Para experimentos realizados en el fondo marino, este detector es de gran ayuda.

Extraído de SELFtalks

Lo siguiente es un extracto del discurso de Zhang Xin en el Instituto de Oceanografía de la Academia de Ciencias de China:

¿Qué hay en las profundidades del mar? ¿Es un desierto?

La profundidad media del océano ha alcanzado más de 3.700 metros, y más del 90% de la superficie de las profundidades marinas supera los 1.000 metros.

Se cree generalmente que por debajo de los 200 metros, por debajo de la verdadera capa de luz, casi no hay vida. Por lo tanto, hasta el descubrimiento de los sistemas hidrotermales de aguas profundas en 1977, se pensaba que las profundidades del mar eran un desierto.

Sin embargo, existen varios ambientes extremos bajo las profundidades del mar.

Un ejemplo extremo es el sistema hidrotermal en las profundidades del mar.

Este tipo de sistema se forma cuando una gran cantidad de fluidos a alta temperatura, alta presión, muy ácidos o alcalinos son expulsados ​​rápidamente desde el fondo del océano hacia el fondo marino.

Transporta grandes cantidades de gases metano y dióxido de carbono, así como diversos elementos metálicos, que se acumulan en el fondo marino para formar minerales de sulfuro hidrotermales. Al mismo tiempo, también dio origen a diversos fenómenos vitales.

Otro ecosistema al que llamamos filtración fría.

Los manantiales fríos no son fríos, son simplemente un tipo de fluido de baja temperatura descubierto después de que la gente descubriera los fluidos hidrotermales.

Su temperatura es comparable a la del agua de mar circundante. El material que contiene no son una gran cantidad de partículas de sulfuro metálico, sino principalmente agua, metano, gas de sulfuro de hidrógeno y algunos sedimentos de grano fino.

También es un tipo de energía, o una fuente de energía estratégica en el futuro. Lo llamamos hielo inflamable.

Por tanto, sus recursos y su poder o efecto están fuera de toda duda.

El ambiente extremo de los manantiales hidrotermales también genera un fenómeno de vida especial.

La gente generalmente cree que el crecimiento de todas las cosas depende del sol, y el sol requiere la fotosíntesis. Sin luz, no habría vida.

Más tarde, descubrimos que esta criatura de las profundidades del mar es particularmente mágica. Puede utilizar gases como el metano y el sulfuro de hidrógeno expulsados ​​de manantiales fríos hidrotermales para convertir materia inorgánica en materia orgánica mediante síntesis microbiana, produciendo así. grandes cantidades de moléculas.

Este fenómeno de vida no requiere luz, y lo llamamos ecosistema autótrofo quimiosintético.

Dado que existe un ecosistema tan mágico bajo el mar, que es completamente diferente de nuestro ecosistema de superficie, necesitamos explorarlo.

¿No podemos llevar todo, desde los respiraderos hidrotermales, al laboratorio y hacer todo tipo de análisis?

Probablemente no.

En primer lugar, no se puede medir.

Además, es posible que no puedas medir correctamente.

Estos puntos del fondo marino fueron obtenidos por el Programa Internacional de Perforación Oceánica utilizando técnicas no aisladas y de retención de presión, una técnica tradicional de muestreo de sedimentos.

Las concentraciones de metano en las aguas de los poros de los sedimentos pueden rondar el 1 mmol.

¿Qué es 1 milimole? Es la solubilidad del metano en agua a temperatura ambiente de 25 grados y 1 atmósfera.

Los puntos negros de la imagen de arriba se obtuvieron utilizando una nueva tecnología llamada muestreo de presión de aislamiento. Su concentración de metano puede alcanzar los 1000 mmol.

Si esta fuera la verdadera concentración de metano, habría una diferencia de 1.000 veces entre la medición convencional original y la concentración real.

Por lo tanto, muchos de los datos no se pueden medir.

Además, es altamente biodegradable.

Realicé un experimento de síntesis in situ de hidrato de gas natural (también llamado hielo inflamable) en el Mar de China Meridional de mi país.

Sinteticé hidrato de gas natural in situ a 3 grados de profundidad, 11 MPa y 1.100 metros.

