除了这些条件艰苦、繁重的科考工作，

我们也能看到美丽的风景，

还有火热的生活。

格致校园第25期 | 2022年7月8日 北京

大家好！我是卫翀华，来自中科院声学所，今天给大家分享我与北冰洋的故事——《听见花开北冰洋》。因为我在北冰洋听到过冰下的声音，见过冰上的奇光异彩，在加克洋中脊也经历了“茉莉花开”。

提到北极地区，国防安全是一个绕不过去的话题。在冷战期间，美苏两国都在北冰洋冰下地区部署了很多核潜艇。因为北冰洋地区是部署核威慑力量的最佳海域——大部分的主要国家都分布在北半球，绝大多数的人口也在北半球。北极点距离北京和华盛顿都是5000多公里，距离莫斯科只有3000多公里。而从我国的西北某地到其他主要国家的首都则远了很多，到莫斯科5000多公里，到华盛顿13000公里。

冷战结束之后，北冰洋地区的重要性并没有降低。因为随着全球气候变暖导致的海冰减少，又对气候变暖形成了正反馈，这对整个全球的气候还有人类的未来形成了很大的影响。因此，北冰洋地区成为了我们不得不研究的区域。科学界正在面对着一个新的北极。

北极科考，要做什么？

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如果看地球仪，我们可以看到北极地区是大陆围绕着海洋，南极地区是海洋围绕着大陆。要研究海洋离不开声学，相比电磁波、光波，声学在水介质中衰减率是最小的，它可以在水下进行长距离的传输，在实验中有些声音甚至可以绕地球一周。地球一周是4万公里，可以想象它的传播的距离有多远。所以目前在水下，声音是可以利用的、也是比较方便的一种信息传播手段。

左：“蛟龙”号

中：“深海勇士”号右：“奋斗者”号

比如图上的这些国之重器：“蛟龙”号、“深海勇士”号、“奋斗者”号，上面都有很多声学装置。

“奋斗者”号上面就有很多声呐设备。什么是声呐设备？就是声音定位、导航和测距的缩写。在这个动图中，可以看到“奋斗者”号上有和水面进行通讯的水声通信机；探测海底地形地貌的高分辨率的测深侧扫声呐；防止和前面物体发生碰撞的避碰声呐；跟踪海底的声学的多普勒测速仪；还有为了保证它安全的超短基线定位声呐，可以在水面上对深潜器进行定位。

极地水声学研究的内容是噪声的特性、基线，整个海洋海域的声级，还有水下目标的探测、定位、导航还有通信方法。这就是为了国家航运、资源探索的需求，为海洋的勘探开发利用而做的准备。

上面这幅图就讲了在北冰洋底下布一个观测网，就可以用声学去监听冰发出的噪声，知道冰山有没有融化、有没有裂解，以及它的变化过程是什么样。包括对水下机器人的定位、导航，引导它走什么样的路线，去什么样的地方探索，都需要声学进行引导。

我国的极地水声学开始的比较晚，大概是在2014年的时候，李启虎院士把目光投向海洋领域的非传统安全，比如恐怖主义、航运过程中发生的安全事故等。所以当时李院士就建议我们去研究北冰洋及其毗邻地区的海洋环境效应。

2016年，我参加了中国的第7次北极科考，我的水声界同仁之后也分别参与了一些北极科考。2021年是第12次北极科考，我也参与到其中。

雪龙号

极地科考的时候，需要有破冰船的依托。早期的破冰船有很多，比如我国最早自己生产的“东方红”“向阳红”科考船。后来在1995年就买了“雪龙”船，“雪龙”船能破1.2米厚的冰、0.2米的雪。

雪龙2号

2018年，我国自行生产的“雪龙2”号下水了，然后就投入到南北极科考之中。目前“雪龙2”号是南北极科考的主力船只，大概能破除1.5米厚的冰层，0.2米的雪。

为什么要单独把雪的厚度介绍一下？实际上，极地地区的雪和我们平常见到的雪是不一样的，它非常硬。北极地区的冰，除了海水结冰以外，剩下的就是一层一层的雪压出来的。

这是破冰船破冰的动图。破冰有三种方式：一种是连续式，一种是冲撞式，还有一种是在冰特别厚的情况下叫摇摆式。大家知道什么是摇摆式吗？它和拔萝卜的情况很相似。破冰船通常连续破冰的时候，不是我们想象中把它撞碎的，其实是靠它艏部的特殊结构，通过船的重量将冰压碎。只有在冰比较厚的地方，它才会连续地冲撞。当船被卡住的时候，会将压载水舱从左边调到右边，从右边调到左边，这样反复地摇动，就像拔萝卜一样把它拔出来。

