Explorare în adâncime - Deep-sea exploration
Explorarea în adâncime este investigarea condițiilor fizice, chimice și biologice de pe fundul mării , în scopuri științifice sau comerciale . Explorarea în adâncime este considerată o activitate umană relativ recentă în comparație cu celelalte zone de cercetare geofizică , deoarece adâncimile mării au fost investigate doar în ultimii ani comparativ. Adâncimile oceanului rămân în continuare o parte în mare parte neexplorată a planetei și formează un domeniu relativ nedescoperit.
În general, se poate spune că explorarea științifică modernă în adâncurile mari a început atunci când omul de știință francez Pierre Simon de Laplace a investigat adâncimea medie a oceanului Atlantic prin observarea mișcărilor de maree înregistrate pe coastele braziliene și africane . El a calculat adâncimea la 3.962 metri (12.999 ft), o valoare dovedită ulterior destul de precisă prin tehnici de măsurare a sunetului ecologic . Mai târziu, din cauza cererii crescânde pentru instalarea cablurilor submarine , au fost necesare măsurători precise ale adâncimii fundului mării și au fost întreprinse primele investigații ale fundului mării. Primele forme de viață în adâncime au fost descoperite în 1864, atunci când cercetătorii norvegieni au obținut un eșantion de crinoid pândit la o adâncime de 3.109 m (10.200 ft).
Între 1872 și 1876, un studiu oceanic de referință a fost efectuat de oamenii de știință britanici la bordul HMS Challenger , o navă cu vele care a fost reproiectată într-o navă de laborator. Challenger expediție acoperit 127,653 kilometri (68,927 NMI), iar oamenii de știință la bordul navelor a colectat sute de probe și măsurători hidrografice, descoperind mai mult de 4.700 de noi specii de viață marine , inclusiv organismele marine de adâncime. De asemenea, li se atribuie prima vedere reală a principalelor caracteristici ale fundului mării, cum ar fi bazinele oceanice adânci .
Primul instrument folosit pentru investigațiile în adâncime a fost greutatea sonoră, utilizată de exploratorul britanic Sir James Clark Ross . Cu acest instrument, a ajuns la o adâncime de 3.700 m (12.139 ft) în 1840. Expediția Challenger a folosit instrumente similare numite aparate de sondare Baillie pentru a extrage probe din fundul mării.
În secolul al XX-lea, explorarea în adâncime a avansat considerabil printr-o serie de invenții tehnologice, variind de la sistemul sonar , care poate detecta prezența obiectelor sub apă prin utilizarea sunetului, până la submersibile cu echipaj de scufundări adânci . În 1960, Jacques Piccard și locotenentul marinei americane Donald Walsh au coborât în batiscaful Trieste în cea mai adâncă parte a oceanelor lumii, tranșeaua Mariana . La 25 martie 2012, regizorul James Cameron a coborât în tranșeaua Mariana din Deepsea Challenger și, pentru prima dată, este de așteptat să fi filmat și să probeze fundul.
În ciuda acestor progrese în explorarea în adâncuri, călătoria către fundul oceanului este încă o experiență provocatoare. Oamenii de știință lucrează pentru a găsi modalități de a studia acest mediu extrem de la bordul navei. Cu o utilizare mai sofisticată a fibrelor optice , a sateliților și a roboților de control de la distanță, oamenii de știință speră, într-o zi, să exploreze marea adâncă de pe ecranul unui computer pe punte, mai degrabă decât dintr-un hublou.
Repere ale explorării în adâncime
Condițiile extreme din marea adâncă necesită metode și tehnologii elaborate pentru a suporta, care a fost principalul motiv pentru care explorarea sa a avut o istorie relativ scurtă. Câteva repere importante ale explorării în adâncime sunt enumerate mai jos:
- 1521: Ferdinand Magellan a încercat să măsoare adâncimea Oceanului Pacific cu o linie ponderată, dar nu a găsit fundul.
- 1818: Cercetătorul britanic Sir John Ross a fost primul care a descoperit că marea adâncă este locuită de viață atunci când prinde meduze și viermi la o adâncime de aproximativ 2.000 m (6.562 ft) cu un dispozitiv special.
- 1843: Cu toate acestea, Edward Forbes a susținut că diversitatea vieții în marea adâncă este mică și scade odată cu creșterea adâncimii. El a declarat că nu ar putea exista viață în apele mai adânci de 550 m (1.804 ft), așa-numita teorie a Abisului .
