1、未来海底居住条件的研究（插入照片）课题组组长： 课题组组员：高二（3）： 曹立 施天雨 苏展 陈小安 高二（9） 、 （10）：邓博翰 孟诗哲 杨卓 关键词：海洋区位、氧气供给、建筑房屋、衣食住行、生产、材料、潜水服研究背景：随着世界人口地不断增加，各种人类活动用地规模的不断扩大，人地矛盾正在成为一个日益严重的全球性问题。而探索人类新的居住空间也早已提上议程，并蓬勃发展着。飞速发展的科学理论和富有经验的实践方法，使得人的许多富有想象力的思维得以发展、付诸实施。当前，人探索的两个主要方向，一是向宇宙深处探寻合适的星球，二是在地球内开发未开发的空间。相较于前者的高费用、高技术要求、研究周期长、可行
2、性低的情况，第二种更富实用价值。而作为占地球表面 70%的海洋，则是最主要的研究对向。研究人类海底居住条件，既是人 对自然、地球的深层次探索，也是开发未知能源、 发现新物种、提出新课题的重要契机。对海底居住环境的有计划、有目的、科学的探究，必将成为高中生所关注的热点话题。研究方向：（主要要解决的问题）在海底生活，首先要了解海洋伸出的物理环境。海洋深度大约为几千米，各地不等，以太平洋为例，平均深度为 4570 英尺，这就意味着，在海底人要承受的 压强为陆地上的几百倍。这对人的潜水服和建筑的抗压性提出了苛刻的要求。氧气在深层海水种的溶解度并不能满足人类居住的需求，而大量氧气的来源及成本都是所要考虑
3、的问题。海底地壳运动比陆地上更频繁，环境不确定性更为明显：如岩浆的外泄引起周围海水温度急剧升高；海水的涌动的强大冲击力；地壳的撕裂；原始的海洋生态的脆弱；深埋的不明物质或燃料的流失外露，等等。解决了诸如此类的问题，只是给海底居住提供了最基础的保证。牵涉到人生活的衣食住行问题对海底居住的实现是决定性的。没有人愿意去生活得更加艰难，甚至连安全都没有保障的地方生活。如何建立海底生活体系，切实从“ 生存”层面提升到“生活 ”层面，是该课题的一个重点。课题探究1.寻找合适的海洋区位 寻找一片安静的海域作为定居点，是一切工作的开始。以下是关于海洋的基本资料：地球表面海洋面积为 36100 万平方公里，太平
4、洋 17968 万平方公里,相当于 10 个南美洲，18 个中国，占地球表面积 35.2%，超过 1/3,平均水深 4028 米，海水体积 72370 万立方公里；大西洋 9337 万平方公里，南北长 15742 公里，东西宽约 6852 公里，占世界海洋面积的 26%，平均水深 3627 米，海水体 积 3377 万立方公里；印度洋 7492 万平方公里，约占世界海洋面积 20%，平均水深 3897 米，海水体积 29195 万立方公里；北冰洋 1310 万平方公里面积最小。比南极洲 1400 万平方公里小 100 万平方公里。北冰洋最宽约 4233 公里，最窄处 1900 公里，平均水深
5、1296 米，海水体积 1698 万立方公里。洋流也是考虑海洋坏境的重要因素。在寒暖流交汇出深层海水大量上涌，固然促进物质交换，但同时又增加了不稳定性。有些地方受季风、信 风吹拂，也会发生这种情况。另外，还有些海域有极端状况。如尚无解 释的百慕大三角地区，挪威西北角定期的强烈漩涡，以及处于板块交接出的海洋，都不适宜人的居住。以太平洋为例，由于北部陆 地与海洋的比例高于南部，以及南极洲陆地冰盖的影响，北太平洋的水温高于南太平洋。赤道附近无风带 和变风带海水的含盐量低于信风带。对太平洋垂直海流影响最大的是南极大陆周围生成的冷水。极地周围密度大的海水下沉，然后向北蔓延构成太平洋大部分底层。深层冷水在
6、西太平洋以比较鲜明的洋流自南极洲附近向北流往日本。该深海主流的支流以携冷水流向东然后在两半球均流向极地。深海环流受邻近洋流会聚区表层海水下沉的影响。在太平洋热带会聚区分别在南北纬 35至 40之间，距赤道越 远海水下沉的深度越大，最重要的会聚区在南纬 55至 60之间。以上几处便不适宜居住。在环太平洋，存在着最大的地震带，也不符合要求。而 虽然大洋中心看似平静，实则波涛汹涌，而且定居花费的成本也会大幅度增大。总之，相比 较而言，选择离大 陆架较近的、海底 环境趋于平和的海底，是一般性规律。 类似于白令海峡的海底、麦哲 伦海峡海底，这种地方也许更便于定居。2.氧气的供给 人无时无刻不在呼吸，需要
