NASA美國太空總署為何不但上天還要下海?

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海洋覆蓋了我們地球70%以上的表面,但80%以上的海洋至今仍未被人類探索過。實際上我們常說,人類對火星和月球表面的認識甚至遠過於我們對海洋深處的了解。

美國太空總署(NASA)現有一項深海探險計劃就是要彌補這一缺失,希望在地球海洋最深處的探索發現能幫助我們一窺外太空其他星球的海洋可能像什麼樣子,此外還可以嘗試在地球上最極端的自然環境中突破人類科技力量的極限。這次深海探索充滿奇蹟,也危機重重,因水壓巨大發生爆炸災難的風險不可說不小。

美國太空總署希望,在深海的探險發現將有助於解開一些外太空的秘密,同時也可以測試前往太陽系其他星球探險所需的一些設備和實驗。

地球海洋最深處與美國太空總署希望前往太陽系某些星球進行探索的環境有驚人的相似之處。地球海洋深處探險甚至可以提供線索,告知科學家應該在什麼地方尋找外星生命。

地球海洋最深區域以希臘神話中的地獄冥王哈迪斯(Hades)命名,稱為哈迪斯超深淵帶(Hadal zone)。這個超深淵帶的確像人類想象的地獄冥界,是地球上一個令人生畏的禁區。這裏由深不可測的海盆和海溝組成,最深處可至海洋洋面以下11公里。所佔的海牀面積總和相當於整個澳大利亞。迄今只有屈指可數的深海潛水器敢斗膽闖入這個黑暗的幽冥深淵。

正是在這個黑暗深淵帶,美國太空總署的科學家與麻省的伍茲霍爾海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institute, WHOI)合作,試圖探索和研究地球上生命的極限。甚至科學家探索超深淵帶所使用的術語也與太空探索相同,比如稱,海洋生物學家近年來已經將多個配備了傳感器和相機的「著陸器」( landers)送到了海洋深淵帶的「迫降地」(crash-land)進行測量。

深海熱泉噴口
在曾經被認為是沒有生命的深海熱泉噴口發現了豐富的生物(Credit: Science Photo Library)

位於南加州的美國太空總署噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory)的工程師們正在建造一種新型的自動深海探測機器人,用來測繪深淵帶以往無法抵達的最深處的海底地圖。

這個深海探測器命名為「俄耳甫斯」(Orpheus)號,俄耳甫斯是希臘神話中的一個英雄,神話傳說他曾往返於深淵中的陰曹地府。 俄耳甫斯號採用了類似美國太空總署「毅力號」火星探測器(Perseverance Mars Rover)的視覺導航技術,使用超高敏感度的相機來識別海底的岩層、貝殼和其他特徵,以繪製布滿地標,或換句話說應該叫海底標記的三維地圖。該技術不但能讓這位深海探測機器人自尋路徑,並能認出已經勘探過的地方,或許還可以有助於俄耳甫斯對生活在這種惡劣環境的生物形態有新的發現。

領導伍茲霍爾海洋研究所深海探索計劃的深海生物學家蒂姆·尚克(Tim Shank)說,「俄耳甫斯是一個嘗試,如果探測成功,海洋中就沒有人類不能到達的地方。」

這不是尚克首次嘗試深入超深淵帶的黑暗深處。2014年,俄耳甫斯號的前任涅魯斯號(Nereus,希臘神話中的海神)被送往新西蘭東北部的克馬德克海溝(Kermadec Trench)探測,但這艘潛水探測器下到水下10公里時發生爆炸,原因很可能是承受不了巨大的水壓。

尚克說,「12個小時後,我們看到涅魯斯變成了小碎片。」他補充說,涅魯斯號的失敗讓他們要重新思考探索深海區域的新辦法。經重新設計的深海探測器俄耳甫斯號大小和一輛四輪自行車差不多,重約250公斤,比以前所有的水下探測器都要輕小很多,而且造價較便宜。輕巧使俄耳甫斯號更為靈活,能夠進入以前從未被探測過的海牀深處的海溝和海底噴泉。

地球的歐羅巴衛星

海洋生物學家在很長一個時期認為超深淵帶不可能有生命,但在20世紀上半葉,深海潛水器開始冒險進入這一海域,才發現在這個原以為的生命禁區中生命是可能存在的。

當時的科學家仍然以為,海洋所有生物,無一例外都是由光合作用提供能量的食物鏈得以維持。海洋洋面的植物、藻類和一些海洋細菌將太陽的能量轉化為糖,儲存在它們的有機體中,然後被食草海洋動物吃掉,而食草動物又被食肉的海洋動物吃掉,形成海洋食物鏈。科學家們深信,生活在深海的生物是靠死去的生命有機物而延續生命,其賴以生存的有機物包括動物的屍體、糞便,以及從海洋上層落下來的「海洋雪」,即指深海中像雪花一樣不斷沉降的有機物碎屑。

