自然科学基础知识,第四章空间技术与海洋技术

第四章空间技术与海洋技术

第一节空间技术的发展概况

一、空间技术和外层空间

空间技术是探索、开发和利用外层空间的技术，也叫航天技术。

人类的活动范围，经历了从陆地到海洋，从海洋到大气层，现在又从气层扩展到外层空间。

人们把陆地称为人类生存的第一环境，海洋为第二环境，大气层为第三环境。1981年在罗马召开的国际宇航联合会第32届大会，把外层空间称为是人类的第四环境，发出和平开发第四环境的号召。见图

外层空间和大气层的分界线目前还尚无确切的定义，即使在距地表数千千米的高度上仍有极少量的气体存在。联合国外层空间法律委员会曾多次讨论过外层空间的定义和定界，但由于它不仅是一个科学技术上的问题，还涉及到世界各国的权益，故至今仍未得出明确的结论。

现在把地表100-120km以上的空间就称为外层空间。

按引力作用的范围划分，外层空间又可分为地球引力作用区、太阳引力作用区、银河系引力作用区和河外星系引力作用区等。但是在相当长一段时间内，人类主要还是在太阳系以内从事航天活动。人类进人外层空间，需要闯过四大难关。

第一，要克服地球引力。地球的引力在160km的高度只减小1%，到2700km的高度才减小一半。

第二，要克服真空。在地表每立方厘米的空气中约含有2.4x1017个分子，在200km的高空，大气压力和密度只有海平面的10-9数量级。在行星际空间，每一立方厘米空间中约只含有100个空气分子。

第三，要适应剧烈变化的温度环境。在地球上最热的地方为50℃左右，最冷的地方不过一800C。而在空间，离地球不远处，向阳面的温度高达200cC，背阳面则冷到一2,00l.o

第四，要防止有害辐射，即粒子辐射。其来源有太阳的电磁辐射、地球的辐射带、太阳宇宙线和银河宇宙线等。

为了进人外层空间，世界各国都抢先发展空间技术。40多年来，空间技术的重大成就，向人类显示了其重要作用及强大的生命力。

二、空间技术的特点及其意义

人类为什么要闯过种种难关进人第四环境？因为开发外层空间的意义重大，影响十分深远。

空间技术与其他技术相比有两大方面的特点。

第一、空间技术是高度的综合性科学技术。

空间技术是现代高新技术，它是很多现代科学和技术新成就的集成，其中包括了电子技术、自动化技术、遥感技术、计算机技术、通信技术、新材料技术等，空间技术缺少以上哪一门学科都不行。所以空间技术的发展，体现了一个国家的综合国力和现代科技水平。

第二、空间技术是一门对国家的现代化建设和社会进步具有宏观推动作用的科学技术。它可以使一个国家在外层空间的开发和激烈竞争中处于领先地位，并可以为经济、科技、社会的各个领域的现代化提供有力工具，创造出传统技术无法达到的经济和社会效益。

外层空间蕴含着巨大的资源，可以概括为以下五点。

(1)空间的高远位置资源

俗话说站得高看得远，视野广获得的信息多。地球上最高的山脉是喜马拉雅山，但站在这样的地球之巅上，可观察到的地表面积仅为地球表面积l的0.07%。

地球“地轨道卫星离”““200km,“这样的人造卫趾观察地球，可以看到地球表面积15.2%,

地球静止轨道卫星离地面35786km，它观察到地球表面的面积占地球表面积的42.4%，所以只要三个地球静止轨道卫星，就可以覆盖全部地球表面，时时刻刻都能注视地球上任何一个地方的行动和变化，见图（自画）

（2）空间的高真空和超洁净环境资源

高真空是人类进人外层空间可以利用的可贵资源。在外层空间利用航天器上设置的天文仪器进行天文观测，由于摆脱了大气的影响，所拍摄的天体图像完整、精确、清晰、无畸变。在外层空间航行，由于无空气阻力，可以大大节省能源，并为探索行星、恒星和宇宙的起源提供了可能。

在外层空间没有污染，高真空和超洁净的环境为制备高纯度的物质，以及高质量的冶炼、焊接和分离提供了理想的条件。

(3）航天器内部的微重力环境资源

在航天器内部的失重状态下，可以进行太空无容器熔炼。可以熔炼出在地面上很难熔炼出的某些金属氧化物，可以得到均匀度极高的合金，可以制造理想的球状空心钢球、极薄的薄膜、金属带、极细的金属丝等。

在航天器内可以进行生物和生命科学研究，可以研究失重状态下人体的变化和生存能力，可以提纯药物，提取疫苗。在失重状态下制药成本低，纯度好，效率高。

在太空还可以建立农场，进行太空育种和动物饲养。

(4）空间太阳能资源

地球上的能量主要来自太阳，太阳以辐射的方式向地球输送太阳能。但传输过程中受大气层、天气和昼夜的影响很大。在外层空间就不一样，那儿没有厚厚的大气层，可用的太阳能丰富充足，利用率高，在那儿可以建立大型的太阳能发电站。

