绘制海底隐藏秘密的数百年探索

从空中城市到机器人管家，未来主义的愿景充斥着 PopSci 的历史。在“我们到达了吗？”专栏中，我们检查了实现最雄心勃勃的承诺的进展情况。请在此处阅读本系列的更多内容。

1984 年，海洋地质学家终于看到了我们期待已久的未知星球。经过 18 个月的卫星数据处理，哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地质观测站的地球物理学家威廉·哈克斯比展示了一幅令人惊叹的海底全景图。这是人们第一次如此详细地看到全球海底的景象——火山、水下山脉、断裂带和海沟。记者兼科学作家马西娅·巴图西亚克在当年 2 月的《大众科学》杂志上报道说：“哈克斯比绘制的世界海底地图揭示了与七大洲一样多样化的地形”，捕捉到了科学界明显的兴奋之情。当时，火星地貌更为人所熟知。

近四十年后，遥远行星的表面图像仍然比地球的海底图像更清晰。尽管计算机处理能力的飞速发展、卫星成像能力的大幅提升以及能够到达最深海沟的自主（机器人）水下航行器的发展推动了深海探索，但隐藏在水面下的广阔地球地壳的高分辨率地图仍然不完整。这种情况可能正在改变，而且随着气候变化的临近，改变来得正是时候。由于海水覆盖了地球表面 70% 以上的面积，更清楚地了解海底的形状和成分将提高我们预测飓风风暴潮、预测海啸路径、计算冰川融化以及监测受渔业管理、深海钻探和采矿等商业行为影响的海洋栖息地的能力。

美国国家海洋与大气管理局（NOAA）海洋探索与研究办公室（OER）运营协调员凯特琳·亚当斯（Caitlin Adams）表示：“海底测绘对几乎所有事情都至关重要，从国家安全到蓝色经济[可持续海洋]计划。”

自从 1957 年俄罗斯的人造卫星 Sputnik 升空以来，人造卫星网络一直使用雷达和激光雷达等电磁波来绘制陆地和地外表面的地图。但传统雷达在干旱地形（如火星、月球和地球陆地）上效果最好，因为它只能穿透几米深的水，这限制了我们这些水浸星球上眼睛的可视范围。由于水会使电磁波减弱，只有两种方法可以真正看到海底而不必深入海底：声纳或回声测深，以及重力测量，后者可检测大型物体引起的重力异常。在这两种情况下，都需要直接测量——设备必须在水下（声纳）或至少靠近水面（重力计）才能工作，这意味着它们只能在船体上操作。问题就在这里。对于一艘不断穿越海洋的船只来说，绘制地球 1.39 亿平方英里的海底地图可能要花上长达 1,000 年的时间（估计差异很大）。

卫星的出现。正如 Bartusiak 在PopSci中解释的那样，1984 年的突破来自一种被称为重力测绘或卫星测高的新卫星测量技术与改进的计算机处理能力的结合，这使得 Haxby 在 Lamont 的团队能够在短短几年内制作出新颖的海底地图。

即使没有风和波浪，地球海洋的表面也不像鱼缸：它不是水平的。海洋表面起伏不定，隐约地沿着海底的山脊和裂缝。这是因为重力对水的影响在像海底火山、海底山脉（或海山）和海沟这样大的物体上变得明显。配备灵敏高度计的卫星可以测量海面高度，探测到海底地形造成的细微变化。例如，一座 1,000 英尺高的海山将吸引足​​够的水，使海面上升多达六英寸。但由于海洋有点像蓬松的毯子，掩盖了所有轮廓，因此基于卫星的重力测绘存在物理限制。它只能探测大型物体，然后只能近似地估计它们的形状。 1984 年，哈克斯比的地图上细节精致，最小的物体也有 20 英里宽（大约相当于坦桑尼亚乞力马扎罗山的大小）。更小的物体则无法探测到。尽管卫星测高仪的精度在随后的几十年里有了显著提高，但一张地图能揭示的海底情况非常有限。如今，卫星测高仪本身所能达到的最高分辨率约为 1 英里，相当于埃及大金字塔的七倍。相比之下，利用卫星成像制作的陆地地图可以精确到每像素 50 厘米，或者相当于消防栓大小的物体。只有安装在船舶和水下航行器上的声纳设备才能制作高分辨率海底地图。

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1912 年，泰坦尼克号沉没在北大西洋时，声纳尚未发明。这场灾难激发了一系列回声探测创新，不到十年，利用水下声音投射测量距离的声纳不仅在海上导航和海战中变得很常见，而且在海底测绘中也变得很常见。

1957 年，拉蒙特研究人员玛丽·萨普和布鲁斯·希森发布了基于声纳的北大西洋地形图，这是第一张全面的海洋海底地图。它就像是地球海洋的粗糙超声波。

该地图揭示了海底的主要地形特征，其中一些特征是首次发现的，如大洋中脊的裂谷，这似乎证实了德国科学家阿尔弗雷德·魏格纳的大陆漂移理论，该理论在 1912 年首次提出时就被驳斥了。到 20 世纪 60 年代末，在随后的几张基于声纳的海底地图上，地球科学家有足够的证据表明，正如魏格纳所提出的，地球表面已经分裂成滑动板块，漂过下面的熔融地幔，相互碰撞或滑落。详细的海底地图是板块构造学的关键。当时和现在的共识是，更多的细节将揭示更多的行星秘密。

