海洋有多深？一路下潜到马里亚纳海沟

往下潜时有什么在变

如果你潜到过深泳池的池底，就知道有两件事来得很快：耳朵开始疼，周围的一切变得有点发蓝。在开阔的大洋里继续往下，这两种感觉都会越来越强，直到在 1,000 m 以下的某处，阳光一点不剩，海水用一百个大气压的分量压在你身上。

这个展品是一根海水柱，从西太平洋的海面一直通到马里亚纳海沟挑战者深渊的底部，按 NOAA 的数字，那里在海平面以下约 10,935 m。你可以像坐电梯一样沉下去，也可以停在任何深度四处游。左上角的读数框每一帧都根据你眼睛所在的深度算出：以米计的深度、所在水层的名字、水温、以大气压计的压力，以及海面阳光中的红、绿、蓝光还剩多少。右边的标尺把你的深度和鲸、潜水器的下潜深度放在一起。

本展览一路上有 113 种按真实大小做的动物，从漂在海面的僧帽水母，到挑战者深渊底部的端足类。还有挂在绳上的色卡、洋脊上的热液喷口、洋脊斜坡上的一副鲸骨，以及把人送到海底的两艘潜水器。图鉴列出每种动物的分布深度、最大体长和这些数字的出处，点一下名字就会带你过去。

为什么红色最先消失

阳光是多种颜色混合而成的，而水对它们并不一视同仁。水吸收长波长的光（红光和橙光）比吸收短波长的光（蓝光）快得多。NOAA 海洋探索计划关于光和颜色的资料说得很直白：红、橙、黄很快就被滤掉，蓝光走得最远。

色卡上就能看出这一点。它们挂在一根绳上，位于 5、20、50、100 和 200 m，每张有六个色块：红、橙、黄、绿、蓝、白。在 5 m，色卡看上去几乎正常。到 20 m，红色块已经暗了。到 100 m，红和橙都是黑的，黄色像暗淡的绿色，白色块变成浅蓝。展品里的灯在约 140 m 以下才会打开，所以上面几张色卡只有阳光照着。

这也是那么多深海动物是红色的原因。红色的动物反射红光，而在几十米以下已经没有红光可以反射，所以它看起来是黑的。NOAA 描述过一条在 3,000 m 以下看到的躄鱼（sea toad），在机器人的灯光下是鲜红色，在周围的黑暗中却是黑的。这个展品里的大王乌贼和管虫的羽冠，只有在你的灯光照到时才显出颜色。

核对光的数字

模型把光看作随深度按指数衰减，每个颜色波段有各自的衰减率：

I(d) = I₀ × e^(−K·d)

K 是漫射衰减系数。对清澈的大洋水，模型取红光（约 650 nm）K = 0.35 每米，绿光（约 550 nm）0.065，蓝光（约 475 nm）0.022。这些是对最清澈海水的估计值。充满浮游生物和泥沙的近岸海水，光衰减得快得多。

用这三个数做个简单计算，就能得到每个波段降到海面值 1% 的深度，d = ln(100) / K：

蓝光在约 200 m 处降到 1%，和 NOAA 对海洋的描述对得上：上层 200 m 是透光带（真光层），200 到 1,000 m 之间透下来的光很少，约 1,000 m 以下来自上方的光就完全没有了。在模型里，1,000 m 处剩下的蓝光约为海面的 3 × 10⁻¹⁰，对任何植物来说都太少了。有些深海动物的眼睛灵敏到能察觉这点光，所以 NOAA 说光最深可能在 1,000 m 处被探测到。

读数框里的光条用的是对数刻度，所以从 100% 降到 10%，和从 0.1% 降到 0.01%，看起来是一样长的一步。画面也按同样的思路处理，因为我们的眼睛会适应暗光。所以在模型里 300 m 处的水仍然是蓝的，尽管蓝光已经不到 0.2%。

每下潜 10 米，压力约增加一个大气压

在海平面，空气以一个大气压压着你，约等于每平方英寸 14.7 磅。水的密度约是空气的 800 倍，所以很短一段水柱就和你头顶整层大气一样重。NOAA 的经验法则是：每深 33 ft（10.06 m），压力增加一个大气压。