(5)月球资源

月球是地球的卫星，与其他天体相比，月球离地球最近。月球上物质资源丰富，环境纯净没有污染，没有大气层。月球是进行科学研究、观察、实验的理想场所。探索月球的起源和演变，对认识地球及生命、物种可提供重要线索。在月球上建立航天基地可以观测宇宙，可进行生命科学研究（见图3)

第四章资料\日本披露探月计划：2030年建成月球基地（图_休--想.htm

发展空间技术，开发外层空间的巨大资源，在经济上、军事上、科学上和政治上都具有重大的意义。

在军事方面，几十年来空间技术的发展说明，哪一个国家占有太空优势，它就具有军事的战略优势。

在经济方面，空间技术的开发和应用，可以产生很高的经济效益和社会效益。根据一些国家多年的统计分析，普遍认为在空间开发上的投资效益之比可达1:10以上。

在政治方面，空间技术对提高国家的综合国力影响深远。如果一个国家具有空间优势，那么她在国际活动中的地位就明显提高，在讨论国际重大问题时，就有发言权和参与权。

在科学方面，空间技术的发展推动了现代多种学科的发展。它带动了电子技术、自动化技术、遥感技术、生物技术等许多学科的发展，并形成了卫星气象学、卫星海洋学、卫星测地学、卫星通信学、空间生物学、空间材料工艺学等一群新的边缘学科。空间技术的发展对基础学科也有很大的影响，通过太空活动，人们对宇宙的形成、人类的起源将会有重大发现，对推动生命科学、宇宙学的研究有着重要的作用。

由于发展空间技术的意义重大，因而引起了世界许多国家的高度重视，现在参与开发空间技术的国家已多达60多个，应用空间技术的国家则遍及全球。

三、世界空间技术发展概况

1957年，前苏联将第一颗人造地球卫星送入轨道。

1961年，前苏联载人飞船发射成功。

1969年，美国“阿波罗”飞船载人登月。

1971年，前苏联将“礼炮一号”空间站送上太空近地轨道。

1981年，美国首次发射“哥伦比亚号”航天飞机（见图4b).

1990年，美国哈勃天文望远镜和X一射线天文观测卫星进入预定轨道。

1997年，美国太空总署的一遥控探测车在火星表面登陆。

以上航天科学技术中的重大事件，标志着自20世纪50年代以来开创和发展空间科学技术的重大成功。空间科学技术已成为20世纪中最引人注目的领域之一。

现在进人地球外层空间的航天器已有6000多颗，其中绝大多数是前苏联和美国发射的。此外，欧盟、中国、日本、加拿大、印度等国也发射了自己的航天器，并在空间技术领域具有一定规模。

近50年来，空间技术的发展和取得的巨大成就主要体现在以下四个方面。

(1)运载工具

人类探索和开发外层空间，首先要做的就是使航天器具有足够大的动能，以克服地球引力所做的功，然后进人空间轨道，这样才能实现预定目标的航天活动。

理论计算表明，当航天器达到7.9km／二第一宇宙速度时，它可以围绕地球运转，成为地球的卫星。当达到11.2km/s第二宇宙速度时，航天器就可以离开地球飞向太阳系的其他行星或围绕太阳运转。当速度达到16.7km/s，即第三宇宙速度时，航天器就可以飞出太阳系进人银河系。把航天器送上天，使它具有一定的飞行速度，靠的是运载工具。

目前，运载航天器的工具主要是火箭。在运载工具研制方面最发达的国家是前苏联、美国、法国、中国、日本、印度、英国和欧空局。前苏联的质子号、美国的大力神、法国的阿丽亚娜、中国的长征、日本的H-2等火箭是国际上有代表性的几种火箭，它们都能把4吨以上的卫星送到36000km高空的地球同步轨道（见图5)。

用火箭作运载工具，一般情况下将航天器送人空间轨道后火箭就报废了，不回收是为了降低运载工具的成本。美国首先试验了航天飞机，利用航天飞机可以实现完成空间飞行任务后飞回来，经过检修，下次执行任务再飞。美国的航天飞机有效负载为30吨重，并可载七名宇航员，其飞行高度在200-400km，可将载人飞船送上近地空间。前苏联也曾发展过无人航天飞机。使用航天飞机可以发射卫星，可对卫星实施天上维修，可以回收发生故障或失效的卫星，可在太空失重和真空环境中进行科学实验活动。目前用航天飞机作运载工具成本还很高，主要是每次飞回来后维护和修理的费用高。所以，火箭仍是发射航天器的主要运载工具。

为了寻求经济的有效的往返于天地之间的运载系统，以取代昂贵的运载火箭和航天飞机，有的国家正在研制空天飞机。空天飞机可以在跑道上起飞，它的发动机系统由涡轮喷气发动机、亚音速燃烧冲压发动机、超音速冲压发动机和火箭发动机组合而成。它以液氢为燃料，在大气中飞行时吸介空气作氧化剂，飞出大气层时以机载液氧为氧化剂。空天飞机使用方便，维修简单，它将会成为21世纪的主要运载工具。

(2）人造地球卫星

近50年来全世界发射的人造卫星已有600(〕多颗。人造卫星在太空中飞行占有高远的位置优势，能对地球进行大面积的覆盖。利用人造卫星可进行远距离通信，资源勘察，全球天气预报，导航，定位等。所以人造地球卫星是空间技术应用的最大领域。