Cuando lo llevé a una profundidad de 700 metros y una temperatura del agua de unos 7 grados, había empezado a descomponerse por lo que no salió a la superficie.

Por lo tanto, muchas cosas que pudieron haber sido traídas de regreso ya no están donde estaban, como tampoco lo están los componentes materiales.

También está el hecho de que simplemente no puedes captarlo.

Este blanco es un camarón acorazado bajo el agua, y debajo hay unas almejas de aguas profundas. Más abajo se encuentra la matriz en la que crece, a la que llamamos carbonatos autigénicos.

El material entre las rocas carbonatadas autigénicas y los camarones acorazados se conoce como agua suprayacente en el bioma.

No se pueden tomar muestras de este líquido porque su espesor es de sólo unos pocos centímetros a más de diez centímetros, lo que hace imposible tomar muestras utilizando cualquier técnica de muestreo.

Es imposible trasladar una roca del tamaño de una roca carbonatada autigénica de regreso al laboratorio.

Por lo tanto, llevamos la muestra al laboratorio y analizamos varios datos, pero es posible que estos datos no representen el valor real de los datos o que no podamos obtener la muestra en absoluto.

Entonces, ¿qué debemos hacer?

Lo que he hecho recientemente, o lo que he hecho durante la última década, sin realizar mi sueño, es trasladar el laboratorio al fondo del océano.

Acabo de hacer una sonda sencilla llamada sonda de espectroscopia Raman y buceé profundamente con ella.

Desde el nacimiento de mi primera sonda, la sonda de agua de poros de sedimentos, aproximadamente en 2008, ha habido tres generaciones.

¿Qué puede hacer?

Puede detectar agua de poro de sedimentos y fluidos de filtración fríos, así como hidratos de gas natural, también llamados hielo inflamable.

Por último, y más recientemente, hemos logrado avances en la detección de fluidos de respiraderos hidrotermales de alta temperatura y alta presión.

Este detector es un sistema particularmente grande que utiliza nuestro Discovery Robot.

¿Dónde opera el robot Discovery?

Se trata de un robot ROV montado en una de las principales infraestructuras de nuestro país: el barco de investigación "Science".

Los robots, al igual que los humanos, pueden hacer una variedad de cosas en el fondo marino. He utilizado casi todas las funciones del robot.

Quiero usar su electricidad para alimentar mi detector, usar su función de comunicación para controlar mi detector y hacer varias cosas y usar las dos manos del robot para sostener el detector y detectar diferentes ubicaciones.

El detector es como una espada láser de Star Wars en el sentido de que apunta y alcanza su objetivo.

Por supuesto, la mano es un robot, entonces ¿hacia dónde apunta?

Primero, recogí algo de material sólido del fondo del océano.

Los hidratos de gas natural, también llamados hielo inflamable, se descubrieron por primera vez en el Mar de China Meridional y existen en lugares expuestos del fondo marino.

La espada láser emite un rayo láser azul verdoso y golpea la superficie del hielo inflamable, y podemos obtener su composición química.

Pero todavía no es posible recuperar las muestras de hielo inflamables de las fuentes frías.

Cuando el rayo impactó sobre él, recuperó todos sus componentes materiales.

No solo probamos la composición de los materiales, también realizamos experimentos in situ en el fondo marino.

Este dispositivo en forma de panal es donde utilizamos fluido de manantial frío para sintetizar hielo inflamable en el fondo marino, y descubrimos que solo toma 0 segundos sintetizar hielo inflamable en el fondo marino.

Si se sintetiza en un laboratorio, puede tardar varios días o incluso diez días. ¿Por qué?

Debido a que el fluido manantial frío contiene una gran cantidad de partículas minerales, estas partículas son como el núcleo de nuestra lluvia artificial, que puede aumentar rápidamente la tasa de formación de hielo inflamable.

Detecté carbonatos autigénicos y sulfuros hidrotermales en filtraciones frías.

Acerca la sonda al mar y detecta cada punto como un TC, obteniendo así modelos y patrones de ecosistemas o formación de fluidos.

Además de rocas e hidratos, también detecto organismos.

No te preocupes, ninguna de las criaturas que detecto ahora está muerta, están vivas y coleando en nuestras profundidades marinas.