7、氧气。如何解决氧气的供应， 课题组给出了如下方法：1.利用海水中溶解的氧气。在深层海水中，由于 压力足够大，氧气的溶解度比在海表要高很多。而海底一些剧烈的反应也将地球内部的氧元素释放出来。在海底居住的初期，人不算太多，这种方法也能满足日常生活的需要，不失为一种好方法。但这也会对海底的环境造成不可估量的影响，会严重影响援助居民的生存繁殖，因此有待商榷。2.将陆地上生产好的氧气运输到海底。这种方法简单实用。但运输量大，需要研究高负载的新型潜水机以延长运输周期，降低多次运输成本。在海底建立中转站，存放大量备用。该方法存在的环境问题是废弃物污染。 现在氧气的生产主要用钢瓶贮存，这些钢瓶到海底若不加以回
8、收利用，既是资源浪费，又是 污染隐患。当然可以另辟蹊径，仿照空中加油，形成对接端口，将氧气直接“压”进中转站。3.在海底建立自主的制氧车间。这是一种长期的战略。建立包括发电厂、化工厂、制造厂等等一体化的工业系统，是在海底定居的必由之路。海底 资源丰富，适度的开采与保护相结合，应该能满足正常的生活需求。现在制氧工业在飞速发展着。除了传统的液化大气再蒸馏的方法在海底不能被采用，其他方法都具有重要价值。由于海底有如可燃冰之类的能源，在制氧工业的基础上， 发展有机合成、氢气的制备等工业，增加附加价值，前景光明。4.建立输气管道及其他。管道运输作为新兴的运输路径，正发挥着越来越多的作用。建立直通海底和陆
9、地的管道，虽然投资大，但随着科技的进步，也不是没有实现的可能。而其他更富创建的想法， 则仁者见仁，智者见智了。在海底居住，会排放大量的废气。将 这些废物安全排放非常重要。我们可以建立专门的收集站，利用化学方法再次转化为氧气或其它的工业原料。说可以说是潜艇上废气处理的放大版，但却很有实用价值。3.关于海底建筑及建筑材料 在海底建造建筑，首先对建材是一个巨大的考验。在高达几百大气压的强大压力下，建材的抗压性面临严峻的考验。材料要有隔水、透气、导热等优良性质。材料的抗逆性必须十分强大，以适应海底多变的自然条件。新材料为这些创造了可能。新型建筑材料是区别于传统的砖瓦、灰砂石等建材的建筑材料新品种，包括
10、的品种和门类很多。从功能上分，有墙体材料、装饰材料、门窗材料、保温材料、防水材料、粘结和密封材料，以及与其配套的各种五金件、塑料件及各种 辅助材料等。从材质上分，不但有天然材料， 还有化学材料、金属材料、非金属材料等等。新型建材具有轻质、高强度、保温、节能、 节土、装饰等优良特性,举一例说明，一种最新研制的金属彩板装饰瓦，已广泛应用于工业与民用建筑坡屋面防水屋顶。 彩色涂层钢板是近年来迅速发展起来的一种以冷轧板为基板，在高速连续化机组上经化学预处理、初涂、精涂等工序处理后，使其具有良好的装饰性和抗腐蚀性，涂层附着力强。 这种金属彩板装饰瓦采用彩色涂层钢板一次冲压成型，是一种有望取代传统黏土瓦的
11、新型建材。这种金属彩板装饰瓦防腐、防晒、耐老化。选择这样的材料建造海底建筑，至关重要。 建筑格局是本节另一个重要话题。好的建筑造型有利于适应环境，削弱对材料的苛刻要求。本研究组为此做了如下实验。用四 层纸叠加在一起充当房屋材料，并固定再相同支架上，之后通过改变外形定性测量不同状态下对水的抗压性。水流强度通过深度和水流速度双向改变。经粗浅的试验，发现圆拱弧形并在表面拥有规则的凹凸的构型抗压性最强。通俗点讲， 这种造型类似于菠萝，和海 绵宝宝的住宅“异曲同工 ”。查阅资料后认为，这种造型充分利用水流本身缓冲分压，是各方向达到相对的共同稳定。之后被小组还做了一系列试验，发现当多个建筑以稍微相互倾斜，
