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时事

探索海底深处的奥秘

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© Martin Jakobsson
尽管海洋对我们日常生活产生的直接影响远远大于火星,但我们对海底地形的了解却远不如对火星表面地形的了解。不过今天,我们已经具备了绘制详尽全球海底地图的能力,这对管理渔业资源、应对环境变化、了解海底沉积物的运送、海啸预警以及矿产开采等都将产生重要影响。

谷伸 Shin Tani

我们对地球海底地形的了解还不如对火星表面地形的了解,这在很大程度上是因为资源更倾向于投入对其他行星表面的探索,另一部分原因则是因为水下地图测绘是一件很复杂的工作,特别是在极深的水域。

水会吸收、反射、折射光线,所以即使通过透视中介,视线在水下也很难穿透超过几十米的距离。目前我们对大面积海洋的地图绘制还很粗糙,尤其是那些远离海岸线和国家的海洋区域。今天我们对极地冰架和冰层覆盖下海洋环境的了解程度并不比一百多年前海洋地图测绘先驱对深水海洋的了解多多少。

但是随着卫星测绘和多波束声纳测绘的出现以及遥感技术的进步,我们现在拥有了一整套越来越广泛的技术手段,让我们具备了详细测绘海底地形的能力。


© Marzia Rovere

多波束声纳测绘

多波束声纳测绘是指通过固定在船体上的仪器向海底发射声波进行测绘,这一领域最新的发展大大提高了海底地图测绘的精度,使得以前获得的数据都显得过时了,而那些在测深数据不足时得出的结论也需要经过进一步的检验和改善。在北极地区利用多波束技术测绘过的区域面积仅占总面积的11%,也就是说仍有大片区域需要利用这种技术进行测绘,从而确保这一地区所有与海洋相关的活动都可以充分受益。而且自六、七十年代首次使用多波束技术测绘以来,这一技术的成本已经大幅降低,成为了一种更经济的选择。

同步发展起来的还有卫星大地测量学,也就是重力地图测绘等技术,这种技术是通过计算重力场的异常来更准确地发现海底的山峰和谷地。但是这项工作需要时间、投资和协调,特别是科学界有责任向公众和投资机构解释清楚为什么海洋测深学这门研究海洋深度及海底地形的学科应该得到更多的重视。

这方面现在已经取得进展:2016年6月在摩纳哥举办的未来海底地图绘制论坛上,日本基金会(Nippon Foundation)主席笹川阳平宣布:计划到2030年完成整个海洋海底地图的绘制工作。日本基金会是日本最大的私募基金,长期以来一直致力于支持解决重大海洋问题。这一计划将由基金会长期支持的大洋地势图项目(GEBCO)完成, 这个项目是国际航道测量组织(OHI)和联合国教科文组织下设的政府间海洋学委员会(COI)联合开展的。

海洋测深有什么意义 ?

要解释为什么应该投入更多的资源来绘制海洋地图并不难。对于人类来说,比起地球或宇宙中其它星球上的任何地区,海洋都至少是同样的迷人和富有挑战性, 而海洋的探索又带来了无数造福于人类的发现:根据过去的经验,海洋探险一直就有各种神奇的有益发现,今后海洋也一定会给我们带来更多的惊喜。另外就是,海洋地形对我们日常生活的影响要比火星表面直接的多。

海洋测深无疑对航海及海岸线的管理至关重要,但是它的意义还远不止于此。对于深水循环、潮汐、海啸预警、海洋底层冷水上涌、渔业资源、波浪运动、沉积物的运送、环境变化、坡地稳定性、古海洋学、以及平台、电缆、管道、离岸风车发电机的选址、废物处理、采矿和其他领域的研究来说,海洋测深都是非常重要的。

也许从商业的角度来看,最理所当然的理由应该是:我们对海底的了解越清楚,就越能有效地管理海洋环境,从而实现可持续、高产的渔业发展;海洋测深对于理解海洋生命的深水栖息地至关重要;对海底有更充分的了解也有利于发展更安全高效的采矿业。


Schematic illustration of Swedish icebreaker Oden mapping using multibeam sonar and sub‐bottom profiler.
© Martin Jakobsson

但是绘制海底地图的意义远不止于商业利益的考虑。以海啸研究为例,如果科学家对海底的地形轮廓和海水深度有更清晰的了解,那么对因海底地震而引起的大规模水体运动就可以做出更准确的预警。模拟海啸传播不仅需要测量海洋深度,还需要对海岸附近区域进行高分辨率的测绘,这样我们才能全面理解海水是怎样从深处向浅处运动的,以及这种水体运动将对海岸产生什么样的冲击。

虽然更好的海底测绘并不能提高我们预测海啸发生时间的能力,因为海啸是由海底地震引发的,但却能帮助我们更准确的预测海啸形成后的行进路线和海啸的大概强度。

提升对气候变化的了解

在跟踪和预测对我们的生活会产生重大影响的长期环境变化方面,海底地图绘制也是一个重要工具。我们知道气候正在发生变化,海洋已经变得更暖,洋流运动已经出现变化,虽然所有这些现象之间的联系还没有定论,但是有一点很清楚,这一切正在发生,我们必须准备好应对由此造成的影响。

世界上的大部分冰川分布于格陵兰峡湾和南极地区,在那里开展的工作极好地证明了更完善海洋测深知识带来的好处。我们已经测量到、并且可以看到较暖洋流对格陵兰峡湾及南极冰盖外围冰川的影响:冰川变薄、大面积裂冰(即部分冰盖的脱离)、大规模冰层断裂以及冰川的消退。这类情况在格陵兰西部的雅各布港或者南极西部的松岛湾尤其明显。

这些情况导致从冰盖及冰川流出的冰流进一步加速,从而导致海平面上升。但海平面上升的规模和速度却很难预测,这也是为什么我们需要尽可能多地了解各方因素,包括冰川融化的速度,以便做出更准确的预测。

能够帮助我们测量海槛深度、了解流向冰川或流到冰盖以下的深水暖流流入点的正是海洋测深工作,遗憾的是目前对这些区域所作的测绘都非常粗糙。

一些峡湾基本上从来没有开展过海洋测深工作,而冰盖覆盖之下区域的数据则主要来自智能水下机器人零散进行的试验性探测,改善这一区域的海底测绘将让我们能够更充分地了解这个极其复杂的过程。

尽管提高海洋测深数据质量的意义重大,但是很显然, 要想测绘辽阔的海洋区域,科学界、航海机构与产业之间的国际协调与合作是必不可少的。

为庆祝世界海洋日(6月8日),联合国支持实现可持续发展目标14 (“保护和可持续利用海洋和海洋资源促进可持续发展”)的大会将于2017年6月5日至9日在联合国总部纽约召开
谷伸 Shin Tani

已退休的前海军少将谷伸自2013年10月起担任联合国教科文组织政府间海洋学委员会与国际航道测量组织联合设立的大洋地势图项目指导委员会主席,此前他已在大洋地势图项目指导委员会工作了二十年,是日本政府内阁秘书处负责海洋政策、可再生能源、海洋探测与监控、数据管理、海产养殖厂登记和联合国海洋法公约扩展大陆架事务的内阁顾问