再生的、無汙染的能源。
潮汐發電和其他海洋能利用相比,潮汐能利用是最成熟、最現實的。建設潮汐電站,先要建一道攔海大壩,把海灣與海洋隔開形成水庫,廠房內安裝水輪發電機組。在漲潮時將海水儲存在水庫內,以勢能的形式保存,然後,在落潮時放出海水,利用高、低潮位之間的落差,推動水輪機旋轉,帶動發電機發電。從發電原理來說,潮汐發電和水力發電並無根本差別。從現在一些潮汐發電站的結構分析,它們有以下三種發電形式:(1)單庫單向電站:單水庫潮汐電站是漲潮時使海水進人水庫,落潮時利用水庫與海麵的潮差推動水輪發電機組發電,因此它不能連續發電。這種電站隻有一個蓄水庫,故建築物和發電設備的結構較簡單,投資也省。
154(2)單庫雙向電站:利用水庫的特殊設計和水閘的作用,既可漲潮時發電,又可在落潮時運行(圖4-7),隻是在水庫內外水位相同的平潮時(即水庫內外水位相等)才不能發電。其發電時間和發電量都比單庫單向電站多,這樣就能比較充分地利用潮汐能量。20世紀80年代,中國裝機容量最大的潮汐電站———浙江省溫嶺縣樂清灣江廈潮汐電站,位列世界第三,就是這種單庫雙向發電的類型(圖4-8)。
圖4-7單庫雙向潮汐電站圖
4-8江廈潮汐能發電站(3)雙庫雙向電站:這種電站需要建造兩個毗鄰的水庫,一個水庫僅在漲潮時進水,另一個水庫隻在落潮時出水。這樣一來,前一水庫的水位便始終比後一水庫的水位高,故前者稱為上水庫,後者稱為下水庫。水輪發電機組便放在兩個水庫之間的隔壩內。由於兩個水庫始終保持著水位差,所以水輪發電機便可以全日發電(圖4-9)。
圖4-9雙庫單向電站20世紀世界上最大的潮汐發電站,當推法國朗斯河口的潮汐發電工程,它代表著20世紀的先進水平。其發電量約占當時法國水力發電量的1%,淨發電為544千兆瓦·小時。
155海流發電不嚴格地說,海流就是海水的流動。這種流動包括月亮和太陽引起的周期性流動和風、密度等因素產生的非周期性流動兩種。
海流發電和風力發電相似,幾乎任何一個風力發電裝置都可以改造成為海流能發電裝置。現今應用比較廣泛的海流發電設備基本分為以下3種:(1)水平軸式渦輪機發電:水平轉子像船尾的螺旋槳,槳葉轉動範圍設計從5米到33米,可以旋轉180°,以適應漲落潮(圖4-10)。
圖4-10自由流體動力發電係統Verdant發電機(2)垂直軸式渦輪機發電:它的裝置完全浸沒在水中,轉向與水流方向無關,轉矩高,因此在強流條件下不需要啟動裝置就可以自發運行(圖4-11)。
圖4-11Kobold潮流發電機(3)振蕩水翼式係統:屬於可變葉片係統,由一個“水上飛機”組成,可以156通過一個簡單的裝置根據來流改變它的攻角。引起支撐臂垂直震蕩,輪流迫使液壓缸延伸和收縮,從而產生了用於驅動發動機的高壓油,進而產生電能。整個裝置完全浸沒在水下,並固定在海床上(圖4-12)。
圖4-12Stingray潮流發電機波浪發電1910年世界第一台波浪發電的傑作問世,獲得了1千瓦電力輸出,用於家庭室內照明。其基本原理為:上湧的波浪推動管道中空氣運動,帶動空氣渦輪機旋轉,渦輪機再帶動發電機發出電來(圖4-13)。
圖4-13岸邊波浪發電示意圖總的說來,利用波能發電的裝置如下一些分類:按照提取能量內容來分有利用波浪的勢能(垂直運動)、利用波浪的動能(水平搖擺運動)和利用波麵起伏(即勢能差)三種;按照發電裝置位置來分有海上漂浮式、陸地坐底式和陸海聯合式三種。
(1)利用波浪的勢能(垂直運動)發電:波浪帶動浮標上下運動,起伏的浮標通過鋼纜拉動線圈,使它在固定磁場(圖4-14中“定子”)中來回運動。
157通過電磁感應,就可發出電來(圖4-14)。如果將這種發電裝置布放成陣列(圖4-15),每個發電裝置發出電力都先彙集到海底變電設備中,然後再傳輸的岸上。該發電機組排列間隔是20×50米(間距設定與海底的深度有關,目的防止纜繩纏繞)。預期1000平方米安裝1000個發電單元。發電機設計壽命是20年。已有的單台發電機的發電能力10~50千瓦。
圖4-14電磁感應發電基本原理圖4-15海底電廠和變電設備(2)利用波浪的動能(水平搖擺運動)發電:發電裝置的下部錨定在海底,在波浪推動下可以繞樞軸前後擺動。然後拉動一個具有活塞的泵,最終將波浪的動能變成電能(圖4-16)。變成電能的途徑有兩個:一個是直接用高壓水去驅動發電機發電;另一個是將高壓水輸送到岸上一個水力學係統中發電。
158(a)Waverol在裝配(b)海底工作示意圖圖4-16AW能源公司的Waverol外形及工作(3)利用波麵起伏(即勢能差)發電:前麵所有發電裝置,都是點源式提取波能,即波浪傳播到發電裝置的那個“點”上,能量才能被提取和轉化,發電裝置對“點”外波能是無能為力。而下麵介紹的是利用多節的、浮動筏式設備,放在與海浪傳播方向一致的水麵,利用波形的高度不同,“擠壓”水體去推動透平,帶動發電機發電。“海蛇”的出現,將現在全球海浪發電的效率發揮到了極致(圖4-17)。自南安普敦大學的約翰·查普林(JohnChaplin)設計的“巨蟒”,長約200米,直徑達7米,平均可達到1兆瓦的功率。這意味著它1小時的工作,就可以滿足數百個家庭生活用電的需要。
圖4-17波浪發電機———“海蛇”號在海上溫差發電射到海麵上的太陽能,在海麵上層就被迅速地吸收,溫度升高,而下層溫度顯著低於表層:在低緯海域大洋水下500米深處的水溫,基本變化在5~10℃之間,而在3000米深處的水溫則終年處在1~2℃附近。人們可以利用低溫水將某種物質變成液體,再利用表層高溫水將這種液體的物質重新變159成蒸汽,推動空氣渦輪機旋轉,帶動發電機發電(圖4-18)。
圖4-18溫差發電目前,除去利用丙烷作為蒸發介質之外,有些學者還提出其他12種物質,但普遍認為最合適的是氨、丁烷和氟利昂等一些製冷劑,這些東西也都是低沸點的。
目前溫差發電有封閉式循環和開放式循環兩種。封閉式,就是將工作流體全部封閉、不能流失介質的一種持續發電方式;開放式循環發電,是海水在低壓下(甚至真空)變成蒸汽,驅動渦輪機-發電機發電。然後用深層冷海水將蒸汽冷卻,變成淡水,送入貯水池中供灌溉和飲用。開放式溫差發電有很多優點:用海水作為工作流體,從而消除了氨水、氟利昂等有害流體對海洋環境的汙染;封閉式循環的熱交換器造價低而且效率高;能得到最可貴的淡水。我國有漫長的海岸線,特別是熱帶的南海有眾多島嶼,這些島嶼缺水、缺電,利用溫差發電,具有重要意義。其中西沙群島發展溫差發電是當務之急。