模型用密度不变的静水压公式：

p = 1 atm + ρ·g·d

其中海水 ρ = 1,025 kg/m³，g = 9.81 m/s²，1 atm = 101,325 Pa。于是一个大气压相当于 101,325 / (1,025 × 9.81) = 10.08 m 水深，和 NOAA 的 10.06 m 很接近。下面是展品各站点的数值，和读数框显示的一样：

按 NOAA 的经验法则，海底是 1 + 10,935 / 10.06 = 1,088 atm，两者相差不到 0.2%。真实的海水在深处会被压得稍微密一点，所以海沟底部的实际压力比这两个数都略高一些。两者都远超人们常说的「超过海面的 1,000 倍」。

没有气腔的动物几乎感觉不到压力。NOAA 海洋探索计划指出，大多数深海动物身体的主要成分是水，而水几乎压缩不了，所以有些物种每天上下迁移 1,000 m，经历 100 个大气压的变化。鲸能应付，是因为它的肋骨和肺在压力下可以折叠。潜水器则需要厚厚的钢或钛球舱来保护乘员。

冷却不结冰的水

热带太平洋的海面附近，水温接近 28 °C，被阳光和风加热、搅匀。这层混合层下面是温跃层，温度随深度迅速下降。NOAA 说，约 200 m 以下的海洋平均只有约 4 °C，在约 1,000 到 4,000 m 之间温度变化很小，更深的水则在接近冰点到略高于冰点之间。

读数框里的温度来自西太平洋热带海域的一条典型剖面，各点之间用直线连接：海面 28 °C，200 m 处 18 °C，1,000 m 处约 4 °C，4,000 到 6,000 m 之间约 1.5 °C。到了海沟里，水温略微回升，海底约 2.4 °C，因为海水被压缩时会变暖一点。这条剖面是对这一海域的估计。其他大洋和季节会有不同，尤其是最上面几百米。

海洋的五个层

NOAA 按照照进来的阳光多少来划分水柱，展品里的名称沿用它的分界：

1. 透光带（上层），0 到 200 m。 光足够浮游植物用，海洋里的大部分食物在这里生产。
2. 暮光带（中层），200 到 1,000 m。 太暗，无法进行光合作用。这里很多动物自己发光。
3. 午夜带（深层），1,000 到 4,000 m。 完全没有阳光。唯一的光来自动物。
4. 深渊带，4,000 到 6,000 m。 接近冰点的水，下面是大片泥质平原。
5. 超深渊带（海沟），6,000 m 以下。 只有深海沟能到达这个深度。名字来自冥王哈得斯（Hades）。

整个海洋的平均深度约为 3,682 m，所以大部分海底位于午夜带或深渊带。

屏幕下方的分层按钮可以带你到各层，穿过分界时会出现一条横幅，显示这一层的数值。下表是模型在每层顶部和底部的数字，用上面的公式算出：

113 种动物，从海面到海沟底

扩充版图鉴里有 113 种：透光带 18 种，暮光带 36 种，午夜带 39 种（包括热液喷口和鲸落的动物），深渊带 13 种，超深渊带 7 种。每一种都放在其出处给出的分布深度范围之内，并且接近有记录的最大体长来制作，所以小的就真的很小。你得游得很近才能看见鮟鱇或鳞角腹足蜗牛，而巨型管水母在暮光带里横跨 30 m。

这些动物由几种身体模板（鱼、鲨、鳗、乌贼、章鱼、水母、虾、蟹等）做成，每种都按高度、宽度、鳍和牙齿的数值调出形状。角高体金眼鲷和银斧鱼用的是同一个模板，只是数值不同。展品第一版里手工制作的模型依然在：