- 1850: În apropiere de Lofoten , Michael Sars a găsit o bogată varietate de faună marină adâncă la o adâncime de 800 m (2.625 ft), respingând astfel teoria abisului.
- 1872–1876: Prima explorare sistematică în adâncime a fost efectuată de expediția Challenger la bordul navei HMS Challenger condusă de Charles Wyville Thomson . Această expediție a dezvăluit că marea adâncă adăpostește o biotă diversificată și specializată.
- 1890–1898: Prima expediție austro-ungară de mare adâncime la bordul navei SMS Pola condusă de Franz Steindachner în estul Mediteranei și Marea Roșie .
- 1898–1899: Prima expediție germană de mare adâncime la bordul navei Valdivia condusă de Carl Chun ; a găsit multe specii noi de la adâncimi mai mari de 4.000 m (13.123 ft) în sudul Oceanului Atlantic .
- 1930: William Beebe și Otis Barton au fost primii oameni care au ajuns la Marea Adâncă când se scufundau în așa-numita Batisferă , fabricată din oțel. Au ajuns la o adâncime de 435 m (1.427 ft), unde au observat meduze și creveți .
- 1934: Batisfera a atins o adâncime de 923 m (3.028 ft).
- 1948: Otis Barton a plecat pentru un nou record, atingând o adâncime de 1.370 m (4.495 ft).
- 1960: Jacques Piccard si Don Walsh a ajuns în partea de jos a Challenger Aprofundat în Groapa Marianelor , coborând până la o adâncime de 10740 m (35,236 ft) , lor vas de mare adâncime Trieste , unde au observat pești și alte organisme marine de adâncime.
- 2012: Nava Deepsea Challenger , pilotată de James Cameron , a finalizat cea de-a doua călătorie cu echipaj și prima misiune solo la fundul Challenger Deep .
- 2018: DSV Limiting Factor , pilotat de Victor Vescovo , a finalizat prima misiune în cel mai adânc punct al Oceanului Atlantic, scufundându-se la 8.375 m (27.477 ft) sub suprafața oceanului până la baza șanțului Puerto Rico .
- 2020: Kathryn Sullivan și Vanessa O'Brien și-au finalizat misiunile, devenind primele femei care au ajuns pe fundul Challenger Deep la 10.925m (35.843 ft)
Instrumentare oceanografică
Greutatea sonoră, unul dintre primele instrumente utilizate pentru investigația fundului mării, a fost concepută ca un tub pe bază care a forțat fundul mării să intre în fundul oceanului. Exploratorul britanic Sir James Clark Ross a folosit pe deplin acest instrument pentru a atinge o adâncime de 3.700 m (12.139 ft) în 1840.
Greutățile de sunet utilizate pe HMS Challenger au fost „mașina de sunet Baillie” ceva mai avansată. Cercetătorii britanici au folosit sondaje de sârmă pentru a investiga adâncimile mării și au colectat sute de probe biologice din toate oceanele, cu excepția Arcticii . De asemenea, pe HMS Challenger s-au folosit drage și linguri, suspendate pe frânghii, cu care puteau fi obținute probe de sedimente și specimene biologice ale fundului mării.
O versiune mai avansată a greutății sonore este gravitația. Corerul gravitațional permite cercetătorilor să probeze și să studieze straturile de sedimente de la fundul oceanelor. Carcasa este formată dintr-un tub cu capăt deschis cu o greutate de plumb și un mecanism de declanșare care eliberează carcasa din cablul său de suspensie atunci când carcasa este coborâtă pe fundul mării și o greutate mică atinge solul. Miezul cade în fundul mării și îl pătrunde la o adâncime de până la 10 m (33 ft). Ridicând carcasa, se extrage o probă lungă, cilindrică, în care se păstrează structura straturilor de sedimente ale fundului mării. Recuperarea miezurilor de sedimente le permite oamenilor de știință să vadă prezența sau absența unor fosile specifice în noroi care pot indica modele climatice în momente din trecut, cum ar fi în epoca de gheață. Probele de straturi mai adânci pot fi obținute cu o carotă montată într-un burghiu. Vasul de foraj JOIDES Resolution este echipat pentru a extrage miezuri de la adâncimi de până la 1.500 m (4.921 ft) sub fundul oceanului. (Vezi Programul de foraj oceanic )
Instrumentele cu sunet ecologic au fost, de asemenea, utilizate pe scară largă pentru a determina adâncimea fundului mării de la al doilea război mondial . Acest instrument este utilizat în principal pentru determinarea adâncimii apei prin intermediul unui ecou acustic. Un impuls de sunet trimis de pe navă este reflectat de la fundul mării înapoi la navă, intervalul de timp dintre transmisie și recepție fiind proporțional cu adâncimea apei. Prin înregistrarea continuă a timpului dintre semnalele de ieșire și cele de întoarcere pe bandă de hârtie, se obține o cartografiere continuă a fundului mării . Majoritatea fundului oceanului a fost cartografiat în acest fel.
