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.
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.
