Ocean tajemnic. Poznajemy głębiny morskie, ale wciąż więcej o nich nie wiemy, niż wiemy
Na przykład okazuje się, że wchłaniają znacznie więcej dwutlenku węgla, niż nam się wydawało, co w świetle teorii globalnego ocieplenia ma znaczenie. Oceany, jak wiadomo od dawna, działają jak hamulec i mechanizm moderujący zmiany klimatyczne (1). Według wcześniejszych szacunków dotyczących CO2 z atmosfery znikającego w oceanie mówiły o około 25 proc. wszystkich ludzkich emisji tego gazu pochłanianych przez oceany. Artykuł opublikowany w listopadzie 2024 r. w „Nature Geoscience” dowodzi, że cienka warstwa na powierzchni oceanu, zwana „skórą oceanu” cieńsza niż ludzki włos, pochłania ostatnio coraz więcej CO2, w badanym okresie nawet o siedem proc. więcej. Pozornie to niewielka różnica, ale ta dodatkowa absorpcja jest równoważna mocy wchłaniania CO2 całego lasu deszczowego Amazonii. Szacunki absorpcji, ignorującej ten efekt, byłyby niedokładne. Badacze temperatury powierzchni morza wykazali, że skóra oceanu jest nieco chłodniejsza niż wody znajdujące się tuż pod nią, średnio o ~0,17°C. Ponieważ wymiana CO2 między oceanem a atmosferą jest sterowana przez różnicę stężeń między powierzchnią a warstwą wody poniżej, gdy skóra jest chłodniejsza, zwiększa to absorpcję CO2.
w erze przedindustrialnej i w jej trakcie. Fot. AI
Badania tych efektów były prowadzone przez naukowców europejskich przy pomocy Europejskiej Agencji Kosmicznej, która pomogła im umieścić specjalistyczne systemy pomiarowe na pokładzie dwóch statków badawczych prowadzących badania od 2018 r.
Wchłaniają tlen i jak się okazuje, wytwarzają tlen w nieznanych dotychczas procesach. Inne nowe badania wykazują, że tlen może być produkowany na głębokościach, do których nie dociera światło. Autorzy publikacji w „Nature Geoscience” zbierali próbki z osadów głębokich oceanów, aby określić tempo zużycia tlenu na dnie morskim przez organizmy i substancje, które mogą reagować z tlenem. W kilku eksperymentach okazało się, że ilość tlenu wzrasta, a nie maleje, jak można by się spodziewać. Według uczonych, ta „ciemna” produkcja tlenu na dnie morskim wydaje się zachodzić tylko w obecności koncentratów mineralnych, zwanych guzkami polimetalicznymi i złóż metali, zwanych osadami metalicznymi. Autorzy uważają, że guzki mają odpowiednią mieszankę metali i są wystarczająco gęsto upakowane, aby wywołać przepływy prądu elektrycznego i elektrolizę, wytwarzając wystarczającą ilość energii do oddzielenia wodoru (H) i tlenu (O) od wody (H2O). Czyli do produkcji tlenu nie potrzeba żywych stworzeń. Autorzy uważają, że ilość wytworzonego tlenu może się zmieniać w zależności od liczby i mieszanki guzków na dnie oceanu.
Zaginiony pod lodami Antarktyki
Eksploracja głębin nie jest łatwa. Wymaga ofiar. W dzisiejszych czasach są to na szczęście ofiary w… maszynach. W 2022 r. międzynarodowy zespół naukowców wysłał 20-metrowy autonomiczny pojazd podwodny (AUV) o nazwie „Ran”, aby przemierzył nigdy niezbadany region pod szelfem lodowym Dotson położonym na Antarktydzie Zachodniej. Badania ujawniły skomplikowaną dynamikę, która prowadzi do szybszego topnienia między zachodnią i wschodnią częścią szelfu lodowego. Wyniki tych badań zostały opublikowane w „Science Advances”. Po powrocie na ten obszar w 2024 r. w celu skatalogowania zmian na szelfie lodowym, „Ran” w dość tajemniczy sposób zaginął pod lodowymi falami.
Bezzałogowa łódź „Ran” o długości prawie siedmiu metrów wykorzystywała fale dźwiękowe (zaawansowany sonar wielowiązkowy) do mapowania obszaru pod szelfem lodowym. Ze względu na jego lokalizację zespół badawczy nie był w stanie komunikować się z AUV ani śledzić jego ruchów za pomocą GPS na bieżąco. Naukowcy zaprogramowali „Rana”, aby podróżował tam i z powrotem pod szelfem w równych rzędach, jak kosiarka do trawy, zbierając dane poprzez pulsowanie lodu falami dźwiękowymi. Nie mogąc komunikować się z ludźmi, „Ran” nie mógł też korzystać z GPS, aby nawigować samodzielnie. Miał do nawigacji jedynie pokładowe czujniki ruchu.
