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我们为何需要一张更精确的海底地图?

海伦·斯奈思(Helen Snaith)向对话地球详细介绍了她在负责的一个大型项目:绘制详细的海底地图,以解决深海地图精度较低的问题。
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<p>Efforts to properly map the seabed are vital to understanding how the ocean works (Image: <a href="https://www.flickr.com/photos/oceanexplorergov/48544100442/in/album-72157624872318121">Charlie Wilkins</a> / <a href="https://www.flickr.com/photos/oceanexplorergov/">NOAA Ocean Exploration</a>, <a href="https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/">CC BY 2.0</a>)</p>

Efforts to properly map the seabed are vital to understanding how the ocean works (Image: Charlie WilkinsNOAA Ocean Exploration, CC BY 2.0)

从海面俯瞰海底,目之所及最多也就几十米深。人类为了绘制海底地图,几百年来不断开发各种工具,从早期的测深锤到如今的声呐测深仪。

然而,海底地图依然不够完整。未被绘制的巨大山脉遁形于深海,往往只有通过极少数细致的研究才能被发现。

海伦·斯奈思正在努力改变这一现状。她是英国国家海洋中心(National Oceanography Centre)的高级数据科学家,也是“海床2030”计划全球中心的负责人。

该计划全称为“日本财团–世界大洋地势图海底2030项目”(Nippon Foundation-GEBCO Seabed 2030 Project),其目标是在2030年前绘制出一张完整的世界海底地图。

海伦向“对话地球”介绍了这一目标如此重要的原因。因文章篇幅所限,为确保内容简洁清晰,采访内容经过编辑处理。

对话地球:什么原因促使您开展这项测绘工作?

海伦:就我个人而言,我是一个数据研究爱好者,我认为数据非常有用!

但从更广泛的角度来看,基于测绘能开展研究才是根本动因。例如,全球最大洋流——南极绕极流(Antarctic Circumpolar Current)必须流经一个特殊的断裂带(即一种海底山谷),受限于海底地形,绕极流不会南北移动。在海啸预测中,如果测深(bathymetry)有误,就可能完全误判海啸波的时间、浪高及其影响。

测深是一种基础观测手段,能帮助我们理解海洋中任何你想研究的事物。

对话地球:“海床2030”项目旨在绘制一张分辨率“足够高”的地图——这是什么意思?

海伦:当我们设定项目目标,要在2030年前完成绘制海底地图时,我们首先要明确的是:我们所说的“地图”到底是指什么?

目前,通过卫星全面测深,全球海底已有一张低分辨率的测绘图。我们想要做的是绘制一张更详细、更精确的地图。

项目一开始,我们就研究了技术上可行的方案,并最终选用了现代科考船上常用的一种设备:多波束测深探测仪(multibeam echo sounders)。它的工作原理是从船上向水下发射声波束,水越深,声波信号扩散的范围就越大。

上图展示了美国南希-福斯特号科考船如何用多波束声纳绘制海底地图。 图片来源: NOS/NCCOS/CCMA / NOAA Ocean Exploration, CC BY 2.0
太平洋海底的Pao Pao 海山 (右)。海底测绘人员发现了许多巨大的海底山脉,这是过去的海底地图未曾显示的。图片来源: Exploring Remote Pacific MPAs / NOAA Ocean Exploration, CC BY 2.0

船速也会对分辨率产生影响。在深海区,分辨率通常为400米见方(即每400米见方有一个测深数据),而在浅水区,分辨率可达到100米见方甚至更高。

对话地球:为何不能直接使用卫星测深?

海伦:水深会削弱卫星信号,这意味着,卫星只能探测到规模非常大的地貌。另外,卫星测深还有赖于重力信号,因此如果低密度岩石被高密度的岩石环绕,就无法在地图上成像。

即使卫星成像显示某处有物体存在,我们得到的或许也只是一个模糊的图像,而每次使用多波束成像技术,我们都能看到丰富的细节。

在有些地方,卫星数据显示并无海山(seamount)存在,或仅有一些小型地貌,但经过实地考察就会发现,那里“隐藏着”从海底6000米深处升起的大型海山,其顶部距离海面只有几百米。

每一次测深,都会带来一些意外发现。

对话地球:但你们并不是亲自开展测绘,对吧?

海伦:的确如此。派船出海测绘成本非常高,远超我们的预算。因此,我们通常会联系那些已经拥有相关数据的机构或个人,尝试说服他们共享数据。有时我们也会提出请求:“如果你们计划出海进行其他测量任务,能否顺便帮我们做一下测深,并将数据共享给我们?”

作为研究活动的一部分而测量的数据,对我们来说是最容易获得的。相比之下,水文局采集的数据,或者为特定国家采集的数据较难获得,因为这些通常是资助项目并且服务于国家利益。此外,我们也会采用各种商业数据。另一个我们正密切关注的领域是自动化数据采集系统。

对话地球:目前哪些地区数据质量最好,哪些地区最差?是否数据质量差异较大?

海伦:简单来说,北半球的测绘工作做得相对较好。大多数西方发达国家,如果拥有海岸线,通常都会设有水文测绘机构。但也有许多国家缺乏这样的资源。

我们常说:“你无法保护你不知道的东西。”如果我们不知道海底特殊的地形特征,这些地貌可能支持哪些海洋生物或鱼类,那我们就没法保护它们。你也无法评估自己拥有的资源。

许多沿海国家都面临这一问题,尤其是那些拥有广阔领海的国家。另外,对任何岛国来说,海岸线与国土面积的比例通常较高,而能为每平方公里海底勘测提供资金支持的人口却又相对较少。因此,即便这些国家的经济实力与发达国家相当,资金仍然难以满足需求。

对话地球:2017年项目启动时,清晰测绘的海底面积约占6%。如今,这一比例已经达到了25%。项目现在进展如何?

海伦:项目最初几年进展最快,当时,我们主要是将分散在各处的数据汇总起来。现在,数据的增长主要来自新的测绘成果以及我们找到的未公开的历史数据。

我们原本希望项目推进的速度能够更快,但实际上进展却有所放缓。从目前的情况来看,我们认为项目无法在2030年完成,之后还需继续努力。

对话地球:您认为这项工作面临的最大挑战是什么?

海伦:除了海洋面积浩瀚这一客观事实外,最根本的挑战在于海水本身使测量工作变得极其困难。这也是为什么有人说,我们对火星表面形态的了解甚至超过了对海底地形的了解——毕竟火星表面没有水。在真空或空气中进行测量要容易得多。

获得海底地貌全景最简单的方式,就是抽干海水,测绘地貌,然后再把海水倒回去。显然,这不现实。

不过,一旦我们抛开“这本来就很难”的想法,这实际上是一个优先级的问题。用于海底测绘的资源终究有限,最终涉及的问题还是资源分配和政治意愿。