南极云科考⑮| 极地航海

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极地航海

亲爱的同学们：

在上一期“南极云科考”中，我们揭开了冰山一角下的神秘面纱，一起探索了冰山的奥秘。如果要来一场去南极的航行，你们知道哪些航海小知识呢？今天我们就来聊聊极地航海。

科

考

知

识

航海的基础知识

有关航海的电影和小说中，最常提到的就是航向，坐标，海里，节……那么我们来看一下什么这些词用来表示什么。

要想航行到北极或者南极，首先得知道出发地在哪里，南极在哪里，北极在哪里。这就要通过经纬度坐标来表示，地球的自转轴—地轴与地表面的两个交点是地极，在北半球的称为北极，在南半球的称为南极。通过球心且与地轴垂直的平面为赤道平面，赤道平面与地表面相交的截痕称为赤道，它将地球分为南、北两个半球；任何一个与赤道面平行的平面称为纬度圈平面，它与地表面相交的截痕是个小圆，称为纬度圈；通过地轴的任何一个平面是子午圈平面，它与地表面相交的截痕是个椭圆，称为子午圈；由北半球到南半球的半个子午圈，叫做子午线，又称经线；通过英国伦敦格林尼治天文台子午仪的子午线，叫做格林子午线或格林经线。

图 1：地球的经纬度

度量方法

某点地理经度的度量方法为：自格林子午线算起，向东或向西度量到该点子午线，由0度到180度计量。向东度量的称为东经，用E标示；向西度量的称为西经，用W标示。

自赤道起算，向北或向南度量到该点所在纬度圈，由0度到90度计量。向北用N表示,向南用S表示。经度与纬度构成了地球上的坐标。

方向

我们习惯将南北纬66度33分以外，可以产生极昼极夜，就是一天中太阳不降末（极昼）不升出（极夜），这样的区域称为极地。接下来我们看方向，要到极地去，就要指挥船向南或者向北航行。航海中大多采用圆周法表示方向。首先确定方向基准线——南北线。它靠近地理北极的一方是测者的正北方向；靠近南极的一方为测者的正南方向。

以正北为方向基准000度，按顺时针方向计量到正东为090度，正南为180度，正西为270度，再计量到正北方向为360度或000度。

航向线，当船舶无横倾时，船舶首尾面（通过船舶铅垂线的纵剖面）与测者地平面相交的直线，叫做船首尾线。首尾线向船首方向的延伸线，称作航向线。自真北线顺时针方向计量到航向线的角度，称为船舶的真航向。范围在000°-360°。

罗经

方向是航海中最重要的参考量，方向来自船上的罗经，如果说大海是生命的母亲，那么我们航海员有一个共同的父亲—罗经，指引我们的航向和回家的路。失去了卫星导航，雷达导航，电子海图等我们还可以航行，但如果丢失了罗经，就是俗话说的“找不到北了”，在茫茫大洋中更是寸步难行。

最早运用于航海中的罗经就是磁罗经，可以认为是指南针的一种，磁罗经指示方向的能力来自地磁。地磁是地球周围存在一个天然磁场，它好像是由地球内部的一个大磁铁所形成的的磁场。

磁力线

地球上各点的磁力线方向是不相同的，磁力线方向垂直于地面的点，叫做地磁磁极，靠近地理北极的是磁北极；靠近地理南极的是磁南极。连接地磁北极和地磁南极的直线，称为地磁磁轴，它与地轴约相交成11.5度。此外，地磁磁极的位置并不是固定不变的，它沿椭圆轨道缓慢地饶地极移动，约650年绕地极一周。

高纬地区，尤其是靠近地磁磁极的地区，磁差值较大而且变化显著，磁差最大可达180度。因此，船舶在磁极地区（通常指极区）航行，是无法用磁罗经导航的。所以在“雪龙”号和“雪龙2”号上都装备了世界上最先进的光纤罗经，保证在极地航行安全。

图2：地球的磁力线

海里

航海上最常用的距离的单位是海里（n mile），它等于地球椭圆子午线上一分纬度所对应的弧长。1海里的长度不是固定不变的，它随纬度的不同而略有差异：在赤道上最短，为1842.94m；在两极最长，为1864.56m；在纬度44度14分处，1海里的长度为1852m。为了航海上实际应用的需要，必须用一个固定值作为1海里的标准长度。目前，我国和世界上许多国家，均采用1929年国际水文地理学会议推荐的1852m作为1海里的标准长度值。