W czternastu misjach, niektórych trwających kilka godzin, innych trwających dłużej niż jeden dzień, „Ran” zmapował około 130 kilometrów kwadratowych powierzchni. Zobrazowane przez robotycznego eksploratora struktury lodowe były bardziej złożone, niż ktokolwiek sobie wyobrażał. Chociaż początkową misją zespołu było zbadanie pobliskiego lodowca Thwaites, środowisko okazało się za trudno dostępne.
Na początku 2024 r. szefowa zespołu Anna Wåhlin z uniwersytetu w Gothenburgu i jej koledzy przywieźli „Rana” znów w to samo miejsce. Chcieli powtórzyć swoje badania z 2022 roku i zobaczyć, jak zmienił się lód. Ale po jednym z nurkowań AUV nie pojawił się w punkcie spotkania. Zdaniem doktor Wåhlin „Ran” mógł rozbić się w strefie położonej kilkaset metrów pod wodą, gdzie szelf lodowy styka się ze skałą macierzystą. Druga teoria jest taka, że miał fatalne spotkanie z ciekawską foką. Naukowcy zauważyli kilka fok żyjących w szczelinie lodowej. Jedna z nich mogła zacząć okrążać „Rana” pod wodą, powodując jego dezorientację.
Roboty podwodne i stacje
Po powierzchni Księżyca chodziło dwunastu ludzi, a tylko cztery osoby na własne oczy widziały dno Rowu Mariańskiego. Ponad pół wieku temu Don Walsh i Jacques Piccard na pokładzie batyskafu „Trieste”, potem reżyser James Cameron, który dotarł w 2012 r. na głębokość 10 989 metrów w pojeździe „Deepsea Challenger” i nieco później miliarder Victor Vescovo.
Mamy lepsze mapy powierzchni Marsa (rozdzielczość 4 m na piksel) niż ziemskich oceanów (rozdzielczość jest niższa niż 1 km na piksel w większości miejsc). Do niedawna jedynie ok. jednej piątej ich powierzchni została zmapowana w rozdzielczości schodzącej poniżej 100 metrów. Ricardo Aguilar, kierownik wielu ekspedycji oceanograficznych, podkreśla, że badacze tacy jak on nie mogą polegać na informacjach z batymetrycznych pomiarów głębokości mórz. „Mamy dobre informacje na temat mniej niż 5 proc. światowych oceanów i bardzo skąpe na temat kolejnych 10 proc”., mówił w jednej z publikacji medialnych. Istnieje ambitny projekt mapowania całego dna oceanu światowego do 2030 roku o nazwie Seabed 2030. Został uruchomiony w 2017 roku przez japońską fundację Nippon Foundation i organizację non profit GEBCO. W lecie 2024 przedstawiciele projektu ogłosili, że są nowe dane na temat zmapowanej powierzchni 4,34 miliona kilometrów, czyli obszaru wielkości Unii Europejskiej, a łączny obszar zmapowany, według tych informacji, przekroczył 26 proc. dna ziemskich oceanów.
Ograniczenia na eksplorację oceanicznych głębin nakłada fizyka. Na dużych głębokościach mamy do czynienia z zerową widocznością, ekstremalnie niskimi temperaturami i miażdżącym ciśnieniem. Zatem eksploracja z udziałem ludzi jest trudna. W ostatnich latach rozwija się technika bezzałogowa, zarówno nawodna, jak i podwodna, czego nowszym przykładem jest opisywany wyżej „Ran”. Mogą to być pojazdy kierowane przez człowieka (HOV), zdalnie sterowane (ROV) oraz autonomiczne, a także hybrydowe. Autonomiczne urządzenia mają już na swoim koncie wiele znaczących odkryć, np. to z 2020 roku dotyczące ogromnych rzek zimnej, słonej wody, które wypływają z australijskiego wybrzeża w głębiny oceanu w chłodniejszych miesiącach z powodu opadania silnie zasolonej wody.
Największa głębokość osiągana przez wciąż jeszcze nieliczne roboty podwodne to 6…7 tysięcy metrów, co teoretycznie pozwala na badanie niemal 99 proc. podmorskich głębin. Najgłębiej żyjącym stworzeniem, jakie kiedykolwiek dostrzeżono, była ryba żyjąca w Rowie Mariańskim, która majestatycznie przepłynęła obok batyskafu „Triest”, wprawiając w zdumienie jego pasażerów.