12、并在中部流出空白的整体格局，貌似利于稳定。当然，其正确性有待考证。采用先 进的建筑方法。当前开发成功能明显提高建筑外墙美观、改善外墙整体观感的“无一 块非整砖饰 面” 的施工新技术。 这种技术是施工方根据施工图纸，在施工前通过技术人员精确计算建筑外墙贴面的施工面、门窗和其他不贴面的尺寸后，再根据设计要求使用的面砖规格， 对照贴面的施工面，精确计算排砖用量、门窗上下左右预留的位置和尺寸，然后技术人员应用“ 微机放样排砖”新技术，进行预留位置和尺寸的核实，达到无一块非整砖贴面的精确度，经建设、施工、监理和设计方协商进行施工图纸变更后，再按变更后图纸进行施工的过程。诸如此类的先进建筑方法，为建筑的建
13、成提供了保障。 4.关于人的衣服由于人的身体的承受力有限，在海底，人们必须 穿着特制的衣物。人 们必须与海水完全隔开,需要穿特质的潜水服。潜水衣最主要的功能是防止潜水时体温散失过快，造成失温。其次潜水衣还可以保护身体不被礁石割伤，以及水母海葵等生物性的伤害。潜水衣必须要合身，潜水衣与身体之间的海水和外界交换越少，潜水衣的保暖效果就越好。但当前，潜水 领域广泛使用的潜水服只能满足人们在一定范围内的深潜。相比较而言，海底人们的衣物会与航天服有相当的类似度。相比于潜水服，航天服具有更好的抗压性和隔绝外界坏境的能力。其材料的细密和贴合度也更高。当然，特制服装各有各的特色和要求，如若把多种材料特性相融合
14、，如消防服的绝热耐热，潜水服的贴身柔韧，航空服的抗辐射，等等巧妙结合，那么产生的结合品会给人以更多的期待。优秀的服装为人类在海底的活动开拓了空间，方便了出行，同时也是下章节问题讨论的基础。5.关于海底交通在海底，交通同 样是一个重要的问题。没有了自行车、 电动车、机动车，人真的只能步行吗？在海底巨大的阻力下，步行实在是最耗费体力的。一种解决的办法是用密闭的系统将居住群的所有地方囊括起来。这样人在内部生活会和人造生物圈差不多。暂且不说其能维持的时间，且说它的成本，足 够让人为之却步。大略的来算，每平方米的表面需要花 费的建筑成本会近万元。与其开发海底，倒不如作为经费开发新能源和空间充分的利用上。
15、应此，比较可行的方法是建立海底隧道。 这一技术 已被广泛运用于跨海交通线的建造，大规模推广至海底应该不难，况且很多地方都有了先例。与之相适 应，人居住群要相对集中，形成几个堡垒式的生活基地，这样能充分发掘隧道的优势。当然，作为私人的交通工具，新研制私人用、排量小、体积小、机动性大的潜水机，同样极有创建。在凡尔纳小说中， 鹦鹉螺好已经为人类树立了标榜，更 别说现今的科技水平了！总之一句话，在海底，交通不会成为限制人类发展的障碍！6.关于海底生活系统和居住群 以上已经将人类定居海底的基础性问题做了比较完备的解答，现在将生存变为生活正式上路。首先是 农业生产。一，研究本身可以再海底环境种生存、并适合
16、食用的植物。海底有很多原住居民，在这些植物中，探 寻是否有人能食用或间接食用的品种；如果暂时没有，可利用先进的转基因技术，将海底作物适宜生存、抗逆性极 强的特性与平时食用的水稻、小麦、玉米中需要表达的基因进行重组，并 进行种植。二，对有些无法在海底直接生存的作物建立专门的种植房，利用数控技术营造与地表相近的环境。同时，进行专业化生产，保证居住群 间的相互协调。再而是工 业。在文章前半段已经有了一定的阐释，在此不再加以赘述。 归根结底，有如下方针：1、不破坏生态；2、充分合理利用海底独特的自然 资源；3、自给自足，不给地表添麻烦。唯一值得再提的是，海底工业工艺的改进。举例说明，在地球表面，工业产
17、房由于与大气可直接相通，可不 许太过考虑压强的影响。海底则不同，气体的压强无法快速自我调节，因此控制工业进程，保 证工业生产的安全给工艺提出了新要求。最后是服 务业。人不能满足于基本的生存资料，会向多领域寻求全面发展。因此，在海底建立学校、游乐场、餐饮机构等等，将海底居住群的功能丰富到与地表相同的程度，是海底居住环境研究工作的最终目标。研究总结未来海底居住环境的研究是一个长期的过程，中间机会有新发现，也会有挑战。通过这次研究，初步认识了海底居住的现状、可以运用的技术等等。但 这项研究任重道远，还需继续努力。本文资料来源：无机化学下 高等教育出版社百科全书Http:/www.Http:/www.Http:/www.Http:/www.Http:/www.以及相关的课题研究成果等。
