Batymetria -Bathymetry

Batymetria dna oceanicznego przedstawiająca szelfy kontynentalne i płaskowyże oceaniczne (kolor czerwony), grzbiety śródoceaniczne (kolor żółto-zielony) oraz równiny otchłani (kolor od niebieskiego do fioletowego)
Odprowadzanie metanu u wybrzeży Wirginii
Mapa dna morskiego uchwycona przez NASA


Batymetria ( / b ə θ ɪ m ə t r i / ; od starogreckiego βαθύς ( bathús )  „głęboki” i μέτρον ( métron )  „miara”) to badanie podwodnej głębokości dna oceanu ( topografia dna morskiego ), jezioro dna lub dna rzek. Innymi słowy, batymetria jest podwodnym odpowiednikiem hipsometrii lub topografii . Pierwsze zarejestrowane dowody pomiarów głębokości wody pochodzą ze starożytnego Egiptu ponad 3000 lat temu. Mapy batymetryczne (lub hydrograficzne ) są zwykle tworzone w celu wspierania bezpieczeństwa nawigacji na powierzchni lub pod powierzchnią i zwykle przedstawiają rzeźbę dna morskiego lub teren jako linie konturowe (zwane warstwicami głębokości lub izobaty ) i wybrane głębokości ( sondaże ), a także zazwyczaj zapewniają nawigację na powierzchni Informacja. Mapy batymetryczne (bardziej ogólny termin, w którym bezpieczeństwo nawigacji nie jest problemem) mogą również wykorzystywać cyfrowy model terenu i techniki sztucznego oświetlenia, aby zilustrować przedstawiane głębokości. Globalna batymetria jest czasami łączona z danymi topograficznymi w celu uzyskania globalnego modelu rzeźby terenu . Paleobatymetria to badanie głębin podwodnych w przeszłości.

Synonimy obejmują mapowanie dna morskiego , mapowanie dna morskiego , obrazowanie dna morskiego i obrazowanie dna morskiego . Pomiary batymetryczne prowadzone są różnymi metodami, od sondowania głębinowego , techniką sonarową i lidarową , po boje i altymetrię satelitarną . Różne metody mają wady i zalety, a konkretna metoda zależy od skali badanego obszaru, środków finansowych, pożądanej dokładności pomiaru i dodatkowych zmiennych. Pomimo nowoczesnych badań komputerowych, dno morskie w wielu miejscach jest słabiej zmierzone niż topografia Marsa .

Topografia dna morskiego

Topografia dna morskiego ( topografia oceanu lub topografia morza ) odnosi się do kształtu lądu ( topografii ), gdy styka się on z oceanem. Te kształty są oczywiste wzdłuż wybrzeży, ale występują również w znaczący sposób pod wodą. Efektywność siedlisk morskich jest częściowo określona przez te kształty, w tym sposób, w jaki oddziałują one z prądami oceanicznymi i je kształtują , a także sposób, w jaki światło słoneczne zmniejsza się, gdy te formy terenu zajmują coraz większe głębokości. Sieci pływowe zależą od równowagi między procesami sedymentacyjnymi a hydrodynamiką, jednak wpływy antropogeniczne mogą wpływać na system naturalny bardziej niż jakikolwiek czynnik fizyczny.

Topografie morskie obejmują przybrzeżne i oceaniczne formy terenu , począwszy od przybrzeżnych estuariów i linii brzegowych , a skończywszy na szelfach kontynentalnych i rafach koralowych . Dalej na otwartym oceanie obejmują obiekty podwodne i głębinowe , takie jak wzniesienia oceaniczne i góry podwodne . Zanurzona powierzchnia ma elementy górskie, w tym obejmujący kulę ziemską system grzbietów śródoceanicznych , a także podwodne wulkany , rowy oceaniczne , podwodne kaniony , płaskowyże oceaniczne i równiny otchłani .

Masa oceanów wynosi około 1,35 × 1018  ton metrycznych , czyli około 1/4400 całkowitej masy Ziemi. Oceany zajmują powierzchnię 3,618 × 108  km 2 o średniej głębokości 3682 m, co daje szacunkową objętość 1,332 × 109  km 3 .

Pomiar

Pierwsza wydrukowana mapa batymetrii oceanicznej, sporządzona na podstawie danych z USS Dolphin (1853)

Pierwotnie batymetria obejmowała pomiar głębokości oceanu za pomocą sondowania głębokości . Wczesne techniki wykorzystywały wstępnie zmierzoną ciężką linę lub kabel opuszczony na burtę statku. Ta technika mierzy głębokość tylko w jednym punkcie naraz i dlatego jest nieefektywna. Jest również podatny na ruchy statku i prądy, które powodują zmianę linii, a zatem nie jest dokładny.

