Dzidki, podwodne wulkany różnią się od powierzchniowych tym, że znajdują się przede wszystkich w morzu lub oceanie (wulkany w jeziorach traktowane są więc jako powierzchniowe), a także tworzą się w zatopionych w skorupie ziemskiej szczelinach wulkanicznych, z których tryska magma. Od powierzchniowych rozróżnia je również wielkość słupa wody (koncepcja kolumny wodnej jest to koncepcja takich warstw wody znajdujących się pomiędzy dnem a powierzchnią, które zróżnicowane są pod względem gęstości wody), pod którym się znajdują. Warto podkreślić, że większość wulkanów znajduje się na dnie morskim, podczas gry na powierzchni ilość ta jest znacznie mniejsza. Według danych NASA jest ok. 1,5 miliona podwodnych wulkanów, w tym ok. 75000 wznoszących się na około 1000 m n.p.m., podczas gdy aktywnych naziemnych jest ok. 1500. Ponadto wulkany podwodne są znacznie wyższe, niż te, które spotyka się na powierzchni. Należy wspomnieć, że podwodne wulkany powstają nie tylko w okolicach szczelin pomiędzy płytami tektonicznymi, ale również w okolicach tzw. plam gorąca, czyli stref o anormalnie wysokiej temperaturze w górnej części płaszcza Ziemi. Są to obszary charakteryzujące się niedużym zasięgiem. Doprowadzają do przetopienia skorupy Ziemi i generują ogniska magmy, przez co powstaje nowy wulkan podwodny.

Wulkany podwodne – Skala zjawiska

Największą aktywność wulkaniczną rejestruje się w pobliżu tak zwanego Pierścienia Ognia na Oceanie Pacyficznym – jest to obszar o długości ok. 40000 km złożony z pasa rowów oceanicznych i łuków wyspowych, który otacza niemalże cały Ocean Spokojny. Szacuje się, że Pierścień Ognia tworzy w przybliżeniu blisko 450 wulkanów, co sprawia również, że to właśnie w tym obszarze najczęściej rejestruje się trzęsienia ziemi. Z kolei za największy z zarejestrowanych dotąd wulkanów podwodnych uważa się Tamu, który znajduje się w północno-zachodniej części Pacyfiku i posiada średnicę aż 650 km, co sprawia, że swoją wielkością niemalże dorównuje znajdującemu się na Marsie Olympus Mons, co czyni go zarazem największym wulkanem na Ziemi (zarówno pośród podwodnych, jak i naziemnych). Jako ciekawostkę warto wspomnieć, że znacznie więcej aktywnych wulkanów znajduje się pod wodą, a wydzielana podczas erupcji ilość energii jest tak duża, że szacunkowo mogłaby zasilać cały rok domy w USA i Meksyku. Ponadto podwodne wulkany wybuchają na tyle często czy tworzą nowe wyspy w miejscach wysokiej aktywności wulkanicznej, że projekt mapowania dna oceanicznego Seabead 2030 będzie musiał stale dokonywać aktualizacji przy pomocy specjalnych, podwodnych dronów, gdyż dla człowieka będzie to zbyt niebezpieczne.

Wybuch Hunga Tonga

Największą zarejestrowaną dotąd erupcją jest wybuch Hunga Tonga na Oceanie Spokojnym, którego eksplozja została zarejestrowana nawet przez satelity kosmiczne NASA, a efekty jego wybuchu ogrzeją klimat przez najbliższe lata znacznie bardziej, niż działania podejmowane przez całą ludzkość w przeciągu jednego roku. Do stratosfery trafiły ogromne ilości pary wodnej, która jest gazem cieplarnianym, co spowoduje ocieplenie klimatu przez kilka najbliższych lat powodując zaburzenia ocieplania i ochładzania atmosfery (erupcja spowodowała uwolnienie aż 50 milionów ton pary wodnej, przez co w zaledwie 3 dni od erupcji wilgotność atmosfery wzrosła aż o 5% jedynie za sprawą tego pojedynczego wybuchu).

Eksplozja Hunga Tonga była również tak wielka, że pomimo dosyć głęboko osadzonego wulkanu, było go można obserwować na powierzchni – słupy gazów wyrzucanych przez ten podwodny wulkan sięgnęły aż 28 km wysokości. Zazwyczaj, gdy dochodzi do masywnej erupcji do atmosfery trafia przede wszystkim dwutlenek siarki oraz ogromne ilości pyłu wulkanicznego. Cząstki obu mają tendencję do obniżania temperatury na powierzchni Ziemi, bowiem gdy trafią do stratosfery, pozostają tam na długie miesiące i odbijają sporą część padającego na Ziemię promieniowania słonecznego z powrotem w przestrzeń kosmiczną. Warto również zaznaczyć, że w wyniku erupcji Hunga Tonga powstała całkiem nowa wyspa, zaś wielu ludzi na znajdujących się nieopodal wyspach zatruło się wydzielanymi przez wulkan gazami.

Jakie czynniki mają wpływ na erupcję podwodnych wulkanów?

Najwięcej podwodnych wulkanów ulokowanych jest w obszarach zwiększonej aktywności tektonicznej (czyli w miejscach subdukcji płyt tektonicznych) oraz w okolicy grzbietów oceanicznych (w tych miejscach płyty tektoniczne się rozsuwają, więc wypływająca spod powierzchni lawa wypełnia luki pomiędzy płytami tworząc kolejne fragmenty grzbietów oceanicznych). Te dwa obszary charakteryzują się największą aktywnością wulkaniczną. Warto zaznaczyć, że podwodne wulkany znajdujące się w płytkiej wodzie mogą wyrzucać materiał w powietrze podczas erupcji. Co ciekawe, do erupcji podwodnych wulkanów dochodzi znacznie częściej, niż naziemnych ze względu na większą bliskość do źródeł magmy – działają podobnie, jak zawory ciśnieniowe, gdyż co jakiś czas uwalniają ciepło o stopioną skałę spod powierzchni Ziemi. Na erupcję podwodnych wulkanów wpływ mają takie czynniki, jak: skład chemiczny magmy, zawartość wody, ciśnienie wewnętrzne oraz inne dotąd niezbadane przez sejsmologów cechy mogą wpływać na gwałtowność erupcji podwodnego wulkanu. Sygnatury chemiczne w schłodzonej lawie mogą również opisywać skład wnętrza Ziemi w czasie erupcji, co może pomóc geologom zrozumieć wewnętrzne funkcjonowanie Ziemi i odległą przeszłość.

Co ciekawe, im większy jest słup wody w przypadku erupcji podwodnych wulkanów, tym bardziej zmienia się charakterystyka wybuchu. Wyższe przewodnictwo cieplne wody przekształci magmę w szkło znacznie szybciej, niż podczas erupcji ziemi, zaś ciśnienie pod wodą może osiągnąć ponad 250-krotność ciśnienia standardowego ograniczając tym samym znacząco zjawisko bulgotania wybuchowego i reakcję między magmą a wodą morską. Ponadto po zetknięciu z wodą, magma niemalże natychmiastowo zmienia się w warstwę stałą, która zwana jest niekiedy lawą poduszkową. Ponadto erupcje podwodnych wulkanów są trudne do zlokalizowania przez hydrofony (stąd na przykład mimo rejonów wysokiej aktywności wulkanicznej nadal nie ma potwierdzającej teorii w sprawie niezidentyfikowanego dźwięku Upsweep, który po raz pierwszy zarejestrowano w 1991 roku i charakteryzuje się pewną sezonowością – dwa razy do roku).

Pozytywny wpływ erupcji wulkanicznych

Oprócz dobrze znanej siły niszczenia, wulkany są również znaczącym generatorem nowej skorupy planetarnej, a także kanałem dla pierwiastków śladowych i innych materiałów, które wracają na powierzchnię z wnętrza planety. Ponadto tworzą grzbiety oceaniczne w miejscach, gdzie płyty tektoniczne Ziemi rozsuwają się, a także działają jak swoistego rodzaju termoregulator, dzięki któremu nadmiar ciepła pod powierzchnią planety znajduje ujście, co sprzyja utrzymywaniu na niej warunków odpowiednich do życia. Dodatkowo przyczyniają się do powstawania nowych wysp na oceanach – czasami jedna potężna erupcja większego podwodnego wulkanu może w zaledwie jedną dobę utworzyć całą wyspę. Magma, która ma stały dostęp do wody, znacznie szybciej ulega zastygnięciu, niż w przypadku wulkanów naziemnych.

Zagrożenia wynikające z erupcji podwodnych wulkanów

Nieoczekiwane eksplozje podwodnych wulkanów mogą spowodować ogromne straty w oceanicznej faunie i florze, a także przyczynić się do osunięć ziemi w okolicach grzbietów oceanicznych. Ponadto wydostające się z ich kraterów gazy mogą być trujące dla organizmów żywych i mieć niekorzystny wpływ na atmosferę. W przypadku wybuchu większych wulkanów powodują uwolnienie bardzo wysokiej temperatury, która może spowodować nagłe ogrzanie atmosfery i wody. Również częste wybuchy mniejszych wulkanów czy ich skupisk znajdujących się w obszarach o niższej temperaturze (np. wulkany na Antarktydzie) mogą przyczynić się do znacznego ogrzewania atmosfery, a nawet mieć wpływ na powolne topnienie lodowców znajdujących się całe kilometry od miejsca erupcji, co może powodować znaczne zakłócenie klimatów. Ponadto wybuchy są tak głośne, że mogą zdezorientować stworzenia morskie nawigujące przy pomocy fal dźwiękowych, co z kolei powoduje dezorganizację ich wędrówek czy wzbudza niepokój zakłócając ich normalny tryb życia. Dodatkowo to właśnie erupcje podwodnych wulkanów wywołują takie klęski żywiołowe, jak tsunami, a silniejsze nawet trzęsienie ziemi. Zwiększają również zawartość dwutlenku węgla i siarki w wodzie. Ponadto gaz wulkaniczny zawiera między innymi metan, którego stężenie znacznie większe jest w wulkanach podwodnych, zaś jego ulatnianie się ze szczelin może powodować zatonięcia statków (co jest bardzo prawdopodobną przyczyną ich zaginięć w obrębie Trójkąta Bermudzkiego).

Sharcano – Wybuch wulkanu zamieszkałego przez rekiny

Omawiając podwodne wulkany, warto również wspomnieć o wulkanie Kavachi, znanym potocznie jako Sharcano, czyli podwodnym wulkanie znajdującym się nieopodal Wysp Salomona, który zasłynął z tego, że wnętrze jego krateru zamieszkiwała duża ilość rekinów różnych gatunków ze względu na panującą tam temperaturę wody. Zamieszkują go dwa gatunku rekinów: żarłacze jedwabiste i rekiny młoty. Wulkan ten jest jednym z aktywniejszych w tamtym rejonie i już nie raz eksplodował. Wybuchy były na tyle silne, że bez problemu zostały zarejestrowane przez NASA. Niestety do tej pory nie wiadomo, co dzieje się z rekinami znajdującymi się wewnątrz krateru lub przed jego wybuchem, ale prowadzone są badania w tym kierunku.

Dodatkowe źródła dla zainteresowanych:

1.https://www.national-geographic.pl/artykul/podwodne-wulkany-jak-powstaja-i-gdzie-wystepuja
2.http://laboratoria.net/naturecom/19306.html
3.https://www.focus.pl/artykul/najwieksza-podwodna-erupcja-jaka-zarejestrowano-stworzyla-nowy-wulkan-na-dnie-oceanu
4.https://radaryonline.pl/czy-istnieja-podwodne-wulkany/
5.https://przystaneknauka.us.edu.pl/artykul/najwieksza-erupcja-podwodna-w-historii
6.https://www.whoi.edu/know-your-ocean/ocean-topics/how-the-ocean-works/seafloor-below/volcanoes/
7.https://ocean.si.edu/holding-tank/vents-volcanoes/underwater-volcanic-eruption
8.https://www.dw.com/en/how-does-an-underwater-volcano-form/a-60453856
9.https://theconversation.com/underwater-volcanoes-how-ocean-colour-changes-can-signal-an-imminent-eruption-175408
10.https://www.sciencedirect.com/topics/earth-and-planetary-sciences/submarine-volcano
11.https://www.ocean.washington.edu/story/Underwater_volcano_eruption_captured_by_seafloor_observatory
12.https://pl.frwiki.wiki/wiki/Volcan_sous-marin
13.https://pl.frwiki.wiki/wiki/Colonne_d%27eau
14.https://www.wired.co.uk/article/mapping-the-biggest-ocean-floor-volcanic-eruption
15.https://www.urania.edu.pl/wiadomosci/erupcja-wulkanu-tonga-wplynela-takze-na-kosmos
16.https://divers24.pl/22335-polinezja-wybuch-podwodnego-wulkanu-stworzyl-nowa-wyspe/
17.https://www.chip.pl/2022/01/podwodny-wulkan-wyspa-pacyfik
18.https://www.gospodarkamorska.pl/rybolowstwo-ekologia-tak-wyglada-wybuch-podwodnego-wulkanu-zaglada-na-przestrzeni-25-km-wideo-23760
19.https://oiot.pl/erupcja-podwodnego-wulkanu-tonga-moze-ogrzac-ziemie/
20.https://www.nature.com/articles/d41586-022-01544-y
21.https://spidersweb.pl/2022/09/erupcja-wulkanu-tonga-ogrzewanie-klimatu.html
22.https://spidersweb.pl/2022/05/wybuch-wulkanu-na-tonga-to-najsilniejsza-eksplozja.html
23.https://www.science.org/content/article/massive-undersea-eruption-filled-atmosphere-water
24.https://www.reuters.com/business/environment/tongan-volcano-eruption-unleashed-highest-plume-record-2022-11-03/
25.https://www.space.com/sharkcano-undersea-volcano-satellite-image
26.https://people.com/human-interest/sharkcano-active-pacific-ocean-volcano-where-sharks-live-in-acidic-water-erupts-nasa/

Dzidki, chociaż na logikę istnienie podwodnych rzek czy wodospadów przeczy samo sobie, to jednak jest to możliwe. Co ciekawe, podwodną rzekę można znaleźć w Meksyku i… Morzu Czarnym. Wyobraźcie sobie, że zanurzacie się ze sprzętem do nurkowania, patrzycie w dół i nie dowierzacie własnym oczom – macie wrażenie, jakby pod wodą, blisko dna płynęła rzeka. Co ciekawe, nie jest to iluzja. A teraz inna sytuacja: lecicie helikopterem nieopodal Mauritiusu, zerkacie w dół i nawet wśród osób bez lęku wysokości pojawia się prawdziwy niepokój: na dole rozpościera się wodospad tak ogromny, że gdybyście do niego wpadli, mogłoby to skończyć się śmiercią – tak, jakby nie dość, że znajduje się pod wodą, wpadał w odmęty oceanu, na niewyobrażalne dla was wysokości… po czym dowiadujecie się, że to tylko iluzja. Brzmi absurdalnie? Jak w ogóle utworzyły się te zadziwiające cudy natury?

Podwodna rzeka w jaskini Celote Angelita

W Meksyku w jaskini Celote Angelita (co dosłownie oznacza „Małego Anioła”) znajduje się podwodna rzeka – po zanurzeniu do podziemnej studni znajdującej się w jaskini (jej głębokość całkowita wynosi 40 m) na głębokości ok. 29 m da się zauważyć tak jakby płynącą w wodzie rzekę (o głębokości ok. 10 m). Rozdziela je warstwa siarkowodoru o  głębokości około 1 m, który jest też odpowiedzialny za nieprzyjemny zapach zepsutych jaj roznoszący się po jaskini. Warto tutaj podkreślić, że tak nieduża ilość siarkowodoru nie jest niebezpieczna dla nurkujących osób (w przeciwieństwie do wspominanej kiedyś Great Blue Hole, gdzie jest ona bardzo rozległa i była przyczyną śmierci wielu ryb i skorupiaków).

Górną warstwę stanowi woda słodka, zaś sama rzeka składa się wyłącznie z wody słonej, która napłynęła z oceanu. Zjawisko te nazywa się haloklinem i polega na tym, że kiedy w wodzie występują dwie ciecze o dosyć dużej różnicy zasolenia, dochodzi do ich rozdzielenia (woda zawierająca więcej soli ma również większą gęstość, dlatego opada na dno). Ponadto woda o większym zasoleniu nie tylko osadza się na dnie, ale również nie jest wodą stojącą – przemieszcza się.

Podwodna rzeka w Morzu Czarnym

W sierpniu 2010 roku okazało się, że podwodna rzeka w jaskini Celote Angelita w Meksyku nie jest jednak jedynym zjawiskiem tego typu – odkryto kolejne, znacznie większe. Naukowcy z University of Leeds w Wielkiej Brytanii odkryli, że zjawisko haloklinów zachodzi nie tylko w podziemnych studniach, ale również na otwartym morzu. Rzeka rozpościera się na długość prawie 60 km, zaś jej szerokość wynosi ok. 850 m. Ma ona również swoje koryto o głębokości około 35 m, wyraźnie zarysowane brzegi i progi, a nawet… wyraźnie zaznaczony, podwodny wodospad. Płynie z zadziwiającą prędkością 7,5 km/h. Przez zaledwie godzinę przepływa więc przez nią ok. 22.000 m³ wody, co daje wynik aż 10-krotnie większy, niż Ren i 350-krotnie większy, niż Tamiza. Gdyby była rzeką płynącą po powierzchni lądu, plasowałaby się na 6 miejscu.

