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西方南极工程比探火星 中国却有人当雕虫小技

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征战南极,中国在行动

2014年1月7日,黑龙江漠河,北极村。这个处于中国边境线最北边的村子气温已跌破零下40度,滴水成冰。

南京大学天文学教授周济林刚刚从这里“访亲”归来。不过,他探访的对象有些特别,是一台叫作“AST3-2”的天文望远镜。AST3系列望远镜是我国自主研发的第二代南极巡天望远镜,共由3台组成,每台通光口径为50厘米。2011年,第一台该系列望远镜已入驻昆仑站,此次在北极村测试的正是第二台。

据了解,这台望远镜已经在零下三四十度的温度下工作了近三个月,其目的主要是寻找超新星和系外行星。“从现场实验看,望远镜的噪声还有些高,可能会影响信号接收质量,另外精度还要再提高一些。”周济林告诉《中国科学报》记者,因为该望远镜最终要被送往南极冰穹A工作,极限检测是保证其可靠性的重要方式。

冰雪赛场问鼎金牌

海拔4093米的冰穹A是南极内陆冰盖海拔最高的地区,也是地球上环境最严酷的地方,被称为“不可接近之极”,很多国家对其望而却步。2005年,中国科学家在全球首次登上冰穹A,并在该区域建立了全球唯一的科学考察站——昆仑站。

“随后一年,我们在冰穹A设置了4个通光口径14.5厘米的望远镜阵列,也就是第一代南极系列巡天望远镜CSTAR。”中国南极天文中心主任王力帆在接受《中国科学报》记者采访时说。经过3年多的观测,CSTAR望远镜精确测量出冰穹A大气湍流边界层的高度为14.5米,热红外波段在2.5微米左右,大气中可压缩水汽含量仅为0.1毫米左右。

“这些数据显示冰穹A是地球上最冷、空气扰动最小,也是最干燥的地方,同时也是最理想的天文观测地点,为我国‘十二五’期间南极天文学的立项提供了最根本的科学依据。”王力帆说。

据介绍,在此基础上,我国第三代望远镜2.5米KDUST南极巡天红外望远镜和DATA5太赫兹望远镜的筹建均已进入议事日程。

“中国南极天文研究已经可以独当一面,在国际合作中也可以与发达国家平起平坐。”中科院院士崔向群在接受《中国科学报》记者采访时说。她表示,我国光学天文望远镜有着较好的学科基础,昆仑站创造了独一无二的地理条件,而不断强大的国家经济实力则成为中国南极天文研究的坚强后盾,因此,她十分看好中国南极天文研究的发展前景。

格罗夫山陨石回收也是中国南极科考中浓墨重彩的一笔。“目前,中国科考队已经从南极找回11452块陨石,数量紧跟日本、美国之后,居世界第三位,为人类了解地外天体提供了宝贵资源。”中科院极地科考首席科学家刘小汉告诉《中国科学报》记者。

此外,30年来,我国还在东南极大地构造、磷虾复眼与年龄、午后极光、长城站古生态、格罗夫山冰盖进退、南极冰川起源等多个研究领域取得突破性科研成果。截至2012年,中国相关南极研究论文产出数量已在全世界排名第四。

与此同时,中国还积极参与国际南极科学合作,许多研究成果令国际同行瞩目。我国科学家提出的“PANDA”计划被评为第四次国际极地年的核心计划,并在近1400公里的东南极断面上开展了与气候变化密切相关的冰川学、气象学、大气化学等多方面的研究,取得了重大突破。

“极地科学研究更像是登山运动,科学家通过艰苦的野外考察和细致的研究工作,解决了一个又一个未知问题,征服了一座又一座科学高峰。随着我国南极科学考察与研究工作的不断深入,还将有更多具有世界领先水平的研究成果涌现出来。”国家海洋局极地考察办公室(以下简称“极地办”)主任曲探宙在接受《中国科学报》记者采访时说。

四站接踵见证跨越

东南极,伊丽莎白公主地。2014年1月,我国第30次南极考察队员仍在与冰雪激战,进行着泰山站的建设工作。

据极地办介绍,泰山站预计将于今年2月完成主体建筑施工。届时,它将为中山站通往昆仑站、格罗夫山、埃默里冰架的科学考察提供中继支撑、应急保障和航空地面支撑,并同时开展大气、空间环境和地球物理等重要科研活动,成为我国东南极科考的又一支撑枢纽。