第12次北极科考：目标加克洋中脊

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1995年，我国第一次参与北极科考，就是因为有了这一次的科学考察，我国才在那一年参加了北冰洋理事会，成为第15个理事会成员国，并于1999年、2003年、2008年进行了3次北极科学考察。2004年，我国在斯瓦尔巴德群岛建立了第一个连续观测站——黄河站。2016年是第7次，主要开展的是物理、海洋、地质、化学、生物、气象、海冰等调查。

前11次的北极科学考察主要的区域是白令海峡、楚科奇海、楚科奇海台、东西伯利亚海、门捷列夫海岭、加拿大海盆等区域。这些区域大家平常可能很少关注，因为它们离我们太远了。

这是第12次北极科考的航迹图。我们从上海出发，一路向北，经过了对马海峡，就是朝鲜和日本中间的海峡。然后经过了日本海，在宗谷海峡向东走，进入到了鄂霍次克海。再往堪察加半岛的最南端前行，越过了堪察加半岛，进入了北太平洋。之后经过了阿留申群岛，进入了白令海。白令海峡很窄，最窄的地方只有几公里，我们的船就从正中间穿过去，进入到北极圈。北极圈正好在白令海峡附近，所以过了白令海峡就相当于进入到北极圈之中。然后就在楚科奇海台、东西伯利亚海等地方考察。

与前几次不一样，第12次北极科学考察还去了加克洋中脊，所以又叫做加克洋中脊深部探测计划。它的缩写是JASMInE，正好就是茉莉花的缩写。

JASMInE航次的主要科学目标有三个：探测极慢速扩张洋中脊的地壳结构，发现极端环境下的热液喷口，以及伴随而来的极端生态环境。

Schlindwein et al., 2007；Jokat et al., 2003

为什么要去这些地方探索？因为加克洋中脊是世界上扩张速率最慢的洋中脊。世界各国的科学家在各种扩张速率的洋中脊上都有所研究，唯独在加克洋中脊这块地方是一片空白，因为它以前完全是被冰覆盖的。

其他国家组织了5次地球物理航次，主要集中在东经90度以西的大西洋那一侧，东经90度以东完全是一个空白。

图上这个红点就是我们这次要去的区域——加克洋中脊，是在北纬85度，东经85度。而且这次探测是集大成的探测航次，前面的几个航次主要针对的是岩石学，而在这个航次中，岩石取样、多波束地形以及AUV（自治式潜水器）所有的这些手段我们都用上了。

另外一个就是要对北冰洋地区的热液异常进行探测。此前已经有四次在北冰洋的热液探测发现了大量的热液异常，但是只发现了一个热液喷口。热液喷口和海底成矿的关系很大，所以这也是一个研究重点。

以前中国人从来没有去过加克洋中脊。所以我们去之前做了很多设想：这块地方的气候是什么样？风速是什么样？为了探测计划的顺利开展，我们想了很多理想状态。比如风速不要超过7级、冰的覆盖最好是五六成，这样实验计划才能顺利地开展。

但是等我们到现场之后发现：这块地方的作业冰区的冰基本上都是在八成以上，50%以上是十成冰。什么是十成冰？就是目光所见全是冰。在以前历次的北极科学考察中，比如在楚科奇海一侧，要在低纬度找冰，然后在冰上开展实验。但是到了加克洋中脊的时候，我们发现已经不需要再找冰了，因为到处都是冰。而且每一块冰都特别厚，可以直接上去开展实验。而真正难的是去找冰间湖，去布放设备和水下机器人。

同时这块地方的气温特别低，是历次北极科考的最低温度，虽然只是零下9度不到零下10度，但是由于空气湿度大，所以它的体感温度会非常低。当时做实验的时候，我们将所有能穿的东西都穿上了，但是有时候还是觉得冷。

困难重重的实验过程

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抵达冰站后，第一件事情就是要把设备从船上吊下去，然后开始做实验。