按用途不同，人造地球卫星主要可分为通信广播卫星、资源卫星、气象卫星、导航定位卫星、军事侦察卫星等数种。

通信广播卫星是人类生活中应用最广泛、作用最直接的人造卫星之一，它们主要用作空间无线电中继站。它们将接收到的微波信号加以放大、变频，再经过功率放大后进行转发，以实现卫星通信和广播。卫星通信已成为现代信息传输的一种有效手段（见图)

通信卫星按运行轨道可分为静止轨道通信卫星和低轨道通信卫星。

静止轨道是距地面约35800km、运行周期与地球自转周期相同的轨道。

对静止轨道上的卫星，地面用户只要使用简单的定点指向天线就可进行通信业务。

静止轨道通信卫星可实现远距离、大范围、甚至全球的实时通信。1964年8月美国发射了世界上第一颗地球静止轨道通信卫星，当年它就被用来向北美洲和欧洲实时转发在日本东京举行的奥运会盛况。现在基于静止轨道卫星系统，已形成最大的国际通信网络，参加国际通信卫星组织的成员国或组织已有140多个。

使用静止轨道卫星，通信距离远、电磁波弱是一个大缺点，于是近年来又出现了低轨道通信卫星，其优点是通信距离缩短，电磁波场强增加，设备可小型化。但要采用由众多卫星组成的均匀分布的复杂星座，才能省掉复杂的跟踪设备以保持连续通信。

从人造卫星上观察地面，视野广阔，连续持久，无须动力。为了观察到全球每个角度，资源卫星大多采用极轨道，为了提高观察地面目标的分辨率，轨道高度取160-200km之间。资源卫星采用多光谱的遥感技术，利用可见光、红外或微波辐射摄取图像。资源卫星可提供地质、矿产、海洋、渔业、人口、森林、生态等大量信息（见图12一7)，从而为人类对地球资源的勘探、开发和管理，自然灾害的预防和监控提供非常有效的手段，产生极大的社会和经济效益。

现在国际上发展的气象卫星有两种，一种是极地轨道气象卫星，它可以飞经地球所有地区，提供长期天气预报资料。另一种是静止轨道气象卫星，它可以实时连续观察本地区的云层分布和变化。布置三颗相距地心夹

角120“的静止气象卫星，就可以实时连续现察整个地球表面。将极轨道和静止轨道这两种卫星配合起来使用，可提供全球的天气预报。

气象卫星具有很高的社会效益，它不仅采集气象

数据，同时也用于水文、海洋、环境污染、地震和森林火灾数据的采集。

典型的导航定位卫星系统是美国的GPS，它由18-24颗卫星组成，分布在6个圆形轨道面上，离地面的高度约20000km。利用其中任意4颗卫星与待测目标的距离差，就可精确地对目标定位，精度达10米以内（见图12一8)。导航定位卫星系统已广泛应用于陆海空交通、工农业建设、城市规划、地形测绘等。利用它还可迅速救援遇难的飞机、舰船和野外工作者。

军事侦察卫星在人造卫星中占的比重最大，约占应用卫星的70%。军事侦察卫星可分照相侦察、电子侦察和导弹预警三种。

照相侦察卫星装有广角全景扫描照相机，采用数字无线电信号向地面接收站实时传送图像。前苏联和美国的侦察卫星都有很高的分辨率，分辨率可达到1米以内。

电子侦察卫星截听地面的微波通信、普通长途电话、无线电联系和导弹试验时发出的遥测信号，并发回地面中心站进行分析，从这些信息中提取敌方军事情报或台站位置。

导弹预警卫星系统主要是通过探测导弹在主动段工作时喷射火焰中的红外辐射，来判断敌方是否发射导弹，并给出红外源的位置、移动方向及轨道，能一直跟踪从导弹点火开始到导弹关机所持续的约5分钟时间，并在3-4分钟内将导弹大致发射地点和估计攻击的区域告知防空部队，以争取组织反击的时间。

军事卫星的作用在海湾战争、伊拉克战争中已有充分体现。

(3)载人航天

载人航天是航天技术发展的一个新阶段。

1961年4月12日，前苏联宇航员加加林驾驶东方1号载人飞船，绕地球1圈后安全返回地面，完成了有史以来人类首次太空飞行。

1969年7月20日，美国宇航员阿姆斯特朗和奥尔德林驾驶阿波罗11号飞船的登月舱，成功降落在月球月面上，这是人类走向宇宙的伟大奇迹。

当阿姆斯特朗在月面上迈出划时代的第一步时，他感叹地说：“对一个人来说，这是一小步。对人类来说，这是巨大的一步。”载人飞船又称宇宙飞船，它可以载人独立进行航天活动，也可以作为“渡船”往返于地面和空间站。载人飞船容积小，所载消耗性物质数量有限，所以运行时间有限。为了扩大研究规模，进一步开发和利用空间，前苏联和美国先后研制了空间站和航天飞机。

空间站又称航天站或轨道站，它是一种可供多名航天员长期居住和工作的载人航天器。在空间站这个空间基地中，可进行科学实验和生产新材料，可组装航天器，利用它可对其他卫星进行维修和补给，并可作为高轨道、