航速的单位为节（kn），1节等于每小时航行1海里，即：1 kn=1 n mile/h，近似于0.5m/s。

时区

科考船航行在各个大洋，特别是环南极或者环北冰洋航行，每处的时间都不相同，这就需要了解时区的概念。

由于平太阳在同一位置时，不同经度线上的地方时是不相同的。但是在社会生活和国家行政管理中，如果人们都使用本地的地方时显然是行不通的。1884年，国际天文学会提出了时区制的建议，即把全球划分为25个时区，每个时区均以本区中央经度线的地方时作为全区使用的统一时间，称为区时。

我们来看时区的划分。以0度经度线为中线，向东或向西各取经度7度30分，公15度划成一个时区（time zone）,称为零时区（0），0度经度线是零时区的中央经度线，也称零时区中线。

从零时区的东边界线开始，向东每隔经度15度划一个时区，共划成十二个东时区依次为东1区，东2区......直到东12区；同样的，从零时区的西边界线开始向西每隔15度划成西1区，西2区......直到西12区。时区中线上的地方时作为该时区的统一时间，该时间称之为区时（zone time , ZT）。显然，零时区的区时是0度经度线上的地方时，也就是世界时GMT。

图3：地球时区划分

船舶在大洋中航行跨越时区边界线，需要拨钟，以使船时与航行地的区时一致。当船舶向东航行进入相邻时区，应拨钟使船时增加1h；反之向西航行，使船时减1h。但东12区和西12区共用180度时区中线，因此，它们的区时相同。船舶由东12区进入西12区，或由西12区进入东12区通过180度经线，不需要拨钟，但日期应改变一天。船舶向东航行穿过180度经度线，即由东12区进入西12区，日期应减去1天；反之，船舶向西航行穿过180度线，日期应增加1天。船上的具体拨钟方法由船长决定。

在环绕南极和北极的科考航行中，因为高纬度的时区宽度特别窄，每一两天就要改变一次时区，频繁倒时差，加上极昼的影响，更加无法适应，经常造成大量的队员失眠，特别是参加轮流值班的船员，常常下了班还没有睡着，就又到了要接班的时间了。睡眠也是影响船舶安全的一大问题，美国海军曾经调查，海军舰长在海上的平均睡眠时间为每天五个半小时。无论从事什么工作，成年人每天睡眠至少应该在7小时以上。历史上睡眠不足的船长做出错误决定甚至危及船舶和船员安全的事故不胜枚举。在我看来保证合格的睡眠也就成了整个南极航行中最难完成的任务。

南极航海的历史进程

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早期的南极航海主要是帆船探险，我们所熟悉的阿蒙森，沙克尔顿，斯科特，罗斯等探险家，他们均是乘坐帆船驶入南极海域。我国封建社会闭关锁国的政策和战乱的年代，让我们完全错过了那个时代。值得一提的是，2014年，一对北京夫妇驾驶一条长17米，5米宽，排水量17吨的帆船航行至南极长城科考站附近。也算略微弥补了一下我们航海历史中的遗憾。

第二次世界大战结束后，美国和苏联的南极考察队改变了极地科考的形式。

1946-1947年

1946年8月26日至1947年2月末美国海军进行了“跳高行动”，目标为南极洲。参与者包括4700名官兵，6架直升机，6架水上飞机，2架多用途飞机，15艘其他飞机，13艘美国支援舰只和1艘航母，这也是破冰船首次出现在南极考察任务中。指挥官是理查德·伯德海军上将。时任海军作战司令的切斯特·尼米兹发出的官方指示是：在寒冷地区培训人员和测试材料，巩固和扩大美国对南极大陆最大实际的主权。确定在南极建立和维护基地的可行性，并调查可能建立基地的地址，开发用于在冰上建立和维持空军基地的技术（尤其要注意此类技术后来在格陵兰岛的适用性）。扩大该地区水文，地理，地质，气象和电磁条件的现有知识储备。

图4：迄今唯一到过南极区域的航母——菲律宾号

图5：美国人第一次将潜艇用于南极考察（1957年）

1956年

1956年地理学博士、苏联南极考察队的队长米哈伊尔·索莫夫率领排水量为一万二千六百吨的“鄂毕号”破冰科考船和同样类型的柴油电力推进破冰船“勒拿号”。以及一艘运送补给食品的冷藏船，进入南极。船上运输了建设基地所需的材料，科考观测设备，还搭载了数架固定翼飞机、直升机，以及大功率的拖拉机，专门设计的极地全地形车，最终建立了考察基地，并且成功登上三千多公里外内陆高原的南极不可抵达之极，即南极大陆离所有海岸线最远的地方。