當時的科學家認為海洋最深的區域沒有足夠的食物來維持任何海洋生物延續生命,而且也因太過黑暗和寒冷,生命根本無法存在。

但到1977年,一個美國研究小組將一個遠程遙控的阿爾文號(Alvin)潛水器下降到2440公尺深的太平洋海底時,人類對深海生命的認識才徹底大改觀。這艘潛水船的任務是拍攝這片海牀的熱泉圖像,因為海底火山活動,有不斷的熱量從海牀的火山口冒出。

科學家目瞪口呆地發現,在這個海底火山口周圍竟然有生機勃勃的生態系統,充滿了海洋生物,比如半透明的蝸牛和片腳類動物,以及以前從未見過的微小的跳蚤狀甲殼動物。

尚克說,「有了此發現,我們才發現了地球上一種全新的生命形態。這些深海動物不依靠陽光……而是以來自海底深處的化學物質為生。」

但科學家也感到很困惑,在深淵帶海底生活的物種如何能經受巨大的水壓而延續生命?

尚克說,在超深淵帶「水壓達到每平方英寸15000磅。此處壓力之大,可以把動物的每個細胞都擠壓出來。」

在1977年首次目睹此海底奇景後,科學家發現,生活在這種海底深度的生物因其細胞已能承受巨大水壓因而能夠存活。在超深淵帶生活的生物,如巨大的片腳甲殼類動物和獅子魚,體內有一種叫做壓溶酵素(piezolytes ,來自希臘語,壓力之意)的物質,可以阻止體內細胞膜和蛋白質在極高的壓力下被壓碎。壓溶酵素會增加蛋白質在細胞內的空間來對抗其周圍水的重量而抵消壓力。

尚克說,「這就像在帳篷中立樁柱一樣。」

發現在如此惡劣的環境有生物不僅能生存活下來,而且還能茁壯繁育,這給生物學家提出了一個重要的問題:在我們地球的領域之外,是否也能在其他星球的海洋世界發現這類生物。

在木星的衛星歐羅巴(Europa,也稱木衛二)冰凍外殼之下,是一個液態海洋,據認為深度在60到150公里之間,其含水量是地球上海洋含水總量的兩倍。陽光無法穿透木衛二厚厚的冰殼外層,冰層上有縱橫交錯的裂縫和斷痕。木衛二冰殼之下的壓力與地球海洋超深淵帶相當。

尚克說。「我們的地球也有自己的歐羅巴(即月球),除非先在地球上試行過,我不知道我們如何在地球的歐羅巴上進行探索。」

相信能夠探測地球海洋深淵帶的機器人也可以在6.283億公里外的冰凍月球(地球的歐羅巴)上做同樣的探測。

參與建造俄耳甫斯的美國太空總署噴氣推進實驗室的工程師羅素·史密斯(Russell Smith)說,「對我們來說,地球深海海底是我們開發技術、以成功地進入這些星球的海洋世界一個很好的試驗場所。」

然而,能夠在外太空或深海作業的機器人必須是完全自動。史密斯說,「機器人必須能夠做出決策。」他指出,俄耳甫斯的目標是能夠檢測和分類海水中的環境DNA和化學物質,並從海底取回樣本。

他說,為超深淵帶製造探測機器人是非常艱難的任務。

俄耳甫斯號必須承受巨大的水壓和極端的溫度,超深淵帶的水溫只略高於冰點,但在深海熱泉四周溫度則可以高達370攝氏度。

史密斯說,「開發一種能夠在海洋深淵中工作的機器人非常之困難。需要一種相當厚實的外殼來防止電子設備被壓碎或浸水。」俄耳甫斯外殼一部分由合成泡沫材料構成,這是一種由置於環氧樹脂中的微小玻璃球組成的浮力材料。俄耳甫斯使用的這種外殼泡沫為電影導演卡梅隆(James Cameron)的深海挑戰者號(Deepsea Challenger)製作的剩餘材料。卡梅隆曾在2012年乘深海挑戰者號下沉到西太平洋的馬里亞納海溝(Mariana Trench)的底部。

阿爾文號
阿爾文號深潛器1977年下潛到2440公尺深的海底,首次探測到海底熱泉區域有生物存在(Credit: Ralph White/Getty Images)

由於深海一片漆黑,俄耳甫斯配備了一個巨大的射燈。但是如果射燈一直打開不關,就會很快耗盡機器人的電池,讓機器人困在海洋深淵中動彈不得。史密斯說,為了省電,俄耳甫斯號在不拍照或採樣的時候會切換到低功耗模式。

月球探險

2017年,美國太空總署啟動了水下生物地球化學科學和勘探模擬系統計劃(Systematic Underwater Biogeochemical Science and Exploration Analog, Subsea),將太空和海洋勘探領域結合一體研究探索。到目前為止,這個計劃已經完成了兩項使用遠程遙控操作的潛水器到太平洋海底探測熱泉噴口的任務。

科學家認為 ,夏威夷海岸大約30公里外的羅希海底火山(Lō`ihi),以及加利福尼亞州和俄勒岡州交界的美國海岸處120公里外的戈爾達海嶺(Gorda Ridge)這兩處海域周遭的火山活動,與木衛二(歐羅巴)和土星的衛星土衛二冰層下的海洋世界可能發現的狀況很相似。