然而,如果时光倒流至上世纪80年代初,彼时,拥有世界1/4人口的中国尚无人踏足南极,作为联合国常任理事国,中国也是唯一一个在南极问题上没有发言权的国家。“中国为什么没有表决权?因为没有站呀!”提起往事,中国首位南极考察队队长郭琨曾潸然泪下。

正因为如此,1984年,中国首支南极考察队远赴南极,他们的使命是在南极洲的乔治王岛上建立中国第一个常年科学考察站——长城站。“由于这是中国考察队首次踏足南极,要在自然条件相对保险的地方建站,为了保证万无一失,长城站最终选在了距离南极圈还有4个纬度的亚南极地区。”刘小汉回忆说。他是中国首次南极考察的队员、担任过长城站建站的“螺丝”班班长,前后参加过7次极地考察。

尽管如此,长城站依然为中国打开了进入国际南极俱乐部的大门。1985年2月,随着长城站的落成,中国正式成为《南极条约》的协商国,从此在南极事务中获得了表决权;由此,中国南极考察快速向南极大陆更深处迈进。

1989年1月,我国南极大陆首个考察站中山站建成,拉开了中国进入南极冰盖考察的序幕。

1998年12月,我国科考队首次进军南极内陆,进行第一次格罗夫山考察,走出东南极大断面研究战略构想的第一步。

2009年1月,昆仑站建成,使我国成为世界上唯一在冰穹A建站的国家,完成了中国南极考察从南极大陆边缘向南极内陆扩展的历史性跨越。

随着泰山站的建成,我国在东南极的传统科研优势将继续得到巩固,也更方便开展在东南极格罗夫山哈丁山特别保护区的管理工作。

“‘十二五’到‘十三五’期间,我国计划在南极建立两个站。除了泰山站以外,未来在南极罗斯海地区的维多利亚地还将建设一个新站,此次30次队的任务之一就是勘探当地的地质条件。”中国极地中心主任杨惠根近期在接受《中国科学报》记者采访时表示。

据介绍,目前,该站相关的初步环境评估报告已经完成。该站规模将可与中山站媲美,站内将首次建设低温实验室。

创新为帆助航发展

1月7日,南极罗斯海地区。“雪龙号”顺利摆脱浮冰区后,奔向维多利亚地,开始进行未来第五个科考站的测绘任务。

2013年圣诞夜,“雪龙号”奔袭600海里搭救俄罗斯客轮,不幸被困冰层。在中国科考队国际救援行动赢得广泛赞誉的同时,我国科考船的破冰与救援能力也成为舆论焦点话题。

“很多公众产生误解,说‘雪龙号’是逞能。事实上,‘雪龙号’只是一艘拥有破冰能力的科考船,而不是专用破冰船。”曲探宙说,无论是施救还是脱困,这次行动确实暴露出我国科考船自身建设能力的局限。

30年来,我国极地科考经历了三代考察船。“向阳红10号”是一艘无任何破冰能力的普通船只;“极地号”考察船是一艘具有1A级抗冰能力的货船,为芬兰建造,从1986年开始共完成6次南极运输及考察任务;第三代考察船“雪龙号”为1993年乌克兰建造的一艘具有B1级破冰能力的破冰船,于1994年代替“极地号”服役至今,已先后21次赴南极、5次赴北极执行科学考察与补给运输任务。

为了提升“雪龙号”的性能,雪龙船的恢复性改造是我国‘十二五’期间极地科考能力建设的重要工作内容之一。“通过全部改换主机和动力系统,‘雪龙号’经历了‘换脑’大手术。现在的雪龙船拥有全新的‘大脑’和性状,各方面性能在国际上都比较先进。”杨惠根介绍,经过改造升级,这条船还可以再用20年。

他表示,我国同时正在准备建造新一代双向极地科考破冰船,破冰厚度可达1.5米。该船建成后将解决“雪龙号”难以兼顾实施南北极科学考察和后勤保障等矛盾,并与“雪龙号”组成极地科学考察破冰船队,提高我国极地海洋考察能力和极地考察运输保障能力。

南极内陆考察危险多、难度大、成本高,冰盖上暗藏的冰裂隙就像一道道“地狱之门”,随时可能吞噬考察队员的生命。因此,先进的技术装备尤为重要。然而,由于考察装备落后,加上内陆考察经验缺乏,1995年,我国尝试首次内陆之行的科考队员康建成等人曾被暴风雪困住三天三夜,留下的是尴尬的心跳。无独有偶。1998年,首次格罗夫山考察时,事先安排的两辆雪地车有一辆临时故障,担任队长的刘小汉不得不和科考队员冒着生命危险,孤军深入南极腹地。