月球和行星际任务的中转站。空间站的物质和人员补充可由航天飞机定期运送。

人们把由美国“自由号”空间站和俄罗斯“和平2号”空间站结合而成的大型载人空间站，称为全球空间站，它总重415吨，主析架长88米，太阳能电池阵宽110米，可提供110千瓦电力，能居住6名航天员。

(4)深空探索

到新的天体去开拓，这是人类面临的一次更大的挑战。

空间探测器，是对月球和月球以外的天体和空间进行探测的无人航天器。

利用空间探测器进行深空探索，基本次序是先从月球开始，接着是太阳和太阳系中的各个行星及其卫星，最后是飞出太阳系，深人到遥远的恒星空间。

20世纪60年代以来，人类利用空间探测器获取了月球背面地形地貌图（见图)，俯视了太阳的南北极区，新近考察了水、火、金、木、土、天王和海王共7个大行星及其卫星。无人实验装置已在火星表面着落（见图)，并落向金星和木星的大气深处，行星际飞船还飞掠并就近探测了小行星和彗星。

深空探索活动对开发空间资源、发展空间产业，对推动科学技术的进步，对了解宇宙、银河系、太阳系、地球和月球的起源与演变，对认识生命的起源与进化，将会产生不可估量的深远影响。

50年来世界空间技术发展迅速，成就巨大，实际应用越来越广泛，甚至已深人到每个家庭、每个人的生活中。

展望未来，在21世纪中空间技术将会有重大突破和发展。但开发空间资源，向无限的空间进军，无论规模与技术，或者投资与经济等因素，都不是一个国家所能独立完成的，它需要广泛开展国际合作，制定统一的科技政策，共享空间资源。由于各国的情况不同，利益不尽一致，这种合作不可能是全面的，将出现既合作又竞争，竞争中有合作，但竞争仍很激烈。

四、我国空间技术的主要成就及展望

中国是古代火箭的故乡，在宋朝就制成了用火药推进的世界上最早的火箭。

20世纪50年代末期，我国开始研究航天技术，1958年5月17日毛泽东主席发出“我们也要搞人造卫星”的号召。在党和政府高度重视和积极支持下，我国的航天技术从本国的国情出发，走具有中国特色的发展道路，坚持自力更生、艰苦奋斗，在底子薄、基础差的条件下，取得了举世瞩目的成就。

1965年我国开始研制第一颗人造卫、星（东方红1号）和长征一号运载火箭，并于1971）年4月24日一次发射成功。

东方红一号卫星在轨道上正常运行，向全球转播东方红乐曲，这标志着我国开始进人了宇宙空间（见图)。

60年代末我国开始研制回收卫星及其配套的长征二号火箭，并于1975年11月26日首次成功地发射了返回型遥感卫星。这颗卫星在轨道上正常运行了3天，并取得了珍贵的对地遥感资料，按预定计划返回地面，使中国成为世界上继美国、前苏联之后第三个掌握卫星返回技术和空间遥感技术的国家。我国的返回式卫星至今仍保持100％的回收成功率。

1981年9月20日，我国又首次成功地用1枚运载火箭把3颗卫星送人各自的运行轨道，是世界上继前苏联、美国和欧洲空间局之后掌握一箭多星技术的国家。

为了改善天气预报的状况，我国从80年代起，开展气象卫星的研制工作。1988年和199(）年用长征四号运载火箭分别成功地发射了两颗风云一号气象卫星。卫星飞行在900km的太阳同步轨道上，传送的云图和地物图像清晰，使用价值很大。

1994年4月，我国用长征三号甲火箭成功地发射了一颗空间探测卫星对太阳和空间环境进行探测。

1996年10月20日，中国科学院空间科学与应用总部将质量为91kg的试验装置搭载在当天发射的一颗科学探测和技术实验卫星上，完成了动物、植物、水生物、微生物及细胞组织等五个方面的33个生物样品的空间培养、

育种和机制研究。

自1985年我国政府宣布长征系列运载火箭投放国际市场以来，先后成功地发射了美国制造的亚洲一号通信卫星、巴基斯坦卫星、瑞典卫星、澳大利亚通信卫星等。

1999年11月20日我国载人航天工程第一次飞行试验成功，发射并回收了第一艘“神舟”号无人试验飞船，它标志着我国成为继美国、俄罗斯之后的第三太空大国。

截止2000年底，我国已经发射人造卫星75颗，其中我国自行研制的卫星47颗。

2001年1月10日凌晨，我国自行研制的“神舟二号”无人飞船在酒泉卫星发射中心（见图3)发射升空，向实现载人航天飞行又迈开了重要一步。我国宇航员登天已开始进人倒计时。2003年10月15日上午9时，我国自主研制的"神舟"五号载人飞船，在中国酒泉卫星发射中心用"长征二号F"运载火箭发射成功，将中国首位航天员送上太空，飞船准确进入预定轨道。这是我国进行的首次载人航天飞行，标志着中国载人航天工程取得历史性重大突破，中国已成为世界上第三个能够独立开展载人航天活动的国家。

第四章资料\[神州五号图片展]神舟五号载人飞船升天.htm2005年10月12日神州六号载人飞船胜利升空第四章资料\现场组图：费俊龙、聂海胜受命出征太空_TOM新闻.htm第四章资料\[组图]2005年10月12日，神舟六号900整发射成功_TOM新闻.htm40多年来，我国的航天技术走出了自己的路，并具