这是我们声学的实验现场。左侧可以看到一个做实验打的冰洞，要布放设备。图上也是声学组所有成员。

说到冰洞，应该说第一个冰站上打的冰洞是12次北极科考中最难打的冰洞。这个视频是打冰洞的过程。为什么这个冰洞难打？因为在这个冰站上做的实验是要放一些具有特殊形状的物体，探测它在冰下回波的情况。这个冰钻的尺寸是25厘米，但我们的设备远远超过25厘米。所以我们设计准备要打4个冰洞，然后把这个东西放下去。

实际上在打的过程中，第一个冰洞很顺利，第二个冰洞就不顺利了，因为底下空了。空了之后，旋转的机器在底下会向一侧旋转。我们打完了四个之后，发现放不下去，只好继续打，最后一共打了7个冰洞。

此外，我们还用了手动的冰钻、锯子甚至还有我手里拿的笊篱将冰捞上来。因为不捞上来就看不到底下是什么情况。要一边打，一边将里面的水舀上来，所以很重。而且加克洋中脊附近属于北冰洋的核心区域，它的冰非常厚。当时我们打完之后，实测的冰大概是1.7米。在打的过程中要接杆，完全靠人力将冰洞里的水弄上来，所以很累。当时我们中间休息的时候，大家都瘫在地上，根本动也不想动了。

这是北冰洋多年冰的情况。它有什么特点？起伏比较平缓，但同时它在冰脊附近有剧烈的起伏。冰下的形态对声学的研究是很有意义的，因为它会给声学带来额外的反射和传播损失。

这次加克洋中脊深度探测用到的所有设备都是具有自主知识产权的国产设备，比如左边的震源系统，还有右边我手里捧着的声呐浮标。声呐浮标其实就是水下声音的接收装置，它在水下有水听器，布放的时候会自动展开到水下预设的深度，上面有无线电的发射装置，可以将实时接收到的数据传回到飞机上或者船上。这次我们就是在船上实时拿到了想要的冰下的数据。

震源系统主要是气枪，气枪是把空气在气室中加压，加到很高的压力。然后从气枪的两个枪口喷出来，相当于能量的剧烈释放。它可以模拟人工震源，也可以作为声学实验的声源来使用。

这是声呐浮标的投放情况，我们一共投放了120枚。其中108枚是有信号的，剩下的有12枚失效了。因为冰太厚，有可能就扔到冰上，然后冰把底下的电缆割断了，所以有12枚只有无线电信号，没有水声信号。

这是扔声呐浮标的视频。上面白色的是防冰罩，用来保护水面的气囊。气囊起漂浮和展开天线的作用。但是由于所在区域冰特别多，前面刚破开冰，后面的冰就围上来了。所以有时候就把声呐浮标挤到冰上去，无法接收信号了。

这是我们主要的科学装备，左侧是气枪，右侧是OBS，就是海底地震仪，上面有振速传感器和水听器。它可以接收天然地震或者人工震源模拟的地震，用来分析海底的情况。

OBS一共投了43枚，成功回收42枚，我非常有幸也参与到这个过程中。

左：短基线定位系统安装在雪龙2月池上

右：短基线定位结果

以前国外为什么没有在这片区域开展工作？因为虽然OBS的布放相对容易，我们用破冰船撞开一块冰，在船尾找一个小小的冰间湖，然后就能投放下去。但是回收却很麻烦。这次为了回收，在船上又装了短基线声学定位系统。短基线的声学定位系统通过接收OBS的应答器的信号，可以把OBS的上浮位置和上浮的过程定位出来，这样我们才能知道它在什么位置会浮出水面。

左：小的冰间湖或开放水域

右：完全冰覆盖的情况

在北冰洋地区，我们也设想了两种情况，一种情况就是平常的样子，OBS浮到水面上，这个就很容易了。我们可以大概知道它在哪浮出，上去回收就可以了。另外一种就比较麻烦了，如果OBS浮上来的时候，正好是冰怎么办？一是靠刚才的短基线定位系统，预测它有可能在什么地方浮到冰面下。另外，要在船上用声学设备进行测距。然后，利用“雪龙2”号船的自然口径，从船头船尾、左舷右舷对OBS进行定位，判断出它在雪龙船的什么位置、什么方向。比如船头多少度，船尾多少度，左舷还是右舷？根据定位出来的位置，用雪龙船去撞，把冰撞碎，使OBS和一些海底的设备浮到冰面上，这样我们就能看到它，才能回收。