迄今为止,刘小汉仍对首次中国南极考察队的科研装备记忆犹新。那时,他的装备只有地质学“老三样”——钉锤、罗盘、放大镜;研究大气物理的队友贺长明带了一个收音机模样的大气哨声接收仪,而其他队员几乎没有任何装备。

“现在,光在中山站,我们就有极光观测设备、高层大气电离层设备、高空哨声设备,潮汐观测设备、地球化学观测设备等世界一流的仪器装备,并且很多都是由国内自主研制的。”刘小汉对比说。

“那时候我们的雪地车只有3部,宁可丢人都不敢把车丢了,我们太穷了。”康建成回忆说。而今,中国南极科考雪地车已跻身全球第一方阵。“20多年来,我们的雪地车在中山站到格罗夫山、昆仑站的上千公里雪地上压出了一条一望无际的冰雪大道,队友们还给这条道路起了个名字——中华大道。”刘小汉说。

据极地办科技发展处处长王勇介绍,从1996年至今,我国以中山站为基地开始实施深入南极内陆和冰架区域的考察活动,逐步建立起一支具有相当规模的内陆考察车辆和辅助装备队伍。目前,我国南极考察已有11辆雪地车,50个雪橇,实际运输能力达到650吨,并将在近期购买固定翼飞机用于南极内陆考察队员和物资的运输和救援。

此外,近年来,我国的冰盖机器人、无人飞机和冰下机器人都在极地开展了一些试验性工作,并取得了一些突破。深冰钻、冰雷达和南极天文观测系统也都开始实地进行工作。

30年远征南极,这片冰雪大陆见证了我国仪器装备的创新与飞跃发展。

全球角逐中国挑战

南极西部,埃尔斯沃斯冰下高原。最近,英国科学家使用雷达和卫星数据发现一条比美国科罗拉多大峡谷更大的古冰川峡谷,深2.896千米、长299.3千米、最宽处达到24.1千米。研究人员表示,该峡谷可能会提供全球气候变暖条件下西南极洲大冰原变化的宝贵线索。

由于南极研究与全球变暖、环境保护、生命科学、地外天体等环境、资源、基础领域的科学问题息息相关,各国南极考察活动已呈现出风起云涌、千帆竞发之势。据统计,截至2013年,28个南极条约协商国在南极共建有82个常年站和夏季站。

同时,各国围绕南极大陆的博弈早已暗流涌动。1959年,12个国家在美国华盛顿签署了《南极条约》,宣布“冻结”对南极洲领土主权要求,使南极大陆成为各国进行科学考察的全球特区。

“随之,南极条约体系又提出特别管理区、科学特别保护区等设置要求,如果中国不主动,话语权又会被冻结。”中国极地中心副主任孙波对《中国科学报》记者说。现在,中国在成功申请格罗夫山科学特别保护区之后,又在昆仑站区域申报特别管理区。同样遭到国际上很多人的质疑,这些质疑的背后恰恰反映出国际社会对于中国在南极大陆的发展速度仍缺乏一个适应期和心理调整期。

同时,由于《南极条约》只是暂时冻结了各国的领土主权要求,附属于领土的诸如大陆架等方面的权利则没有界定。“近年来,在国家管辖范围外海域建立海洋保护区成为国际社会关注的一个热点领域,正在酝酿产生新的规则或海洋事务管理机制,这是我国应当积极参与和施加影响的领域。”曲探宙指出。

2013年,南极海洋生物资源养护委员会(CCAMLR)专门就南极海洋保护区问题展开讨论,但仍因各方在议事程序、区域面积等问题上存在争议而未能达成一致。而我国在设立海洋保护区的问题上始终保持一贯且明确的立场:中国重视南极生物资源的养护,主张建立海洋保护区应当符合南极海洋生物资源养护公约的相关规定,具备充足的科学依据,有明确的保护目标、合理的保护范围及适当的管理措施,保持资源养护与合理利用的平衡。同时,南极海洋保护区的建立应当合理规划、循序渐进,充分尊重有关各方的合理利益关切。

“我们将继续加强南极海洋的科学研究,并与有关各方保持密切沟通与合作,为共同实现养护南极海洋生物资源的目标而努力。”曲探宙说。

在这场全球南极博弈中,中国人坚守国家利益所依托的正是科学技术。“南极洲是主权没有归属的大陆,而现行的游戏规则是‘实际存在’的原则。即首先到达、开展实质性科学考察并取得实际成绩的国家,就对该地区具有优先话语权、发言权和潜在管辖权。”刘小汉说。