有以下3个显著特点：

(1)全部卫星、火箭和地面设备均是我国科技人员

研制出来的，是自力更生的产物。

(2)火箭和卫星成功率达90%以上。

(3)投资少、效益高，航天领域的投人产出比达1:70

我国航天事业的发展，正如邓小平同志所指出的那样：如果60年代，中国没有原子弹、氢弹，没有发射卫星，中国就不能叫有重要影响的大国之一，就没有现在这样的国际地位。这些反映了一个民族的能力，也是一个民族、一个国家兴旺发达的标志。

我国空间事业发展速度较快，进展显著，举世公认。但就总体而言，发展的规模较小，投资强度不足，卫星品种不多，发射数量少，还不能满足现代化建设的迫切需要。

开发空间资源，发展航天技术已列人我国2000年至2020年《国家中长期科学技术发展纲领》中。在21世纪中我国的空间技术将会有更令人瞩目的发展。

第二节海洋—人类未来的希望

一、人类和海洋

你见过海洋吗？她广阔无垠的疆域，风平浪静时的温柔，变幻莫测的惊涛巨浪，都会令你终生难忘（见图

12一27)。

海洋是地球上宽广连续的水域，总面积为3.61×1014m2，约占地球表面积的71%，平均深度为3795m。海洋的中心部分称为洋，它具有深渊而浩瀚的水域、独自的潮汐和洋流系统。世界上有四大洋，它们是太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋。其中太平洋最大最深，平均深度可达4028m。海洋的边缘部分叫海，海没有独自的潮汐和洋流系统。我国的领海有渤海、黄海、东海和南海。

海洋哺育了生命。

关于生命的起源假说很多，最有代表性的有“团聚体说”、“类蛋白微球体说”、“来自星际空间说”等，但每种假说都少不了水。“团聚体说”由前苏联学者奥巴林在20世纪20年代提出。他做过一个实验，把白明胶的水溶液和阿拉伯胶的水溶液混合在一起，结果发现这两种水溶液混合后变得浑浊了，生成了许多凝聚物，这些凝聚物具有某些类似于生长、合成、繁殖等生命现象的特征。奥巴林把多种复杂的有机分子发生凝聚作用而生成的凝聚物称作团聚体，后来发现蛋白质、核糖、多糖、磷脂等都可以形成团聚体，并且在现代深海的海水里也可以找到类似团聚体的东西。

20世纪50年代，美国学者福克斯提出了“类蛋白微球体说”。他们在真空的玻璃仪器中放入甲烷、氢、氨和水汽，混合成与地球原始大气相仿的气体，再模仿原始地球雷电交加的自然条件，对混合气体进行连续的火花放电。八天后，在原先无生命的玻璃仪器内生成了5种构成蛋白质的简单氨基酸，福克斯把它们称为类蛋白物质。把类蛋白物质溶解在热盐水中，冷却后可形成微小的类蛋白微球体，这些类蛋白微球体具有吞食、生长、生殖等现象。

在“团聚体说”和“类蛋白微球体说”的基础上，科学家们推测，生命的胚种产生于地球形成的初期。

早期的地球，大气中没有氧，不能形成臭氧层，强烈的紫外线对生命的胚种具有极大的杀伤力，剧烈变化的环境也不利于生命的成长。所幸的是生命的胚种（无论是生成于大气中或陆地上），最终都会随着雨水的冲刷汇入大海。由于海水对光线的吸收和散射，海洋几百米以下处就是一个黑暗的世界，在那儿没有烈日和干燥，没有严寒和酷暑，也没有狂风和暴雨。海洋为初期脆弱的生命提供了温暖、舒适、稳定的生成环境，它促进了生命的诞生，并为生物的进化提供了场所，所以海洋不愧为是生命的摇篮。

人类是生命演化的最高形态。今天人类虽不直接生活在海洋之中，但他的生存和发展仍和海洋息息相关。海洋为人类提供了巨量的生物资源、化学资源、矿物资源、空间资源和能源，并参与和调节了人类赖以生存的气候和环境。

当今，人类的生存和发展受到了有史以来从未有过的人口、资源和环境危机的冲击。在20世纪50年代时，世界人口为25亿；到了20世纪末，世界人口已达60亿，并继续以每年百分之一点几的速度增长。这样，到21世纪中叶时，世界人口大约会增至100亿。激增的人口，给人类社会带来巨大的压力。

人们需要食物，需要各种各样的消费，若无更新和循环，陆地上的资源将会面临枯竭和耗尽；若不注意可持续发展，人类的生存环境将会继续恶化。

为了缓解日益严重的人口、资源和环境危机的冲击，人类又把目光投向了海洋，那儿有食物，有空间，有资源，X儿将是人类拓展生存空间的主要场所。

1990年，第45届联合国大会作出了决议，号召各国尽快把开发和保护一海洋列为发展战略。1992年，世界环境与发展大会通过的《21世纪议程》，进一步突出了海洋对人类生存和可持续发展的巨大作用。1993年，第48届联合国大会又作出决议，要求各国加强海洋的综合管理。1994年11月16日，《联合国海洋法》正式生效。1994年，联合国第49届大会通过了确定1998年为国际海洋年的决议。