Llamé al detector Raman como a mi hijo, RiP.

¿Qué es RiP? Si ha pasado algún tiempo en el extranjero, es posible que haya notado RIP en las lápidas de los cementerios, que significa Descanse en Paz.

Creo que la sonda Raman hace lo mismo. Simplemente ilumina un haz de luz allí, y luego la señal de retorno de este haz de luz puede decirme tu estado fisiológico o composición química, pero no lo haré. destruir su entorno de vida.

Entonces, esto quiere decir que están descansando tranquilamente y nosotros simplemente nos acercamos a verlos, somos como transeúntes.

Entonces, ¿cuál es la diferencia entre la anémona roja y la anémona blanca?

En pocas palabras, las anémonas del Mar Rojo contienen carotenoides, que son sustancias que se encuentran sólo en organismos grandes.

También medí varios caracoles, que se parecen mucho a la caracola que comes, pero su composición material es muy diferente.

Con tanta materia sólida medida, ¿qué medirías en otros momentos?

Entonces midamos un poco de líquido. Entonces ¿qué es un fluido?

Primero, midí el agua de los poros del sedimento.

¿Qué es el agua de poro de sedimento?

Puedes imaginar que recoges un trozo de barro del suelo, lo pones en tu mano y luego lo aprietas con fuerza, tal vez salga un poco de agua. O cuando estás jugando en la playa con tus hijos, sacas un puñado de arena y el agua gotea.

El agua de poro es agua situada en medio de sedimentos o rocas, sedimentos arenosos o sedimentos fangosos.

Entonces, ¿por qué medirlo?

Debido a que hay una gran cantidad de bacterias oxidantes de metano en los sedimentos, pueden digerir grandes cantidades de metano que caen del fondo marino. Sin estas bacterias, las concentraciones de metano en la Tierra serían mucho mayores.

Entonces la temperatura puede que ahora no sea de 20 grados centígrados, sino de 200 grados centígrados.

¿Cómo medirlo?

La técnica tradicional es traer la muestra de regreso, y luego lo que hago es insertar una sonda a diferentes profundidades, y puedo obtener su espectro, y luego hacemos análisis cuantitativos relacionados para obtener sus datos.

La concentración de metano es 20 veces diferente de la del muestreo convencional. Entonces, ¿la concentración de metano en los sedimentos globales está subestimada en un factor de 20?

No lo sé. Pero al menos está muy subestimado.

Entonces, a escala global, es posible que se subestime toda la reserva de metano o su contenido.

El agua de los poros de los sedimentos es demasiado compleja para ilustrarla con un ejemplo sencillo.

Cuando elaboramos fluido de manantial frío, el agua del fondo tiene sólo una docena o unos pocos centímetros de espesor. También inserté la sonda a diferentes profundidades y ¿qué encontré?

En general, se cree que la oxidación anaeróbica del metano producirá gas de sulfuro de hidrógeno y dióxido de carbono, pero no encontramos gas de sulfuro de hidrógeno, pero sí una gran cantidad de monoazufre.

Esto cambia la visión tradicional de cómo se oxida el metano.

Como resultado, la detección in situ puede revertir algunos conocimientos convencionales basados ​​en el muestreo u otras técnicas de modelado.

Uno de los grandes avances que he logrado recientemente es que ahora puedo insertar una sonda óptica en un sistema que está a una temperatura de trescientos o cuatrocientos grados y producir algo de humo negro.

Este sistema es primero de alta temperatura. Nuestra tecnología resuelve el problema de detectar lentes ópticas en ambientes de alta temperatura, alta presión, altamente corrosivos y turbios.

Esta tecnología puede ser el único sensor óptico del mundo que puede insertarse en respiraderos hidrotermales para su detección in situ.

No sólo estudiamos fluidos hidrotermales de alta temperatura, sino también chimeneas blancas y negras.

No hace mucho calor, yo lo llamo baja temperatura, sino 100 grados, pero su pH es super bajo.

Puedes imaginar el ácido sulfúrico concentrado en el fondo del mar. Luego dejé caer la sonda y descubrí que había mucho hidrógeno en los datos medidos por la sonda.

