我国自主研发海洋生物地球化学传感器突破深海移动观测技术瓶颈

深海是地球系统的重要组成部分,也是全球碳循环与海洋生态过程的关键发生区。

溶解氧变化如何影响生物活动?

营养盐的输运与转化如何塑造海洋生产力格局?

污染物在深海环境中的迁移与累积有哪些规律?

这些科学问题不仅关系海洋生态系统稳定,也与气候变化评估、海洋灾害预警和资源环境治理密切相连。

然而,长期以来深海观测面临“看得见但看不全、看得全但看不久”的现实困境,制约了我国对深海过程的系统认识。

问题在于,深海移动观测难度大、成本高、技术门槛高。

传统观测更多依赖科考船分航次“跑点”采样,或在少量固定站位长期值守。

前者数据具有离散性,难以连续刻画快速变化过程;后者覆盖范围有限,难以反映大尺度海域的空间差异。

与此同时,国际海洋生物地球化学观测正加速向“多平台、长时序、高分辨率”迭代,以浮标、水下滑翔机等移动平台构建系统化观测网络,持续输出可比对、可追踪的数据产品。

对比之下,我国在关键原位传感器方面一度依赖进口,既增加了长期运行维护成本,也在设备供给、升级迭代与数据标准一致性方面存在制约。

造成上述局面的一个重要原因,是深海环境对传感器稳定性与可靠性提出极高要求:高压、低温、强腐蚀、弱光等条件叠加,会带来信号噪声增大、零点漂移、交叉干扰等问题;而多参数同步观测又容易出现光谱混叠、激发响应差异和算法解算不稳等挑战。

要实现长期、原位、连续的剖面观测,不仅要解决“测得准”,更要解决“测得久”“测得稳”“可校可控”。

这要求从干扰机理、硬件结构、标定体系和数据解析方法上形成系统突破。

针对这些瓶颈,中国科学院西安光机所吴国俊团队联合崂山实验室、国家海洋技术中心、厦门大学、自然资源部第二海洋研究所等单位开展协同攻关,在环境因素干扰机理及校正、传感器漂移自校准、多波段激发分类测量以及多组分混叠光谱解析等方面取得关键进展,研制形成“七型海洋生物地球化学原位传感器”。

该传感器可同步获取溶解氧、多环芳烃、叶绿素、硝酸盐等7项重要参数,为我国构建自主可控的深海生物地球化学观测能力提供了成套技术路径。

通过降低环境噪声影响、提升长期稳定性并强化多组分识别能力,观测数据的可靠性和可用性得到显著提升,为后续模型同化与趋势研判奠定了数据基础。

此次海试的意义在于实现了“传感器—平台—海域应用”的闭环验证。

相关传感器分别搭载国产“海燕”系列水下滑翔机与国产“HM 2000”系列Argo浮标开展试验:一方面,水下滑翔机在超过4000米深海实现对7类关键参数的长期、连续剖面观测,拓展了深海移动观测的覆盖深度与时间长度;另一方面,Argo浮标实现多种关键指标的长期原位剖面观测,标志着我国在面向大洋尺度的自动化观测能力上迈出实质步伐。

值得关注的是,海试结果显示相关数据精度达到国际主流产品水平,这意味着我国在该领域的技术竞争力与应用可靠性得到进一步验证。

从影响看,这一成果将为多项国家需求提供支撑:在气候变化研究方面,多参数长时序数据有助于提升对海洋碳汇、缺氧区演变以及生物泵效率等过程的认识,增强气候预测的不确定性约束;在海洋生态安全方面,可为赤潮等生态灾害风险评估、近海到深海污染物监测与溯源提供更连续的证据链;在海洋资源与工程应用方面,稳定的深海环境参数获取能力也将助力深海工程建设、海上活动安全保障与海洋空间精细化管理。

同时,关键装备国产化有利于降低长期运行成本,提高规模化布放与网络化运行的可持续性。

对策层面,推动深海观测能力由“单点突破”走向“体系建设”仍需持续发力。

其一,应加强传感器与平台的标准化接口与数据规范,提升跨平台数据可比性与共享效率;其二,完善长期海试与多海域验证机制,在不同水团结构、不同生物地球化学背景下检验可靠性;其三,围绕关键参数的标定、质控和数据产品化能力建设,形成从观测到应用的闭环链条;其四,推动与海洋数值模型、业务预报系统的融合,提升数据转化为决策支持的能力。

面向未来,深海观测的发展趋势将更强调网络化、智能化与高可靠运行。

随着国产传感器与国产平台的协同成熟,我国有望加快构建覆盖更广海域、更长时序的海洋生物地球化学观测网络,在关键区域形成常态化、连续化的深海数据供给能力。

通过持续迭代关键传感器、扩大规模化布放,并加强国际通行的数据标准对接,我国在深海环境变化监测、海洋生态风险防控以及全球海洋治理中的话语权与贡献度也将同步提升。

深海探索的每一寸进步,都映照着人类对未知的求索精神。

这项技术突破不仅实现了观测设备的国产化替代,更在深海这一战略新疆域插上了中国科技的旗帜。

当越来越多的自主研发设备潜入万米深渊,我们收获的不仅是科研数据,更是一个海洋强国走向深蓝的坚定足音。