Warto podkreślić, że woda tworząca podwodną rzekę ma o wiele większe zasolenie, niż w samym Morzu Czarnym – jest ono tak ogromne, że znajdująca się w niej woda płynie z ogromną prędkością. Taki silny strumień powstał, gdy woda o większym zasoleniu z Morza Marmara przepływa przez Cieśninę Bosforu, po czym wlewa się do mniej zasolonego środowiska wodnego Morza Czarnego. Wody nie uległy wymieszaniu ze względu na wspomnianą wcześniej różnicę zasolenia, co wpływa również na gęstość. Woda z Morza Marmara jest bardziej słona i niesie ze sobą mnóstwo osadów, dlatego też nie miesza się z mniej zasoloną z Morza Czarnego, która ją otacza. Ze względu na większe zasolenie, strumień wody z Morza Marmara opada na dno, a poruszając się z ogromną prędkością żłobi swoje łożysko w dnie morza. Zjawisko to zauważył dr Daniel Parsons z University of Leeds, który posiada wieloletnie doświadczenie nie tylko jako oceanograf, ale też ekolog.

Iluzoryczny podwodny wodospad na Mauritusie

Położona niedaleko wyspy Mauritius  iluzja podwodnego wodospadu (widoczna z pokładu samolotu, helikoptera i drona, a nawet z satelity kosmicznego – chociaż przy tym ostatnim nie wzbudza już iluzji optycznej ze względu na dużą odległość od obiektu) stała się znaną atrakcją turystyczną. Przeprowadzone w tych miejscach badania geologiczne wykazały dosyć logiczne wytłumaczenie tajemniczego zjawiska. Wyspa Mauritius znajduje się na oceanicznym, piaszczystym szelfie uformowanym miliony lat temu. Silne prądy podwodne oraz stale erodujący piasek przyczyniły się do powstania wysokiego płaskowyżu w głębinach oceanu nieopodal wyspy. W miejscu stromej krawędzi wzniesienia przylegającej do głębokiego lejka, uformował się specyficzny wzór przywołujący wrażenie rzeczywistego wodospadu, w którym zamiast wody przepływają strumienie piasku i błota sprawiając wrażenie „spadania w dół” krystalicznie czystej wody oceanu. To, co z wysokości wygląda jak prawdziwy wodospad jest w rzeczywistości jedynie piaskiem i mułem wypłukiwanymi przez prądy morskie, które wpadają w odmęty oceanicznego osuwiska.

Prawdziwy podwodny wodospad w Cieśninie Duńskiej

Myśl o podwodnym wodospadzie może wydawać się niemożliwa. Chociaż wodospad nie spada dokładnie z krawędzi klifu lub na otwartej powierzchni, podwodne zjawiska, takie jak podwodne wodospady, naprawdę istnieją. Sęk tkwi w temperaturze wody i przepływających przez nią prądów morskich, a co za tym idzie – dochodzi do zróżnicowania gęstości wody. W Cieśninie Duńskiej znajduje się taki wodospad, który powstał w wyniku drastycznych zmian temperatury. Cieśnina Duńska oddziela wyspiarski kraj Islandię od wyspy Grenlandii. Znana również jako Cieśnina Grenlandzka, łączy Morze Grenlandzkie, część Oceanu Arktycznego, z Morzem Irmingera, które znajduje się na Atlantyku. Cieśnina zawiera różne grzbiety oceaniczne, które zaczynają się na głębokości około 610 m pod powierzchnią oceanu i spadają aż do 3050 m głębokości. Ekstremalnie zimne prądy z Morza Północnego płyną przez cieśninę w kierunku południowym, gdzie napotykają ciepłe wody Morza Irminger. Zimniejsza woda jest gęstsza, niż ciepła woda, dlatego zimne prądy toną lub opadają pod cieplejszą wodą. W obszarach, gdzie dno morskie opada, takich jak katarakty, zimne strumienie szybko spadają z krawędzi tego podwodnego klifu. Ten ruch tworzy podobny do wodospadu przepływ wody w dół, mimo że jest otoczony inną wodą morską.

Prawie 3 500 000 m³ zimnego prądu spada przez krawędź podwodnego wodospadu na sekundę. Dla porównania: przez wodospad Niagara, jeden z cudów natury, a także jeden z najbardziej imponujących wodospadów na świecie pod względem samej objętości, przepływa 2000 razy mniej wody, niż wodospad Cieśniny Duńskiej. Wysokość katarakty wynosi aż 3505 m. Dla porównania, najwyższy wodospad na lądzie znany jest jako Angel Falls w Wenezueli i mierzy zaledwie 979 m wysokości. Oznacza to, że wodospad w Cieśninie Duńskiej jest ponad trzy razy wyższy, niż jakikolwiek wodospad na lądzie. W połączeniu z samą siłą i ilością wody, która co sekundę przepływa przez krawędź tego podwodnego wodospadu sprawia, że wodospad Cieśniny Duńskiej jest nie tylko niezwykłym zjawiskiem naturalnym, ale też największym wodospadem na Ziemi.

Dodatkowe źródła dla zainteresowanych:

Podwodna rzeka:

1.https://www.ripleys.com/weird-news/mysterious-underwater-river/
2.https://www.marineinsight.com/environment/is-there-a-river-under-the-sea/
3.http://www.tawernaskipperow.pl/lokalizacja/podwodna-rzeka/2621
4.https://www.crazynauka.pl/niesamowita-podwodna-rzeka/
5.https://joemonster.org/art/24270
6.https://www.hydro-international.com/content/news/undersea-river-discovery
7.https://www.ecologycenter.us/green-living/scientists-discover-massive-underwater-rivers-in-the-black-sea.html
8.https://omega7geo.wordpress.com/2013/12/17/how-were-underwater-lakes-and-rivers-formed/
9.https://mirplaneta.com/en/kakie-reki-vpadayut-v-chernoe-more/
10.https://howafrica.com/facts-about-the-undersea-river-in-the-black-sea/?utm_source=rss&utm_medium=rss&utm_campaign=facts-about-the-undersea-river-in-the-black-sea
11.https://www.bbc.com/future/article/20170706-the-mystery-of-the-massive-deep-sea-rivers
12.https://www.polskieradio.pl/23/266/Artykul/254134,Rzeka-na-dnie-morza

Podwodne wodospady:

13.https://www.gismeteo.pl/news/klimat/17325-naukowcy-odkryli-tajemnice-wodospadow-gleboko-w-oceanie/
14.https://www.worldatlas.com/falls/where-is-the-world-s-largest-waterfall.html
15.https://faqreviews.net/answer/re-is-the-worlds-largest-waterfall-underwater/
16.https://www.howitworksdaily.com/where-is-the-worlds-tallest-waterfall/
17.https://nauka.rocks/podwodny-wodospad/
18.https://bigthink.com/starts-with-a-bang/underwater-waterfall-mauritius/
19.https://www.pazola.com/blog/podwodny-wodospad-niezwykla-iluzja-stworzona-przez-nature/
20.https://www.tripzilla.com/photo-underwater-waterfall-mauritius/10288

Dzidki, zarówno przy niezidentyfikowanych oceanicznych dźwiękach (Bloop, Upsweep, Julia, Train, Whistle i Slowdown), jak i innych (Bioduck, Rossby Whistle), a także przy mapowaniu dna oceanicznego niejednokrotnie można było przeczytać o systemach SONAR (od ang. SOund Navigation And Ranging – „nawigacja dźwiękowa i pomiar odległości”) wykorzystywanych w mapowaniu dna morskiego. Czym one w ogóle są i jak można je wykorzystać? W jakim celu są wykorzystywane przez NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration)? W systemach sonarowych używa się urządzeń zwanych (jakżeby inaczej) sonarami, które służą do nawigacji, detekcji, śledzenia i klasyfikacji zanurzonych obiektów ruchomych i nieruchomych, a także do określania pozycji. Wykorzystują one fale dźwiękowe o różnej długości (krótkich, średnich i długich). Do wspomnianych czynności można wykorzystywać sonary aktywne lub pasywne. Chociaż można stosować je również w innym środowisku, niż wodne - na przykład w powietrzu lub innym środowisku gazowym (w którym wykorzystuje się bardzo szeroki zakres fal dźwiękowych obejmujących od infradźwięków do ultradźwięków), ale zajmiemy się jedynie wykorzystaniem metody sonarowej w akustyce oceanu (w tym również sposobu wykorzystania przez marynarkę wojenną).

Krótka historia sonarów

Pierwsze w historii użycie sonaru pasywnego zawdzięcza się wielkiemu wynalazcy – Leonardo DaVinci, który w 1490 roku opisał, jak przy pomocy tuby można nasłuchiwać odgłosów generowanych przez statki położone w dosyć dalekiej odległości wykorzystując do tego akustykę wody. Kolejne przełomowe wydarzenie miało miejsce w 1822 roku, kiedy to szwajcarski fizyk Daniel Colladen zbadał przy pomocy tak zwanego „podwodnego dzwonu” prędkość dźwięku w wodach jeziora Genewa, co przyczyniło się również w tym samym roku do podejmowania pierwszych prób określania map dna oceanicznego w oparciu o proste metody echa dźwiękowego. W 1877 roku ukazała się przełomowa praca naukowa o zastosowaniu fal dźwiękowych w badaniu oceanu autorstwa Brytyjczyka Lorda Rayleigha „Teoria dźwięku”, w której opisał podstawy fizyczne rozchodzenia się fal dźwiękowych. Kolejne ważne dla pomiaru fal dźwiękowych wydarzenie miało miejsce w 1880 roku, kiedy to Pierre i Jacques Curie (tak, ten pierwszy był mężem Marii Curie-Skłodowskiej, a ten drugi to jego brat - fizyk) odkryli efekt piezoelektryczny w kryształach kwarcu i tytanianu baru, co stanowiło podwaliny do generowania i odbierania fal ultradźwiękowych o częstotliwościach z zakresu milionów cykli na sekundę.

Pierwsze pomysły dotyczące zastosowania sonarów aktywnych pojawiły się w 1912 roku po zatonięciu słynnego Titanica (w celu opracowania systemu, który pomoże statkom lokalizować i omijać góry lodowe znajdujące się często pod taflą oceanu, aby podobne katastrofy nie miały więcej miejsca). Za pierwszego pomysłodawcę projektu sonaru aktywnego uważa się angielskiego meteorologa Lewisa Richardsona, który swój projekt opatentował właśnie w tym roku. Zaledwie parę miesięcy później powstał pierwszy działający, eksperymentalny system SONAR i został zbudowany przez kanadyjskiego fizyka Reginalda Fessendena dla amerykańskiej Submarine Signal Company. Z kolei w 1913 roku patent na dosyć podobne urządzenie sonaru aktywnego, jak w przypadku projektu Richardsona, uzyskał niemiecki fizyk Alexander Behm. A jeśli chodzi o pierwsze próby zastosowania sonarów aktywnych, podjęto je już w 1914 roku – odbyły się one z pokładu kutra rybackiego „Miami”, który był własnością straży przybrzeżnej USA. Do komunikacji z zanurzonym okrętem podwodnym, określenia głębokości morza oraz do nawigacji oddalonej o 3000 m góry lodowej zastosowano oscylator Fessendena, jednak okazało się, że jego rozdzielczość jest zbyt mała do dokładnego określenia kierunku góry lodowej, gdyż urządzenie pracowało na falach dźwiękowych o długości około 3 metrów, zaś długość jego anteny wynosiła zaledwie 1 metr. Jednak wyniki całego eksperymentu były do tego stopnia zadowalające, że wyposażono w owe urządzenie aż 10 brytyjskich okrętów podwodnych.

W 1915 roku francuski fizyk Paul Langevin i rosyjski inżynier Konstantin Czilowski pracujący w paryskim École Municipale de Physique et de Chimie Industrielles zaprojektowali pierwszy sonar z aktywnym elementem elektrostatycznym, zaś w 1917 roku zbudowali oni piezoelektryczny sonar kwarcowy pracujący na częstotliwości 150 kHz, który posiadał tak silną wiązkę, że zagrażała ona życiu ryb, które się na nią natknęły. Uzyskanie kwarcu o odpowiednich parametrach i zbyt wysokie napięcie pracy sprawiły, że sonar nie przyjął się. Dlatego Paul Langevin wykonał ostateczny projekt aktywnego sonaru, który na częstotliwości 40 kHz. Przetestowano je w lutym 1918 roku, jednak o ile okazało się skuteczne w wykrywaniu łodzi podwodnych i okrętów znajdujących się w dużych odległościach, jednak nadal nie potrafiło ono wyznaczyć ich dokładnego położenia i radziło sobie znacznie gorzej, niż pasywny sonar Walsera (zwany również hydrolokatorem).

Warto wspomnieć, że to właśnie w latach 1914-1918 (I Wojna Światowa) nastąpił bardzo dynamiczny rozwój urządzeń sonarowych służących do pomiaru głębokości i odległości w oceanach, a także do nawigowania obiektów znajdujących się pod wodą. Przede wszystkim testowano je z łodzi podwodnych. To właśnie na podstawie badań dotyczących dokonywania pomiarów przy pomocy fal dźwiękowych w cieczach swój początek miało zastosowanie ultrasonografii w medycynie – niedługo po tym powstał pierwszy reflektoskop służący do pomiaru fal mózgowych i NDT do badań nieniszczących. Tak więc kto wie, czy gdyby nie sonary, czy mielibyśmy dzisiaj USG.

W 1916 roku Anglicy rozpoczęli wykonywanie swoich eksperymentów z sonarem przez zespół naukowców nazwany Anti-Submarine Division pod kierownictwem Roberta Boyle'a. Bazując częściowo na badaniach Paula Langevina w 1917 roku zbudowano pierwszy praktyczny sonar. Wszystkie prace nad nim otoczono największą klauzulą tajności w wyniku czego nie wspominano w nich o kwarcu ani ultradźwiękach, które w dokumentacji zastępowano innymi akronimami: ultradźwięki - ASD, quartz – ASDivite. To właśnie z tego wywodzi się nazwa określająca angielski system sonarowy: ASDIC. Co ciekawe, spekulowano, że akronim wywodzi się od nazwy „Allied Submarine Detection Investigation Committee czy Anti-Submarine Detection Investigation Committee”, jednak okazało się, że komitet o takiej nazwie tak naprawdę nigdy nie istniał – mogło to wynikać z najwyższego stopnia utajnienia dokumentacji Boyle’a i jego zespołu.

Dopiero w 1930 roku amerykańscy inżynierowie skonstruowali swoją własną podwodną technologię do wykrywania i rejestrowania dźwięków, nawigacji, detekcji, śledzenia i klasyfikacji zanurzonych obiektów ruchomych i nieruchomych, a także do określania ich pozycji (co bazowało na angielskim systemie ASDIC, który został przekazany USA po wybuchu II Wojny Światowej). Nazwali ten system SONAR (termin zaproponowany przez Fredericka Hunta jako odpowiednika dla systemu RADAR). Dzięki niemu dokonano ważnych odkryć, takich jak istnienie termoklin i ich wpływ na fale dźwiękowe.

Sonary – Charakterystyka ogólna

SONAR to system wykorzystujący fale dźwiękowe do eksploracji oceanu. Naukowcy używają sonarów głównie do opracowywania map morskich, lokalizowania podwodnych zagrożeń dla nawigacji, wyszukiwania i identyfikowania obiektów w słupie wody i na dnie morskim, takich jak wraki statków oraz mapowania samego dna oceanu. Sonar jest używany w oceanografii, ponieważ fale dźwiękowe przemieszczają się w wodzie na większe odległości, niż fale radarowe i świetlne. System SONAR składa się z fizycznych czujników dźwięku zwanych przetwornikami. Naukowcy mogą zdecydować się na użycie pojedynczego przetwornika lub ich grupy (zwanej układem przetworników). Tablicę można przymocować do różnych platform, w tym zdalnie sterowanego pojazdu, autonomicznego pojazdu podwodnego, statku lub platformy (np. holownik lub szybowiec). Istnieją dwa rodzaje sonarów: aktywny i pasywny.

Rodzaje systemów sonarowych

Istnieje kilka różnych typów systemów sonarowych. Przykłady pasywnych systemów sonarowych mogą obejmować pojedynczy hydrofon lub zestaw hydrofonów holowanych za statkiem lub przymocowanych do platformy. Sonar z wieloma wiązkami, skanowaniem bocznym, wiązką dzieloną, profilowaniem poddennym i sonarem z syntetyczną aperturą (otwór ograniczający przestrzeń, przez który przechodzą fale) to przykłady aktywnych systemów sonarowych. Naukowcy wybierają typ sonaru na podstawie celów wyprawy. Niektóre systemy sonarowe mogą obrazować niewielki obszar w bardzo wysokiej rozdzielczości, co jest przydatne w przypadku szczegółów (np. wraki czy ruiny zatopionych obiektów sprzed wieków będących częścią dziedzictwa kulturowego – na przykład zatopione miasta czy posągi). Badacze mogą chcieć też zastosować system sonaru o niższej rozdzielczości, ale mogący mapować znacznie większy obszar, taki jak góra podwodna, rowy oceaniczne lub inny obiekt geologiczny, co jest przydatne chociażby w sporządzaniu map dna morskiego.

Sonar aktywny

Przy aktywnym sonarze układ przetworników emituje sygnał akustyczny lub impuls dźwiękowy do wody. Jeśli obiekt znajduje się na ścieżce impulsu dźwiękowego, ten odbija się od obiektu i zwraca do układu odbite od niego echo. Jeśli macierz jest wyposażona w możliwość odbioru sygnałów, mierzy ich siłę. Określając czas między emisją impulsu dźwiękowego a jego odbiorem, przetwornik może określić zasięg i orientację obiektu.