• 灯笼鱼（600 m）。 斑点灯笼鱼长到 11 cm。它们腹部有成排的发光器，发出的是蓝光，这是在水里传得最远的颜色。NOAA 指出，正因为如此，海里的生物发光大多是蓝色的。
• 抹香鲸和大王乌贼（约 650 m）。 雄鲸长 16 m，NOAA 渔业局给出成年雄鲸最长 52 ft。NOAA 渔业局说抹香鲸通常在约 2,000 ft（610 m）处捕猎，国家海洋局提到过为寻找大王乌贼下潜到 7,000 ft（2,134 m）甚至更深。乌贼模型从鳍尖到两条长触腕末端共 12 m。
• 约氏黑犀鱼（1,500 m）。 FishBase 给出雌鱼 18 cm，雄鱼约 3 cm。它的诱饵（饵球）里住着发光细菌，发出的光把猎物引到嘴边。NOAA 统计深海鮟鱇共有 167 种。
• 热液喷口（2,600 m）。 海水渗进地壳，被岩浆加热，再以超过 400 °C 的温度涌出。压力让它不会沸腾。它遇到冷水时矿物析出，堆成烟囱，NOAA 报告马里亚纳岛弧有约 9 m 高的活跃烟囱。巨型管虫长到 2 m，靠把喷口化学物质变成食物的细菌为生。SeaLifeBase 记录它们分布在 2,564 到 2,673 m，所以模型里的热液区设在 2,600 m。
• 游泳海参（4,500 m）。 Enypniastes，外号「无头鸡怪」，能摆动皮瓣从海底浮起，游很远的距离。
• 马里亚纳狮子鱼（8,000 m）。 FishBase 给出 6,198 到 8,178 m，最长 22.6 cm。NOAA 海洋探索计划说，拍到过的最深的鱼是 8,336 m 处的一条狮子鱼，而且可能没有鱼生活在比约 8,400 m 更深的地方。

动物怎样应付深海

打开图鉴按适应方式筛选，同样几种答案会一再出现：

• 自己发光（18 种）。 灯笼鱼、银斧鱼、蝰鱼和发光吸盘章鱼都带着发光器。银斧鱼把光朝下打，让下方的猎手看不出它的轮廓（反照明）。黑柔骨鱼是个例外：它发的是红光，而大多数深海动物看不见红光。
• 红色或黑色的身体（19 种）。 约 20 m 以下已经没有红光，所以红色动物看起来和黑色的一样暗。盔水母、幽灵蛸和深海对虾都是红色的。
• 透明或像镜子（15 种）。 水母、巨型尾海鞘和狮子鱼几乎是透明的。银斧鱼的体侧是银色的，反射周围的蓝光。
• 大嘴和能撑大的胃（10 种）。 食物稀少，所以很多猎手遇到什么就吃什么。黑叉齿鱼能吞下比自己还长的鱼，宽咽鱼张开嘴就像一张网。
• 巨型化（12 种）。 有些深海动物比生活在浅水的近亲大得多。大多数端足类只有几毫米长，超巨型端足虫却能长到 34 cm。
• 靠化学物质而不是阳光（4 种）。 在热液喷口，管虫、热液贻贝、雪人蟹和鳞角腹足蜗牛依靠利用硫化氢制造食物的细菌生活。
• 吃沉下来的东西（5 种）。 突吻鳕、小头睡鲨、食骨蠕虫和超深渊端足类等着食物从上面落下来。

2,891 m 的鲸落

热液喷口西边，洋脊降到 2,891 m，一副 14 m 长的鲸骨躺在泥上。NOAA 国家海洋局描述了一头鲸死后沉下去会发生什么：食腐动物在几个月内吃掉软组织，残渣让周围的泥变肥一年多，而随着细菌分解骨头里的脂肪，骨架能养活整个生物群落好几年到几十年。

这个深度来自食骨蠕虫 Osedax rubiplumus。SeaLifeBase 只给它一个深度，2,891 m，就是 2002 年在鲸骨上发现它的地方。模型骨头上的红色羽冠就是这种蠕虫，每条约 4 cm 长。一条小头睡鲨在上方盘旋。它生活在大西洋和北冰洋，不在太平洋，但它是有名的食腐动物，记录到的分布深度达 2,992 m。