În plus, camerele de televiziune de înaltă rezoluție, termometrele , contoarele de presiune și seismografele sunt alte instrumente notabile pentru explorarea în adâncuri inventate de progresul tehnologic. Aceste instrumente sunt fie coborâte pe fundul mării prin cabluri lungi, fie atașate direct la geamanduri submersibile . Curenții din adâncime pot fi studiați de flotoarele care transportă un dispozitiv sonor cu ultrasunete, astfel încât mișcările lor să poată fi urmărite de la bordul navei de cercetare. Astfel de nave sunt echipate cu instrumente de navigație de ultimă generație, cum ar fi sisteme de navigație prin satelit și sisteme de poziționare globală care mențin nava într-o poziție activă față de un far sonar de pe fundul oceanului.
Submersibile oceanografice
Datorită presiunii ridicate, adâncimea la care un scafandru poate coborî fără echipament special este limitată. Cea mai profundă coborâre înregistrată făcută de un scufundător de piele este de 127 m (417 ft). Noile costume de scufundare revoluționare, cum ar fi „ costumul JIM ” , permit scafandrilor să atingă adâncimi de până la aproximativ 600 m (1.969 ft). Unele costume suplimentare prezintă pachete de propulsie care pot spori un scafandru în diferite locații subacvatice.
Pentru a explora adâncimi și mai adânci, exploratorii de adâncime trebuie să se bazeze pe camere de oțel special construite pentru a le proteja. Exploratorul american William Beebe , de asemenea naturalist de la Universitatea Columbia din New York, colaborând cu colegul inginer Otis Barton de la Universitatea Harvard , a proiectat prima batisferă practică pentru a observa speciile marine la adâncimi la care nu putea fi atins un scafandru. În 1930, Beebe și Barton au atins o adâncime de 435 m (1.427 ft) și 923 m (3.028 ft) în 1934. Pericolul potențial era că, dacă cablul se rupe, ocupanții nu se mai puteau întoarce la suprafață. În timpul scufundării, Beebe a privit dintr-un hublou și a raportat observațiile sale prin telefon lui Barton, care era la suprafață.
În 1948, fizicianul elvețian Auguste Piccard a testat o navă de scufundare mult mai adâncă pe care a inventat-o numită batiscaf , o navă navigabilă de mare adâncime cu plutitorul său de benzină și camera suspendată sau gondola din oțel sferic. La o scufundare experimentală în Insulele Capului Verde , batiscaful său a rezistat cu succes presiunii asupra acestuia la 1.402 m (4.600 ft), dar corpul său a fost grav deteriorat de valuri grele după scufundare. În 1954, cu acest batiscaf, Piccard a atins o adâncime de 4.000 m (13.123 ft). În 1953, fiul său Jacques Piccard s-a alăturat construirii unui batiscaf nou și îmbunătățit Trieste , care a scufundat la 3.139 m (10.299 ft) în probele de teren. Statele Unite ale Americii Marina a achiziționat Trieste în 1958 și echipat cu o cabină nouă care să îi permită să ajungă la șanțuri adânci ocean. În 1960, Jacques Piccard și locotenentul marinei americane Donald Walsh au coborât la Trieste până în cel mai adânc punct cunoscut de pe Pământ - Challenger Deep in Mariana Trench , realizând cu succes cea mai profundă scufundare din istorie: 10.915 m (35,810 ft).