人类将重返海洋。21世纪将是海洋世纪，人类大规模开发和利用海洋的时代来到了。

二、海洋生物资源

海洋生物资源极其丰富，它是人类发展水产业的物质基础，也是人类食物的重要来源。今天，人类食用的蛋白质有30％左右是来自于海洋。海洋生物资源是天然水域中具有开发利用价值的经济动植物种类和数量的总称，也称渔业资源。

海洋生物有20多万种（17万余种动物，2.5万余种植物），主要的门类有鱼类、甲壳动物类、软体动物类、海兽类和藻类（见图12一28)。海洋鱼类约有2万多种，在寒带与亚寒带海区分布的主要经济鱼类有鯡,鳕,鲽、鲭等；在亚热带海区分布的主要经济鱼类有沙丁鱼、鳀和鮧；在热带海区分布的主要经济鱼类有金枪鱼等。甲壳动物类中主要的有虾和蟹两大类，大家熟悉的有对虾和梭子蟹。海洋软体动物类有6万余种，其中乌贼、鲍鱼、牡蛎、干贝是人们所熟悉的。海兽类又称海洋哺乳动物，有鲸鱼、海牛、海狮、海豹、儒艮等多种。生活在海洋中的藻类又叫海藻，主要有绿藻、褐藻、红藻等。海藻含有丰富的蛋白质、较多的多糖纤维素、少量的脂肪及多种矿物质。

现在，每年从海洋中获取的生物资源约有900(）万吨，仍远远满足不了人类对水产品日益增长的需要。由于现有的海洋捕捞能力已接近或超过传统渔业资源的再生能力，很难再有大幅度的增产，所以从20世纪60年代起，随着海洋高新捕捞技术、海洋增养殖技术、生物工程技术等的出现，人类开始从一个全新的角度来开发和利用潜力巨大的海洋生物资源，变传统、被动、掠夺性质的狩猎式渔业为积极、主动、养殖性质的农牧式渔业。于是出现了一个新的产业—耕海牧鱼，人们誉之为是一场“蓝色革命”。

耕海牧鱼主要采用海洋牧场化技术：先人工繁殖和培育鱼苗，待鱼苗健壮后再放养到海水中，让幼鱼摄食海水中的天然饲料发育生长。最后，科学合理地进行捕捞。

海洋牧场化要对环境进行有效的控制。要控制海水中营养盐的含量，要调节海水的温度，要减少水体中的有机质和致病菌，要用光导纤维将光传到海底增殖海藻，为幼鱼提供良好的生存环境。牧场中设置了大型沉浮式网箱或电极板以防止鱼外逃同时防止鱼的天敌入侵。有的牧场还使用音响来驯化鱼儿，利用鱼儿对不同波长的声波有不同的反应，每次给饲前先播放一种声音，然后再给饲，让鱼儿在人为的诱导下形成条件反射，以后只要播放这种声音，即使不给食，鱼儿也会汇集过来。海洋牧场化技术集电子技术、遥感技术、新材料技术、新能源技术等于一体，体现了现代高技术的综合性，它标志着人类开发海洋生物资源进人了一个崭新的阶段。

三、海洋矿产资源

说到海洋矿产资源，大家马上会想到海底石油。现在人类每年从海底获取的石油已占世界石油年产量的40%。海洋中大量繁殖的海藻、鱼类和其他浮游生物死亡后被河流带来的沉积物（这些沉积物长期积累后形成岩层）所淹埋，在海水和厚厚岩层的巨大压力下，由于缺氧，在厌气性细菌的作用下，海洋生物的遗体温度升高、慢慢分解，经过漫长的地质时期，这些生物遗体就逐渐变成了分散的石油和天然气。在压力的作用下，分散的石油和天然气逐渐汇集到砂岩中，如果砂岩的上层和下层都为页岩，页岩空隙小，能防止石油逃逸，这样结构的地层就成为储积石油的最佳地层。这样的地层受到挤压向上拱起，形成背斜构造时，由于天然气密度最小，处于背斜的顶部，石油处在中间，水则在下部，这样的背斜构造就成为储藏石油的天然的理想仓库（见图12一29)。在海底的盆地区域，往往就有这样的背斜构造。

探寻海底石油和天然气，一般要经过地质调查、地球物理勘探、钻探三个步骤。地质调查是在沿岸地质调查分析的基础上，用回声仪或航天拍摄的资料来研究海底地质、地形的特点。

地球物理勘探是在地质调查的基础上，使用重力、磁力、人工地震等方法，对可能形成储油构造的海区进行进一步的勘探。重力勘探是在海上测量各地的重力加速度，根据重力加速度的微小变化，来了解测区海底沉积岩的性质、厚度、和埋藏的深浅，以圈定石油的远景区。磁力勘探是通过在调查船或飞机的后面拖个磁力仪，测定海底各点磁性强弱的不同（因为海底沉积物的基底一般由含铁镍多的物质组成），了解海底的地质构造。