Sonar pasywny
Pasywne systemy sonarowe są używane głównie do wykrywania hałasu obiektów morskich (takich jak łodzie podwodne lub statki) oraz zwierząt morskich. W przeciwieństwie do sonaru aktywnego, sonar pasywny nie emituje własnego sygnału, co jest zaletą dla jednostek wojskowych, które nie chcą zostać znalezione lub dla misji naukowych, które koncentrują się na cichym nasłuchiwaniu akustyki oceanu. Zamiast tego, sonar pasywny wykrywa tylko zbliżające się do niego fale dźwiękowe. Pojedynczy pasywny instrument sonarowy nie może mierzyć zasięgu obiektu, chyba że jest używany w połączeniu z innymi pasywnymi urządzeniami odsłuchowymi. Wiele pasywnych urządzeń sonarowych może pozwolić na triangulację źródła dźwięku, biorąc pod uwagę również opóźnienie czasowe dotarcia do nich odbitej fali dźwiękowej.

W jaki sposób działają sonary?

Sonary wysyłają impulsy fal dźwiękowych przenikających przez wodę, po czym uderzają w obiekty (np. dno morskie, ryby, koralowce, roślinność czy łodzie podwodne) i odbijają się z powrotem w kierunku powierzchni, gdzie zostaje zarejestrowany obraz. Urządzenie mierzy, jak długo trwa falowanie dźwięku, uderzenie o obiekt, a następnie odbicie od niego wysłanej fali. Przypomina to nieco zasadę działania echolokacji używanej przez nietoperze czy delfiny. Tak pozyskana informacja umożliwia również oszacowanie głębokości obiektu, od którego odbiła się fala i mierzy moc powracającego impulsu (im twardsze są obiekty, od których odbija się fala dźwiękowa, tym silniejszy impuls powrotny). Po każdym powracającym impulsie wysyłane są kolejne. Ponieważ fale dźwiękowe przemieszczają się z ok. 1,6 km na sekundę w wodzie, echosondy mogą wysyłać wiele impulsów na sekundę. Powracające impulsy dźwiękowe są przekształcane na sygnały elektryczne, a następnie wyświetlane na ekranach pokazując głębokość i twardość dna oraz wszelkie obiekty znajdujące się pod powierzchnią wody. Należy również pamiętać, że sonary skanują przestrzeń w stożkach, a nie liniach.

Warto wspomnieć, że sonary są niezwykle pożyteczne podczas wykrywania wszelkich przeszkód znajdujących się w wodzie – zwłaszcza przez wszelkiego rodzaju łodzie podwodne, okręty, statki czy nawet łodzie albo podwodne drony. Pomagają w określeniu dokładniejszych rozmiarów danej przeszkody oraz jej położenia geograficznego (dotyczy to sonarów stanowiących część systemu hydrograficznego), w tym wysokości, którą wylicza się na podstawie analizy długości cienia akustycznego.

Przy odczytywaniu zapisów z sonarów warto wziąć pod uwagę również zakłócenia powierzchni, które występują we wszystkich urządzeniach tego typu. Przy powierzchni mogą pojawiać się zakłócenia, ponieważ woda blisko powierzchni odbija niektóre fale dźwiękowe wysyłane przez sonary, a odbicia te mogą mieć za dużą prędkość, żeby można je było prawidłowo przetworzyć, dlatego do odczytywania bardziej szczegółowych zapisów pomiaru sonarem (zwłaszcza w marynarce wojennej czy stacjach badawczych) wymagane jest odpowiednie doświadczenie w interpretacji pozyskanych danych. Takie odbicie może mieć wiele przyczyn – od fal na powierzchni wody, przez bąbelki powietrza, przepływające stworzenia, podwodną roślinność czy wiele innych, co może powodować zakłócenia w przypowierzchniowej strefie sonaru (tworzy to swego rodzaju „ślepą strefę”, która uniemożliwia prawidłową identyfikację stworzeń morskich).

Sonary w mapowaniu dna oceanicznego

Głębiny oceanów nadal pozostają najmniej zbadanymi obszarami naszego globu. Do tej pory wiele tajemnic dotyczących oceanów pozostało niewyjaśnionych. Przez wiele lat temat mapowania był traktowany mocno po macoszemu, ale niedawno zapowiedziano, że do 2030 roku ma powstać pełna mapa dna oceanicznego. Co ciekawe, badanie dna morskiego często przeprowadza się przy pomocy sonarów, czyli urządzeń, którymi wykryto tajemnicze dźwięki, jak Bloop, Upsweep, Julia, Slowdown, Whistle i Train. Mapowanie dna morskiego (inaczej obrazowanie dna morskiego) polega na pomiarze głębokości w danym akwenie – wykonywane w nich pomiary batymetryczne prowadzone są różnymi metodami (od technik sonarowych i lidarowych, po boje i wysokościomierze satelitarne).

Do wykonywania map dna morskiego używa się głównie echosond (tzw. metoda sondowania echa), jednak w ostatnich latach nowe technologie rozwinęły się na tyle, że powstały nawet drony i bezzałogowe łodzie podwodne do skanowania dna oceanów. Oczywiście całe mapowanie odbywa się także z udziałem satelitów, które wspomagają monitorowanie dna oceanicznego oraz badają lodowce. Używa się także stałych podwodnych laboratoriów badawczych, hydrofonów oraz dokonuje pomiarów w głębinach przy pomocy batyskafów. Sejsmografy mają wykrywać podziemne próby jądrowe, anteny infradźwiękowe - eksplozje w atmosferze, stacje hydroakustyczne - podwodne testy, zaś zadaniem detektorów gamma jest namierzanie nawet niewielkiego stężenia w powietrzu cząstek radioaktywnych (tutaj warto wspomnieć, że śledziły one między innymi wędrówkę substancji uwolnionych podczas awarii elektrowni Fukushima Daiichi, zaś wcześniej wszczęły alarm po próbach atomowych przeprowadzonych przez Koreę Północną w 2006 oraz 2009 roku). Detektory gamma wykrywają również takie promieniowanie w oceanach.

Trudność w mapowaniu dna morskiego polega na tym, że niemożliwe jest zbadanie większości przy pomocy kamer czy zdjęć satelitarnych. Do tej pory pomiaru dokonywano przy pomocy sonarów i zajmowały się tym głównie naukowcy z NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration – amerykańska agencja zajmująca się między innymi prognozowaniem pogody oraz ostrzeżeniami sztormowymi, a także innych zjawisk zachodzących w oceanach i atmosferze), ESA (European Space Agency – Europejska Agencja Kosmiczna, która przeprowadza monitorowanie dna oceanicznego w oparciu o dane z satelity NASA Jason-1 i z satelity ESA CryoSat-2, którego głównym zadaniem jest badanie lodowców w regionach polarnych) oraz naukowcy z California's Scripps Institution of Oceanography (SIO). Od 2014 roku do programów badania dna oceanicznego przyłączyła się NASA, która wzięła aktywny udział poprzez program NASA Extreme Environment Mission Operations (NEEMO – nazwany tak od najdalej oddalonego od lądu Punktu Nemo).

Echosondy zostały po raz pierwszy użyte do badań oceanograficznych podczas epickiej niemieckiej ekspedycji badającej południowy Atlantyk w połowie lat dwudziestych XX wieku na pokładzie Meteora. Aktualnie echosondowanie pozostaje kluczową metodą stosowaną przez naukowców do tworzenia batymetrycznych map dna morskiego. Przez ostatnie 30 lat naukowcy zajmujący się morzem używali sonaru wielowiązkowego, który może automatycznie tworzyć bardzo szczegółowe mapy konturowe dużych obszarów dna morskiego, gdy statek badawczy porusza się szybko (około 12 węzłów) po powierzchni oceanu. Obecnie istnieje wiele różnych typów sonarów, które pomagają uzyskać dane nie tylko o głębokości, ale także o strukturze dna oceanicznego, a nawet o prądach morskich i życiu w oceanie.

Echosondy jednowiązkowe i wielowiązkowe

Ze statku wysyła się impuls dźwiękowy, na podstawie którego głębokość określa się poprzez podzielenie prędkości dźwięku (około 1500 metrów na sekundę) przez połowę czasu potrzebnego do zarejestrowania echa dna oceanicznego (połowę czasu, ponieważ całkowity obejmował odbicie echa od statku do dna morskiego i z powrotem). Były to wczesne systemy pomiaru głębokości w jednym punkcie, zwykle poniżej stępki statku – nazywano je echosondami jednowiązkowymi. W 1957 roku Marie Tharp i Bruce Charles Heezen stworzyli pierwszą trójwymiarową mapę fizjograficzną basenów oceanicznych. Wykorzystano do tego komputery, które dzięki możliwości dokonywania szybkich obliczeń dużych ilości danych ułatwiły stworzenie tej mapy. Spowodowało to tworzenie wizualizacji dna morskiego metodą cyfrową, gdzie zaczęto je odwzorowywać z dosyć dużą szczegółowością. To właśnie dzięki nim we współpracy z nowopowstałą organizacją NOAA stworzono pierwszą cyfrową mapę dna oceanicznego w 1970 roku na podstawie rejestrowania dźwięków hydroakustycznych (od metod sonarowych i lidarowych po wysokościomierze). Coraz bardziej powszechne było mapowanie batymetryczne wielu wiązek, które od pojedynczych różniły się tym, że dźwięk jest przenoszony poniżej i na boki statku, dzięki czemu było możliwe uzyskanie pełnego obrazu dna oceanicznego, a nie jedynie pojedynczych punktów, jak w przypadku echosond jednowiązkowych. Dodatkowo, uzyskane pomiary były automatycznie rejestrowane na komputerze i przetwarzane w taki sposób, że mogły być zapisane w formie mapy.

System SONAR w rejestracji dźwięków z oceanu

Przy pomocy systemu SONAR wykorzystywanego przez NOAA począwszy od 1991 roku dokonano rejestracji 6 niezidentyfikowanych dotąd dźwięków o bardzo niskiej częstotliwości: Upsweep, Bloop, Julia, Train, Whistle i SlowDown. Niniejszej rejestracji dokonano przy pomocy zdemobilizowanego systemu wojskowego SOSUS (Sound Surveillance System), który jest specjalnym systemem obserwacji akustycznej - dokonuje jej przy pomocy sensorów pasywnych. Urządzenie to potrafi rejestrować dźwięki z wielkich przestrzeni oceanicznych. Początkowo wykorzystywany był do namierzania radzieckich okrętów podwodnych, jednak z czasem zmieniono je w narzędzie pomiarowe do badania dna oceanu wykorzystując zasięg sonarowy. Również w późniejszych latach niezidentyfikowane dźwięki zostały zarejestrowane w ramach Projektu Monitoringu Akustycznego Programu VENTS (The Acoustic Monitoring Project of the VENTS Program), który zaczęto prowadzić od sierpnia 1991 roku przy użyciu sieci Systemu Kontroli Dźwiękowej Amerykańskiej Marynarki Wojennej oraz podwodnych hydroskopów.

Warto podkreślić, że zasięg sonarowego rozpoznania oceanicznego obejmuje mniej niż 1% obszaru dna oceanów, zaś pełne pokrycie ich hydrofonami, do którego niestety jest jeszcze bardzo daleko, pozwoliłoby wyjaśnić liczne zagadki (nie tylko zaginione wraki czy samoloty, ale również niezidentyfikowane dźwięki, których źródło można byłoby wtedy znacznie łatwiej ustalić). Ponadto udałoby się w znacznie większym stopniu eksplorować dno oceaniczne, zgłębić życie wielu gatunków morskich czy zaobserwować inne zjawiska, jak erupcje podwodnych wulkanów czy tarcie płyt tektonicznych.

Niestety system ten ma również poważną wadę, jaką jest wzrost poziomu hałasu w oceanach. Przyczynia się to do dezorientacji zwierząt morskich posługującymi się falami akustycznymi do nawigacji czy komunikacją z innymi osobnikami, co zakłóca ich naturalny cykl życia (nie wspominając już o tym, że technologia sonarowa może spowodować uszkodzenie słuchu). To wszystko sprawia, że chociaż aktualnie jest to najskuteczniejsza metoda pomiarowa, należałoby szukać alternatywnych rozwiązań, które będą równie skuteczne czy nawet lepsze.

Wykorzystanie sonarów przez marynarkę wojenną

Oceany zawsze odgrywały dużą rolę w wojnach. Statki transportowały armie i zaopatrzenie, blokowały porty, oblegały miasta i atakowały wrogie statki, robiąc to samo. Ale wojna secesyjna pomogła wystrzelić nową, ukrytą broń morską, która stała się powszechna w okrętach podwodnych XX wieku. Aby zwalczyć to nowe zagrożenie, przywódcy marynarki wojennej zdali sobie sprawę, że mogą wykrywać okręty podwodne przy pomocy dźwięku przenoszonego przez wodę. Wojsko opracowało również inne narzędzia, które również okazały się przydatne dla oceanografów, takie jak magnetometr, który mierzy pola magnetyczne. Marynarka wojenna używa go do wykrywania dużych metalowych kadłubów okrętów podwodnych (z kolei oceanografowie używają go do poznawania właściwości magnetycznych skał dna morskiego). Ponadto oprócz namierzania wrogich okrętów, statków i łodzi podwodnych, sonary umożliwiają także wykrywanie zatopionych obiektów, takich jak torpedy czy miny morskie wraz z dokładnym określeniem ich lokalizacji, wielkości i głębokości, na jakiej się znajdują, co pomaga w podjęciu odpowiednich działań.

Chociaż często mówi się o wojnach prowadzonych na lądzie, bardzo często podejmowane są różne manewry militarne, testy czy atak na wrogie okręty na terenie mórz i oceanów. System SONAR pomaga w śledzeniu wrogich okrętów, obserwacji podejmowanych przez nie działań czy nawet w dokładnym określaniu odległości, co pomaga na przykład w celnym wystrzeleniu torpedy lub pocisku. Najczęściej podwodne okręty pozostają ukryte w głębinach i starają się podpłynąć do wroga tak blisko, jak tylko się da bez wykrycia aktywnym sonarem, jednak zdarzają się błędy – dlatego tak istotne jest zastosowanie systemu sonarowego również w samoobronie: często ten, kto trafi celniej pociskiem i szybciej zyskuje przewagę (ale najczęściej preferuje się wykonanie ataku z ukrycia wykorzystując nieprzejrzystość oceanów, aby atak nie został wykryty z powietrza przez samoloty czy drony wroga). Brak wynurzenia okrętu i pozostanie w ukryciu w oceanicznych głębinach chroni je również przed wykryciem radarami.

Wykrycie samolotem jest możliwe dzięki specjalnym bojom sonarowym zrzucanym z powietrza do oceanu. Mowa tu oczywiście o AN/SSQ-125 zrzucanych z pokładu śmigłowców MH-60 Seahawk, samolotów P-3 lub P-8 czy wystrzeliwane z okrętów podwodnych, zaczynają rozkładać się uwalniając ukryty w nich nadajnik znajdujący się na powierzchni wody oraz podwodny punkt nasłuchowy zawierający aż 40 hydrofonów w kształcie pięciokątów. Generują one dźwięki poprzez detonację swoich ładunków wybuchowych (w starszych wersjach) albo z generowanej fali akustycznej (w nowszych modelach). Takie informacje trafiają do okrętów i samolotów odpowiedzialnych za przeszukiwanie ogromnych odległości, co pomaga w podejmowaniu szybkiej reakcji na doniesienia o wrogich okrętach podwodnych. Warto wspomnieć, że gdyby nie boje sonarowe, samoloty nie byłyby w stanie skutecznie wykrywać wrogich okrętów z powietrza (tak zaawansowana jest aktualna technologia marynarki wojennej).

Wykorzystanie sonaru do lokalizowania i unicestwiania miny morskiej:

Oryginalny dźwięk z sonaru łodzi podwodnej podczas II Wojny Światowej:

Wykorzystanie sonarów w rybołówstwie i wędkarstwie

System sonarowy używany jest także w rybołówstwie, a także… w wędkarstwie. W obu tych przypadkach ma on za zadanie zlokalizowanie ławic ryb, określenie ich liczebności i odległości, a nawet wielkości ryb, co zwiększa skuteczność połowu. Zazwyczaj wykorzystuje się tutaj sonary przeznaczone do pracy na płytkich wodach (zazwyczaj do 200 m głębokości). Również różnią się one wyglądem od sonarów wojskowych czy wykorzystywanych w badaniach oceanograficznych czy oceanologicznych. Są one również znacznie mniejsze i tańsze. Cenione są zwłaszcza przez pasjonatów, w tym biorących udział w zawodach wędkarskich. Nieco większe modele, niż do użytku personalnego wykorzystuje się w rybołówstwie na kutrach rybackich, co znacząco skraca czas pracy przy jednoczesnym zwiększeniu efektywności połowu.