图鉴里的数字从哪里来

鱼类的分布深度和最大体长来自 FishBase，其他动物来自 SeaLifeBase。两者都是大型数据库，每个数字都注明了出处论文。少数条目改用 NOAA 或研究论文，每张卡片都注明出处并附有链接。

体长是有记录的最大值，量法各不相同。全长从吻端量到尾巴末端。体长（标准体长）量到尾鳍起点为止，所以鱼的实际长度要稍长一些。乌贼和章鱼量的是外套膜（身体）而不是腕，水母量的是伞的宽度。卡片上总会注明是哪一种。有七种动物（雪人蟹、热液贻贝、鳞角腹足蜗牛、海猪、游泳海参、巨型尾海鞘和定居慎戎），出处只给了深度没有给大小，所以大小是我们的估计，并且标明了是估计值。

游动时，你靠近过的动物会在图鉴里打上勾，图鉴按钮上的数字显示你已经见过多少种。

鲸和潜水器能潜多深

屏幕右边的标尺标出了这些深度：

1960 年 1 月 23 日，美国海军上尉唐·沃尔什和雅克·皮卡尔驾驶深海潜水器的里雅斯特号到达挑战者深渊底部。下潜用了将近五个小时，他们在海底待了约 20 分钟。2012 年，詹姆斯·卡梅隆独自乘深海挑战者号完成了这趟旅程，这是一艘 24 ft（7.3 m）长的潜水器，后来他把它送给了伍兹霍尔海洋研究所。记录到的深度彼此相差几米，和 NOAA 的 10,935 m 也不同，因为每次的测量方法不一样，而对海沟的测量此后也不断精确。

模型和真实海洋的不同

• 深度被压缩了。 水平方向一个单位就是一米，所以每种动物和机器都是真实大小。上下方向用的是对数刻度，好让整整 10,935 m 都放得下：海面附近一个单位约等于一米深，1,000 m 附近约等于 18 m，海底约等于 180 m。在每处海底以上最后 12 m，读数框会换回真实的米数，所以在海底显示的深度就是实际深度。
• 东西靠得更近。 动物都集中在一根水柱周围，方便你找到。在真实海洋里，热液喷口在大洋中脊和弧后盆地，不在马里亚纳海沟旁边，而海沟有几十公里宽。
• 光的模型很简单。 三个颜色波段，衰减率固定，海水清澈，太阳在头顶。云、浮游生物和太阳的角度都会改变真实的数字。
• 动物来自好几个大洋。 这根水柱汇集了不同海域的物种：鳞角腹足蜗牛生活在印度洋的热液喷口，雪人蟹在东斯科舍海岭，小头睡鲨在大西洋和北冰洋。每一种都放在其出处记录到的深度。
• 每种动物都接近最大个体。 模型是有记录的最大体长的 80 到 100%，大多数真实个体要小一些。45 m 的巨型管水母显示为 30 m，好放得下。
• 有些大小是估计值。 图鉴中七种动物的大小、大王乌贼的长度、的里雅斯特号的外形和温度剖面都标明为估计值。

怎样移动

在电脑上，用 WASD 或方向键游动，按 R 或空格上升，按 F 或 C 下沉。按住 Shift 可以加速，拖动可以环顾四周。在手机上，左下角的摇杆让你水平移动（推到底会加速），右下角的两个箭头让你上升和下沉。

海洋有 10.9 km 深，所以有更快的下潜方法。速度按钮（或按键 1、2、3）在三档之间切换：慢，约为潜水员的 1.4 m/s；快；潜水器，约 8 m/s，上升和下沉也会快四倍。五个分层按钮直接带你到各层，点一下右边的深度标尺就会去那个深度。「操作」里的深度滑块像电梯一样工作。

扩充版图鉴按钮会打开全部 113 种动物的列表。你可以按名字搜索，或按深度、大小、适应方式缩小范围，选一个名字就会把你带到那种动物面前，并显示一张卡片，写着它的分布深度、大小和出处。「讲解」的步骤停在九个深度，「部件」带你去看每个手工模型。在深处把灯关掉，就只剩下动物自己的光。

