海洋领域前沿科学和工程技术十大难题发布(2)

海洋观测与探测技术

海洋观测与探测是认识海洋与经略海洋重要支撑。当前海洋观测与探测领域正向多学科、全海深、精细化、网络化、小型化、低能耗和智能化等方向发展，涉及大数据分析、人工智能、传感器、推进和驱动、先进材料、自主控制、先进制造、可持续能源、海洋通讯技术等新型学科、行业和领域。特别地，基于人工智能的大数据分析技术已成为海洋观测技术创新的驱动力量。如何发展新技术，实现全球、长期、连续、实时、综合、精细、低成本的智能海洋观测与探测是目前面临的巨大挑战。卫星遥感与水下无人技术是最重要两种手段。然而截至目前，尚未找到一种有效的手段可以实现对海洋上层几百米长时间、全海域、高时空分辨的卫星观测。星载海洋激光雷达虽被认为是当前最有望实现这一目标的技术途径，但其在大洋清洁水体的最大极限穿透深度尚不足以满足海洋上层的实际探测需要。借助太赫兹、中微子和磁极波等相关新技术的突破，实现全球海洋上几百米遥感探测是卫星遥感与海洋观测面临的难题与挑战。21世纪以来，水下无人观测技术虽有长足发展，但距全球范围、全水深、多学科、长时间的智能观测尚有巨大差距。新型材料、新能源技术、新型制造技术和新型通讯技术并结合人工智能大数据融合，发展具有“自主学习能力”的智能观测设备，是实现未来海洋观测的重要机遇和挑战。

海洋与地球系统变化预测

海洋是地球系统的关键组成部分，准确、精细地预测海洋与地球气候系统的变化是科学应对和减缓全球气候变化的关键手段。经济社会可持续发展不仅要求将所有地球系统分量耦合在一起模拟预测大尺度气候信息，也要求能准确预报预测局地的海洋、大气等信息以及无缝隙地预报预测天气气候现象。这要求地球系统模式的解析度从百公里级精细到公里级，物理过程从大尺度平均近似的参数化描述上升到如对台风、中小尺度涡旋、海浪破碎等细节性过程的显式描述。海洋数值模式是海洋研究与服务功能的基础性平台，其研制涉及到计算数学、物理海洋、海洋生态、海洋生物地球化学、大气科学和计算机科学等多学科之间的交叉协作，具有基础研究和工程研究的双重特点。同时，海洋预报预测可以从全球和区域海洋发展的战略角度，为决策层进行海洋防灾减灾、海洋环境资源管理，以及应对全球变化影响等方面提供科学支撑。当前海洋与地球系统变化的预报预测正向多圈层耦合以及高分辨率的方向发展，结合人工智能、大数据、超高性能计算机，以及海洋与地球系统综合观测数据日益增加，如何提高海洋与地球系统变化的精细化与精准化预报预测是国际上面临的急迫任务和巨大挑战。

海岸带可持续发展

海岸带是地球系统中水圈、岩石圈、生物圈和大气圈的交汇地带，是陆地、海洋和大气之间物质和能量交换和多尺度过程相互作用最活跃的地带。海岸带区域人类活动的高度集中，社会与经济高度发展，高强度的工业、生活与养殖业污染排放，导致海岸带生态环境不断恶化，对海岸带可持续发展产生巨大的环境压力。同时，气候变化使得生态环境恶化进一步加剧，富营养化、缺氧、海洋酸化等成为海岸带区域突出的生态环境问题，造成渔业资源退化、海洋经济发展受到阻碍等严重后果。海岸带可持续发展是世界级难题。近年来，国际上对近海生态系统的研究主要围绕着近海富营养化、生物多样性变化、有害藻华、缺氧、海洋酸化、渔业资源变动等问题，从驱动近海生态系统变动的关键要素、近海生态系统的演变过程、机制和效应，以及对近海生态系统变化趋势的预测、评估和管理等方面展开研究，强调在生态系统水平上研究多重压力驱动下海洋食物网结构和功能的改变及其对生物多样性的影响、资源持续利用的减弱与生态灾害的发生，海洋生态系统演变对人类经济社会发展和人类健康的影响，以及对生态系统未来变化趋势的预测和相应的管理对策研究。

深海与地球生命起源

地球已有45.5亿年的历史，地球在宇宙中形成以后，最初是没有生命的。生命起源的第一个重要过程是化学演化。大气中的有机元素氢、碳、氮、氧、硫、磷等在自然界各种能源(如闪电、紫外线、宇宙线、火山喷发等等)的作用下，合成有机分子(如甲烷、二氧化碳、一氧化碳、水、硫化氢、氨、磷酸等);在此基础上，这些有机分子进一步合成，演化成了组成生物体的单体化合物(如氨基酸、单糖、腺甙和核甙酸等);这些生物单体进一步聚合，演化成高分子量生物聚合物，如蛋白质、多糖、核酸等;核酸、蛋白质等生物高分子聚合物出现后，最简单的生命也随着诞生了，从此，地球上就开始有生命了。根据地质历史记录，地球上最早的生命形式可能出现于38亿年前。无论是实验室还是自然环境中，高温高压的化学催化是从无机物合成有机物的基本条件，而海洋深部是具有化学催化能力的理想场所。因此，深海可能是地球生命的起源地之一。但是截至目前，我们还没有找到深海生命起源的直接证据。是否能够通过获得更原始的生命形式即更古老的微生物，来揭示生命的起源与演化的过程和机制仍是当前的科学难题。近些年来，深海热液区极端环境下不依赖于光能的生命现象和运转良好的黑暗生态系统的发现，提出了一系列新的生命科学的前沿科学问题，如深部生物圈生命的起源、生命耐受的极限、生命-环境互作过程以及生物如何与地球系统共进化。

文章来源：《农业工程技术》 网址: http://www.gcjszzs.cn/zonghexinwen/2020/1023/1265.html