Dane wykorzystywane obecnie do tworzenia map batymetrycznych zazwyczaj pochodzą z echosondy ( sonaru ) zamontowanej pod lub nad burtą łodzi, wysyłającej wiązkę dźwięku w dół na dno morskie lub z systemów teledetekcji LIDAR lub LADAR. Czas potrzebny do przebycia dźwięku lub światła przez wodę, odbicia od dna morskiego i powrotu do echosondy informuje sprzęt o odległości do dna morskiego. Badania LIDAR/LADAR są zwykle przeprowadzane przez systemy pokładowe.

Topografia dna morskiego w pobliżu rowu Puerto Rico

Począwszy od wczesnych lat trzydziestych XX wieku do tworzenia map batymetrycznych używano sond jednowiązkowych. Obecnie zwykle stosuje się echosondy wielowiązkowe (MBES), które wykorzystują setki bardzo wąskich sąsiednich wiązek (zwykle 256) ułożonych w wachlarzowaty pas o średnicy zwykle od 90 do 170 stopni. Ciasno upakowany układ wąskich pojedynczych wiązek zapewnia bardzo wysoką rozdzielczość kątową i dokładność. Ogólnie rzecz biorąc, szeroki pas, który jest zależny od głębokości, pozwala łodzi na zmapowanie większego dna morskiego w krótszym czasie niż echosonda jednowiązkowa, wykonując mniejszą liczbę przejść. Wiązki aktualizują się wiele razy na sekundę (zwykle 0,1–50 Hz w zależności od głębokości wody), umożliwiając większą prędkość łodzi przy zachowaniu 100% pokrycia dna morskiego. Czujniki położenia umożliwiają korygowanie przechyłu i pochylenia łodzi na powierzchni oceanu, a żyrokompas dostarcza dokładnych informacji o kursie w celu skorygowania odchylenia statku . (Większość nowoczesnych systemów MBES wykorzystuje zintegrowany czujnik ruchu i system położenia, który mierzy odchylenie, a także inną dynamikę i pozycję). Globalny system pozycjonowania (GPS) montowany na łodzi (lub inny globalny system nawigacji satelitarnej (GNSS)) ustawia sondowania w odniesieniu do powierzchni ziemi. Profile prędkości dźwięku (prędkość dźwięku w wodzie jako funkcja głębokości) słupa wody są prawidłowe dla załamania lub „zginania promienia” fal dźwiękowych ze względu na niejednorodną charakterystykę słupa wody, taką jak temperatura, przewodnictwo i ciśnienie. System komputerowy przetwarza wszystkie dane, korygując wszystkie powyższe czynniki, a także kąt każdej pojedynczej wiązki. Wynikowe pomiary sondujące są następnie przetwarzane ręcznie, półautomatycznie lub automatycznie (w ograniczonych okolicznościach) w celu utworzenia mapy obszaru. Od 2010 r. generowanych jest szereg różnych danych wyjściowych, w tym podzbiór oryginalnych pomiarów, które spełniają określone warunki (np. najbardziej reprezentatywne prawdopodobne sondowania, najpłytsze sondowanie w regionie itp . ) , regularna lub nieregularna siatka punktów połączonych w powierzchnię). Historycznie wybór pomiarów był bardziej powszechny w zastosowaniach hydrograficznych , podczas gdy budowa NMT była wykorzystywana do badań inżynierskich, geologii, modelowania przepływów itp. Od ok. W latach 2003–2005 DTM stały się bardziej akceptowane w praktyce hydrograficznej.

Satelity są również wykorzystywane do pomiaru batymetrii. Radar satelitarny mapuje topografię głębin morskich, wykrywając subtelne zmiany poziomu morza spowodowane przyciąganiem grawitacyjnym podwodnych gór, grzbietów i innych mas. Średnio poziom morza jest wyższy nad górami i grzbietami niż nad otchłannymi równinami i rowami.