中国冶金地质总局副局长琚宜太在接受《中国科学报》记者采访时也表示,建站是一种存在,具有一定的显示度和象征意义,体现着一个国家的综合实力,“但当前南极最重要的还是科学研究”。

“现在我国南极研究的面有些太泛,就像撒胡椒面儿一样,各个单位都给撒一些钱,相反含金量较高、有望取得重大成果的项目得到的资助仍显不够。”刘小汉建议,今后在南极考察和研究事业的资源配置上应更突出针对性,要重点培养,同时应注重多学科联合培养,解决真正的南极大科学问题。

“当前,我国科研,包括南极科考都存在一个问题,就是没有显示度的事情大家不愿意去做,不能短期形成显示度的事情大家也不愿意去做。这样长久下去,就会导致科研基础不牢固。”琚宜太说。他曾两次担任中国南极科考队陨石猎人队队长,为我国带回2941块陨石,是目前国内找到南极陨石最多的科学家。

与此同时,孙波指出,工程技术也是制约中国南极科考的瓶颈之一。“南极工程技术讲透了就是两层意思:一是为南极独特环境需求发展工程技术,二是发展其他任何地方都可以应用的‘通吃型’技术。”

他举例说,美国一家公司在工程技术后勤保障上一年的投入就达5亿美元,英国在南极建立的超现代化考察站也是以未来在火星上建立考察站为出发点的。反观国内,很多人一直存在工程技术是“雕虫小技”的认识误区。

据了解,“十二五”期间,我国将筹建极地工程技术研发中心,与国内外核心工程研究类大学和工程技术研究机构建成技术研发联盟,推动极地产业发展,保障极地科学研究、环境监测和资源开发利用。

“面对新一轮南极资源与权益争夺,中国仍处于较为被动的地位。”曲探宙举例说,如我国极地考察和研究经费长期没有保障,极地科研队伍规模小且不稳定,缺乏宏观科学计划和长远目标、极地科研管理体制有待完善和深化等,这些因素都在一定程度上阻碍了我国南极科研迈向国际领先水平的步伐。

继往开来再续新篇

南极,冰穹A。目光再次移到这片南极内陆海拔最高的冰盖区域。未来,中国将在这里建立常年观测站,这是中国南极科考的新梦想。

“那里为科学研究提供了独特而宝贵的创新环境,深冰钻探、天文观测都是未来南极研究的潜在金牌领域。如果常年在那里开展科考工作,将有望取得巨大的科研成果。”曲探宙说。然而,低温、缺氧、能源、后勤供给都是待解的难题。

为了实现常年观测站的目标,目前,极地办已购置了大批冰上运输设备,建立了一个夏季用的永久建筑。同时,中国也开始准备购置用于冰盖运输的固定翼飞机,从中山站到昆仑站实现人员运输、能源运输。今年泰山站建成后,也为进驻昆仑站建立了补给基地和中转站。

“考虑到该地区的特殊性,考察站的建设甚至需要按月球地面站的要求进行规划、设计和建设。”杨惠根说。当前,南极科考队已经在考虑通过自动化和远程控制,实现自动观测。建设少人或无人值守的高科技智能型科考站也是中国极地科考的未来发展方向之一。

“这一方面,我国在冰雪面机器人、冰下机器人考察等方面均走在国际前列。”孙波说。中国还在国际上率先提出用空中、地面、水下多种机器人形成一支考察队伍的概念,相关研究目前也正在进行。

同时,除了科技支撑外,该地区建站也对人才队伍建设提出严格要求,就像深潜和航天一样,适宜常年驻扎冰穹A的考察队员要经过层层选拔和培训。在琚宜太看来,当前我国南极科考队伍的延续性不够,未来中国南极科考应该以更加开放的心态,建立开放有序的人才竞争平台,吸引更优秀的人才加入进来。“我们在冰雪覆盖的南极大陆的一小步,未来或许就是中国科学发展的一大步!”琚宜太说。

“30年前,那是一个英雄主义、为国争光的年代,我们不惜牺牲自己的生命;现在的南极考察多了一些理性与科学,更加强调科学数据的准确和逻辑的严谨,我们正向欧美发达国家靠近。”刘小汉说。

“30年来,中国南极科研在发展,别的国家也在发展。我们不要自己给自己设置障碍,而要再接再厉,再攀新高峰。”曲探宙说。

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