El hidrógeno es un gas muy importante y necesario para la transición de la vida de materia inorgánica a orgánica u orgánica, lo que puede estar relacionado con el origen de la vida en las profundidades marinas.

No hay nada especial en los sólidos y los líquidos. Debe haber rocas y agua de mar en el fondo del mar. Entonces, ¿puedes creer que hay gas en el fondo del mar?

Medimos gases en el fondo marino que no pueden sacarse del entorno del fondo marino y luego devolverse a la superficie.

En nuestro reciente artículo publicado en la versión inglesa de Science Bulletin, descubrimos por primera vez el estado natural del dióxido de carbono supercrítico en la naturaleza.

Mi ropa es de lana y hay que lavarla en seco. Este es dióxido de carbono supercrítico.

¿Cuáles son sus características?

Tiene propiedades tanto gaseosas como líquidas, pudiendo disolver primero la materia orgánica.

Cuando se vuelve supercrítico, recoge materia orgánica, algunos organismos, suciedad de la ropa.

Luego, al reducir la temperatura y la presión, se convierte en gas y se puede retirar y reutilizar, que es como funciona la limpieza en seco.

También tiene un principio, la industria petrolera lo utiliza como disolvente orgánico.

También puede realizar diversas catálisis.

El entorno para formar dióxido de carbono supercrítico requiere altas temperaturas superiores a los 30 grados y altas presiones superiores a las 70 atmósferas, que no pueden existir en nuestra superficie y solo pueden existir en las profundidades del mar o en las profundidades de la tierra.

Es en esta zona hidrotermal donde descubrimos la existencia de este tipo de burbujas.

Esta burbuja no se puede recuperar porque su temperatura ronda los 90 grados.

Tuvimos que apagar la luz y medir su composición, y descubrimos que su composición era exactamente la misma que la composición del dióxido de carbono supercrítico simulada en el laboratorio.

Las burbujas también contienen grandes cantidades de nitrógeno necesario para el origen de la vida. También se requirió nitrógeno para el experimento de descarga eléctrica de Miller, que produjo aminoácidos.

Los sistemas hidrotermales se han considerado durante mucho tiempo una posible explicación del origen de la vida en la Tierra, pero no contienen grandes cantidades de nitrógeno.

Descubrimos que el dióxido de carbono supercrítico puede ser rico en nitrógeno. En este caso, proponemos un nuevo origen de la vida temprana en la Tierra, o la transformación de materia inorgánica a orgánica.

Por tanto, el estado supercrítico del dióxido de carbono en la ropa lavada en seco puede ser relevante para la vida.

También descubrimos el estado gaseoso del agua en el fondo marino, lo que también es un fenómeno aún más mágico.

Si es algo gaseoso, se convertirá en agua y líquido después de enfriarse, de lo contrario flotará hasta la superficie del mar.

Entonces, ¿por qué no se vuelve líquido y sube?

Tiene un lago invertido.

Puedes imaginar que si colocas un lavabo grande en casa en el fondo del mar, el vapor de agua humeante llenará continuamente tu lavabo, y el vapor de agua seguirá proporcionándole calor.

De esta forma, forma la estructura de un lago invertido.

Lo sorprendente de esta estructura de lago invertido es que, en primer lugar, contiene agua gaseosa, lo que lleva nuestro fenómeno de separación de agua/gas o separación de fases en las ciencias de la tierra desde las profundidades del fondo del océano hasta el fondo del océano. superficie.

Además, esta cuenca invertida crea un espejo muy plano, inhibiendo la eyección masiva de partículas de sulfuro al medio marino.

Estas partículas de sulfuro pueden acumularse en grandes cantidades alrededor de los respiraderos, reduciendo su impacto en el medio marino circundante.

¿Adónde va el detector?

Ha estado en muchas zonas hidrotermales y se ha sumergido más de 150 veces siguiendo a varios robots nacionales y extranjeros, ha visitado casi todas las zonas hidrotermales y zonas de filtración fría en las cuencas del arco posterior del Océano Pacífico. y áreas hidrotermales en el suroeste del Océano Índico.

