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NOAA 船 Okeanos Explorer 使用多波束声纳绘制了新西兰水域中锋利的 Pao Pao 海山（右）和平顶盖奥特（左）的地图。. 图片来源：美国国家海洋和大气管理局，CC BY-SA
构建详细的海底地图以揭示海洋的未知数
2021 年 7 月 15 日
作者：Sean Mullan， 对话
海洋科学家常常觉得他们在黑暗中摸索。全球海洋覆盖了地球约 71% 的面积，是地球上生命的中心。但到目前为止，只有大约 20%的海底被直接绘制出来。
配备称为多波束回声测深仪的声纳的勘测船正被用于测量海底深度以更好地了解它。但这项工作的规模是巨大的。一艘调查船需要大约 350 年才能充分绘制大部分深度超过 200 米的海床，而绘制较浅区域则需要 620 年。
我们必须更快地绘制海洋地图。今天，海洋测量或水文测量是重大国际倡议的核心，其中一项旨在到2030 年以前所未有的细节绘制所有洋底的 地图。
更详细、更准确的全球水深模型将揭示海底的形状，这些数据可用于了解海底成分。这将增加海上航行安全，通知安全和防务业务，提高海洋和气候研究，支持各行业的可持续发展海洋经济上，并指导决策栖息地保护。但它也可能伴随着风险和成本。
未知的海
2007 年，作为一名在加拿大不列颠哥伦比亚省维多利亚附近的太平洋地球科学中心地质调查局工作的本科合作学生，我帮助绘制了西海岸海底栖息地和危害的地图。
配备多波束声纳的勘测船通过以扇形模式传输声音，然后聆听海床反射来绘制海底深度图。图片来源：国家海洋局图片库/flickr.com，CC BY
看着温哥华岛北部和阿拉斯加边境之间加拿大海底地形的这些数字地图区域，就像从飞机的窗户往外看一样。我可以看到突出的峡谷和隐藏在海浪深处的雄伟山脉。在相对较浅的大陆架上，有沿海地貌的淹没遗迹，如河岸、海滩和三角洲。当上一个冰河时代海平面低得多时，土著人民可能已经走到了那里。
我们检查了海底的深度，称为测深，加拿大海道测量局使用安装在研究船底部的高分辨率多波束测深仪收集了该深度。这些声纳系统以扇形模式发出声波，并聆听返回的海底回声。海洋的深度是通过测量 ping 和回波返回之间的时间来计算的。但是随着声束在更深的水中传播并“绘制”更多的海底地形，地图的分辨率会降低。
来自西海岸多波束声纳测量的详细水深测量使我想起了星际迷航的行星扫描。但最让我感兴趣的是差距。浅水和深水下都有广阔的区域，缺乏任何高分辨率的水深测量。巨大的未知——未知的海。
在我们星球的大部分固体表面上，仍然存在着人类从未见过或探索过的巨大景观。
绘制差距
海洋测绘现在是两项主要国际倡议的核心，即联合国海洋科学促进可持续发展十年（2021-30）和日本基金会-GEBCO 海底 2030 项目。后者旨在通过政府、行业、研究人员和其他人的自愿数据贡献，到 2030 年绘制所有洋底的地图。尽管一些政府认为完成详细的近岸调查可能需要更长的时间。
大多数全球水深测量来自卫星测量，这些数据不如从带有多波束声纳的船只上收集的数据详细。但是，船舶测深线只能覆盖偏远的海洋盆地，其密度与美国纵横交错的主要公路系统的密度相似。图片来源：Shutterstock
多波束测深的更详细的比卫星测高的地图的海底地形，对于像服务提供大量的背景图像的谷歌地图。卫星测深的平均分辨率约为8 公里，其中一个像素代表 8 公里乘 8 公里大小的区域。这意味着可能无法捕获整个海底山脉。
火星的大部分海拔表面没有水的包层，已被空间探测器相机绘制成分辨率在 0.25 米到 6 米之间的地图。这意味着我们对那个外星世界的地形比我们自己的海底更清楚。然而，当从浅水中的船舶调查或从使用机器人车辆的深海海底潜水收集时，多波束声纳可以制成具有几米或更高分辨率的网格。
海底 2030 测深产品将由分辨率因深度区而异的网格组成。在海洋最深处（6 公里到 11 公里），勘测工作可以提取到每 800 米乘 800 米区域的单一深度值。对于浅于 1.5 公里的海域，该项目将确定 100 米的深度乘以 100 米单位（100 米网格分辨率）。
在 2017 年推出海底 2030 之前，只有大约 6%的洋底得到了充分的测绘。在短短五年内，详细区域的编制增加了两倍多，达到20.6%。这种快速进展在很大程度上是由于现有数据的公开发布。
如果海军、石油公司、富有的游艇所有者和其他人愿意分享他们以前未发布的任何测量数据，那么海底 2030 的目标可能会更快实现。
一些超级游艇配备了最先进的多波束声纳系统，可以帮助更快地探索我们的海洋。图片来源：Shutterstock
海洋边界
海洋和太空探索的概念正在融合。公司和政府现在正在使用自动（无人）车辆执行扩展任务。这些机器人测量员可以从陆地上的任务控制中心进行监控和指挥，也可以从载人的研究船上发射。减少海上人员数量可以降低成本、安全问题和碳排放。
来自远程车辆的数据可以通过卫星互联网上传到云端。然后，利用人工智能的自动化数据处理和分类工具可以让陆上海洋测绘人员腾出更多时间来解决科学和应用问题。
社会可以从海底数据数量和质量的增加中受益匪浅。借助升级后的海床形状和纹理贴图，我们将改进对不规则海床如何引导水以及由于底部摩擦而减速的模拟。这可以帮助我们更准确地预测潮汐、海啸、海浪和风暴潮。它还将帮助我们了解洋流的热传递如何影响天气和气候。
随着更详细的水深测量与免费数据集一起被解释，我们将了解哪些海床区域应该受到保护以保护海洋生物多样性。我们还将发现用于电动汽车电池和移动设备的矿物沉积物。
大量的测绘数据正在揭示“行星海洋”。人类能否以比过去更大的智慧来治理它？
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