“当我们看到较小的特征时，”NOAA OER 的探险协调员 Shannon Hoy 说，“我们开始对影响我们世界的潜在地质和海洋学过程有更多的了解。”例如，使用自主水下航行器 (AUV) 的 Hoy 指出，“百万土丘”深海珊瑚礁生态系统于 2010 年代首次被绘制出来，它沿着大西洋沿岸从南卡罗来纳州延伸到佛罗里达州。在 2,000 英尺深处，这些珊瑚只能长到几米高，生活在黑暗中，以墨西哥湾流为食。这是已知最大的深海珊瑚礁。百万土丘的一些活珊瑚已有 700 年历史，其底部有数千年的珊瑚骨骼，就像一片原始森林，海洋生物丰富。“你不会用卫星数据看到这种景象，”Hoy 指出。

自 20 世纪 50 年代和 60 年代以来，声纳技术取得了长足进步。如今，多波束系统可以发射扇形声波，探测深度可达 6 英里以上。在 2 至 4 英里的深度（占海洋面积的近 75%），安装在船体上的多波束声纳可以一次扫描长达 5 英里的海底，分辨率为 600 至 1,200 英尺（探测深度越深，分辨率越低），远优于卫星测高。在浅海岸地区，分辨率可达 100 至 325 英尺。当安装在靠近海底的 AUV 上时，分辨率可达 1 米。

2017 年，联合国举行了首次海洋大会，宣布 2020 年代为“海洋十年”，呼吁世界各国和各企业扭转海洋衰退的趋势。这项全球倡议的十大挑战之一是“创建海洋的数字化表象”。联合国宣布这一消息时，只有 6% 的地球海底已使用现代声纳进行了测绘和数字化。但会议上宣布了一项新倡议，旨在本世纪末绘制地球整个海底地图：海床 2030，这是一项由海洋综合水深图 (GEBCO) 和日本财团赞助的合作项目。到 2022 年 6 月，Seabed 2030 报告称，23.4% 的海洋已经使用现代声纳进行了测绘，几乎是 2017 年以来覆盖范围的四倍。Seabed 2030 会从任何愿意共享的船只收集测深数据，例如 NOAA 的研究船Okeanos Explorer ，这使得地图能够如此迅速地填满。

“去年从 20% 上升到 23% 听起来微不足道，”亚当斯引用了 2021 年完成率的数字。“但这比欧洲的面积还要大。每年我们都在一点点地接近目标。”但这些测绘工作需要尽可能多的船只，才能将预计的覆盖整个海洋的时间缩短到 8 年。

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“作为一个项目，我们没有资源自己出去做这件事，”Seabed 2030 项目主管 Jamie McMichael-Phillips 说道。“我们确实有资源利用人们提供的信息，将其绘制在地图上。” McMichael-Phillips 认为 Seabed 2030 提供了灵感，“鼓励公司、行业、政府、慈善家和科学家出去绘制海洋地图。” Seabed 2030 甚至会为拥有声纳功能的休闲船只提供一种特殊的设备，用于捕获测深数据，使他们能够参与其中。

麦克迈克尔-菲利普斯同意霍伊的观点，认为声纳测绘（可视化海底的黄金标准）提供的细节比卫星测高法更能洞察我们的世界。他举了几个例子，比如 2022 年海洋测绘员在塔希提岛海岸发现了世界上最大的珊瑚礁之一。这片 2 英里长的珊瑚礁位于被称为海洋昏暗区域的深度，即 100 至 200 英尺之间。

尽管如此，GEBCO 的公开地图（代表声纳覆盖范围的一堆细线）还有很长的路要走。虽然麦克迈克尔-菲利普斯并不认为声纳或卫星技术会取得任何突破来加速海底测绘，但他确实看到了来自无人水面舰艇或 USV 的帮助，例如 NOAA 的 SailDrone。他指出，载人船只是限制船只航行的最大因素之一，不仅会增加船只重量，还需要频繁停下来补给并避开危险情况。“我曾是皇家海军水文测量员。我花了很多时间在南大洋相当恶劣的条件下作业，”麦克迈克尔-菲利普斯说。“所以通过走无人路线，你可以消除这个限制。”

霍伊没有透露她认为海床 2030 项目是否能实现其目标。她指出：“船舶相对较小，而海洋非常大。”但她认为海床 2030 鼓励了各组织之间前所未有的数据共享和协作，创造了使全球地图成为可能的动力。

无论 2030 年是否现实，2020 年代可能成为迄今为止地球缺失和陌生轮廓最丰富、最奇特的图像汇集在一起​​的十年，就像一个遥远的外星世界在浑浊的以太中慢慢显露出来一样。“直接测量我们整个海洋的地图，”霍伊说，“将真正改变我们所知的面貌。”