Dodatkowe źródła dla zainteresowanych:

1.https://oceanexplorer.noaa.gov/technology/sonar/sonar.html
2.https://www.kofama.pl/doc/Opis-Dzia%C5%82ania-Systemu-Sonar.pdf
3.https://deepersonar.com/pl/pl_pl/jak-to-dziala/jak-dziala-sonar
4.https://deepersonar.com/pl/pl_pl/jak-to-dziala/jak-czytac-ekran-echosondy
5.https://www.gospodarkamorska.pl/system-sonarowy-dzialajacy-nad-powierzchnia-wody-55923
6.https://echoson.eu/historia-ultrasonografii/
7.https://divediscover.whoi.edu/archives/tools/sonar-singlebeam.html
8.https://divediscover.whoi.edu/history-of-oceanography/the-oceans-as-battlefield-the-development-of-sonar/
9.https://www.valeport.co.uk/product-news/hydrographic-survey-applications-product-range/?gclid=CjwKCAiAy_CcBhBeEiwAcoMRHH-R-tTM-3hSQArjBmNsJiyku-quJwayfluzntdPBAA2G7CTc0F7ARoCg_MQAvD_BwE
10.https://www.researchgate.net/figure/Passive-and-active-SONAR-for-submarine-detection-Passive-the-submarine-on-the-right_fig12_302546326
11.https://dosits.org/people-and-sound/examine-the-earth/map-the-sea-floor/
12.https://exploration.marinersmuseum.org/object/sonar/
13.https://www.marineinsight.com/tech/11-technologies-that-are-used-to-study-and-understand-oceans/
14.https://me.engin.umich.edu/news-events/news/mining-soundwaves-researchers-unlock-new-data-sonar-signals/
15.https://marinescience23.weebly.com/quest-5-ocean--coasts-multibeam-sonar.html
16.https://www.republicworld.com/world-news/us-news/us-navy-sonar-could-be-behind-increased-whale-beachings-in-pacific-study.html
17.https://www.usgs.gov/media/images/split-beam-ek60-sonar-image-bubbles
18.https://www.chip.pl/2022/01/polowanie-na-okrety-podwodne
19.https://polska-zbrojna.pl/home/articleshow/34953?t=Cel-namierzyc-okret-podwodny
20.https://www.hydro-international.com/content/article/teaming-up-for-multibeam-echo-sounder-and-sonar-solutions
21.https://gdmissionsystems.ca/anti-submarine-warfare/hull-mounted-sonar
22.https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1574954121002363
23.https://www.militaryaerospace.com/computers/article/16713903/lockheed-martin-nets-big-contract-to-continue-upgrading-submarine-sonar-signal-processing
24.https://www.boats.com/on-the-water/sonar-smack-down-traditional-fishfinder-vs-down-looking-scanner-imager-vs-chirp/
25.http://escort-technology.com/pl/wielowiazkowy-sonarowy-system-rybacki-wassp/
26.https://wiadomosciwedkarskie.com.pl/artykul/boczny-sonar--interpretacja/651771
27.http://www.gprsystem.pl/pl/metoda-sonarowa,10055

Dzidki, zapewne co najmniej część z Was słyszała o niewielkich statkach podwodnych przeznaczonych do badań głębinowych zwanych batyskafami. Są one wyposażone we własny napęd, co umożliwia im schodzenie na duże głębokości i składa się z dwóch głównych części, które obejmują kabinę załogi oraz zbiorniki balastowe i systemy pływaków, które umożliwiają im zanurzanie oraz wynurzanie się z dużych głębokości oraz wykonywanie manewrów pionowych. Z kolei za manewry poziome odpowiedzialne są silniki elektryczne oraz pędnik, zaś zasilane są dzięki bateriom akumulatorów. To najlepszy znany sposób na dostanie się na duże głębokości – między innymi to właśnie dzięki batyskafom ludzie zeszli na dno słynnego Rowu Mariańskiego oraz wiele innych punktów o dużej głębokości. Co ciekawe, na powierzchni Księżyca stanęło już więcej osób, niż dostało się na dno wspomnianego powyżej rowu oceanicznego (jedynie 3 osoby dokonały zanurzenia zakończonego sukcesem). Oczywiście batyskafów jest tak wiele, że wymienię tylko te najistotniejsze historycznie, które odegrały ogromną rolę w badaniach oceanograficznych czy misjach wojskowych (zwłaszcza, że aktualnie jest również wiele komercyjnych batyskafów zdolnych do nurkowania na niewielkie głębokości – nawet niektórzy prezydenci posiadają własne). Czym dokładnie są batyskafy i… co wspólnego mają z balonami stratosferycznymi?

Przed batyskafami były batysfery

Jeszcze przed wynalezieniem batyskafu do badań głębin oceanu wykorzystywano batysferę, czyli kulistą kapsułę wykonaną z grubej warstwy stali mieszczącej zazwyczaj od 1 do 2 pasażerów. Było to pierwsze na świecie urządzenie służące do dokładnego badania głębin morskich z ludźmi na pokładzie (kiedyś jedyną możliwością było opuszczanie lin z obciążeniem, które pomagały na pomiar głębokości, jak chociażby ze słynnej wyprawy statku H.M.S. Challenger dookoła świata w celu dokonania pierwszych pomiarów dna morskiego w historii). Nie posiadała ona własnego napędu, dlatego też była spuszczana po linie lub na łańcuchu z pokładu statku. Wyposażone były w oświetlenie elektryczne i system telefonicznej komunikacji z załogą statku. Ze względu na brak napędu, nie posiadała możliwości manewrowania – w celu przemieszczenia batysfery należało ją wciągnąć na pokład, przemieścić statek i opuścić raz jeszcze w celu obserwacji dna morskiego. Pierwsza batysfera została skonstruowana w latach 1929-1930 przez biologa Williama Beebe oraz inżyniera Otisa Bartona – miała ona zaledwie 144 cm średnicy i była wyposażona w dwa okna wykonane ze szkła kwarcowego. Twórcy zeszli nią po raz pierwszy na dno dnia 6 czerwca 1930 roku w pobliżu Bermudów opuszczając się na głębokość 240 m – próba zakończyła się sukcesem. Druga miała miejsce 15 sierpnia 1934 roku w tej samej lokalizacji, gdzie została opuszczona na głębokość 923 m, zaś trzecia w 1949 roku na głębokość 1372 m. Odnotowano duże niebezpieczeństwo związane z gwałtownym naprężeniem liny utrzymującej, której pęknięcie skutkowało śmiercią pasażerów, zaś ruchy wahadłowe i obroty opuszczanej batysfery utrudniały obserwację oceanicznych głębin, toteż dosyć szybko zostały wyparte z użytku na rzecz batyskafów.

Fizyk August Piccard i pierwszy batyskaf

Pierwszy batyskaf został opracowany przez Augusta Piccarda, wybitnego szwajcarskiego fizyka, badacza i wynalazcę, który w latach 1946-1948 w Belgii zbudował wraz z zespołem F.N.R.S.-2, czyli pierwszą niedużą łódź podwodną zdolną do głębokiego zanurzenia, zaś jej kabina miała kształt kuli, który został odlany ze stali wysokiej jakości (w późniejszych batyskafach stosowano już kabiny kłute). Musiała wytrzymać ciśnienie wynikające z zanudzenia na dużej głębokości wynoszące max. 120 MPa, czyli 1,20 T/cm². Ze względu na trudności technologiczne oraz dużą wagę, kabiny batyskafów nie są w stanie pomieścić więcej, niż 2-3 osoby zarazem zapewniając im odpowiednie warunki do funkcjonowania. Często buduje się jak najmniejsze, aby zapewnić im odpowiednie zanurzenie. Projekt batyskafu już wtedy zawierał starannie dopracowany system pływaków (których wymiary były znacznie większe, niż kabiny) mających zwiększyć wyporność statku dzięki temu, że były one wypełnione benzyną zapewniającą dodatnią pływalność oraz przeciwdziałać zgnieceniu przez ciśnienie wody (benzyna to ciecz nieściśliwa, dzięki czemu nie powstaje różnica ciśnień pomiędzy pływakami i otaczającą je wodą, przez co ich konstrukcja nie musi być tak masywna, jak kabiny załogi). Z kolei zbiorniki z balastem umożliwiają pozbywanie się balastu bądź benzyny w sposób kontrolowany, dzięki czemu umożliwiają wykonywanie pionowych manewrów. Został wyposażony w oświetlenie, przyrządy kontrolne oraz sprzęt naukowy służący do wykonywania pomiarów na głębokości.

Co ciekawe, pierwszy koncept batyskafu Piccard opracował już w latach 30. XX wieku, jednak na tamte czasy był on nie do zrealizowania z przyczyn technologicznych, jednak wynalazca wykorzystał je do opracowania… pierwszego na świecie balonu stratosferycznego (o nazwie F.N.R.S.-1, przy pomocy którego fizyk osiągnął rekordową wysokość 15785 m), który służył do przeprowadzania badań zjawisk zachodzących w stratosferze i pomiarów promieniowania kosmicznego, których mógł dokonywać na wysokości od 20000 do 40000 m. Dlatego dopiero u schyłku lat 40. XX wieku August Piccard powrócił do pracy nad batyskafem finansowanym przez belgijski Narodowy Fundusz Badań Naukowych, który zakończył się sukcesem. Pierwsze testy przeprowadzone na wodach Wysp Zielonego Przylądka na Oceanie Atlantyckim znajdujących się ok. 450 km na zachód od zachodniego wybrzeża Afryki w1948 roku spowodowały uszkodzenie batyskafu F.N.R.S.-2 (którym wykonano zaledwie kilka próbnych zanurzeń – został uszkodzony pod wpływem ciśnienia, więc jego konstrukcja wymagała modyfikacji), w związku z czym został on naprawiony, przebudowany i przemianowany na F.N.R.S.-3, w którym dwóch francuskich żołnierzy wykonało pierwsze zakończone powodzeniem zanurzenie na głębokość 2100 m wraz z wynurzeniem.

Jako ciekawostkę odnośnie badań Piccarda i konstrukcji F.N.R.S.-1 warto również wspomnieć, że wykonał on przy jego pomocy jeszcze 23 loty stale go ulepszając osiągając rekordową w tamtych czasach wysokość 23000 m, zaś w 1936 roku nawiązał on współpracę z fabryką gumy w Sanoku należącą do Oskara Schmidta, która została wykonana do produkcji ulepszonej wersji balonu stratosferycznego, której wykonanie zrealizowano w Legionowie. Badania nad balonem przyczyniły się w dużej mierze do poprawy parametrów budowanych przez Piccarda batyskafów. Kontynuatorem badań nad konstrukcjami balonów stratosferycznych w późniejszych latach był wnuk wynalazcy – Bertrand Piccard.

Trieste - Drugi batyskaf Piccarda

Nieporozumienia z francuską marynarką, która była sponsorem realizacji projektów batyskafów F.R.N.S.-2 i F.R.N.S.-3 sprawiły, że fizyk zmienił niektóre rozwiązania konstrukcyjne i podpisał umowę z Włochami (kapsułę zasponsorowało przedsiębiorstwo Acciaierie Terni, zaś górną część statku pod nadzorem Piccarda wykonała firma Cantieri Riuniti dell’ Adriatico z siedzibą na Wolnym Terytorium Triestu – w późniejszych latach zwanego wolnym miastem Triest, co służyło za inspirację do nazwy najsłynniejszego batyskafu w dziejach ludzkości). W ten sposób w 1953 roku August Piccard opracował swój trzeci batyskaf – Trieste. Tym razem do budowy kabiny załogi wykorzystano stal z domieszką niklu, chromu i molibdenu. Nity zostały zastąpione klejeniem obu połówek w celu obniżenia masy kabiny, z kolei za balast robiły zbiorniki benzyny i śrutu.

Dnia 26 sierpnia 1953 roku nieopodal wyspy Capri na Morzu Śródziemnym nastąpiło pierwsze zanurzenie batyskafu Trieste, które wykonano na głębokość 3150m. W pobliżu wyspy dokonano wielu innych zanurzeń, gdzie w kabinie oprócz włoskiej załogi naprzemiennie znajdował się sam August Piccard, zaś pracę nadzorował syn wynalazcy – Jacques Piccard. Następnie batyskaf Trieste został wykupiony wraz z patentem w 1957 roku przez marynarkę United States Navy, po czym w 1958 roku dokonano wyposażenia go w zupełnie nową kabinę opracowaną w celu zejść do wielkich rowów oceanicznych. Głównej części batyskafu nie przebudowano, toteż zachował on swoją nazwę. To właśnie przy jego pomocy w 1960 roku dokonano pierwszego zejścia do najgłębszego punktu w Rowie Mariańskim. Co ciekawe, Trieste wykorzystywano później również do innych słynnych misji, jak chociażby poszukiwań zatopionego SSN-593, czyli USS „Thresher” w głębinach Oceanu Atlantyckiego. Jako ciekawostkę warto wspomnieć, że częściową makietę batyskafu Trieste wykonaną przez Augusta Piccarda można zobaczyć w Polsce – w muzeum wody Hydropolis znajdującym się we Wrocławiu.

Rola H.M.S. Challenger w mapowaniu dna oceanicznego i pomiarach Rowu Mariańskiego

W 1700 roku po raz pierwszy zaczęto wprowadzać metodę mierzenia linią obciążeniową głębokości na otwartym morzu i zaczęto nanosić wyniki na mapę. Uległo to zmianie dopiero w latach XIX wieku przez ekspedycję drewnianym statkiem H.M.S. Challenger pod służbą Royal Navy w latach 1872-1875 i była znana pod nazwą „Mountain in the Sea”. Cała ekspedycja trwała aż 1000 dni – w tym czasie statek przemierzył 68 000 mil. Pomiaru już nie dokonywano ręcznie, lecz przy pomocy wciągarki, dzięki której możliwe było wykonywanie pomiaru znacznie większych głębokości w o wiele krótszym czasie. Jednak minusem była jedna głębokość na raz, dlatego metoda ta była dosyć wolna. Podczas całej ekspedycji zebrano dane aż z 362 stacji oceanograficznych (dokonano wtedy nie tylko pomiaru głębokości, ale również temperatury, stanu chemicznego wody, osadów głębinowych i prądów morskich). Dane zebrane podczas ekspedycji opublikowano aż w 50 tomach liczących sobie 29500 stron, zaś dokładne opracowanie wyników z wyprawy zajęło 23 lata. To właśnie podczas tej słynnej ekspedycji „Mountain in the Sea” dokonano pierwszego pomiaru głębokości Rowu Mariańskiego, w tym najgłębszy jego punkt nazwano na część statku Głębią Challengera (jako ciekawostkę należy dodać, że na część okrętu wiele lat później nazwano także wahadłowiec kosmiczny Challenger, który wszedł do użytku w 1983 roku). Dokonano dwóch pomiarów przy pomocy tzw. ołowianki, czyli inaczej sondy ręcznej. Głębokość miejsca określono na 4475 sążni (czyli 8184 m). W 1912 roku dokonano korekty na podstawie spisanych tomów z pomiarami – John Murray ocenił tę głębokość na 9636 m. Dopiero w 1951 roku dokonano kolejnej korekty pomiaru głębokości Głębi Challengera z pokładu statku Challenger (rok po słynnym zanurzeniu batyskafu Trieste w Rowie Mariańskim), która wynosiła 10912 m.

Zejście batyskafu Trieste do Rowu Mariańskiego

W listopadzie 1959 roku rozpoczęto Projekt Nekton, którego celem było zbadanie głębin Rowu Mariańskiego. Dnia 23 stycznia 1960 roku miało miejsce przełomowe wydarzenie – pierwsze zejście zaprojektowanego przez Augusta Piccarda batyskafu Trieste do Głębi Challengera w Rowie Mariańskim znajdującym się w Oceanie Pacyficznym. Jednym z członków dwuosobowej załogi kapsuły batyskafu był syn fizyka, Jacques Piccard, który później będzie kontynuatorem badań prowadzonych przez swojego ojca (podczas badania Rowu Mariańskiego dokonywał zejścia dwukrotnie na pokładzie kapsuły, a podczas każdego zanurzenia dokonanego w 1960 roku uczestniczył przy badaniach naukowych i monitorowaniu zanurzeń pozostałych naukowców U.S. Navy). Drugim członkiem załogi kapsuły batyskafu Trieste podczas pierwszego zejścia jako towarzysz syna wynalazcy był oficer marynarki Stanów Zjednoczonych, Donald Walsh. Chociaż aparatura wykazywała wtedy głębokość 11521 m, po wynurzeniu dokonano korekty na 10916 m (później dokonywane pomiary wykazywały, że głębokość wynosiła w rzeczywistości niewiele ponad 10912 m – więc przy pierwszym pomiarze pomylili się o całe 4 m głębokości na korzyść słynnego zanurzenia, ale był to błąd aparatury). Samo zanurzenie kapsuły zajęło ponad 9 godzin, przy czym syn Piccarda i Walsh na dnie Rowu Mariańskiego spędzili jedynie około 20 minut, gdzie nawiązano kontakt ze statkiem na powierzchni. Co ciekawe, przesłanie dźwięku z sonaru wynosiła aż 7 sekund w jedną stronę (wbrew pozorom to bardzo dużo). Temperatura wewnątrz kabiny batyskafu wynosiła 7ºC. Warto wspomnieć, że było to pierwsze zejście na dno głębi Challengera i podczas wykonywanych przy pomocy batyskafu Trieste jedyne na największą głębokość – pozostałe były już płytsze.

Batyskaf Archimedes

Kolejnym bardziej znanym batyskafem był Archimedes, którego budowa została rozpoczęła się w 1958 roku w Tulonie (inspirowana sukcesami F.R.N.S.-3). Konstrukcję zrealizowano według projektów stworzonych w 1955 roku przez komandora Georges’a Houot’a i inżyniera morskiego Pierre'a Willm’a. Z początku szacowano, że ten batyskaf będzie w stanie osiągnąć głębokość do 11000 m, jednak pierwsze zanurzenie mające miejsce 28 lipca 1961 roku nastąpiły pierwsze testy na Morzu Śródziemnym, które zakończyły się powodzeniem. Jednak dnia 15 lipca 1962 roku zweryfikowało założenia dotyczące możliwości batyskafu – pierwsze zanurzenie w Rowie Kurylskim znajdującym się nieopodal północnej części Japonii wynosiło 9200 m i trwało 3 godziny, zaś maksymalnie osiągnięto głębokość nieprzekraczającą 9500 m w tym samym miejscu. Batyskaf Archimedes był przez wiele lat wykorzystywany do badań naukowych w oceanicznych głębinach dzięki znacznie szybszemu nurkowaniu, niż w przypadku Trieste, jednak nie potrafił osiągać aż tak imponujących głębokości ze względu na znaczne różnice konstrukcyjne. W latach 1962-1974 przy pomocy Archimedesa wykonano aż 226 zanurzeń operacyjnych. Ostatnim z nich była operacja FAMOUS.