Un număr tot mai mare de submersibile ocupate sunt acum angajate în întreaga lume. De exemplu, DSV Alvin , construit în SUA , operat de Instituția Oceanografică Woods Hole , este un submarin de trei persoane care se poate scufunda la aproximativ 3.600 m (11.811 ft) și este echipat cu un manipulator mecanic pentru colectarea probelor de fund. Operat de Woods Hole Oceanographic Institution , Alvin este proiectat pentru a transporta un echipaj de trei persoane la adâncimi de 4.000 m (13.123 ft). Submarinul este echipat cu lumini, camere, computere și brațe robotice foarte manevrabile pentru colectarea probelor în întunericul adâncurilor oceanului. Alvin a făcut prima sa scufundare de test în 1964 și a efectuat mai mult de 3.000 de scufundări la adâncimi medii de 1.829 m (6.001 picioare). Alvin a fost, de asemenea, implicat într-o mare varietate de proiecte de cercetare, cum ar fi unul în care au fost descoperiți viermi cu tub uriaș pe fundul Oceanului Pacific , lângă insulele Galápagos .
Submersibile fără pilot
Unul dintre primele vehicule de mare adâncime fără pilot a fost dezvoltat de Universitatea din California cu un grant de la Fundația Allan Hancock la începutul anilor 1950 pentru a dezvolta o metodă mai economică de a face fotografii la mile sub mare cu oțel fără pilot de înaltă presiune 3.000 lb ( 1.361 kg) sferă numită bentograf, care conținea o cameră și o lumină stroboscopică. Bentografia originală construită de USC a avut un mare succes în realizarea unei serii de fotografii subacvatice până când a devenit încastrată între unele roci și nu a putut fi recuperată.
Vehiculele acționate la distanță (ROV) văd, de asemenea, o utilizare tot mai mare în explorarea subacvatică. Aceste submersibile sunt pilotate printr-un cablu care se conectează la nava de suprafață și poate atinge adâncimi de până la 6.000 m (19.685 ft). Noile dezvoltări în domeniul roboticii au dus, de asemenea, la crearea AUV-urilor sau vehiculelor subacvatice autonome . Submarinele robotizate sunt programate în avans și nu primesc instrucțiuni de la suprafață. Un ROV hibrid (HROV) combină caracteristicile atât ale ROV cât și ale AUV, care funcționează independent sau cu un cablu. Argo a fost angajat în 1985 pentru a localiza epava RMS Titanic ; Jason mai mic a fost folosit și pentru explorarea naufragiului.
Construcții și materiale ale vaselor sub presiune
La construirea navelor de explorare în adâncime trebuie luate considerații speciale. Prelucrarea, alegerea materialului și construcția sunt factori extrem de importanți. Cea mai mare parte a mării profunde rămâne la temperaturi aproape de îngheț, contribuind la fragilitatea oricăror metale utilizate. Dacă nava este echipată, porțiunea care găzduiește scafandrul sau scafandrii este aproape întotdeauna partea de cea mai înaltă considerație. Alte părți ale vehiculului submersibil, cum ar fi carcasele electronice, pot fi fie întărite cu spume ușoare, dar puternice, fie umplute cu lichide dense. Porțiunea echipată, totuși, trebuie să rămână goală și sub presiuni operabile pentru oameni. Aceste cerințe pun presiuni mari asupra vasului, deoarece diferența de presiune dintre exterior și interior este la maxim. Navele fără pilot trebuie, de asemenea, construite cu atenție. În timp ce diferența de presiune nu este la fel de imensă ca la o navă cu echipaj, navele fără echipaj au echipamente electronice sensibile și delicate care trebuie păstrate în siguranță. Indiferent de natura ambarcațiunii, vasele sub presiune de la bord sunt aproape întotdeauna construite în forme sferice sau cilindrice. Presiunea pe care oceanul o exercită asupra ambarcațiunii este de natură hidrostatică și o formă mai izotropă sau simetrică ajută la distribuirea uniformă a acestei presiuni.