把压力换算成拇指甲盖上的重量

大气压不容易凭身体感觉，所以把海底的读数换算成重量。一个标准大气压是 101,325 Pa，也就是每平方米 101,325 N，每平方厘米约 10.1 N。这相当于约 1.03 kg 的重量压在拇指甲盖大小的面积上（这里取 1 cm²，是一个假设，因为每个人的指甲大小不同）。

海底的读数是 1,086 atm。相乘：1,086 × 10.1 N，约等于这 1 平方厘米上承受 11,000 N。除以 g = 9.81 m/s²，相当于约 1,120 kg 的质量，略多于一吨。按 NOAA 使用的旧单位，约为 1,086 × 14.7 = 每平方英寸 16,000 磅。在 1,000 m 处做同样的计算，读数约为 100 atm，拇指甲盖上大约是 100 kg。

这个数字看起来很大，但它是压强，不是压在一个点上的单个负载。水从四面八方以同样的力量挤压，所以充满水、里面没有空腔的身体不会被压扁。这正是下一节要说的。

常见的误解

• “那里的压力会压碎一切。” 它压碎的是里面有气体的东西。NOAA 海洋探索（NOAA Ocean Exploration）解释说，大多数深海动物主要由水构成，而水几乎压不缩，它们体内也没有会塌陷的大气腔。泡沫杯或充满空气的船体则不同，这就是潜水器的乘员要坐在厚厚的球舱里的原因。
• “200 m 以下只是黑。” NOAA 的说法是：200 到 1,000 m 之间只有极少的光透下来，约 1,000 m 以下来自上方的光已经消失。不过下层并非完全没有光。NOAA 海洋探索指出，那里有许多动物自己发光，而展品的读数只统计阳光。
• “潜到两倍深，压力就翻倍。” 压力是水面的一个大气压加上头顶水柱的压力，所以最初的 10 m 使它翻倍，接下来的 10 m 只再增加一半。模型在 10 m 处读数为 2.0 atm，100 m 处为 10.9 atm，10,935 m 处为 1,086 atm。
• “海看起来是蓝的，因为海水是蓝的。” 色卡展示了另一半原因：红、橙、黄在几十米内就被吸收，剩下能看到的就是蓝色。

在画面上试一试

把“控制”里的深度滑块设到 10 m，读出压力，再设到 100 m 和 1,000 m。你应该看到约 2.0、10.9 和 100.2 atm：大约每深 10 m 多一个大气压。灯在约 140 m 以下才会亮，所以在 100 m 处切换“灯”没有任何变化。在 300 m 和 3,000 m 处各把灯关掉再打开，比较一下：开着时，光束里的动物显出自己的颜色；关掉后，只剩下读数中残留的阳光和动物自己发的光。最后点“潜水器”速度按钮，下到 2,891 m 的鲸落处，确认那里的压力是 287.9 atm，与上面的表一致。

黑暗中的光：发光器在哪里

约 1,000 m 以下已没有阳光，但黑暗中并非没有光。NOAA Ocean Exploration 指出，生活在 200 至 1,000 m 的动物有 80% 能自己发光，主要是蓝光，因为蓝光在水中传播得最远。图鉴列出发光器的位置，模型也照亮这些部位：

• 腹部的成排发光器。 斧鱼、灯笼鱼、钻光鱼和许多龙鱼腹部有成排发光器。从下方看，微光与水面透下来的弱光相配，隐去鱼的轮廓，这叫反照明。
• 诱饵或须的末端。 鮟鱇在嘴前悬挂发光的诱饵；长须龙鱼等鱼类的下巴拖着发光须。扇鳍鮟鱇是例外，它的诱饵不发光。
• 眼下的红光。 红光龙鱼、闪光龙鱼和小齿龙鱼用眼下的器官发红光。MBARI 指出，大多数深海动物看不见红光，因此这些鱼能照亮猎物而不被发现。
• 腕的末端。 八腕鱿 Taningia danae 在两条腕的末端长有已知动物中最大的发光器；萤火鱿在两条腕上各有三个发光器。
• 发光液体。 管肩鱼从鳃盖后方的囊中喷出发光液体，逃走时留下发光的云团。