图6：前苏联“鄂毕”号破冰船

中国的极地科考船

1984年

1984年“向阳红10”和海军“J121”首航南极建立长城站后，我们又购买一条二手的抗冰货船“极地”号，历尽艰险抵达南极大陆的拉斯曼丘陵建起中山站。

1993年

但是直到1993年“雪龙”号的入列，我们才算拥有了真正的极地科考破冰船，“雪龙”号是来自乌克兰的一条极区抗冰运输船，建造于赫尔松造船厂，就是现在战争的热点地区。

1994年

1994改装为科考船，为祖国的极地科考事业立下了汗马功劳。在2007年更换了国产的上层建筑生活区。

2013年

2013年更换了新的主机，起重机，各种管线后继续战斗了近十年。

“今天的“雪龙”号可以说除了船壳是乌克兰制造的，其余已经全部换新。“雪龙”号的长度足足有167米，在全球的科考船中十足是个大块头，船大，吃水深，抗浪好，装得多，跑得快，居住条件舒适。

但是对指挥“雪龙”号的驾驶员来说，这条船非常难驾驭，特别是在冰区，尤其笨拙。因为“雪龙”号原本不是为科考破冰设计的，使用了非常传统简单的推进器形式，即一根螺旋桨产生推力靠一片舵叶控制船舶的艏向，这样形式的运输船呢，最大限度的解决了建造成本，维护要求，通常运输船的航行方式就是“两头拖轮，中间自动舵”。也就是在始发地和目的地离靠码头都是依靠拖轮的协助，中间的大洋航行全是自动舵航行，但是单桨单舵船的缺点也是很明显，必须有前进的速度才有转向能力，还有就是一旦一台推进器损坏后没有备份。而“雪龙”号作为破冰科考船，在冰区航行时要时刻都需要根据浮冰的分布改变航向，破冰过程中更是需要在没有速度甚至倒车中转向；

图7：执行中国首次南极考察的“向阳红10”号科考船

另外还有海洋科考作业时，定点停船，布放潜标等水下科考设备时都会力不从心，还有就是距离任何港口遥远的南极海域，唯一的推进器一旦故障，只能依靠船员有限的维修能力。从1993年服役至今，“雪龙”号参加了几乎所有的南极科考航次和大多数的北极科考，为长城站、中山站、昆仑站建设运送大量物资，为南大洋、北冰洋科学调查提供优质服务。虽然“雪龙”号并不是一条强大的破冰船，在科考船中也不能说时非常先进，但是她的运载能力，经济性恰恰是我们在一段时期极地考察最需要的特点。“雪龙”号凭借这些特点为祖国的极地科考事业做出了巨大贡献。

图8：执行中国首次南极考察的“向阳红10”号科考船

随着极地科考的任务越来越重，我们需要一条强大的科考破冰船，经过了多年的努力，“雪龙2号”横空出世了！

“雪龙”2破冰船是以极地水域科学考察为首要任务，兼具一定的极地考察站后勤物资运输能力的“绿色”极地科学考察破冰船；总长122.5m，船宽22.3m，吃水7.85米，排水量13990吨，续航20000海里，定员90人。破冰能力达到PC3级；在1.5米厚度冰、0.2米厚度雪的冰情下，以2—3节航速连续破冰行驶；采用双向破冰设计：首部向前时，允许冲撞破冰；在遇到很厚的冰脊时，船体可以原地转动180度，让船尾变成船头，尾部的螺旋桨能在海面下削冰，把10多米高的冰脊“掏空”，从而突出重围；在20m 当年冰冰脊（含4m 堆积层）+20cm 雪层中不被卡住。

图9：中国自主建造的首艘国产极地破冰船——“雪龙2”号

搭载的两台推进吊舱可实现全回转操作，配合两套艏侧推可完成原地360°掉头。“雪龙”2号配备了多台科考绞车，分别为CTD绞车、生物拖网绞车、广电复合绞车、万米地质绞车及配套的辅助设备等；安装有深浅水多波束系统、万米测深仪、科学渔探仪、ADCP海流计、深海浅地层剖面仪、超短基线，多道数字地震系统、CTD、OBS、ROV,海洋重力仪，气象卫星等设备仪器。“雪龙2”号科考设施配备齐全，科考水平及能力均处于领先地位。在接到这条科考船时，瞬间就会有一种如虎添翼的感觉，在“雪龙”船上的无数梦想都得以成真，她可以完成所有航海员需要的操作。

极地航行的美景与危险