Prelucrarea materialului ales pentru construirea vehiculelor de cercetare submersibile ghidează o mare parte din restul procesului de construcție. De exemplu, Agenția Japoneză pentru Știința și Tehnologia Marine-Pământ (JAMSTEC) angajează mai multe vehicule subacvatice autonome (AUV) cu o construcție variată. Cele mai utilizate metale pentru construirea vaselor de înaltă presiune ale acestor ambarcațiuni sunt aliajele forjate de aluminiu, oțel și titan. Aluminiul este ales pentru operațiuni de adâncime medie în care nu este necesară o rezistență extrem de mare. Oțelul este un material extrem de bine înțeles, care poate fi reglat pentru a avea o rezistență incredibilă la randament și o tensiune de randament . Este un material excelent pentru rezistența la presiunile extreme ale mării, dar are o densitate foarte mare care limitează dimensiunea vaselor sub presiune din oțel din cauza problemelor legate de greutate. Titanul este aproape la fel de puternic ca oțelul și de trei ori mai ușor. Pare alegerea evidentă de utilizat, dar are mai multe probleme proprii. În primul rând, lucrul cu titanul este mult mai costisitor și mai dificil, iar prelucrarea necorespunzătoare poate duce la defecte substanțiale. Pentru a adăuga caracteristici precum ferestre de vedere la un recipient sub presiune, trebuie utilizate operații delicate de prelucrare , care prezintă un risc în titan. Deepsea Challenger , de exemplu, a folosit o sferă de oțel pentru a găzdui pilotul său. Se estimează că această sferă poate rezista la 23.100 psi de presiune hidrostatică, care este aproximativ echivalentă cu o adâncime a oceanului de 52.000 de picioare, mult mai adâncă decât Challenger Deep. Sferele mai mici de titan au fost folosite pentru a găzdui multe dintre componentele electronice ale navei, deoarece dimensiunea mai mică a redus riscul de eșec catastrofal.
Metalele forjate sunt prelucrate fizic pentru a crea formele dorite, iar acest proces întărește metalul în mai multe moduri. Atunci când este prelucrat la temperaturi mai scăzute, cunoscut și sub denumirea de lucru la rece , metalul suferă o întărire a tensiunii . Când sunt prelucrate la temperaturi ridicate sau la lucru la cald , alte efecte pot întări metalul. Temperaturile ridicate permit o prelucrare mai ușoară a aliajului și scăderea rapidă ulterioară a temperaturii prin stingerea blocează elementele de aliere. Aceste elemente formează apoi precipitate, ceea ce mărește și mai mult rigiditatea.
Rezultate științifice
În 1974, Alvin (operat de Institutul Oceanografic Woods Hole si Marea Place Centrul de Cercetare profundă), franceză batiscaf Archimede , iar franceză de scufundări farfurioara Cyana , asistat de nave de sprijin și Glomar Challenger , a explorat marea vale a Rift la mijlocul lui Atlantic Ridge , la sud-vest de Azore . Au fost făcute aproximativ 5.200 de fotografii ale regiunii și s- au găsit mostre de magmă solidară relativ tânără pe fiecare parte a fisurii centrale a văii Riftului, dând dovezi suplimentare că fundul mării se răspândește la acest loc la o rată de aproximativ 2,5 centimetri (1,0 in ) pe an (vezi tectonica plăcilor ).
Într - o serie de scufundări efectuate între 1979-1980 în Galápagos ruptură , în largul coastei Ecuador , franceză, italiană, mexicană și SUA oamenii de știință au găsit guri de aerisire, de aproape 9 m (30 ft) de mare și aproximativ 3,7 m (12 ft) peste , descărcând un amestec de apă fierbinte (până la 300 ° C, 572 ° F) și metale dizolvate în panouri întunecate, de tip fum (vezi gura de aerisire hidrotermală ). Aceste izvoare termale joacă un rol important în formarea depozitelor care sunt îmbogățite în cupru , nichel , cadmiu , crom și uraniu .
Exploatarea în adâncime
Explorarea în adâncime a căpătat un nou impuls datorită interesului crescând pentru resursele minerale abundente care sunt situate la adâncimile fundului oceanului , descoperite pentru prima dată de călătoria de explorare a Challenger în 1873. Interesul tot mai mare al statelor membre ale Autorității Internaționale pentru Fondul Mării , inclusiv Canada , Japonia , Coreea și Regatul Unit au condus la încheierea a 18 contracte de explorare în zona de fractură Clarion Clipperton din Oceanul Pacific . Rezultatul explorării și al cercetării asociate este descoperirea de noi specii marine , precum și a microbilor microscopici care pot avea implicații asupra medicinei moderne . Companiile private și-au exprimat, de asemenea, interesul pentru aceste resurse. Diversi contractori, în cooperare cu instituții academice, au achiziționat 115.591 km2 de date batimetrice de înaltă rezoluție , 10.450 probe biologice conservate pentru studiu și 3.153 km-linie de imagini ale fundului mării, ajutând la o înțelegere mai profundă a fundului oceanului și a ecosistemului său .