人工地震法是地球物理勘探的最基本最重要的方法。在海水中用炸药爆炸，或用压缩空气、电火花瞬时释放大量的能量，都能产生人工地震波。地震波在海底遇到不同的物质、不同的地层，会形成不同类型的反射波，这些反射波被接受器接受后输人电脑，就能绘出地质构造图。经过地球物理勘探，可进一步了解海底的储油点，但是否真有石油，还要取决于最后一步—钻探。分析钻探取得的岩芯，才可得出是否具有开采的价值。

人们最早开采海底石油时，是从岸上倾斜着向海底钻探，但这种方法只适合浅近海区。现在，人们已在海上建造大型的钻井平台（见图12一30)，把开采石油的范围扩大到了深海领域。

你听说过“可燃冰”吗？它是近年来在大陆架和深海盆地发现的一种新型矿产资源（见图12一31)。

“可燃冰”的学名叫天然气水合物，它的主要成分是甲烷与水分子（CH4H2O)，它是甲烷类天然气被包围进水分子中，在海底低温与压力下形成的一种类似冰的透明结晶。天然气有个特殊的性质，它和水可以在温度2-5℃内结晶，这就是“可燃冰”。有天然气的地方不一定都有“可燃冰”，因为形成“可燃冰”除了压力，主要还在于低温。1立方米的“可燃冰”释放的能量相当于164立方米的天然气。据估算，全球“可燃冰”的总能量是所有煤、石油、天然气总和的2至3倍，是海洋中未被开发的巨大能源。

深海锰结核是海洋又一重要的矿产资源。它主要分布在水深2000-6000m的海底表面，其形状各异，小的

如豌豆，大的似甜瓜（见图12一32)。锰结核表面颜色常呈黑色或深棕红色，它的成分以锰和铁的氧化物为主，并含有80多种其他的元素。目前锰结核的储

量约30000亿吨，并还在不断地生成，所以开发前景无可估量。

开采锰结核的技术有水力提升式和空气提升式两种。水力提升式通过由采矿管、浮筒、高压水泵和采矿装置

部分组成的系统实现。空气提升式是在船上装上高压气泵代替水泵，这种技术的优势是能在水深超过5000m的海区作业，日采能力在300吨以上。

海洋矿产资源如此丰富，在沙质海岸线和浅水域分布有钦铁矿、磁铁矿、金红石、错英石、金刚石、沙金、沙锡、石英沙等各种各样的滨海沙矿；在近海陆架底床的基岩中，蕴藏着煤、铁、铜、铝、锌、锡、钦、牡、稀土、黄金、金刚石等矿藏；在深海大洋中有多金属软泥……海底真是个聚宝盆。

四、海洋化学资源

海水中溶有极为丰富的化学物质，可提取的元素包括铀、氖、氖等80余种。海水中的化学元素都可以称为化学资源，尽管大部分元素在海水中的浓度很低，但它们的总量是巨大的。如金在海水中的总量超过500万吨，铀有45亿吨，澳有950000亿吨，镁有1800000(）亿吨。据计算，1000吨海水中，含有965吨淡水，23吨食盐，3吨氢氧化镁，4吨芒硝，0.5吨钾，65千克嗅,26千硼,170克铿,2克铀。

水是生命之源，是人类赖以生存和发展的基本条件。地球上的水约有1.42x101米3，其中海水占％.5%，人类真正可以利用的淡水只占0.1％不到。

不久以前，人们还以为淡水在自然界取之不尽，用之不竭。然而，工业化的蓬勃发展、人口的急剧增加、用水的大手大脚、环境的日益恶化，使淡水危机甚于粮食危机和石油危机。今天，解决淡水危机已提到人类的议事日程上来。在这种背景下，淡化海水对人们解决淡水问题具有重大的战略意义。

目前，淡化海水的方法已有几十种之多，其中最为主要的有蒸馏法、电渗析法和反渗透法等三种。

对蒸馏法大家都比较熟悉，这儿不作介绍。

电渗析法又称离子交换膜电渗析法。它是将特制的正离子交换膜（阳膜）与负离子交换膜（阴膜）交替排列，组成多个独立的隔室，当海水中的阴、阳离子分别透过阳膜和阴膜后，就会使一个隔室中的海水被淡化，相邻隔室的海水被浓缩，这样淡水和浓缩后的盐水得以分离。电渗析法不仅可以淡化海水，也可以处理污水，或对水质进行提纯。

反渗透法又叫超过滤法。它是使用一种只允许溶剂透过、不允许溶质透过的半透膜，将海水和淡水分隔开。在通常的情况下，是淡水通过半透膜扩散到海水一侧，使海水一侧液面升高，直至一定的高度才停止，这个过程称为渗透。此时，海水一侧高出的水柱的静压叫渗透压。如果在海水一侧施加一个大于渗透压的外压，那么海水中的纯水将会反渗透到淡水中，这就是反渗透法的原理（见图12一33)。反渗透法的显著优点是节能，它的能耗仅为电渗析法的二分之一，蒸馏法的四十分之一。