Batyskaf Trieste II

W 1964 roku dokonano poprawek i znacznych zmian konstrukcyjnych w uszkodzonym batyskafie Trieste i przechrzczono go na Trieste II. Zmian dokonała marynarka U. S. Navy – już bez udziału Augusta Piccarda i jego syna bazując na wykupionych patentach. Batyskaf wraca do służby dnia 1 czerwca 1964 roku, jednak osiąga bardzo słabe wyniki, przez co marynarka decyduje się zarówno na wymianę kabiny, jak i pływaków tym samym stając się największym skonstruowanym batyskafem w historii o wyporności aż 300 ton… który również nie był w stanie powtórzyć sukcesów pierwszego batyskafu i był w stanie zejść na głębokość jedynie 6000 m. Zaczął być używany jedynie do potrzeb amerykańskiej marynarki wojennej. W 1970 roku przechodzi generalny remont i zmienia nazwę na DSV-1 (trzecia wersja Trieste) należący do grupy okrętów podwodnych SUBDEVGRU 1, dzięki któremu w 1972 roku wydobyto film znajdujący się w zatopionym w oceanie satelicie szpiegowskim KH-2 znajdującym się na głębokości prawie 5000 m. Swoje najgłębsze zanurzenie wykonał w 1973 roku w Rowie Kajmańskim na Oceanie Atlantyckim znajdującym się na środku Morza Karaibskiego – 6060 m. Wycofany ze służby w 1980 roku. Warto tutaj wspomnieć, że dwie pierwsze wersje Trieste wykonały łącznie 50 misji naukowych, zaś te przeprowadzane przy pomocy DSV-1 miały wyłącznie charakter wojskowy.

Zejście Jamesa Camerona do Rowu Mariańskiego

Współfinansująca wyprawę na dno Rowu Mariańskiego do Głębi Challengera w 2012 roku National Geographic Society zapowiedziała zejście Jamesa Camerona w batyskafie Deepsea Challenger (nazwany również na cześć statku H.M.S. Challenger), którego misją było pobranie próbek dna morskiego do badań naukowych. Sam batyskaf zbudowano w Australii. Kabinę pasażera wykonano z grubej stali odpornej na ekstremalnie wysokie ciśnienie, zaś resztę wykonano ze specjalnej pianki z mikrobąbelkami. Statek podwodny wyposażono w sprzęt do nawigacji, studio telewizyjne do emitowania obrazu z zanurzenia, światła o dalekim zasięgu oraz kamery 3D do zbierania nagrań. Sam James Cameron przez 7 lat pracował w tajemnicy nad konstrukcją pojazdu wraz z inżynierami. Wyprawa odbyła się dnia 26 marca 2012 roku i zakończyła się sukcesem – reżyser dotarł na głębokość 10898 m, zaś sam pobyt na dnie trwał aż 2 godziny i 36 minut (co było krótszym wynikiem, niż oczekiwano – zakładano pozostanie na dnie aż przez 6 godzin, jednak stan fizyczny Camerona nie pozwolił na dłuższy pobyt i konieczne było wcześniejsze wykonanie wynurzenia). Łódź została wyniesiona na pokład przy pomocy dźwigu. Jest to pierwsze solowe zejście na dno Rowu Mariańskiego.

Ekscentryk Victor Vescovo i Rów Mariański

Trzecią osobą, która zeszła załogowo na dno Rowu Mariańskiego był miliarder Victora Vescovo i załoga jego osobistego statku badawczego, DSSV Pressure Drop z najmniejszym batyskafem świata – Triton Submarines, którzy dokonali w zaledwie 10 miesięcy samodzielnie analizy największych głębin wszystkich pięciu oceanów (Spokojny, Atlantycki, Indyjski, Arktyczny, Południowy – według nowego podziału, bo według starego były tylko trzy), do których Vescovo zszedł osobiście w niewielkiej podwodnej kapsule. Swoją misję zakończyli we wrześniu 2019 roku. Na dno Rowu Mariańskiego Victor Vescovo zszedł dnia 13 maja 2019 roku osiągając głębokość 10928 m w Głębi Challengera. Podczas wszystkich eksploracji wykorzystano instrumenty batymetryczne, aby zmapować punkty, w których nurkował miliarder, na podstawie których sporządzono mapę obszaru odpowiadającego wielkością powierzchni Francji, z czego ponad połowa zbadanych przez niego terenów nigdy wcześniej nie była rejestrowana. Pomimo ekscentrycznego stylu życia, Victor Vescovo jako miłośnik oceanografii przysłużył się do rozwinięcia mapowania dna oceanu jak jeszcze żaden inny człowiek. Jest to również drugie w historii solowe zejście na dno Rowu Mariańskiego (swoją drogą, czy wam też Triton Submarines kształtem przypomina kartridża do konsoli?).

Najsłynniejsze zanurzenia batyskafów w wodach słodkich

Warto podkreślić, że zanurzenia na największą głębokość w wodach słodkich należą do rosyjskich batyskafów Mir-1 i Mir-2, które zeszły na dno Bajkału. Obie ekspedycje odbyły się równocześnie pod dowództwem Wladimira Fiałkowa w lipcu 2008 roku w okolicy Przylądka Iżmiej na dno jeziora Bajkał. Pierwszy z batyskafów, Mir-1, osiągnął głębokość 1580 m, zaś Mir-2 1592 m. Ekspedycje zawieszono na kilka dni ze względu na to, że batyskaf Mir-2 podczas wynurzania zderzyły się w wyniku wykonywanych ruchów wahadłowych ze znajdującą się nieopodal platformą statku. Z początkiem sierpnia 2008 roku Mir-2 zszedł ponownie na dno Bajkału osiągając tym razem głębokość 1680 m i ustanawiając tym samym rekordowe zanurzenie w wodach słodkich. Oba statki wykonały w sumie aż 160 zejść na dno jeziora w różnych jego miejscach dokonując pomiaru.

Najstarszy sprawny batyskaf – Alvin

Batyskaf Alvin skonstruowany w 1964 roku zgodnie z planem oceanografa Allyna Vine'a z Woods Hole Oceanographic Institution jest najstarszym w historii sprawnym batyskafem z największą ilością misji na koncie. Pierwszego zanurzenia dokonano w tym samym roku na głębokość 1829 m w pobliżu Wysp Galapagos, gdzie odbył najwięcej misji. Funkcjonował przez 58 lat. O ile większość batyskafów nie wytrzymywała 100 misji, Alvin wykonywał średnio 100 zanurzeń rocznie, a na swoim koncie dorobił się rekordowej liczby 5086 nurkowań. Największa osiągnięta przez niego głębokość miała miejsce w Rowie Portoryko na północ od San Juan, która wyniosła 6453 m. Batyskaf uczestniczył w wielu przełomowych misjach o charakterze naukowym i wojskowym, jak chociażby odegranie głównej roli w projekcie FAMOUS (French-American Mid-Ocean Undersea Study) w 1974 roku, który miał na celu weryfikację teorii tektoniki płyt czy też wykorzystanie Alvina do akcji wydobycia bomby wodorowej z głębokości 853 m u wybrzeży Hiszpanii, niedaleko osady Palomares w 1966 roku przez U. S. Navy.

Zejście japońskiego Kaikō i Nereusa do Rowu Mariańskiego

Obecnie, w związku z rozwojem robotyki, batyskafy są zastępowane przez zdalnie sterowane pojazdy podwodne o charakterze robotów (nie są one batyskafami). Warto wspomnieć, że na dno Rowu Mariańskiego do Głębi Challengera dnia 24 marca 1955 roku po raz pierwszy zszedł japoński, bezzałogowy, zdalnie sterowany robot Kaikō osiągając głębokość 10911 m, zaś w lutym 1996 roku zebrał próbki przy drugim zanurzeniu. Zaginął podczas tajfunu 29 marca 2003 roku i nigdy nie został odnaleziony. Kolejnym robotem bezzałogowym sterowanym zdalnie był Nerus z amerykańskiego Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI), który w 2009 roku dotarł na dno Rowu Mariańskiego do Głębi Challengera na głębokość 10902 m, gdzie pobrał próbki dna oceanicznego.

Dodatkowe źródła dla zainteresowanych:

Batysfera:
1.https://divingmuseum.org/artofabyss/bathysphere/
2.https://99percentinvisible.org/episode/bathysphere/
3.https://www.amusingplanet.com/2020/03/bathysphere-worlds-first-deep-sea.html
4.https://blog.biodiversitylibrary.org/2012/08/beebe-barton-and-bathysphere.html
5.https://www.wikiwand.com/pl/Batysfera

Batyskafy:
6.https://www.naszeszlaki.pl/archives/3923
7.https://pl.frwiki.wiki/wiki/Bathyscaphe
8.https://wynalazki.andrej.edu.pl/wynalazki/11-b/69-batyskaf
9.https://www.bluelife.pl/najstarszy-pojazd-podwodny-na-swiecie-nurkuje-na-6-453-metry-glebokosci/
10.https://naukawpolsce.pl/aktualnosci/news%2C363426%2Cbatyskaf-mir-2-osiagnal-maksymalna-glebokosc-bajkalu.html
11.https://www.bluelife.pl/najstarszy-pojazd-podwodny-na-swiecie-nurkuje-na-6-453-metry-glebokosci/
12.https://spidersweb.pl/2022/07/alvin-na-rekordowej-glebokosci.html

Rów Mariański:
13.https://www.smartage.pl/batyskaf-trieste-i-glebia-challengera/
14.https://polskieradio24.pl/39/156/artykul/2440724,wielka-glebia-%E2%80%93-podboj-dna-rowu-marianskiego
15.https://www.rp.pl/nowe-technologie/art13826851-wyprawa-na-dno-swiata
16.https://www.national-geographic.pl/artykul/do-dna
17.https://dobrewiadomosci.net.pl/31839-rekordowe-zanurzenie-na-dno-rowu-marianskiego-victor-vescovo-zdobywa-kolejna-glebine/
18.https://kopalniawiedzy.pl/Nereus-Row-Marianski,7671

H.M.S. Challenger i sondy ręczne:
19.https://oceanexplorer.noaa.gov/explorations/03mountains/background/challenger/challenger.html
20.https://oceanexplorer.noaa.gov/explorations/03mountains/welcome.html
21.https://divediscover.whoi.edu/history-of-oceanography/the-challenger-expedition/
22.http://facta-nautica.graptolite.net/corvettes/Challenger.html
23.http://ang.szczecin.uzs.gov.pl/oocmb_tyczka_do_sondowania_lub_sonda_reczna.htm

Dzidki, zapewne wielu z Was słyszało chociaż raz w życiu o obszarze określonym mianem Trójkąta Bermudzkiego (który jest bardzo luźno zdefiniowanym obszarem, który wcale nie ma kształtu trójkąta, a jego kształt jest nieregularny). Strefa ta znajdująca się na terenie Oceanu Atlantyckiego od lat przyciągała zarówno zwolenników teorii spiskowych i zjawisk paranormalnych, jak i naukowców czy meteorologów. Chociaż powstały liczne teorie, które w mniejszym czy większym stopniu miały uzasadnienie naukowe, nigdy jako przyczyny nie wskazano jednej z nich – w drugiej połowie XX wieku zaczęto dopuszczać możliwość, że przyczyną może być kilka odkryć w tym obszarze, które występują jednocześnie i wydarzyły się akurat w bardzo niekorzystnym czasie dla przepływających statków czy przelatujących samolotów.

Czym w ogóle jest Trójkąt Bermudzki?

Obszar zwany Trójkątem Bermudzkim (czy też inaczej Trójkątem Diabła) to obszar usytuowany na Oceanie Atlantyckim położony na północ od Karaibów – pomiędzy Bermudami, Portorico oraz południową częścią Florydy. Swoją nazwę zawdzięcza artykułowi opublikowanemu w 1952 roku w amerykańskim magazynie "Fate and Associate Press", w którym poruszano tajemnicze zniknięcia samolotów oraz statków, których przez długie lata nie odnaleziono. Ze względu na to, że naukowcom nie udało się ustalić jednoznacznych przyczyn ich zniknięcia doprowadziło to do zrodzenia legendy o Trójkącie Bermudzkim – pojawiły się nawet teorie spiskowe, jakoby statki i samoloty, które nie opuściły tego obszaru przenosiły się do innego wymiaru znajdującego się poza ziemią. W teorię tą wierzono aż do lat 80. XX wieku, kiedy to technologia stworzyła nowe możliwości, przy pomocy których znajdowano coraz więcej zatopionych wraków statków i pozostałości samolotów w tym obszarze. Pomimo identyfikacji coraz większej liczby obiektów, legendy o Trójkącie Bermudzkim tak silnie zakorzeniły się na całym świecie, że nadal powtarzano liczne teorie na jego temat. Powstawało coraz więcej publikacji, audycji radiowych i filmów, które powielały paranormalne opowieści o specyfice Trójkąta Bermudzkiego, że liczne mity są powtarzane aż po dzień dzisiejszy – mimo znacznego rozwoju technologii, dzięki którym znacząco zmniejszyła się liczba katastrof – również w tym obszarze. Poza innym wymiarem najczęściej pojawiały się opowieści o dziwnych komunikatach radiowych, statkach widmach, pola siłowego emanującego z zatopionego miasta - Atlantydy czy tajemniczych zniknięciach mimo „idealnych warunków pogodowych, sprawności sprzętu i bardzo doświadczonej załodze” – co z kolei powtarzało się w wielu historiach słynnych katastrof samolotów i statków mających miejsce w obrębie tego rejonu.

Szacuje się, że w obszarze Trójkąta Diabła od 1945 roku zaginęło około 2000 obiektów w postaci statków, łodzi i samolotów – co daje niewiele większą liczbę, niż w innych daleko położonych obszarach oceanu. Jedyną różnicą jest trochę krótszy czas pomiędzy zaginięciami, który usprawiedliwiono tym, że częstotliwość przelotów lub przepływania była znacznie większa, niż w innych rejonach Oceanu Atlantyckiego (ale statystycznie są to bardzo zbliżone procentowo liczby katastrof na ogólną ilość prób przebycia obszaru). Miało tutaj miejsce wiele słynnych katastrof, jak chociażby: Lot 19 mający miejsce 5 grudnia 1945 roku, zaginięcie statku węglowego USS Cyclops 4 marca 1918 roku, lot pasażerski Star Tiger w 1948 roku, zniknięcie 28 grudnia 1948 roku samolotu pasażerskiego Douglas DC-3, japońskiego frachtowca Raifuku Maru w 1925 roku, tankowca  Marine Sulphur Queen w 1963 roku czy też zniknięcie 17 stycznia 1949 roku samolotu pasażerskiego Star Ariel oraz wiele innych.

Teorie naukowe dotyczące specyfiki Trójkąta Bermudzkiego

Za klasykę badań sceptycznych wyjaśniających ciąg założeń dotyczący specyfikacji Diabelskiego Trójkąta uznawana jest książka Lawrence’a Kuschy’ego zatytułowana "Tajemnica Trójkąta Bermudzkiego - rozwiązane". To właśnie w niej autor obala liczne mity dotyczące bermudzkiej legendy po raz pierwszy dokonując przytoczenia w jednej publikacji wszystkich dotychczasowych badań nad tajemniczym obszarem i związanymi z nim katastrofami. To właśnie Kusche dokonuje po raz pierwszy porównań statystycznych zaginięć statków i samolotów w różnych częściach Oceanu Atlantyckiego, na podstawie których wynika, że nie liczby nie różnią się tak bardzo między sobą w obszarach daleko położonych od kontynentu o podobnej powierzchni. Dokonał również zbioru wyjaśnień przyczyn katastrof niektórych statków i samolotów na podstawie badań prowadzonych nad odnalezionymi wrakami. Co ciekawe, autor wskazał, że niektóre katastrofy przypisane Trójkątowi Bermudzkiemu w rzeczywistości położone były nawet kilkadziesiąt i więcej kilometrów za jego obszarem, jak wykazały dane geograficzne odnalezionych wraków. Autor przytacza również kilka naukowych teorii, które próbowały w racjonalny sposób wyjaśnić przyczyny zwiększonej nieznacznie liczby katastrof w tym miejscu.

Co może być przyczyną zatonięć w Trójkącie Bermudzkim?

Pierwsza z nich traktuje o sporadycznej erupcji metanu z podwodnych złóż klatratu metanu w rejonie Trójkąta Diabła, które znajdują się w tutejszych wodach o głębokości od 300 do 2000 metrów pod poziomem morza (warto podkreślić, że w określonych temperaturach może wytworzyć się klatrat metanu zwany także hydratem metanu). Zmiany ciśnienia oraz temperatury w tym obszarze umożliwiają ucieczkę metanu z kawałków hydratu. Może wytworzyć się duża ilość metanu i następuje erupcja, jeśli zmiany nastąpiły nagle w krótkich odstępach czasu, ale erupcję klatratu może wywołać także trzęsienie ziemi w regionach przybrzeżnych bądź przesunięcia płyt tektonicznych. Następnie metan w postaci gazowej unosi się na powierzchni wody w postaci wielu maleńkich bąbelków, przez co gęstość mieszaniny gaz-woda powstałej tym sposobem jest znacznie mniejsza, niż gęstość wody morskiej. Jaki to ma wpływ na statki przepływające w tym obszarze? A taki, że ze względu na mniejszą gęstość takiej mieszaniny następuje bardzo szybkie zatopienie okrętu – na tyle, że załoga nie zdąży nawet wykonać połączenia alarmowego, a statek opada pod powierzchnię morza w zaledwie kilka chwil liczonych dosłownie w minutach. Pod uwagę wzięto oczywiście także prąd zatokowy przechodzący przez Trójkąt Bermudzki, gigantyczne fale, jakie mają miejsce w tamtym obszarze czy po prostu… błąd załogi mający wynikać z pomyłek podczas nawigacji na otwartym morzu.

Jaka może być przyczyna katastrof lotniczych w Trójkącie Diabła?