美國太空總署負責Subsea計劃、協助太空人探索月球和外太空的地球生物學家達琳·林(Darlene Lim)說,「Subsea整個計劃是基於我們發現地球深海區域的特性可能很類似於某些星球活躍的環境,比如土衛二。」

科學家通過Subsea計劃的這兩項深海探測行動,對這兩處海底火山噴口的地質和化學狀況以及周圍的生態有了較多的了解。

海洋深淵中的生態

海洋超深淵帶不僅有生命的存在,還維持著一個豐富、或許對於我們有些陌生的生態系統。迄今為止發現居住在海洋最深處的生物之一是一種巨大的片腳類動物,身長超過8厘米,是在秘魯-智利海溝最深處即深達8公里以下的理查茲深海溝(Richards Deep)發現。這種深海甲殼類動物命名為Eurythenes atacamensis,是蝦的近親,為食腐動物,以從上層洋面漂下來的已死海洋生物的碎片為生,為英國紐卡斯爾大學(Newcastle University)的海洋生物學家約翰娜·韋斯頓(Johanna Weston)等研究人員在2018年發現,據悉這是生活在秘魯-智利海溝中數量最多的生物之一。

此外這片深海水域還有至少三種奇怪且相當脆弱的獅子魚科和長腿等足目這樣的物種。這些生物每一種都能在深淵帶的極端水壓、低溫和漆黑無光的極惡劣環境中生存。

達琳·林說,「這些海底熱泉噴口完全無害。你必須非常仔細地觀察從海牀升上來的熱水與很冷的海水相互交匯作用的溫度變化。即使這一行動本身也非常有價值,因為我們可能需要對太陽系中的一些海洋世界進行探索。」

雖然向木衛二和土衛二發射機器人探測器可能還需要幾十年的時間,但美國太空總署的科學家已經將他們從深海探索中學到的知識應用到太空任務中。

到2023年,美國宇航局將發射一個機器探測車,在月球南極尋找水冰。這項名為「揮發性物質調查極地探測」(Volatiles Investigating Polar Exploration Rover, Viper)的任務,將研究月球諾比爾隕石坑(lunar crater Nobile)附近的冰,希望未來能夠開採月球冰作為火箭燃料或飲用水。雖然不是在水下操作,但在月球上漫遊的這輛探測車將面臨許多與水下探測相同的技術挑戰。

達琳·林也是Viper計劃的副首席科學家。她說,「我們將會從Subsea學到的所有知識應用到Viper計劃上。」

Subsea計劃是要確保科學家在極具挑戰性的環境下無論是通信還是技術都能完成研究目標。

從操作的角度來看,海洋和太空探索也有很多共同之處。機器人被派往這兩個領域探索人類無法到達的危險環境,科學家團隊則遠程遙控支持。此外計劃也可以幫助宇航員將來在月球基地控制機器人設備打下基礎。

Subsea計劃出海探測的科學家不到10人,但他們會與人數更多的陸上團隊同事協同工作。至於Viper計劃,一個團隊將在地球上幾乎同時操作月球探測車,並必須快速分析數據和做出決定。

參與兩項計劃的美國太空總署社會科學家扎拉·米爾馬萊克(Zara Mirmalek),其工作是幫助科學家們為極端環境下的探索做好凖備。她說,有效的溝通在這些任務中至關重要。

由於深海勘探的複雜性,科學家們不得不根據海洋條件、天氣和海水鹽度隨時調整計劃改變決定。米爾馬萊克說,「你擁有的時間往往比預期的要少。深海中工作極之艱難,因為深海環境對技術要求很高。」

她說,通信在太空任務中極其有限。為了應對外太空的情況,米爾馬萊克限制水下科學家每天只能通訊一次。她說,「沒有一次失手,他們達到了所有的研究目標。」

達琳·林說,「我們在與海洋學學界合作的過程中所學到的一切都很寶貴,讓我們對設計Viper任務的科學操作過程滿懷信心,這一切真的非常難得。」

但就像飛離地球的外太空探險,深入海底探險也讓人類以新的視野認識我們的地球家園。美國太空總署表示,太空總署策劃的海洋探索已經產生了「數以千計」的科學發現,如果我們希望繼續生活在一個有健康海洋的世界,那太空總署的海洋探險提供了維持海洋健康至關重要的信息。勞拉·羅倫佐尼(Laura Lorenzoni)是太空總署任務理事會的海洋生物學和生物地球化學計劃的科學家。她說,如果我們要拯救海洋,我們就必須了解海洋。

羅倫佐尼說,「這對地球上的生命可說是非同小可,太空總署已開始並將持續做下去的海洋探測,是保證我們地球海洋資源可持續利用的基礎。」

換句話來說,人類探索外太空其他星球的每行一步,都會幫助我們對自己的藍色星球家園探索最少的區域多增加一份認識。無論是天外星球,還是我們腳下的海洋深淵,都是人類需要探索之疆域。

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