这个视频就是我们当时是在船头拍摄的。雪龙船把冰撞开之后，它正好在船的旁边。这时绞车、吊车已经没办法用上了，而且为了安全也不能再动雪龙船。如果它往后一退，再往前一上，有可能这个设备就又被冰覆盖了。这个时候怎么办？只能人上，我们这些壮汉就都上去，把它拉上来、拖上来。所以有时候还是需要人力。

这是我们回收的第二台大地电磁仪（OBEM）。第一台大地电磁仪在回收的时候，一块冰一翻把电子舱剥离掉了。剥离掉之后，只回收上来了主体结构，但是最重要的数据在电子舱里面，我们想要的就是这些数据，但是只能眼睁睁地看着它被冰给剥掉了，非常可惜。这是第二台回收成功的场景，大家非常开心，一个个笑颜如花。这是紧张的工作之余的轻松时刻，是一张非常值得回忆的照片。

B0203浮标记录的水直达波，沉积层反射波和地壳折射波

这个是拿到数据之后分析出来的结果：一是沉积层的反射波，另外一个是地壳的折射波，还有水的直达波。利用这些可以去研究加克洋中脊的结构：它的沉积层大概是多厚，地壳的厚度是多少，以及地幔大概在什么位置。

C0115浮标记录的水直达波、沉积层反射波和地壳折射波

这是另外一个声呐浮标的数据，地壳折射波出现在9.5公里处。大概有108个数据需要分析，分析的工作还是比较繁重的。

加克洋中脊探测计划达到了我们想要达到的目的，证明了中国人有在高纬度、低温、高密度冰区开展深度探测的能力，也为全世界其他的北极科考队指明了方向。在我们之前，没有哪个国家在北冰洋冰下的海底布放OBS和OBEM，而且回收成功率还这么高。所以除了很多科学发现的意义，对于后续的北极科考也具有指导性的作用。

欣赏北极之美

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除了这些条件艰苦、繁重的科考工作，我们也能看到美丽的风景，还有火热的生活。

比如，我们有一个高纬度深海的传统节目——留个纪念给北极。这是在上船前我们研究所通过工会组织的一个活动。让很多小朋友在一次性泡沫杯上，画上自己想画的画，写上自己想写的祝福。在做实验的过程，把泡沫杯绑在采水器（CTD）上，在一些有意义的点放下去。这次很多有意义的点都是4000米的水深，利用4000米的水深把杯子压缩。

杯子被压得各种各样：有的压得非常漂亮，就是一个完整的杯子形状；有的有时候里面会有一点点空气，结果就会压出来奇形怪状。我们都认为空气是不耐压的，但是实际上到了杯子中，它还能承受得了4000米的压力，这是完全没有想到的。这张就是压出来的杯子，上面是一个小朋友写的“祝平安归来”，我觉得非常好。

左边是很多压出来的杯子，都非常好看。右边是我们在船上画的“雪龙2”号船的标志，也是送下去压的。

这是我们做实验的过程中，在冰下偶然碰到的一个冰洞中的生物。它叫醋栗水母，和热带海域的水母是不一样的。就在非常短的时间内，我们看到了它。

这是在第7次北极科学考察中看到的海洋生物。最上面丑陋而害羞的那个是魔鬼鱼。

在第7次考察中，我只看到了一头北极熊，当时我们觉得这全是气候变暖带来的影响。但是在第12次北极科学考察中我们看到了16头北极熊。

9月2日，极昼，我们已经完成了加克洋中脊计划，大家做完实验非常高兴、放松。结果这个时候就碰到一头北极熊，就在船的附近。所以我们就停下来美美地看了一下北极熊。在附近有一个海豹的洞，这头北极熊在守着洞等着它的美餐。

对于北极科考来说，这是非常难得的极光。极光是太阳风打到地球，和地球磁场、地球大气的相互作用，然后产生的现象。因为我们实验的过程是在极昼，只有到了极光带的附近，碰巧又有作业的内容，正好赶上9月份晚上晴朗的夜空，才有机会看到。

这是我们全体队员穿越北极圈的纪念。

以上就是我的北冰洋故事，谢谢大家!

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