W przypadku niektórych lotów, które pomyślnie, ale z trudnościami przeleciały przez Trójkąt Bermudzki, świadkowie zeznawali, że widzieli na niebie eksplozje lub duże skupisko niewielkich wyładowań. Piloci z kolei często twierdzili, że powstawały zakłócenia pracy silników lotniczych. I winny może być temu… też metan. O ile aby wywołać nieduże eksplozje zawartość metanu w powietrzu musiałaby mieć stężenie sięgające granicy około 5% (jest to dolna granica wybuchowości), co może również doprowadzić do eksplozji samolotu powstałej w wyniku kontaktu metanu z pracującym silnikiem maszyny, o tyle wystarczy jego niewielkie stężenie, aby spowodować zakłócenie pracy silników lotniczych. Warto tutaj podkreślić, że zawarty w powietrzu metan powoduje wzbogacenie mieszanki paliwowo-powietrznej, co skutkuje niestabilną pracą samolotów, a nawet może doprowadzić do awarii ich silników, przez co zaczynają opadać w dół i nie da się uruchomić sterowania awaryjnego. Do tego metan zmieszany z warstwami powietrza poniżej pokładu maszyny powoduje zmiany gęstości, co powoduje też pionowe ruchy mas powietrza, które z kolei mogą skutkować też pojawieniem się turbulencji maszyny, w wyniku których pilot może wykonać odruchowo manewr prowadzący do utraty sterowności i nagłego spadku wysokości samolotu. To właśnie dlatego samolot może spaść pod nienaturalnym kątem nabierając dużych prędkości, zanim wpadnie do oceanu. Jednak ze względu na specyfikę zjawiska i trudności w jego dokładnym zbadaniu nie ustalono jeszcze pewnej wersji i są to na razie rozważania w dużej mierze teoretyczne – wysunięte na podstawie zebranych dotychczas danych. Dopuszczano też jako przyczynę gwałtowne zmiany pogody mające miejsce w obszarze Trójkąta Bermudzkiego – jak nagłe burze czy silne wiatry, a nawet przechodzące tamtędy z rzadka trąby wodne (czyli takie tornada zasysające do wnętrza wodę – są one niższe od tych lądowych ze względu na duży ciężar wody, którego taka trąba nie jest w stanie w dużych ilościach unieść na większe wysokości, ale może to spowodować strącenie niżej lecącego samolotu czy tym bardziej nagle tracącego wysokość).

Anomalie magnetyczne i zakłócenia kompasów

Naukowcy nie pomijają również w swoich teoriach anomalii magnetycznych zachodzących w obrębie Diabelskiego Trójkąta. Według badań wpływają one na zaburzenie pracy kompasu, co utrudnia nawigację zarówno statków, jak i samolotów, a także może powodować zakłócenia sygnałów radiowych, co utrudnia kontakt ze stacjami nawigacyjnymi, a tym samym nie daje możliwości poinformowania o trudnych warunkach czy awarii. Na szczęście obowiązujące dzisiaj oficjalne mapy lotnicze ostrzegają przed nagłymi zaburzeniami pola magnetycznego na tym obszarze, co ułatwia pilotowanie samolotów lub w miarę szybką zmianę ich trajektorii lotu. Co ciekawe, Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych w ramach projektu "Magnes" prowadziła badania nad wpływem zaburzenia pola magnetycznego na współczesne projekty statków przez okres aż 20 lat i wysnuła wnioski, że nowoczesne projekty okrętów nie ulegają zaburzeniom pola (tym bardziej, że nie stosuje się już nawigacji tylko w postaci typowych kompasów, jak to miało miejsce dawniej, a jeśli już jest to jedynie nawigacja pomocnicza).

Konieczność dalszych badań nad Trójkątem Bermudzkim

Oczywiście badania nad ustaleniem dokładniejszych przyczyn poszczególnych katastrof nadal trwa – od lat 80. XX wieku wyławia się coraz więcej wraków i pozostałości, poddaje identyfikacji i analizuje dane w celu ustalenia dokładnych przyczyn dla każdej z nich. Wykazano również, że rozwój technologiczny od lat 70. XX wieku sprawił, że katastrofy w tym obszarze są już tak sporadyczne, że niemalże nie występują – a jeśli już, to póki co najczęstszą przyczyną jest właśnie metan uwalniany w trakcie podwodnych erupcji. Główną organizacją zajmującą się prowadzeniem badań nad Trójkątem Bermudzkim jest amerykańska agencja rządowa NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration).

Dodatkowe źródła dla zainteresowanych:

1.https://oceanservice.noaa.gov/facts/bermudatri.html
2.https://www.noaa.gov/
3.https://30a.com/bermuda-triangle/
4.https://www.space.com/bermuda-triangle-in-space.html
5.https://www.csmonitor.com/Science/2016/0316/Have-Norwegian-geologists-solved-the-mystery-of-the-Bermuda-Triangle
6.https://www.boaterexam.com/blog/bermuda-triangle-theories/
7.https://www.news9live.com/knowledge/bermuda-triangle-myth-or-truth-all-you-need-to-know-about-devils-triangle-207575
8.https://www.thetravel.com/20-things-wed-rather-not-know-about-flying-over-the-bermuda-triangle/
9.https://ciekawostkihistoryczne.pl/2022/01/10/tajemnica-trojkata-bermudzkiego/
10.https://ciekawostki.online/ciekawostki/723/o-trojkacie-bermudzkim/
11.https://londynek.net/czytelnia/article?jdnews_id=4589446
12.https://monster-evo.ru/pl/angel-hranitel/chto-vhodit-v-bermudskii-treugolnik-bermudskii-treugolnik-tainye/
13.https://oceanservice.noaa.gov/facts/waterspout.html

Dzidki, od razu mówię, że to chyba moja najdokładniejsza i najdłuższa do tej pory dzidka edukacyjna, której przygotowanie zajęło mi aż kilka dni, więc od razu ostrzegam poszukujących krótszej rozrywki, że materiału jest sporo (a jeśli kogoś interesuje ten niepozorny, ale nader interesujący temat, jakim jest mapowanie dna oceanicznego, życzę miłej lektury).

Jak pewnie wiecie, głębiny oceanów nadal pozostają najmniej zbadanymi obszarami naszego globu. Do tej pory wiele tajemnic głębin pozostało niewyjaśnionych. Przez wiele lat temat mapowania był traktowany mocno po macoszemu, ale niedawno zapowiedziano, że do 2030 roku ma powstać pełna mapa dna oceanicznego. Co ciekawe, badanie dna morskiego często przeprowadza się przy pomocy sonarów, czyli urządzeń, którymi wykryto tajemnicze dźwięki, jak Bloop, Upsweep, Julia, Slowdown, Whistle i Train. Ale nie do końca – nie używa się do tego tylko hydrofonów zamontowanych na stałe w danym punkcie, ale do ruchomego obiektu (do tego wykorzystuje się także inne metody uzupełniające, jak lasery, satelity czy drony podwodne, ale o tym szerzej dalej).

Może temat wyda się wielu z Was nudny na pierwszy rzut oka, ale to tylko wrażenie – im bardziej się w to wgłębiałam w ostatnich latach, tym bardziej mnie pasjonowało. Bo przecież chodzi w dużej mierze o wykorzystanie fal akustycznych oraz innych metod umożliwiających badanie obiektów, które znajdują się na głębinach (w tym też zatopionych ruin, łodzi podwodnych oraz statków). Coraz bardziej mnie to intrygowało i stawiałam coraz więcej pytań: Jak odróżniają dno od zatopionych statków czy od przepływających zwierząt? Czy da się zbadać dno Rowu Mariańskiego i sporządzić jego mapę? Jak zbadać najdalej wysunięte miejsce na oceanie, czyli Punkt Nemo? Czy jest możliwe sporządzenie dokładnej mapy dna morskiego wokół Antarktydy? I kiedy powstanie pełna mapa dna oceanicznego? W tej dzidce postaram się nakreślić najistotniejsze kwestie dotyczące eksplorowania i sporządzania map topograficznych dna morskiego.

Czym w ogóle jest to całe mapowanie dna oceanicznego i na czym polega?

Oceany pokrywają aż ok. 70% powierzchni całego globu, a mimo tego nie zostały jeszcze zbyt dokładnie zbadane – zwłaszcza ich najgłębsze lub najdalej oddalone punkty czy miejsca, w których występuje dużo wirów wodnych bądź są niezwykle niebezpieczne, jak chociażby znany wszystkim dobrze Trójkąt Bermudzki. Warto podkreślić, że badanie dna morskiego i sporządzanie map przechodziło długą drogę – ustalono już na podstawie ponowienia części pomiarów, że błąd w samej głębokości niektórych miejsc zbadanych 20 lat temu może różnić się nawet o 1000 metrów. Dlatego też nie tylko konieczne jest zbadanie nieznanych dotąd obszarów, ale również ponowienie badań w już odkrytych punktach w celu sporządzenia bardziej szczegółowych map i skorygowania głębokości. Również obiekty mniejsze, niż kilkaset metrów okazały się niewidoczne na starych mapach – dlatego nowy program do mapowania dna morskiego ma na celu poprawę już istniejących i stworzenie całkiem nowych map w obszarach jeszcze nie zbadanych.

Mapowanie dna morskiego (inaczej obrazowanie dna morskiego) polega na pomiarze głębokości w danym akwenie – wykonywane w nich pomiary batymetryczne prowadzone są różnymi metodami (od technik sonarowych i lidarowych, po boje i wysokościomierze satelitarne). Do wykonywania map dna morskiego używa się głównie echosond (tzw. metoda sondowania echa), jednak w ostatnich latach nowe technologie rozwinęły się na tyle, że powstały nawet drony i bezzałogowe łodzie podwodne do skanowania dna oceanów. Oczywiście całe mapowanie odbywa się także z udziałem satelitów, które wspomagają monitorowanie dna oceanicznego oraz badają lodowce. Używa się także stałych podwodnych laboratoriów badawczych, hydrofonów oraz dokonuje pomiarów w głębinach przy pomocy batyskafów. Sejsmografy mają wykrywać podziemne próby jądrowe, anteny infradźwiękowe - eksplozje w atmosferze, stacje hydroakustyczne - podwodne testy, zaś zadaniem detektorów gamma jest namierzanie nawet niewielkiego stężenia w powietrzu cząstek radioaktywnych (tutaj warto wspomnieć, że śledziły one między innymi wędrówkę substancji uwolnionych podczas awarii elektrowni Fukushima Daiichi, zaś wcześniej wszczęły alarm po próbach atomowych przeprowadzonych przez Koreę Północną w 2006 oraz 2009 roku). Detektory gamma wykrywają również takie promieniowanie w oceanach.

Trudność w mapowaniu dna morskiego polega na tym, że niemożliwe jest zbadanie większości przy pomocy kamer czy zdjęć satelitarnych. Do tej pory pomiaru dokonywano przy pomocy sonarów i zajmowały się tym głównie naukowcy z NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration – amerykańska agencja zajmująca się między innymi prognozowaniem pogody oraz ostrzeżeniami sztormowymi, a także innych zjawisk zachodzących w oceanach i atmosferze), ESA (European Space Agency – Europejska Agencja Kosmiczna, która przeprowadza monitorowanie dna oceanicznego w oparciu o dane z satelity NASA Jason-1 i z satelity ESA CryoSat-2, którego głównym zadaniem jest badanie lodowców w regionach polarnych) oraz naukowcy z California's Scripps Institution of Oceanography (SIO). Od 2014 roku do programów badania dna oceanicznego przyłączyła się NASA, która wzięła aktywny udział poprzez program NASA Extreme Environment Mission Operations (NEEMO – nazwany tak od najdalej oddalonego od lądu Punktu Nemo).

Korzyści mapowania dna oceanicznego

Warto również podkreślić, że znajomość kształtu dna oceanicznego ma wiele zastosowań, jak chociażby zapewnienie bezpiecznej nawigacji, zarządzanie zasobami i modelowanie klimatu, a także wiele innych. Co ciekawe, wiele nowoczesnych sieci komunikacyjnych mogłoby nie istnieć, gdyby nie dokładnie zbadane dna oceanów – to właśnie tu przeprowadzono wiele podwodnych kabli będących podstawą cyfrowego systemu i Internetu na całym świecie. Również pod wodą przebiega wiele rur zapewniających transportowanie surowców (jak chociażby gazu – chyba każdy będzie kojarzył Nord Stream 2 z powodu niedawnych wydarzeń).  Wykonanie dokładnego mapowania pomoże również znacznie lepiej zrozumieć cyrkulację oceanów czy wzrostu poziomu morza, przewidzieć fale tsunami, a także stworzy możliwość dokładnego śledzenia zmian klimatycznych.

Mapowanie dna morskiego systemem LIDAR

Naukowcy do mapowania dna oceanicznego używają głównie echosond i systemu LIDAR (ang. Light Detection and Ranging) wyposażonego w urządzenia służące do wykonywania pomiaru przy pomocy światła laserowego i jego odbicia odbieranego przez specjalny czujnik, który dokonuje pomiarów hydrograficznych do głębokości 70 m, które montowane są w specjalnych samolotach dokonujących mapowania w obszarach z czystą i przejrzystą wodą. Statki wyposażone w echosondy wykorzystywane są do przesyłania fal dźwiękowych na dno oceanu, gdzie zostają one odbijane od dna oceanicznego z powrotem na statek i rejestrowane. Naukowcy do pomiaru wykorzystują czas, w którym fala dźwiękowa odbija się od dna do statku, aby zmierzyć głębokość każdej części oceanu. LIDAR mierzy czas potrzebny, aby światło odbijało się od samolotu. Chociaż ta metoda ma ograniczone zastosowanie, pozwala naukowcom na mapowanie dużych odcinków dna oceanu.

Akustyczne mapowanie dna oceanicznego

Hydrofony (czyli inaczej mikrofony podwodne) stanowią część sieci globalnej zwanej IMS (International Monitoring System), której zadaniem jest rejestrowanie wszystkich, nie tylko podwodnych, testów broni atomowej. Całość systemu składa się z detektorów promieniowania gamma, sejsmografów, sprzętu do odbioru infradźwięków oraz aparatury hydroakustycznej. Na całym globie znajduje się obecnie ponad 300 takich urządzeń służących do monitorowania dna oceanu, co służy nie tylko do badań oceanograficznych i sejsmologicznych, ale również jest wykorzystywane w celach militarnych do śledzenia ruchów obcych sił. Co ciekawe, system IMS stworzono w celu przestrzegania jednego z najważniejszych międzynarodowych porozumień, czyli traktatu o całkowitym zakazie prób z bronią jądrową. Układ CTBT (Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty) został podpisany 24 września 1996 roku. Już wtedy respektowało go aż 156 krajów, jednak nie wszystkie chciały się przyłączyć argumentując, że zanim traktat wejdzie w życie, powinna najpierw zostać uruchomiona globalna sieć aparatury kontrolnej potrafiącej wykryć każdą próbę użycia broni atomowej niezależnie od tego, w którym miejscu na Ziemi została ona przeprowadzona – to właśnie w ten sposób utworzono stacje hydroakustyczne wyposażone w bardzo czułą aparaturę.

Satelitarne mapowania dna oceanów

Ocean można badać i eksplorować także z orbity Ziemi z wykorzystaniem satelitów. Misja CryoSat prowadzona przez ESA w 2014 roku została wykorzystana do stworzenia nowej mapy pola grawitacyjnego, ujawniającej tysiące wcześniej nieznanych morskich grzbietów, rowów oraz innych struktur oceanicznych. Nowe mapy dna oceanicznego odwzorowujące najsłabiej poznane części oceanów zawierają także wiele nieznanych dotąd informacji, które zmieniają spojrzenie na tematykę znanej do tej pory teorii formowania się i rozpadania kontynentów. Głównym zadaniem CryoSat jest wykonywanie precyzyjnych pomiarów wysokości globalnej pokrywy lodowej, co pomaga w zaobserwowaniu, jak w różnych sezonach oraz z powodu zmian klimatycznych zmienia się grubość lodu.

Stacje hydroakustyczne w badaniu oceanów

Wciąż rozbudowywana jest sieć stacji hydroakustycznych. Każda z nich składa się z sześciu niezwykle czułych hydrofonów ustawionych w taki sposób, żeby mogły zarejestrować dźwięki o niskich częstotliwościach, które docierają z odległości nawet tysięcy kilometrów (właśnie na takich stacjach NOAA od 1991 roku zaczęła rejestrować niezidentyfikowane dźwięki nieznanego pochodzenia, jak Upsweep, Bloop, Julia, Train, Whistle czy Slowdown). To pierwszy system globalnego monitoringu przeznaczony do wsłuchiwania się w dźwięki pochodzące oceanów. Ponadto infradźwięki, które informują o erupcjach wulkanów przydatne są także w badaniach zórz polarnych, burz i zjawisk magnetycznych w atmosferze. Aparatura hydroakustyczna potrafi również rozpoznać aktywność podwodnego wulkanu, powstanie nowej góry lodowej czy też przejście cyklonu przez konkretny obszar. Nastawione na niskie częstotliwości mikrofony potrafią też rejestrować odgłosy wielorybów (jak to było chociażby w przypadku niegdyś tajemniczego dźwięku Bioduck). Warto zaznaczyć również, że stworzenie jednej stacji hydroakustycznej to wydatek aż kilkudziesięciu milionów dolarów.