W Stanach Zjednoczonych Korpus Inżynierów Armii Stanów Zjednoczonych wykonuje lub zleca większość badań żeglownych śródlądowych dróg wodnych, podczas gdy Narodowa Administracja Oceaniczna i Atmosferyczna (NOAA) pełni tę samą rolę w przypadku oceanicznych dróg wodnych. Dane batymetryczne wybrzeża są dostępne w Narodowym Centrum Danych Geofizycznych NOAA (NGDC), które jest obecnie połączone z Narodowymi Centrami Informacji o Środowisku . Dane batymetryczne są zwykle odnoszone do pionowych układów odniesienia pływów . W przypadku batymetrii głębinowej jest to zwykle średni poziom morza (MSL), ale większość danych używanych do sporządzania map morskich odnosi się do średniej dolnej wody (MLLW) w badaniach amerykańskich i najniższego przypływu astronomicznego (LAT) w innych krajach. W praktyce stosuje się wiele innych układów odniesienia , w zależności od lokalizacji i reżimu pływów.

Zawody lub kariery związane z batymetrią obejmują badanie oceanów, skał i minerałów na dnie oceanu oraz badanie podwodnych trzęsień ziemi lub wulkanów. Wykonywanie i analiza pomiarów batymetrycznych jest jednym z podstawowych obszarów współczesnej hydrografii i podstawowym elementem zapewniającym bezpieczny transport towarów na całym świecie.

Model STL 3D Ziemi bez ciekłej wody z 20-krotnym wyolbrzymieniem wysokości

Zdjęcia satelitarne

Inną formą mapowania dna morskiego jest wykorzystanie satelitów. Satelity są wyposażone w czujniki hiperspektralne i multispektralne, które służą do dostarczania ciągłych strumieni obrazów obszarów przybrzeżnych, zapewniając bardziej realną metodę wizualizacji dna dna morskiego.

Czujniki hiperspektralne

Zestawy danych wytwarzane przez czujniki Hyper-Spectral (HS) zwykle mieszczą się w zakresie od 100 do 200 pasm widmowych o szerokości pasma około 5–10 nm. Hyper-Spectral Sensing, czyli spektroskopia obrazowa, to połączenie ciągłego zdalnego obrazowania i spektroskopii w celu uzyskania pojedynczego zestawu danych. Dwa przykłady tego rodzaju wykrywania to AVIRIS ( powietrzny spektrometr obrazowania widzialnego/podczerwonego ) i HYPERION.

Zastosowanie czujników HS w odniesieniu do obrazowania dna morskiego polega na wykrywaniu i monitorowaniu chlorofilu, fitoplanktonu, zasolenia, jakości wody, rozpuszczonych materiałów organicznych i zawieszonych osadów. Nie zapewnia to jednak doskonałej wizualnej interpretacji środowisk przybrzeżnych.

Czujniki wielospektralne

Inna metoda obrazowania satelitarnego, obrazowanie wielospektralne (MS), ma tendencję do dzielenia widma EM na niewielką liczbę pasm, w przeciwieństwie do swoich partnerów Hyper-Spectral Sensors, które mogą uchwycić znacznie większą liczbę pasm widmowych.

Wykrywanie MS jest częściej wykorzystywane w mapowaniu dna morskiego ze względu na mniejszą liczbę pasm widmowych przy stosunkowo większych szerokościach pasma. Większe szerokości pasma pozwalają na większe pokrycie widmowe, co ma kluczowe znaczenie w wizualnym wykrywaniu cech morskich i ogólnej rozdzielczości widmowej uzyskanych obrazów.

Lotnicza batymetria laserowa

Lotnicza batymetria laserowa o dużej gęstości (ALB) to nowoczesne, wysoce techniczne podejście do mapowania dna morskiego. ALB, opracowany po raz pierwszy w latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych XX wieku, jest „techniką wykrywania i określania odległości (LiDAR), która wykorzystuje światło widzialne, ultrafioletowe i bliską podczerwień do optycznego zdalnego wykrywania celu konturowego zarówno za pomocą systemu aktywnego, jak i pasywnego”. Oznacza to, że powietrzna batymetria laserowa wykorzystuje również światło poza widmem widzialnym do wykrywania krzywizn w podwodnym krajobrazie.

LiDAR (Light Detection and Ranging) to według National Oceanic and Atmospheric Administration „metoda teledetekcji, która wykorzystuje światło w postaci pulsującego lasera do pomiaru odległości”. Te impulsy świetlne, wraz z innymi danymi, generują trójwymiarową reprezentację wszystkiego, od czego odbijają się impulsy świetlne, dając dokładne odwzorowanie właściwości powierzchni. System LiDAR zwykle składa się z lasera , skanera i odbiornika GPS . Samoloty i helikoptery są najczęściej używanymi platformami do pozyskiwania danych LIDAR na dużych obszarach. Jednym z zastosowań LiDAR jest batymetryczny LiDAR, który wykorzystuje przenikające wodę zielone światło do pomiaru wysokości dna morskiego i koryta rzeki.