食盐是人类不可缺少的食品，一个健康的人每天摄人的盐分如果低于5克，就不能进行正常的血液循环和新陈代谢。盐还是现代化工工业的基本原料，被称作“化学工业之母”。

从海水中取盐，是许多国家用盐的基本来源。目前世界年产盐6000万吨，这只是2立方千米海水的含盐量，可以想像13.7亿立方千米的海水中，盐的蕴藏量是多么巨大。

传统的生产海盐的最基本方法是日晒法，现在新的工艺和技术有离子交换膜电渗析法制盐等。

制盐过程中形成的苦卤或沿海地下形成的高浓盐水统称为卤水。目前，从海水中提取钾、澳、镁等化学元素，实际上都是从浓化后的卤水中提取的，与此相关连的工业简称为卤水化工。

许多临海国家也都很重视海水的直接利用，目前主要是用来代替淡水做工业冷却水。

五、海洋空间资源

浩瀚的海洋空间资源正引起人类越来越大的兴趣。

人类利用海洋空间的历史已有数千年，以前对海洋空间的应用主要还是在交通运输上。因为在海洋上建筑工程比陆地上要困难得多，所以把海洋空间作为生活和生产的场所，在过去还仅是一种美好的愿望。20世纪60

年代后，由于海洋工程技术的提高，特别是建筑材料的不断改进，再由于城市化、工业化的迅速发展，导致陆上用地日趋紧张，所以人们更加重视对海洋空间的利用了。

对海洋空间的开发利用可分为生活和生产、交通运输、贮藏及倾废和海底军事基地等几个方面。在拓宽人类生活和生产空间方面，人们采取的措施有：在海上建设人工岛、海上城市和海上工厂等。

人工岛是陆上特殊行业用地向海洋的延伸，一般把用水量大、污染严重的行业都设在人工岛上。人工岛有浮动式、半潜式、固定式和软着底式等数种，按作用不同还可以分为石油人工岛、钢铁人工岛、旅游人工岛等。北冰洋石油钻探装置是世界上第一座海上浮动式人工岛，它高33.3米，重58500吨，岛上有一座五层楼的建筑，可供100多名工作人员生产、居住和生活。

我国在渤海湾建造了两个桩管式固定人工岛，用于石油的勘探和开发。

海上城市是指在海上建立的居住区，她具有现代化的城价功能和新的交通体系，是工业、商业、科研、居住、娱乐等人类活动的综合体。目前建造海上城市的方法有“浮动法”、“搭建柱子城法”和“移山填海法”等数种。80年代初，日本在神户市东南300(）米的浅海上，用“移山填海法”建造了一座当时世界上最大的海上城市。这座海上城市设有商店、学校、医院、邮局、博物馆、体育馆和公园等一批现代化的公共设施，拥有可供2万人居住的公寓和住宅。人们用15年的时间，削平了神户西侧六甲山系中的两座山峰，把8000万立方米的土石填进了海里。如果把这些土石铺成10米宽、0.2米厚的公路，它可以绕地球整整一周。这样的巨大工程，如果没有高新技术和现代化的大型作业机械的支撑，那是根本办不到的。

不少国家都在海上建造了各种旅游和娱乐设施，有海上宾馆、水下观光塔和海底公园。韩国在美丽的济洲岛边建造了一座独特的海上宾馆，外形为圆锥型，直径160米，水上高度120米，共有62层，水下部分为7层，房间有1200间。住在这个宾馆内，既可欣赏海上风光，又可观察水下生物，十分受欢迎。．

现在，海上工厂也渐渐增多。工程师和企业家们在大型浮体船上建造了水上移动工厂，有纸浆厂、化工厂、发电厂等。新加坡利用远洋货船改装成一个海上浮动奶牛场，饲养了6+”多头奶牛。海藻是牛的理想饲料，牛粪发醉生成的沼气用来发电，电力驱动海水淡化装置，生产的淡水供人兽饮用。

海上交通运输方面的开发主要包括海底隧道、海上机场和跨海大桥。

海上交通运输易受天气变化、港口布局、船舶速度的影响，远不如铁路快捷方便。如能开凿海底隧道，将大大方便货物运输，促进经济发展和料学文化的交流。建造海底隧道的方法有在海床上钻洞或在海底沉埋管道，但都工程巨大，需要相当的经济实力。目前全世界建成和计划建造的海底隧道共有20多条。连接英法的多佛尔海峡海底隧道（见图12一34),1987年全面动工，199(）年12月1日凿通，1994年5月正式通车，它全长53千米，其中有38千米的隧道是在海底岩层中通过。

日本青函隧道于1987年建成，总长53.85千米，其中有23千米在海底。日本到韩国的海底隧道全长250千米，于1985年开工。连接欧洲和非洲的直布罗陀海峡隧道全长47千米，海底部分长21千米。另外，连接亚洲和非洲的苏伊士运河隧道、连接亚欧的博斯普鲁斯海峡隧道都已建成。最近，人们正在酝酿建造连接亚洲和北美洲的白令海峡隧道，它全长有97千米。将来通过海底隧道就能贯通亚、欧、非、北美四大洲。

海上机场的用地成本相对较低，而且视野开阔，可以减少飞行事故的发生，同时可以减轻噪声、废气对城市的影响，所以很受青睐，不少著名的沿海大城市，都将建造海上机场（见图35)。跨海大桥的诞生是建桥史上的一个新里程碑（见图12一36)。目前世界上已建成很多跨海大桥，比较有名的有：土耳其境内的博斯普鲁斯海峡大桥，全长