在较暗的水层，屏幕边缘的箭头指向最近的动物，并显示场景中的距离。点击即可游过去。扩充后的图鉴有 113 种动物，其中 59 种生活在 1,000 m 以下，原来是 31 种。本语言场景已提供这些扩充功能。

把巨兽放在一起比较

扩充版的大小按钮把暮光层的三种长体动物放在 30 m 深的明亮海水中，旁边站着 1.7 m 高的人：16 m 的雄性抹香鲸、包括两条捕食触腕在内估计 12 m 的大王乌贼，以及 8 m 的皇带鱼。尾端在左侧对齐，便于直接比较。它们与下方水层的模型相同。图鉴与挑战使用相同的长度，而不是混用最大纪录；抹香鲸采用 NOAA Fisheries 的成年雄鲸数据，大王乌贼的长度为模型估计值。

下潜途中的隐藏发现

扩充版沿海水柱布置了 16 处隐藏发现，游近即可发现。多数对应真实纪录：

• 最深的沉船，6,895 m。 美国海军在 2022 年 6 月确认，Victor Vescovo 和 Caladan Oceanic 在菲律宾海找到的残骸是 1944 年沉没的护航驱逐舰 USS Samuel B. Roberts。这是已定位并调查过的最深沉船。模型只是海沟岩壁平台上的一段破船壳。
• 最深的章鱼，6,957 m。 2019 年，着陆器摄像机在爪哇海沟拍到一只小飞象章鱼，是首次在超深渊带看到章鱼的记录，见 Jamieson 与 Vecchione，2020。
• 测深铅锤，8,184 m。 HMS Challenger 在 1875 年用带重物的绳索测得马里亚纳海沟深 26,850 ft。挑战者深渊以这艘船命名。
• Nereus，9,990 m。 这艘机器人潜航器曾于 2009 年抵达挑战者深渊，后于 2014 年 5 月 10 日在克马德克海沟失事。
• 巨型单细胞生物，10,641 m。 Scripps 研究人员于 2011 年在塞雷纳深渊拍到异种有孔虫，其单个细胞常超过 10 cm。
• 塑料袋，10,898 m。 JAMSTEC 的深海垃圾数据库收录了自 1983 年起的照片和视频。2018 年的研究发现，其中最深的垃圾是马里亚纳海沟的一个塑料袋。
• Kaiko，10,911 m。 日本机器人潜航器于 1995 年 3 月抵达 10,911.4 m，并带回端足类 Hirondellea gigas。
• 冷泉，模型中 2,891 m。 富含甲烷和硫化氢的液体从坡侧渗出，温度与周围海水相近。冷泉贻贝依靠利用甲烷的细菌生活；管虫生长缓慢，墨西哥湾的一些个体超过 200 岁。
• 热泉旁的探针和尺，2,600 m。 热泉液体可超过 400 °C，那里的巨型管虫一年生长略少于 1 m，是已知生长最快的海洋无脊椎动物。
• 破裂的结核，4,500 m。 NOAA 给出的这类结壳生长速度约为每百万年 2 mm。
• Casper，模型中 4,500 m。 这是一种苍白、无鳍的章鱼，2016 年在夏威夷附近 4,290 m 处发现，尚无正式学名。
• 大红水母、血腹栉水母和沉积物捕集器。 分别位于开阔水域的 1,500、800 和 3,000 m 处。

九项挑战

扩充版的挑战按钮打开九道短任务。四道通过游动完成：在 1,000 m 以下找到五种发光动物、抵达挑战者深渊底部、跟随抹香鲸的深潜来到 2,134 m，以及游遍五个水层。四道为选择题，答案来自展览自身的数据：图鉴中的动物长度、光模型中最先消失的颜色、由压力公式得出的 10,912 m 压力，以及无需阳光生活的动物。最后一道要求找到五处隐藏发现。已完成的挑战与发现保存在本设备。