ALB generalnie działa w postaci impulsu niewidzialnego światła emitowanego z nisko lecącego samolotu i odbiornika rejestrującego dwa odbicia od wody. Pierwszy z nich pochodzi z powierzchni wody, a drugi z dna morskiego. Metodę tę zastosowano w wielu badaniach do mapowania segmentów dna morskiego różnych obszarów przybrzeżnych.

Przykłady komercyjnych systemów batymetrycznych LIDAR

Istnieją różne systemy batymetryczne LIDAR, które są dostępne na rynku. Dwa z tych systemów to Skaningowy Hydrograficzny Operacyjny Airborne Lidar Survey (SHOALS) i Laser Airborne Depth Sounder (LADS). SHOALS został po raz pierwszy opracowany, aby pomóc Korpusowi Inżynierów Armii Stanów Zjednoczonych (USACE) w pomiarach batymetrycznych przez firmę Optech w latach 90. SHOALS odbywa się poprzez transmisję lasera o długości fali pomiędzy 530 a 532 nm, z wysokości około 200 m ze średnią prędkością 60 m/s.

Ortofotomapy w wysokiej rozdzielczości

Ortofotomapa wysokiej rozdzielczości (HRO) to proces tworzenia obrazu, który łączy cechy geometryczne z cechami fotografii. Wynikiem tego procesu jest ortoobraz , obraz w skali, który zawiera poprawki wprowadzone w celu przesunięcia elementu, takiego jak przechylenie budynku. Korekty te są dokonywane za pomocą równania matematycznego, informacji o kalibracji czujnika oraz zastosowania cyfrowych modeli wysokości.

Ortoobraz można utworzyć poprzez połączenie wielu zdjęć tego samego celu. Cel jest fotografowany pod wieloma różnymi kątami, aby umożliwić postrzeganie prawdziwej wysokości i nachylenia obiektu. Daje to widzowi dokładne postrzeganie obszaru docelowego.

Ortofotomapy o wysokiej rozdzielczości są obecnie wykorzystywane w „programie mapowania naziemnego”, którego celem jest „wytwarzanie danych topograficznych o wysokiej rozdzielczości od stanu Oregon po Meksyk”. Ortoobrazy zostaną wykorzystane do dostarczenia danych fotograficznych dla tych regionów.

Historia

Trójwymiarowa mapa z echosondą

Najwcześniejsze znane pomiary głębokości zostały wykonane około 1800 roku pne przez Egipcjan za pomocą sondy. Później użyto linii ważonej, z zaznaczonymi w odstępach głębokościami. Proces ten był znany jako sondowanie. Obie te metody były ograniczone przez głębokość punktową, pobraną w punkcie i mogły z łatwością przeoczyć znaczące zmiany w bezpośrednim sąsiedztwie. Na dokładność wpływał również ruch wody - prąd mógł odchylić ciężarek od pionu, co miało wpływ zarówno na głębokość, jak i położenie. Był to pracochłonny i czasochłonny proces, na który duży wpływ miały warunki pogodowe i morskie.

Podczas rejsu HMS Challenger w latach 70. XIX wieku nastąpiła znaczna poprawa, kiedy podobne systemy wykorzystujące druty i wciągarkę były używane do pomiaru znacznie większych głębokości niż było to wcześniej możliwe, ale pozostała to procedura jednej głębokości na raz, która wymagała bardzo małej prędkości dla dokładności . Większe głębokości można było mierzyć za pomocą obciążonych drutów rozmieszczonych i odzyskiwanych za pomocą napędzanych wciągarek. Druty miały mniejszy opór i były mniej podatne na prąd, nie rozciągały się tak bardzo i były wystarczająco mocne, aby utrzymać własny ciężar na znacznych głębokościach. Wciągarki umożliwiły szybsze rozkładanie i przywracanie, co było konieczne, gdy zmierzone głębokości wynosiły kilka kilometrów. Badania przeciągania drutu były nadal stosowane do lat 90. XX wieku ze względu na niezawodność i dokładność. Ta procedura polegała na holowaniu kabla przez dwie łodzie, podparte na pływakach i obciążone, aby utrzymać stałą głębokość. Drut zahaczałby o przeszkody płytsze niż głębokość kabla. Było to bardzo przydatne do znajdowania zagrożeń nawigacyjnych, które można było przeoczyć podczas sondowania, ale ograniczało się do stosunkowo płytkich głębokości.

