下一代水文衛(wèi)星從太空繪制海底地圖

位于厄瓜多爾沿海的 Paramount 海山是某些海洋觀測衛(wèi)星（如 SWOT）能夠探測到的海底地形之一，這些衛(wèi)星通過測量這些地形對海洋表面的重力影響來進行探測。
圖片來源：NOAA Okeanos 探險者計劃

基于 SWOT 任務數(shù)據(jù)制作的更精確的海底地圖可以改善水下導航，并提升我們對全球海洋中熱量和生命運動方式的認知。

相比地球海洋底部，人類對月球表面的了解反而更加詳盡。幾十年來，研究人員一直在努力改變這一現(xiàn)狀。作為這一持續(xù)努力的一部分，由 NASA 資助的一個團隊最近利用 SWOT（表層水和海洋地形）衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，發(fā)布了迄今最詳細的海底地圖之一。SWOT 任務是 NASA 與法國國家空間研究中心（CNES）合作的成果。

為何海底地圖至關(guān)重要？

更精確的海底地圖對于航海活動至關(guān)重要，包括導航和鋪設水下通信電纜。NASA 總部物理海洋學項目負責人 Nadya Vinogradova Shiffer 表示：“海底測繪在已成熟和新興的經(jīng)濟機遇中都起著關(guān)鍵作用，例如稀有礦產(chǎn)的深海開采、優(yōu)化航運路線、災害探測以及海底作戰(zhàn)行動。”

該動畫展示了基于SWOT數(shù)據(jù)繪制的海底地形特征，涵蓋墨西哥、南美洲和南極半島附近區(qū)域。紫色表示較低區(qū)域，相對于海山等較高區(qū)域（以綠色表示）。E?tv?s 是用于創(chuàng)建這些地圖的重力數(shù)據(jù)測量單位。

海底地形對全球生態(tài)和地質(zhì)活動的影響

準確的海底地圖還能幫助我們更好地理解深海洋流和潮汐，這些因素影響著深海生命，同時也與板塊構(gòu)造等地質(zhì)過程相關(guān)。像海山這樣的水下山脈，以及深海丘等較小的海底地形，都會影響深海中的熱量和養(yǎng)分流動，進而吸引海洋生物。這些物理地形的影響甚至可以波及海面，影響人類賴以生存的生態(tài)系統(tǒng)。

盡管海底測繪并非 SWOT 任務的主要目標，但這顆于2022年12月發(fā)射的衛(wèi)星可測量地球表面幾乎所有水體的高度，包括海洋、湖泊、水庫和河流。研究人員可以利用這些高度差異繪制淡水和海水表面的地形圖，并應用于海冰變化監(jiān)測、洪水演進追蹤等任務。

海底測繪的技術(shù)突破

“SWOT 衛(wèi)星在海底測繪能力方面實現(xiàn)了巨大飛躍，”加州拉霍亞斯克里普斯海洋研究所（Scripps Institution of Oceanography）的地球物理學家 David Sandwell 說道。他自 1990 年代以來便利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)繪制海底地圖，并參與了基于 SWOT 數(shù)據(jù)的海底測繪研究，該研究成果已于 2024 年 12 月發(fā)表于《科學》期刊。

研究人員利用了一個關(guān)鍵原理：由于海山和深海丘等地質(zhì)特征的質(zhì)量大于周圍環(huán)境，它們會產(chǎn)生略強的引力，從而在其上方的海面形成微小的凸起。這些細微的重力信號幫助科學家推測海底的地形特征。

通過重復觀測（SWOT 每 21 天覆蓋全球約 90% 的區(qū)域），衛(wèi)星能夠以厘米級精度檢測由海底特征引起的海面高度微小變化。Sandwell 和同事們利用一年的 SWOT 數(shù)據(jù)，重點研究了海山、深海丘和大陸邊緣地形（即大陸地殼與海洋地殼的交界地帶）。

以往的海洋觀測衛(wèi)星只能探測 1 公里以上的海底地形，而 SWOT 可以探測到高度不到 500 米的海山，這使得全球已知海山的數(shù)量有望從 44,000 座增加至 100,000 座。這些水下山脈會影響深海洋流，沿山坡富集營養(yǎng)物質(zhì)，形成生命的“綠洲”，使原本荒蕪的海底煥發(fā)生機。

探索深海奧秘

SWOT 還讓研究人員對地球的地質(zhì)歷史有了更深入的了解。

“深海丘是地球上最廣泛分布的地貌，占據(jù)了約 70% 的海底面積，”論文第一作者、斯克里普斯海洋研究所的海洋學家 Yao Yu 說道。“這些丘狀地形僅寬幾公里，因此在過去的衛(wèi)星數(shù)據(jù)中很難被觀測到。我們驚訝地發(fā)現(xiàn)，SWOT 能夠如此清晰地呈現(xiàn)它們。”

深海丘呈平行帶狀分布，類似洗衣板上的褶皺，是由于構(gòu)造板塊的擴張而形成的。這些帶狀結(jié)構(gòu)的方向和范圍可以揭示地球板塊在歷史上的運動軌跡。此外，深海丘還會與潮汐和深海洋流相互作用，這些機制目前仍未被完全理解。

研究團隊已經(jīng)從 SWOT 數(shù)據(jù)中提取出了他們預期的大部分海底信息。接下來，他們將專注于計算這些海底地形的具體深度。該研究與國際科學界的目標相輔相成，即在 2030 年前利用船載聲吶完成全球海底測繪。“我們可能無法在 2030 年前完成全部船載測繪，”Sandwell 說，“但 SWOT 將幫助我們彌補空白，使我們更接近這一目標。”

參考https://www.jpl.nasa.gov/news/next-generation-water-satellite-maps-seafloor-from-space/