Załogowe i bezzałogowe aparaty dokonują niezwykłych odkryć, takich jak np. odkrycie w 1977 roku kominów hydrotermalnych otoczonych wianuszkiem kolorowych, żyjących stworzeń. Pierwszy natrafił na nie „Alvin”, należący do The Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI), załogowy pojazd podwodny. Poszukując wylotów hydrotermalnych na Krawędzi Galapagos na głębokości przeszło 2000 m, naukowcy ujrzeli mięsiste rurki (nazwane później robakami ryftowymi), otoczone przez wielkie małże i pływające między nimi białe kraby i homary. Odnalezienie tego pierwszego ekosystemu opartego na odmiennym od znanego nam sposobie odżywiania uruchomiło lawinę podobnych odkryć. Dziś liczba rozpoznanych gatunków w takich ekosystemach stworzeń wynosi kilka tysięcy.
Z roku na rok rośnie liczba projektów badawczych, których celem jest eksploracja dna oceanów. Coraz częściej tworzy się stałe podwodne laboratoria badawcze, które zbierają wiele frapujących danych. Na stacji Aquarius, zlokalizowanej u wybrzeży Florydy, naukowcy odkrywają bez przerwy nowe gatunki. Aquarius znajduje się w pobliżu wyspy Key Largo na Florydzie. Przytwierdzona do dna oceanicznego na głębokości 20 m i w odległości 6,5 km od brzegu stanowi bazę wypadową dla zamieszkujących ją oceanografów, biologów i inżynierów, którzy badają parametry wód, temperaturę, zasolenie, prądy morskie czy poziom tlenu.
Aquarius jest jedyną stacją na świecie, gdzie naukowcy przebywają bez przerwy (oczywiście nie ci sami). Są też inne stacje, i to znacznie bardziej zaawansowane, choć dłuższe przebywanie w nich często nie jest możliwe. Wspomnijmy choćby o kanadyjskim projekcie NEPTUN, North-East Pacific Time-series Undersea Experiments, który tworzy sieć jedenastu bezzałogowych obserwatoriów głębinowych. Za ponad 300 mln dolarów wybudowano szereg baz u zachodnich wybrzeży Kanady. Grube przewody elektryczne i światłowodowe łączą głębię oceanu z wyspą Vancouver. Sieć ma w sumie 800 km długości i składa się na nią ponad 2 tys. kilometrów przewodów. Jest to największe tego typu laboratorium na świecie. Korzysta m.in. z kamer wysokiej rozdzielczości, sejsmografów, hydrofonów, sond, prądomierzy i robotów podwodnych. Najgłębiej położona baza znajduje się prawie 3000 m pod wodą. Dane z głębin przekazywane są do bazy Port Alberni na wyspie Vancouver, a następnie do Uniwersytetu Wictorii, gdzie przez Internet mogą z nich korzystać naukowcy z całego świata. Działające 24 godziny na dobę kamery przesyłają dane wprost do Internetu.
Fot. https://en.wikipedia.org/
Kolejny podwodny projekt badawczy, tym razem znów amerykański, o nazwie MARS (Monterey Accelerated Research System) realizowany jest w zatoce Monterey, 100 km na południe od San Francisco. Wybudowano tam stację węzłową, usytuowaną na głębokości 900 m. Z lądem połączona jest za pomocą długiego na 52 km światłowodu. Jedną z głównych części MARS-a jest niewielki robot-łazik, który poruszając się po oceanicznym dnie, mierzy aktywność życiową mieszkańców głębin. Na głębokości 160 m unosi się platforma połączona z obserwatorium na dnie pionową liną. Po linie niczym winda porusza się specjalna kapsuła z czujnikami mierzącymi właściwości wody m.in. temperaturę, zawartość tlenu, przezroczystość, ilość planktonu etc.
Podobne rozwiązanie zastosowali francuscy i brytyjscy naukowcy, którzy rozpoczęli testy automatycznego, podwodnego laboratorium u wybrzeży Bretanii. Projekt o nazwie MeDON (Marine e-Data Observatory Network), na rzecz którego składa się podwodne laboratorium umieszczone w rezerwacie biosfery Iroise, zakłada badanie wpływu człowieka na morskie ekosystemy. Baza znajduje się 2 km od brzegu, na głębokości 20 metrów. Uzyskane informacje przekazywane są kablem do stacji lądowej. W niedalekiej przyszłości tego typu laboratoria mają powstać na dnie całego Morza Śródziemnego.
Co słychać w otchłaniach
Otwory hydrotermalne są związane z częściami dna oceanicznego, które wykazują wysoki poziom aktywności tektonicznej, jak np. grzbiety śródoceaniczne. W tych regionach gorące komory magmowe pod dnem morskim podgrzewają wodę, która przeniknęła do dna oceanu. Uważa się, że znaczna część dna oceanu jest prawie niezamieszkana, ale wokół otworów hydrotermalnych dochodzi do eksplozji życia. Żyją tam przede wszystkim „ekstremofile”, czyli organizmy potrafiące przetrwać w ekstremalnie wysokiej temperaturze i ciśnieniu. Organizmy te przeżywają nie dzięki energii słonecznej, która napędza sieć pokarmową w innych miejscach na Ziemi, ale dzięki składnikom odżywczym wytwarzanym, gdy woda morska miesza się z magmą. Inne zidentyfikowane niezwykłe zjawiska na dnie oceanów to wulkany błotne. Nazywa się tak formacje powstałe w wyniku wyrzutów płynów i gazów z dna, w największym stopniu metanu. Są też góry morskie, wznoszące się niekiedy ponad tysiąc metrów od dna oceanu, niesięgające jednak powierzchni wody. Zazwyczaj są pozostałościami wygasłych wulkanów. Szacuje się, że w oceanie znajduje się ponad 30 tys. gór podwodnych, ale tylko kilka z nich zostało zbadanych. Są to miejsca pełne życia. Mogą generować lokalne wiry i strefy upwellingu (wynoszenia wody w górę).
W głębinach natykamy się na zjawiska jeszcze bardziej tajemnicze i wiele z nich nie zostało wyjaśnionych. Głębie oceaniczne są pełne dźwięków. Hałasują statki, wieloryby, łodzie podwodne, ruchy płyt tektonicznych i nie tylko. Badania tej akustyki pozwoliły naukowcom na śledzenie migracji orek, ustalanie punktów oceanicznych trzęsień ziemi, erupcji wulkanów, a nawet mierzenie temperatury podwodnych prądów. Co jakiś czas aparatura rejestruje dźwięki, które nie przestają zaskakiwać badaczy na całym świecie. Są one zazwyczaj bardzo głośne, ale nadawane na niskich częstotliwościach i rozłożone w czasie, dlatego trzeba odtwarzać je w przyspieszeniu, aby były słyszane przez ludzkie ucho. Kiedy konkretny odgłos zostaje wyłapany przez jeden albo kilka hydrofonów jednocześnie, jego charakterystyczne spektrum trafia następnie w ręce naukowców identyfikujących ten zgiełk. Jednak co jakiś czas trafia się na dźwięk, który nie pasuje do żadnej z charakterystyk, takie np. jak dziwny dźwięk nazwany „upsweep”, który stanowił kombinację niskich częstotliwości, przeplatanych co jakiś czas przez wysokie tony. Aparatura odbierała go nieprzerwanie od 1991 do 1994 roku. Marynarka USA nigdy wcześniej ani później nie zarejestrowała niczego podobnego. Badacze wykluczyli źródło biologiczne, sugerując, że nawet jeśli coś byłoby tak głośne, to sam sygnał był zbyt jednorodny, aby mógł stanowić źródło komunikacji. Zamiast tego zaproponowali hipotezę głośnego, podwodnego procesu wulkanicznego, np. powoli wydobywającej się lawy, która nieustannie napotykając zwały słonej wody, generowała podobne do wrzątku skwierczenie. Aby zweryfikować swoje przypuszczenia, użyli oni zaawansowanej metody triangulacji, szukając źródła wydobywającego się dźwięku przy użyciu aż ośmiu hydrofonów Sound Surveillance System (SOSUS), wymierzonego pierwotnie w radzieckie okręty podwodne o napędzie nuklearnym, amerykańskiego systemu obserwacji akustycznej za pomocą sensorów pasywnych wielkich przestrzeni oceanicznych. Wszystkie z nich wskazały aktywny sejsmicznie punkt na południowym Pacyfiku, mniej więcej w połowie drogi pomiędzy Nową Zelandią a Chile. Kiedy naukowcy posiadali już wytyczne, skontaktowali się radiowo z francuskim statkiem naukowym, który akurat znajdował się w tym regionie. Łańcuch podwodnych gór, który znajdował się we wskazanym regionie, okazał się w rzeczywistości gigantycznym skupiskiem wulkanów. Jednak „upsweep” wciąż nie jest zadowalająco potwierdzony i zalicza się oficjalnie do dźwięków niezidentyfikowanych.
W 2016 r. na Morzu Karaibskim namierzono dźwięk o bardzo niskim natężeniu, daleko poza ludzkim zakresem słyszalności. Pod wodą pojawiło się coś, co wygenerowało fale w polu grawitacyjnym Ziemi. Naukowcy z uniwersytetu w Liverpoolu byli w trakcie wyprawy na Ocean Atlantycki, gdy na Morzu Karaibskim owo coś zwróciło ich uwagę. Nagle aparatura badawcza odnotowało odgłos przypominający gwizd. Dźwięk ten wydał ogromny obiekt znajdujący się pod wodą – początkowo nie wiadome było, czy pochodził on od żywego stworzenia, czy z innego procesu naturalnego. Za źródło tajemniczego dźwięku naukowcy uznali oceaniczne fale, na tyle duże, by wejść w interakcję z dnem morskim. W wyniku zjawiska interferencji fal morskich dochodzi do powstania dźwięku przypominającego pod pewnymi względami śpiew. Fale takie nazywamy falami Rossby’ego lub falami planetarnymi. Dynamika tych fal jest związana ze zmianą siły Coriolisa wraz z szerokością geograficzną.
Obecnie wśród uczonych przeważa przekonanie, że wiele z rejestrowanych w oceanach tajemniczych dźwięków, które nie znajdują innego wyjaśnienia, może mieć coś wspólnego z ogromnym tarciem, prawdopodobnie emitowanym przez góry lodowe albo część pokrywy Antarktydy, która odrywa się i ociera o dno oceanu. W grę wchodzą również tak zwane „trzęsienia lodu”, które przebiegają podobnie jak trzęsienia ziemi, ale nie są generowane przez nachodzenie na siebie płyt tektonicznych.
Hydrofony, które je rejestrują, to część znacznie większej sieci globalnej, której zadaniem jest rejestrowanie wszystkich, nie tylko podwodnych, testów broni atomowej. To anioł stróż Ziemi, zwany po angielsku International Monitoring System (IMS). Składa się z detektorów promieniowania gamma, sejsmografów, sprzętu do odbioru infradźwięków oraz aparatury hydroakustycznej. Obecnie planetę monitoruje około 270 takich urządzeń. Docelowo, czyli w ciągu kilku lat, będzie ich 327. Sejsmografy mają wykrywać podziemne próby jądrowe, anteny infradźwiękowe – eksplozje w atmosferze, a stacje hydroakustyczne – podwodne testy. Zadaniem detektorów gamma jest namierzanie nawet niewielkiego stężenia cząstek radioaktywnych w powietrzu. IMS stworzono, by pilnował przestrzegania jednego z najważniejszych międzynarodowych porozumień – traktatu o całkowitym zakazie prób z bronią jądrową. Układ, w skrócie zwany CTBT (od angielskiego Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty), został podpisany 24 września 1996 roku. Ratyfikowało go już 156 krajów, ostatnia – w grudniu 2011 roku – uczyniła to Indonezja. Nadal jednak nie wszedł w życie. Stanie się tak, dopiero gdy przyjmą go wszystkie 44 kraje, które negocjowały ostateczną wersję umowy. A wciąż nie zrobiło tego osiem państw, m.in.: USA, Chiny, Indie, Pakistan i Korea Północna.
Wiele wskazuje jednak na to, że sieć kontrolna, której instalacja kosztowała już ponad miliard dolarów, przyda się niezależnie od stanu negocjacji dotyczących prób jądrowych. Już dziś jej głównymi użytkownikami są naukowcy. Dane sejsmiczne trafiają do centrów ostrzegania przed tsunami. Infradźwięki informują o erupcjach wulkanów, a interesują się nimi także badacze zórz polarnych, burz i zjawisk magnetycznych w atmosferze. Aparatura hydroakustyczna potrafi rozpoznać pobudkę podwodnego wulkanu, narodziny góry lodowej, a nawet przejście cyklonu. Nastawione na niskie częstotliwości mikrofony rejestrują też odgłosy wielorybów.
Słyszymy więc, że w oceanie dzieje się dużo. Fakt, że nie wszystko możemy zobaczyć i sprawdzić, czy dobrze słyszymy, trochę frustruje. Ocean tajemnic wciąż w pełni zasługuje na swoją nazwę.
Mirosław Usidus