Echosondy jednowiązkowe były używane od lat dwudziestych i trzydziestych XX wieku do pomiaru odległości dna morskiego bezpośrednio pod statkiem w stosunkowo małych odstępach wzdłuż linii ruchu. Przeprowadzając mniej więcej równoległe linie, punkty danych można było zbierać w lepszej rozdzielczości, ale ta metoda nadal pozostawiała przerwy między punktami danych, szczególnie między liniami. Mapowanie dna morskiego rozpoczęto od wykorzystania fal dźwiękowych , wyprofilowanych w izobaty i wczesne mapy batymetryczne topografii szelfu. Dały one pierwszy wgląd w morfologię dna morskiego, chociaż popełniono błędy z powodu dokładności pozycjonowania poziomego i nieprecyzyjnych głębokości. Sonar Sidescan został opracowany w latach 50. i 70. XX wieku i mógł być używany do tworzenia obrazu dna, ale technologia ta nie pozwalała na bezpośredni pomiar głębokości na całej szerokości skanu. W 1957 roku Marie Tharp we współpracy z Brucem Charlesem Heezenem stworzyła pierwszą trójwymiarową mapę fizjograficzną światowych basenów oceanicznych. Odkrycia Tharpa dokonano w idealnym momencie. Było to jedno z wielu odkryć, które miały miejsce mniej więcej w tym samym czasie co wynalezienie komputera . Komputery, ze swoją zdolnością do obliczania dużych ilości danych, znacznie ułatwiły badania, w tym badania oceanów na świecie. Rozwój systemów wielowiązkowych umożliwił uzyskanie informacji o głębokości w całym obszarze sonaru, w wyższych rozdzielczościach, a wraz z precyzyjnymi danymi dotyczącymi pozycji i położenia przetworników umożliwił uzyskanie wielu sondowań o wysokiej rozdzielczości z jednego przejścia.

Biuro Oceanograficzne Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych opracowało tajną wersję technologii wielowiązkowej w latach sześćdziesiątych XX wieku. NOAA uzyskała jawną wersję komercyjną pod koniec lat 70. XX wieku i ustanowiła protokoły i standardy. Dane pozyskane za pomocą sonaru wielowiązkowego znacznie poszerzyły wiedzę na temat dna morskiego.

Amerykańskie satelity Landsat z lat 70. XX wieku, a później europejskie satelity Sentinel, zapewniły nowe sposoby wyszukiwania informacji batymetrycznych, które można uzyskać ze zdjęć satelitarnych. Metody te obejmują wykorzystanie różnych głębokości, na które różne częstotliwości światła przenikają do wody. Kiedy woda jest czysta, a dno morskie dostatecznie odbija światło, głębokość można oszacować, mierząc współczynnik odbicia obserwowany przez satelitę, a następnie modelując, jak daleko światło powinno przenikać w znanych warunkach. Advanced Topographic Laser Altimeter System (ATLAS) na Ice, Cloud, and land Elevation Satellite 2 (ICESat-2) NASA to lidar zliczający fotony, który wykorzystuje czas powrotu impulsów światła laserowego z powierzchni Ziemi do obliczenia wysokości powierzchni . Pomiary ICESat-2 można łączyć z danymi z sonaru pokładowego, aby wypełnić luki i poprawić precyzję map płycizn.

W mapowaniu topografii dna morskiego szelfu kontynentalnego za pomocą danych uzyskanych ze zdalnych czujników zastosowano różne metody wizualizacji topografii dna. Wczesne metody obejmowały mapy hachure i były generalnie oparte na osobistej interpretacji ograniczonych dostępnych danych przez kartografa. Metody mapowania akustycznego opracowane na podstawie obrazów z sonaru wojskowego dały bardziej żywy obraz dna morskiego. Dalszy rozwój technologii opartej na sonarze pozwolił uzyskać więcej szczegółów i większą rozdzielczość, a techniki penetracji gruntu dostarczają informacji o tym, co znajduje się pod powierzchnią dna. Akwizycja danych lotniczych i satelitarnych umożliwiła dalsze postępy w wizualizacji powierzchni podwodnych: zdjęcia lotnicze i ortoobrazy o wysokiej rozdzielczości to potężne narzędzie do mapowania płytkich, czystych wód na szelfach kontynentalnych, a powietrzna batymetria laserowa, wykorzystująca odbite impulsy świetlne, jest również bardzo skuteczna w tych warunkach, a hiperspektralne i wielospektralne czujniki satelitarne mogą dostarczać niemal ciągły strumień informacji o środowisku bentosowym. Techniki teledetekcji zostały wykorzystane do opracowania nowych sposobów wizualizacji dynamicznych środowisk dennych, od ogólnych cech geomorfologicznych po pokrycie biologiczne.

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne