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天眼巡海识峰辨谷有助绘制精确海底地图

2015-04-14 16:02:59

来源:《中国科学报》

原标题:天眼巡海识峰辨谷

潜艇永远看不到它们的临近。2005年,美国海军核动力潜水艇“旧金山”号在西太平洋撞击到一座海底死火山,导致一名船员死亡,潜艇受损。尽管潜艇设法返回关岛船坞,避免了一场更大的灾难,但这一事故依然凸显了海洋地质学家面对的最大问题:当前地球上的海洋绝大部分仍不为人知。

当前,船舶载荷的高分辨率设备仅绘制出约10%的海床地图,绘制全球地图的科学家不得不依赖于一种间接方法:利用地球在轨雷达卫星跟踪海洋水表微弱的起伏轮廓,它们可以反映海床状况。去年10月,一篇发表在《科学》杂志的文章表示,即便是最先进的地图,也很难对低于2千米的海底山脉进行分辨或定位。

然而,一项新研究却证明了搭载在一颗印度卫星上的一个法国雷达设备可以极大地提高海底地图的绘制能力,让海底潜艇沿更加安全的路线行进,同时还有助于气候科学、渔业科学研究以及海啸预测。

这个法国雷达设备名为“AltiKa”,可以使已知的海底山脉数量从目前的1万上升至10万,美国马里兰大学帕克分校海洋地球物理学家Walter Smith说。“我们将用AltiKa发现更多以前未发现的海底山。”他说,“海底有多少山脉在等待发现?这是个有待研究的问题。”

AltiKa(搭载于印度SARAL卫星之上,在2013年发射)是一个用来测量海洋表面高度的雷达高度计。该设备主要是为希望跟踪海平面上升情况的气候研究人员提供服务。和其他卫星雷达高度计一样,它同样可以用于探测海底山上方海水的微弱凸起,因为那里的重力会略微增加。

如果去掉潮汐和天气对海洋表层水形态的影响,科学家就可以确定引力信号,从而判断一座海底山的高度与形状。和其他大多数依赖Ku雷达波段的卫星雷达不同,AltiKa利用Ka波段雷达对海洋进行扫描,该波段发射的波长较短,其特点是拥有更小的足迹与更快的采样率。Smith表示,在太平洋的三个地点,AltiKa均可观察到高度仅有1千米的海底山。

Smith关于AltiKa仪器特殊用途的研究进展日前在线发表于《海洋大地测量》期刊。对此,夏威夷大学海洋地质学家Paul Wessel表示,这项研究是一个很好的例证,表明AltiKa可以让海洋地质学家更清晰地了解海底状况。“它使得这一封存的挑战向前推进了一点。”

其带来的科学报酬不只有利于水下航行。例如,海啸波对海底的崎岖状况极为敏感;海底山会使经过的海啸变慢、发生弯曲,并使其能量发生偏转。一幅更好的地图可以提高海啸预警能力。同样,海洋内波对海床崎岖度也很敏感,海洋内波可以把海洋深部低温、富含营养的海水搬运至海洋表面,同时把溶解了二氧化碳的海水输送至海洋深处。“更好地了解海洋深部的状况无疑可以改善我们当前使用的混合模型。”马萨诸塞州伍兹霍尔海洋研究所物理海洋学家Steven Jayne说。

海底山脉对于生态环境来说也极为重要,因为在海底山脉附近涌出的富含营养的深部海水,给许多物种提供了富含营养的栖息地。但是更加精确的海底地图也具有一个缺点,康涅狄格州水族馆生态学家Peter Auster说,它可能会助长部分破坏性商业渔业活动,这类商业活动往往针对海底山脉,会迅速捕尽那些地方的鱼类。另一方面,Auster说,一份更加完整的地图可以帮助生态学家进一步拼凑生态地理学领域的进化模式:相互关联的物种如何从一座海底山到达另一座海底山。

现在,AltiKa正在其轨道上以相对较窄的路径一圈接一圈地跟踪海洋表面的动态。由于SARAL再过几年就会到达在轨寿命终点,Smith希望,该项目负责人会让卫星进入环球映射轨道。他指出,卫星Jason 和卫星CryoSat-2最后就采取了这项策略,两颗卫星获得的引力数据均有助绘制一幅地图,相关研究去年已发表在《科学》杂志。

AltiKa首席科学家、法国格勒诺布尔地球物理和工业流体实验室科学家Jacques Verron表示,印度和法国此前并未正式讨论过改变该卫星轨迹以制作全球引力地图的问题,但是他计划接下来向印度航天局提出这一问题。(鲁捷)

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