Sieć zaczęto rozbudowywać w latach 70. XX wieku od dwóch już istniejących stacji, które początkowo były wykorzystywane jedynie w celach militarnych, zaś od 1970 roku zostały zaadaptowane przez NOAA w celu prowadzenia badań dna oceanicznego. Jedną ze stacji hydroakustycznych zbudowali Amerykanie na pacyficznym atolu Wake, zaś drugą Brytyjczycy na wysepce Ascension, ulokowanej w sercu tropikalnego Atlantyku. Oba te kawałki lądu są zmilitaryzowane, pokryte poligonami, lotniskami i antenami – dane rejestrowane przez hydrofony trafiają do Wiednia, gdzie funkcjonuje cywilna centrala sieci monitoringowej NOAA. Kolejne hydrofony zainstalowano kolejno na: chilijskiej wyspie Robinson Crusoe położonej we wschodniej części południowego Pacyfiku (około 700 km od wybrzeży Ameryki Południowej), trzy stacje umieszczono na Oceanie Indyjskim - półwyspie Leeuwin w południowo-zachodniej Australii, na brytyjskim atolu Diego Garcia znajdującym się na środku oceanu kilka stopni poniżej równika, zaś ostatnia na francuskich Wyspach Crozeta (znajdujących się w odległości około 2000 km na południe od Madagaskaru).

Sejsmografy w badaniach dna oceanu

Warto także wspomnieć o roli sejsmografów w badaniu dna oceanicznego. Jak w ogóle mogą przyczynić się do takich badań? Chociaż wykorzystywane są do badania erupcji nie tylko na lądzie, ale i pod wodą, a także uszkodzeń spowodowanych przez eksplozje, warto zaznaczyć, że głównymi użytkownikami systemu sejsmografów są naukowcy (badają oni wybuchy podwodnych wulkanów, osuwanie się fragmentów gór lodowych, eksplozji, spadających do oceanów samolotów i satelitów, tonących statków uderzających o dno oceaniczne czy ocieranie się o siebie płyt tektonicznych oraz wiele innych). Ustalenie źródła dźwięku i kierunku jego pochodzenia pomaga nakierować w te miejsca statki wyposażone w ekosondy, co pomaga wykonać mapowanie i zarejestrowanie nowych zmian na danym obszarze w celu naniesienia ich na poprawioną mapę czy w przypadku obiektów – zbadanie ich z bliska przy pomocy batyskafu. Dane sejsmiczne trafiają również do centrów ostrzegania przed tsunami, żeby zapobiec katastrofom. Warto wspomnieć, że w wyniku działalności człowieka dno morskie zaczyna ulegać deformacji, przez co konieczne jest regularne przeprowadzanie badań oceanograficznych i sejsmograficznych w głębinach oceanu.

Historia obrazowania dna morskiego - Początki

Najwcześniejsze zarejestrowane metody pomiaru głębokości polegały na zastosowaniu linii obciążonych, jak wykazały badania archeologiczne z Egiptu – znaleziska szacuje się na okres ok. 1000 w. p. n. e. Metodę tą stosowano jedynie do pomiaru głębokości akwenu przez całe wieki (najczęściej jezior, rzek i wybrzeża). W 1700 roku po raz pierwszy zaczęto wprowadzać metodę mierzenia linią obciążeniową głębokości na otwartym morzu i zaczęto nanosić wyniki na mapę. Uległo to zmianie dopiero w latach XIX wieku przez ekspedycję drewnianym statkiem HMS Challenger w latach 1872-1875i była znana pod nazwą „Mountain in the Sea” i trwała aż 1000 dni – w tym czasie statek przemierzył 68 000 mil. Pomiaru już nie dokonywano ręcznie, lecz przy pomocy wciągarki, dzięki której możliwe było wykonywanie pomiaru znacznie większych głębokości w o wiele krótszym czasie. Jednak minusem była jedna głębokość na raz, dlatego metoda ta była dosyć wolna. Podczas całej ekspedycji zebrano dane aż z 362 stacji oceanograficznych (dokonano wtedy nie tylko pomiaru głębokości, ale również temperatury, stanu chemicznego wody, osadów głębinowych i prądów morskich). Dane zebrane podczas ekspedycji opublikowano aż w 50 tomach liczących sobie 29500 stron, zaś dokładne opracowanie wyników z wyprawy zajęło 23 lata. Jako ciekawostkę warto nadmienić, że miejsca pomiaru dokonywane podczas ekspedycji opisane w publikacjach naniesiono na mapę dna oceanicznego dopiero w 2003 roku.

Historia obrazowania dna morskiego – Echosondy jednowiązkowe

Na początku XX wieku mapowanie dna oceanu opierało się już na użyciu fal dźwiękowych wyprofilowanych w izobaty oraz wczesne mapy batymetryczne topografii szelfów, które pozwalały na dokładniejsze badania dna oceanicznego. Jednak warto zaznaczyć, że popełniano w nich wiele błędów przez złe określenie położenia geograficznego i nieprecyzyjne pomiary głębokości. Ze statku wysyłano impuls dźwiękowy, na podstawie którego głębokość określano poprzez podzielenie prędkości dźwięku (około 1500 metrów na sekundę) przez połowę czasu potrzebnego do zarejestrowania echa dna oceanicznego (połowę czasu, ponieważ całkowity obejmował odbicie echa od statku do dna morskiego i z powrotem). Były to wczesne systemy pomiaru głębokości w jednym punkcie, zwykle poniżej stępki statku – nazywano je echosondami jednowiązkowymi.

Historia obrazowania dna morskiego – Echosondy wielowiązkowe

Dopiero w 1957 roku Marie Tharp i Bruce Charles Heezen stworzyli pierwszą trójwymiarową mapę fizjograficzną basenów oceanicznych. Wykorzystano do tego komputery, które dzięki możliwości dokonywania szybkich obliczeń dużych ilości danych ułatwiły stworzenie tej mapy. Spowodowało to tworzenie wizualizacji dna morskiego metodą cyfrową, gdzie zaczęto je odwzorowywać z dosyć dużą szczegółowością. To właśnie dzięki nim we współpracy z nowopowstałą organizacją NOAA stworzono pierwszą cyfrową mapę dna oceanicznego w 1970 roku na podstawie rejestrowania dźwięków hydroakustycznych (od metod sonarowych i lidarowych po wysokościomierze). Coraz bardziej powszechne było mapowanie batymetryczne wielu wiązek, które od pojedynczych różniły się tym, że dźwięk jest przenoszony poniżej i na boki statku, dzięki czemu było możliwe uzyskanie pełnego obrazu dna oceanicznego, a nie jedynie pojedynczych punktów, jak w przypadku echosond jednowiązkowych. Dodatkowo, uzyskane pomiary były automatycznie rejestrowane na komputerze i przetwarzane w taki sposób, że mogły być zapisane w formie mapy.

Historia obrazowania dna morskiego – Batymetria laserowa

Dopiero pod koniec lat 70. XX wieku zaczęto prowadzić badanie dna oceanicznego z wysokości przy pomocy lotniczej batymetrii laserowej (ALB), która zapewniała obrazy o wyższej jakości i kolorze. Dzięki stałemu doskonaleniu metod i dużej ilości zebranych danych doprowadziło do wykreowania jednego z pierwszych kolorowych obrazów podwodnego środowiska tworzonych na komputerze. Dzięki pomiarom laserowym w 2013 roku opracowano nową międzynarodową mapę batymetryczną Oceanu Południowego (IBSCO). Cały proces trwał aż 5 lat. Mapa obejmuje 48 mln km². Obszar zmierzono aż do imponującej głębokości 7432 m (ten najgłębszy punkt jest zwany Głębią Factorian). Później rozszerzono pomiary również o obrazy z satelitów. Mapy dna oceanicznego wykonane na podstawie zdjęć satelitarnych można śledzić przy pomocy Google Earth z zaciszu swojego domu.

2G Robotics i mapowanie dna przy pomocy robota z laserem

W 2016 roku firma 2G Robotics dokonała przełomu w dziedzinie mapowania dna oceanicznego z wykorzystaniem robota typu ROV oraz zamontowanego na nim skanera laserowego ULS-500 służącego do skanowania dna oceanicznego. To właśnie w tym roku odbyły się testy praktyczne, gdzie przy pomocy wspomnianego robota pracownicy mapowali dno morskie Zatoki Monterey w Kalifornii metodą laserową, po czym automatycznie generowano na tyle dokładną mapę, że było na niej widać nawet pełzającego kraba. Skanery podwodne firmy 2G Robotics generują w czasie rzeczywistym modele 3D bardzo wysokiej rozdzielczości w rzeczywistej skali. Celem badania mogą być podwodne instalacje, wraki, organizmy i warunki danego otoczenia. Zastosowana technologia sprawia, że pozyskiwane dane są znacznie dokładniejsze, niż pozyskiwane są w oparciu o technologię bazującą na fotografii czy akustyce.

Projekt Seabed 2030 i wizja pełnej mapy dna oceanicznego

W 2017 roku powstał projekt Seabed 2030 mający na celu zmapowanie całego dna oceanicznego i udostępnianie danych dla Google Earth. Projekt powstał we współpracy The Nippon Foundation z GEBCO (General Batymetric Chart of the Oceans) i jest on częścią większej inicjatywy kierowanej przez ONZ, zwanej The Ocean Decade. O ile wcześniej nową metodą zmapowano jedynie 6% wszystkich oceanów, o tyle do końca 2021 roku było to już 19% (a dokładniej 14,5 mln m² dna oceanicznego, czyli niemalże dwukrotnie większa powierzchnia, niż wynosi terytorium Australii). W połączeniu z dotychczasowymi danymi ukazano szczegółowy obraz tysięcy podwodnych gór wznoszących się na kilometr lub więcej ponad dno oceanu, co umożliwiło również geofizyce nowe metody badania słabo poznanych czy niedostępnych basenów morskich, a nawet procesów, jakim jest chociażby rozrastanie się dna w rejonie grzbietu śródoceanicznego (inaczej spreading dna morskiego). Mapa została opisana w czasopiśmie „Science”.

Mówiąc o projekcie Seabed 2030 nie można również pominąć jego największego sponsora indywidualnego, jakim jest miliarder Victora Vescovo i załoga jego osobistego statku badawczego, DSSV Pressure Drop, którzy dokonali w zaledwie 10 miesięcy samodzielnie analizy największych głębin wszystkich pięciu największych oceanów Ziemi, do których Vescovo zszedł osobiście w niewielkiej podwodnej kapsule. Swoją misję zakończyli we wrześniu 2019 roku. Podczas eksploracji wykorzystano instrumenty batymetryczne, aby zmapować punkty, w których nurkował miliarder, na podstawie których sporządzono mapę obszaru odpowiadającego wielkością powierzchni Francji, z czego ponad połowa zbadanych przez niego terenów nigdy wcześniej nie była rejestrowana. Pomimo ekscentrycznego stylu życia, Victor Vescovo jako miłośnik oceanografii przysłużył się do rozwinięcia mapowania dna oceanu jak jeszcze żaden inny człowiek.

Terradepth i Abraham – Pierwsza autonomiczna łódź podwodna do mapowania

Ze względu na boom, jaki pojawił się w związku z konkurencją do mapowania dna oceanów, powstało wiele nowych technologii – w końcu stawką w grze jest stworzenie pierwszej pełnej mapy dna oceanicznego. Dlatego nic dziwnego, że coraz więcej firm czy organizacji przyłącza się do wyścigu, kto jako pierwszy tego dokona. Nie inaczej jest z firmą Terradepth z Teksasu, który opracował pierwszą autonomiczną, bezzałogową łódź podwodną Abraham napędzaną silnikiem Diesela zasilanego ogniwami wodorowymi, która ma na celu wykonywać samodzielnie obrazowanie dna morskiego aż przez 60 dni z rzędu ciągiem. Prototyp wkrótce rozpocznie testy w Zatoce Meksykańskiej, gdzie samodzielnie będzie zbierał dane, analizował je i na ich podstawie wyznaczał sobie nowe zadania, całkowicie bez udziału człowieka.

Drony podwodne w mapowaniu dna oceanicznego

Kolejnym zawodnikiem w wyścigu są podwodne drony, takie jak chociażby Orfeusz czy Salidrone wyposażone w kamery, które zostały stworzone w 2019 roku. Należący do NASA dron Orfeusz ma za zadanie poszukiwanie form życia w najgłębszych punktach oceanu, a przy okazji musi wykonywać mapowanie dna morskiego. Nie wiadomo, co tak naprawdę dzieje się w najgłębszych otchłaniach oceanu, szczególnie w strefie Hadal (której nazwa wywodzi się od Hadesa, greckiego boga świata podziemnego – stąd też analogicznie dronowi nadano nazwę Orfeusz, gdyż jego celem jest zejście do oceanicznego Hadesu), która zaczyna się od głębokości 6000 metrów. To właśnie w tej strefie występuje aż 45% wód oceanicznych, jednak ze względu na swoją głębokość nadal pozostaje ona tajemnicą. To właśnie do zbadania tych głębin został wyznaczony dron Orfeusz. Nie jest jeszcze znana dokładana data rozpoczęcia testów praktycznych na otwartych wodach.

Kolejnym zawodnikiem jest dron Salidrone zbudowany przez producenta dronów morskich Alameda. Jest to na razie największy bezzałogowy pojazd liczący sobie aż 22 metry długości, który posiada napęd wiatrowy i będzie wykonywał topografię dna morskiego bez zanurzania się dzięki wyposażeniu w sonar docierający do 7000 m głębokości. W założeniach producenta ma on nieprzerwanie wykonywać mapowanie dna przez okres 12 miesięcy. Został stworzony z myślą o misjach długoterminowych, których na celu jest badanie wpływu zmian dna morskiego na kształtowanie klimatu. Ma on dokonywać również pomiarów węgla w oceanie i analizę biomasy. Może on również zbierać DNA ze słupa wody. Testy rozpoczęto we wrześniu 2022 - zakończył się pomyślnie i uchwycił obraz z powierzchni morza z huraganu 4-tego stopnia Fiona.

Dodatkowe źródła dla zainteresowanych:

Mapowanie dna oceanicznego:

1.https://schmidtocean.org/cruise-log-post/seafloor-mapping-continues/
2.https://schmidtocean.org/cruise-log-post/the-ocean-havent-we-already-mapped-it/
3.https://schmidtocean.org/cruise-log-post/increasing-resolution/
4.https://csl.noaa.gov/groups/csl3/instruments/floe/programs.html
5.https://oceanx.org/
6.https://mlodytechnik.pl/technika/28989-czarne-dziury-oceanu
7.https://mlodytechnik.pl/news/22936-szczegolowa-mapy-dna-oceanow
8.https://divers24.pl/27207-mapowanie-dna-morskiego-z-wykorzystaniem-najnowszych-technologii/
9.https://mlodytechnik.pl/news/31051-ocean-poludniowy-nieco-mniej-tajemniczy-mamy-nowa-mape
10.https://pl.411answers.com/a/jakie-urzadzenie-sluzy-do-mapowania-dna-oceanu.html
11.https://geoforum.pl/news/18529/mapa-rzuca-nowe-swiatlo-na-dno-oceanow
12.https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmars.2019.00241/full
13.https://naukawpolsce.pl/aktualnosci/news%2C402127%2Cmapy-dna-morskiego---bogatsze-o-tysiace-gor.html
14.https://hmn.wiki/pl/Seafloor_mapping
15.https://centrumnauki.eu/o-dnie-oceanow-wiemy-niewiele/
16.https://www.pgi.gov.pl/gdansk/geologia-morza-i-wybrzeza/opracowania/6393-mapa-geologiczna-dna-baltyku.html
17.https://geekweek.interia.pl/nauka/news-naukowcy-zmapowali-dno-oceanu-poludniowego-wokol-antarktydy-,nId,6081941
18.https://www.bluelife.pl/rozpuszczanie-sie-dna-morskiego-spowodowane-zakwaszeniem-oceanow/
19.https://csl.noaa.gov/groups/csl3/instruments/floe/programs.html

HMS Challenger i Mountain in the Sea:

20.https://oceanexplorer.noaa.gov/explorations/03mountains/background/challenger/challenger.html
21.https://oceanexplorer.noaa.gov/explorations/03mountains/welcome.html
22.https://divediscover.whoi.edu/history-of-oceanography/the-challenger-expedition/
23.http://facta-nautica.graptolite.net/corvettes/Challenger.html

LIDAR:

24.https://oceanservice.noaa.gov/facts/lidar.html
25.https://www.deepreef.org/2009/10/01/lidar/
26.https://coast.noaa.gov/data/digitalcoast/pdf/lidar-101.pdf
27.https://www.researchgate.net/publication/331345622_Mapping_Ocean_Waves_using_LIDAR_Technology
28.https://hxgnspotlight.com/beneath-the-waves-promote-ocean-conservation-lidar-scanning/
29.http://ccom.unh.edu/theme/lidar

Seabed 2030:

30.https://www.portalmorski.pl/inne/45626-odwzorowano-juz-niemal-20-proc-dna-oceanow
31.https://www.gospodarkamorska.pl/rybolowstwo-globalna-mapa-dna-oceanow-powstaje-pomimo-kryzysu-50973
32.https://www.national-geographic.pl/artykul/do-2030-roku-ma-powstac-mapa-dna-wszystkich-oceanow
33.https://www.chip.pl/2022/07/mapowanie-dna-morskiego-seabed-2030

Satelity w badaniu dna morskiego i Google Earth:

34.https://earth.google.com/web/
35.https://gisplay.pl/nawigacja-satelitarna/4870-nowa-mapa-dna-oceanu.html
36.https://techno-senior.com/2019/09/23/eksploracja-oceanu-jest-mozliwa-z-domu-wystarczy-internet/
37.https://nauki-o-ziemi.narkive.pl/oaXZrmp4/co-to-za-podwodne-struktury-w-pobli-u-6-n-85-55-w

Terradepth i drony do mapowania dna oceanicznego:

38.https://spidersweb.pl/2021/06/terradepth-mapy-oceanow.html
39.https://businessinsider.com.pl/technologie/nauka/nasa-tesuje-podwodnego-drona-do-szukania-form-zycia/tekv5zx
40.https://www.bluelife.pl/14925-morski-dron/
41.https://www.saildrone.com/
42.https://www.saildrone.com/press-release/saildrone-video-hurricane-fiona
43.https://spidersweb.pl/2021/05/autonomiczne-drony-plywajace-saildrone.html

Dzidki, zapewne większość z Was co najmniej słyszała o czarnych dziurach znajdujących się w przestrzeni kosmicznej, ale czy wiedzieliście, że podobne zjawisko występuje na Ziemi? Chodzi oczywiście o różne wiry, ale to głównie wiry oceaniczne, które są matematycznymi odpowiednikami czarnych dziur. O niebezpieczeństwie związanym z wirami wodnymi pisali chociażby Juliusz Verne w swojej słynnej książce „20.000 mil podmorskiej żeglugi” czy też Edgar Allan Poe w „W bezdni Malstromu”. Co ciekawe, mają również ogromne znaczenie, jeśli chodzi o oczyszczanie wody w oceanach dzięki zachodzącemu w nich mechanizmowi.