Utilizamos el robot "Discovery" del Instituto de Oceanología de la Academia de Ciencias de China y el primer robot de propulsión eléctrica de 6.000 metros de mi país, "Haixing".

Lo combinamos con experimentos sobre hidratos meteorológicos, también conocidos como síntesis de hielo inflamable, en las profundidades del océano.

También nos comunicamos con "Hailong", que también es un robot utilizado para la investigación oceánica en nuestro país.

Fuimos al suroeste del Océano Índico con Sea Dragon y luego realizamos varios trabajos de detección en la dorsal oceánica.

También realizamos exploración oceánica con el "Jiaolong", que es el sumergible tripulado más profundo de nuestro país e incluso del mundo.

Lo hemos llevado a cabo para realizar trabajos de pruebas conjuntos relevantes y esperamos sacarlo al mar en septiembre de 2020.

También nos hemos asociado con los Estados Unidos para realizar estudios de campo de todas las filtraciones frías y zonas de hidratos en toda la costa oeste de los Estados Unidos y Canadá.

No trasladé el laboratorio al fondo del mar, simplemente traje el detector al mar. Entonces, ¿qué se necesita para construir realmente un laboratorio en el fondo del mar?

Comenzamos a explorar en 2016. Lo llamé "Ojo del Océano". Es como un ojo, mirando fijamente el fondo del mar por un corto tiempo, solo un año.

En la imagen, se pueden ver los grandes cambios en la comunidad ecológica de la fría primavera. Puedes ver los camarones acorazados bajo el agua creciendo desde la nada, de unos pocos a muchos.

El experimento que hice fue un experimento de síntesis de hidratos. Puedes ver que a los 375 días, el cambio de salinidad es particularmente dramático.

En junio de este año, cuando la epidemia era relativamente grave, superamos todas las dificultades y llevamos a cabo una investigación científica.

Pusimos el sistema de tercera generación en el mar. Este sistema es particularmente complejo, tiene siete cámaras de presión y varios sensores instalados, y luego realizamos experimentos relevantes.

No es que solo observe cosas en las profundidades del mar, sino que quiero hacer varios experimentos en las profundidades del mar.

Pero no tiene nuestro sistema Raman ni varios sistemas espectroscópicos, sino más sensores electroquímicos e imágenes ópticas ordinarias.

¿Cuál es mi sueño para el futuro?

Se trata de establecer un laboratorio espectroscópico en las profundidades del mar.

Este laboratorio no solo utilizará sondas Raman o espectroscopia Raman que acabo de mencionar, sino que también utilizará espectroscopia de ruptura inducida por láser, espectroscopia de fluorescencia, espectroscopia infrarroja, todas estas técnicas de espectroscopia de aguas profundas.

¿Qué estás haciendo?

Observa los cambios en el océano y realiza algunos experimentos.

¿Cuáles son los beneficios?

Debido a que es luz, no destruirá el entorno de vida de los seres vivos, y solo necesito hacer brillar un rayo de luz para obtener la información que necesito.

La realización de este sueño no se puede lograr sin la cada vez más poderosa fuerza de investigación científica de nuestro país.

Este es nuestro barco de investigación científica Science, y he trabajado en él durante casi ocho años.

Es como un barco nodriza, o nuestra nave nodriza, que nos puede llevar a realizar diversos experimentos en aguas profundas.

Espero que todos los estudiantes aquí puedan unirse al océano y explorar las profundidades marinas en el futuro o en sus futuras carreras de investigación científica.

"SELF", anteriormente conocido como "SELF", es un foro científico y cultural iniciado por la Academia de Ciencias de China, copatrocinado por el Centro de información de redes informáticas de la Academia de Ciencias de China y la Oficina. de Comunicación Científica de la Academia de Ciencias de China, y organizado por la Exposición de Ciencia Popular de China. Realizado. SELF está comprometido con la difusión transfronteriza de ideas extraordinarias y tiene como objetivo explorar la tecnología, la educación, la vida y el desarrollo futuro con el espíritu de "investigar cosas para adquirir conocimientos". Obtenga más información. Este artículo proviene de la cuenta pública "SELFtalks" (SELFtalks). Indique la fuente de la cuenta pública cuando se prohíba la reimpresión.