Czym w ogóle są wiry wodne?

Wiry oceaniczne różnią się od siebie wielkością średnicy i niekiedy znikają po jakimś czasie z równie tajemniczych przyczyn, z jakich się pojawiły. To jest nie do końca zbadane zjawisko, które w przypadku większych wirów niesie ze sobą zbyt duże ryzyko, aby przeprowadzić dokładne badania (dlatego robi się to zazwyczaj na małych wirach, niezagrażających życiu człowieka). Średnica niektórych z nich sięga nawet 150 km długości i bez problemu mogą pochłonąć dziesiątki statków, które za bardzo się do nich zbliżą. W dodatku nic, co wpadnie do większego wiru nie może się z niego wydostać. Wiry mogą się przemieszczać po oceanie - pojawiły się nawet liczne wzmianki, że na Oceanie Południowym rozciągającym się od wybrzeża Antarktydy liczba wirów rośnie, co sprawia, że w kierunku północnym przesuwają się większe masy ciepłej, słonej wody. Badacze wysnuli teorię, że to zjawisko może łagodzić negatywny wpływ topniejących lodów z Bieguna Południowego, jednak nie oceniono całkowicie wpływu wirów na przebieg tego procesu – nadal prowadzone są badania w tym kierunku, ale ustalenie ich podobieństwa do czarnych dziur i istnienia czegoś na podobieństwo orbit grawitacyjnych w wirach wodnych pomogło w znacznym doprecyzowaniu tej teorii.

Ziemskie czarne dziury w oceanach

Współczesne badania wykazały, że w czarnej dziurze znajdującej się w przestrzeni kosmicznej krzywizna czasoprzestrzeni staje się nieskończona tak, jak i oddziaływanie siły grawitacji – jednak ciężko jest stwierdzić, co jest źródłem tego zjawiska. Podobnie w przypadku wirów wodnych, u których źródło nie jest do końca znane, ale występują różne teorie na temat przyczyn ich występowania. Wykazali to naukowcy ze Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii w Zurichu (ETH Zurich) i University of Miami, którzy doszli do takiego wniosku dzięki obserwacji większych wirów wodnych dzięki obrazom przesyłanym z satelitów. Tak dokładniej rozwiązanie problemu podobieństwa działania wirów wodnych i czarnych dziur w przestrzeni kosmicznej znaleźli George Haller (profesor dynamiki nieliniowej z ETC Zurich) oraz Francisco Beron-Vera (profesor oceanografii z University of Miami). Opublikowali oni pracę opisującą nową matematyczną technikę odnajdowania wirów o spójnych granicach w czasopiśmie „Journal of Fluid Mechanics”, gdzie zaznaczyli, że w oceanie jest niezwykle trudno odnaleźć spójną masę wody. Wszystko się porusza, dlatego zarówno z zewnątrz, jak i wewnątrz wir wygląda na niespójny oraz chaotyczny.

Profesorowie Haller i Beron-Vera dopiero na podstawie wykonanych zdjęć satelitarnych byli w stanie wskazać spójne punkty wody (nazywane także wyspami wodnymi). Dopiero wtedy okazało się, że struktura wirów oceanicznych do złudzenia przypomina czarne dziury. Nic, co znajdzie się zbyt blisko czarnej dziury w przestrzeni kosmicznej (nawet światło, stąd nazwa „czarna dziura”) nie może z niej uciec, za to jest taka odległość, przy której fotony ani nie wpadają w czarną dziurę ani też nie mogą uciec z jej pola grawitacyjnego, po którym krążą tworząc orbitę fotonową, która wygląda jak pierścień światła. I podobnie jest w przypadku wirów wodnych – przy tych o większej średnicy jest taka odległość, przy której ani nie wpada się w wir ani też nie można od niego wystarczająco się oddalić. To właśnie te orbity wirów i czarnych dziur stanowią tą barierę odległości, do której można się zbliżyć. Jednak warto tutaj zaznaczyć, że jedynie wiry o większej średnicy mają właściwości czarnych dziur – nie dotyczy to każdego (nie wszystkie są na tyle silne, żeby wytworzyć taką „orbitę grawitacyjną”).

Rola wirów wodnych w oceanicznym recyclingu

Wiry wodne działają trochę jak taka pralka – odgrywają ogromną rolę z oczyszczania oceanu z licznych zanieczyszczeń. Ale to też jedynie w przypadku tych silniejszych wirów o właściwościach podobnych do czarnych dziur, gdyż to właśnie te wiry są na tyle silne, aby przeprowadzić skuteczne oczyszczanie. Coś jak jakaś tania pralka vs dobry model Whirpoola [uwaga na sczerstwiały suchar, z którego pewnie i tak tylko ja się śmieję]. Ponieważ wiry oceaniczne działają na podobnej zasadzie do czarnych dziur i są stabilne, mogą działać jak mechanizm transportujący mikroorganizmy, zanieczyszczenia czy wody różniące się temperaturą i poziomem zasolenia od otaczających je wód.

Profesorowie Beron-Vera i Haller obserwowali grupę wirów pojawiających się regularnie w pobliżu Przylądka Igielnego w pobliżu RPA, które nazywane są Pierścieniami Agulhas. Zaobserwowali, że transportują one ciepłą, słoną wodę w kierunku północno-zachodnim, a co ciekawe odkryli, że aż siedem wirów należących do Pierścieni Agulhas działa na zasadzie czarnej dziury i pomimo wędrówki po oceanie przez rok obserwacji, zawierały w sobie nieustannie tą samą wodę. Oznacza to tyle, że zanieczyszczenia dostające się do tych wirów nie mają szansy na wydostanie się – jak widać Matka Natura na swój sposób zadbała również o porządkach w oceanach. Co ciekawe, to nie jedyne zaobserwowane wiry typu czarnej dziury - profesor Josefina Olascoaga z University of Miami przy pomocy metody Hellera i Berona-Veri odkryła takie same właściwości u olbrzymiego wiru znajdującego się w Zatoce Meksykańskiej. Na tej samej zasadzie działają również największe na świecie wiry wodne, które określa się nazwą „maelstorm” ze względu na ogromne niebezpieczeństwo, jakie ze sobą niosą i ich niszczycielską naturę (największym znanym maelstormem jest Saltstraumen znajdujący się na prawo od norweskiej miejscowości Bodø blisko Północnego Koła Biegunowego, który pochłania aż 400 milionów metrów sześciennych wody w zaledwie 6 godzin, a co ciekawe – nieopodal niego znaleziono osady, których pochodzenie szacuje się na ok. sprzed 10.000 lat).

Dodatkowa literatura dla zainteresowanych:

1.http://www.georgehaller.com/reprints/black_hole_vortices.pdf
2.https://www.semanticscholar.org/paper/Coherent-Lagrangian-vortices%3A-the-black-holes-of-Haller-Beron%E2%80%90Vera/5ae5b3b7226eb423196a527f1eca16b14b925fd7
3.https://presume.pl/ziemskie-czarne-dziury
4.https://www.twojapogoda.pl/wiadomosc/2018-08-22/juliusz-verne-mial-racje-tajemnicze-wiry-w-atlantyku-moga-pochlaniac-hektolitry-wody-wraz-ze-statkami/
5.https://kopalniawiedzy.pl/wir-czarna-dziura,18891
6.https://aceflashman.wordpress.com/2009/12/08/mile-wide-whirlpool-appears-off-nj-coast/
7.https://www.askdifference.com/whirlpool-vs-maelstrom/
8.https://www.fjordtours.com/things-to-do-in-norway/attractions/saltstraumen/
9.https://www.techeblog.com/researchers-discover-black-holes-in-the-ocean-nothing-can-ever-escape/
10.https://www.discovermagazine.com/the-sciences/how-black-holes-are-like-whirlpools
11.https://www.seeker.com/oceanic-black-holes-found-in-southern-atlantic-1767705196.html
12.https://www.ibtimes.com/what-are-oceanic-black-holes-satellites-capture-powerful-black-hole-whirlpools-atlantic-ocean

Dzidki, jeśli zainteresowały Was niezidentyfikowane, głośne dźwięki dobywające się z dna oceanu, jak Bloop czy Upsweep, być może zainteresuje Was również Julia – najmłodszy z odkrytych dźwięków, który też zarejestrowano kilkukrotnie. Został zarejestrowany przez NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) dnia 1 marca 1999 roku, który trwał przez 2 minuty 43 sekundy (jedni twierdzili, że dźwięk trwał 15 sekund, inni słyszeli go jeszcze przez ponad 2 minuty, dlatego bardzo ciężko było ustalić jego rzeczywistą długość). Był na tyle głośny, że było go słychać przez cały zestaw równikowych hydrofonów Pacyfiku. Opisywany jest jako dźwięk „skomlący” czy „ujadający”. Co zatem odróżnia go od innych tego typu dźwięków? Otóż interesujące zdjęcia satelitarne wykonane przez NASA w miejscu występowania tego dźwięku.

Najmłodszy dźwięk z głębi oceanu i sonarowe rozpoznanie dna oceanu

W 1999 roku amerykańska instytucja rządowa NOAA zajmująca się prognozowaniem pogody, przewidywaniem klęsk żywiołowych, sztormów i wielu innych ekstremalnych zjawisk pogodowych zarejestrowała skomlący, głośny dźwięk, który nazwano „Julia”. Jest to ostatni z sześciu zarejestrowanych podwodnych dźwięków nieznanego pochodzenia. Niniejszej rejestracji dokonano przy pomocy zdemobilizowanego systemu wojskowego SOSUS (Sound Surveillance System), który jest specjalnym systemem obserwacji akustycznej - dokonuje jej przy pomocy sensorów pasywnych. Urządzenie to potrafi rejestrować dźwięki z wielkich przestrzeni oceanicznych. Początkowo wykorzystywany był do namierzania radzieckich okrętów podwodnych, jednak z czasem zmieniono je w narzędzie pomiarowe do badania dna oceanu wykorzystując zasięg sonarowy.

Również w późniejszych latach powtarzające się dźwięki „Julia” zostały zarejestrowane w ramach Projektu Monitoringu Akustycznego Programu VENTS (The Acoustic Monitoring Project of the VENTS Program), który zaczęto prowadzić od sierpnia 1991 roku przy użyciu sieci Systemu Kontroli Dźwiękowej Amerykańskiej Marynarki Wojennej oraz podwodnych hydroskopów. Warto podkreślić, że zasięg sonarowego rozpoznania oceanicznego obejmuje mniej niż 1% obszaru dna oceanów, zaś pełne pokrycie ich hydrofonami, do którego niestety jest jeszcze bardzo daleko, pozwoliłoby wyjaśnić liczne zagadki (nie tylko zaginione wraki czy samoloty, ale również niezidentyfikowane dźwięki, których źródło można byłoby wtedy znacznie łatwiej ustalić). Ponadto udałoby się w znacznie większym stopniu eksplorować dno oceaniczne, zgłębić życie wielu gatunków morskich czy zaobserwować inne zjawiska, jak erupcje podwodnych wulkanów czy tarcie płyt tektonicznych.

Powtarzające się rejestracje dźwięku Julia a teoria nowego gatunku

Począwszy od 1999 roku, wszystkie zarejestrowane do tej pory dźwięki „Julia” blisko miejsca jego występowania były wystarczająco głośne, aby mogły je odebrać dwie różne stacje, oddalone od siebie o kilka kilometrów. Oceanolodzy przypuszczali, że skomlące sygnały mogły pochodzić od jakiegoś gigantycznego morskiego stworzenia czającego się w głębi oceanu. Z początku badacze z NOAA wykluczyli źródło biologiczne zarejestrowanego dźwięku, zakładając, że nawet jeśli jakieś żywe stworzenie byłoby na tyle głośne, to sam skomlący dźwięk wydaje się zbyt jednorodny, aby mógł stanowić źródło komunikacji podwodnego zwierzęcia o dużych rozmiarach.

Co ciekawe, pomysł ten porzucono na lata obstając przy prawdopodobnej teorii ogromnego skupiska podwodnych wulkanów, jednak później powrócono do niego przez bardzo ciekawe zjawisko. Przy obserwacji miejsca wystąpienia dźwięku Julia ponownie zarejestrowano dźwięk w 2016 roku (trwający tym razem według jednych 15 sekund, zaś innych mniej, niż 2 minuty), zaś satelita należący do NASA uchwycił obraz ogromnego zacienionego miejsca w oceanie. Rozpoczęło to wznowienie spekulacji na temat oceanicznych gatunków o ogromnych rozmiarach, które mogą być znacznie większe, niż znany nam na razie płetwal błękitny – zwłaszcza, że w jednym miejscu pojawienia się zacienienia widziano fragment przypominający płetwę. Może to być albo nowy gatunek albo po prostu któryś już znany, jaki pojawił się w odpowiednim miejscu i czasie na zacienionym fragmencie. Warto wspomnieć, że w miejscu występowania dźwięku Julia zaobserwowano podobne zacienienie jeszcze w 2012 roku, ale nie towarzyszył mu charakterystyczny dźwięk. Dlatego dopiero wydarzenie z 2016 roku sprawiło, że zamontowano więcej hydrofonów do obserwacji tego miejsca. Gdyby istniało stworzenie będące w stanie wydawać tak głośne dźwięki, jak Julia, Bloop, Upsweep, Whistle, Train czy Slow Down, z całą pewnością byłoby znacznie większe od płetwala błękitnego.

Czy zawsze przyczyną głośnych dźwięków są odłamki góry lodowej?

Początkowo również dźwiękowi Julia, podobnie jak innym niezidentyfikowanym głośnym dźwiękom z głębin przypisywano, że jej źródłem są ogromne odłamki lodowców wpadające do wody… jednak fale nie pokrywały się prawie wcale, dlatego z czasem wycofano się z tej teorii. Początkowo NOAA twierdziła, że źródłem dźwięku była najprawdopodobniej duża góra lodowa, która osiadła na mieliźnie u wybrzeży Antarktydy. Był wystarczająco głośny, aby można go było usłyszeć w całym autonomicznym zestawie hydrofonów równikowego Oceanu Spokojnego. Ostatni z niezidentyfikowanych dźwięków Julia trwał około 15 sekund (inni twierdzili, że słyszeli go przez jeszcze ponad 2 minuty). Ze względu na niepewność co do kąta nadejścia sygnału, punkt początkowy może znajdować się między Cieśniną Bransfielda a Przylądkiem Adare.

Julia a duże skupisko podwodnych wulkanów

W miejsce teorii o dźwięku spadających do oceanu dużych kawałków gór lodowych postawiono inną, bardziej prawdopodobną. A mianowicie, że źródłem głośnego, podwodnego dźwięku mógł być przebieg  procesu wulkanicznego. Snuto przypuszczenia, że mógł być to efekt powoli wydobywającej się lawy, która generowałaby podobne do wrzątku skwierczenie nieustannie napotykając na zwały słonej wody. Oczywiście wszystko na znacznie większą skalę. W celu weryfikacji przypuszczeń, badacze zastosowali zaawansowaną metodę triangulacji poszukując źródła wydobywającego się dźwięku przy użyciu aż ośmiu hydrofonów SOSUS, czyli amerykańskiego systemu obserwacji akustycznej przestrzeni oceanicznych przy pomocy sensorów pasywnych. Wszystkie zarejestrowane przez hydrofony dźwięki wskazały aktywny sejsmicznie punkt na południowym Pacyfiku, mniej więcej w połowie drogi między Nową Zelandią a Chile (zweryfikowano, że łańcuch podwodnych gór znajdujący się we wskazanym przez nich regionie występowania dźwięku, okazał się w rzeczywistości gigantycznym skupiskiem wulkanów), jednak ich częstotliwość nie pokrywała się z Julią, dlatego też pozostało to dalej w sferze teorii, a dźwięk pozostał wciąż niezidentyfikowany aż do czasu, kiedy postawiona teza nie będzie potwierdzona przy pomocy bardziej zaawansowanej aparatury.

Dodatkowe źródła dla zainteresowanych zagadnieniem:

1.https://www.pmel.noaa.gov/acoustics/sounds/julia.html
2.https://www.pmel.noaa.gov/news-story/just-how-loud-it-out-there
3.https://www.mentalfloss.com/article/62731/9-strange-sounds-no-one-can-explain
4.https://otakukart.com/340329/the-unfamiliar-sound-julia-everything-we-know/
5.https://coil.com/p/WannaWanga/Unexplained-Sounds/W53AOz4IF
6.https://www.thecryptocrew.com/2014/05/iceberg-or-monster.html
7.https://scienews.com/pl/d-wi-k-i-akustyka/12194-jakie-s-mistyczne-d-wi-ki-pod-wod-w-oceanie-i-sk-d-one-si-bior.html
8.https://mlodytechnik.pl/technika/28989-czarne-dziury-oceanu
9.https://mlodytechnik.pl/technika/30104-tajemnicze-dzwieki-z-glebin
10.https://www.wikiwand.com/en/List_of_unexplained_sounds