Czarne dziury oceanu
Głębie mórz i oceanów są najmniej poznanymi obszarami naszej planety - a niektórzy uważają, że wręcz całego Wszechświata. Sam rozwój urządzeń umożliwiających ich eksplorację trwał dziesięciolecia i daleko mu od finału, który można byłoby nazwać sukcesem.
"Łatwiej jest obserwować powierzchnię Marsa niż dno oceanu" - podsumował kilka lat temu Olav Rune Godoe z Instytutu Badań Morskich w norweskim Bergen, komentując swoje wyniki badań dna oceanu. Główną przeszkodą w eksploracji głębin są panujące tam niska temperatura i potężne ciśnienie, setki razy wyższe od ciśnienia atmosferycznego. Z tego względu podwodne pojazdy badawcze, także te bezzałogowe, z trudem docierają do głębin, a ogromna większość eksploracji prowadzona jest w wodach przybrzeżnych. Wielu badaczy powtarza, że udało się jako tako poznać najwyżej 5% ziemskich oceanów.
Wiedza o przetrwaniu w skrajnie trudnych warunkach, panujących na dużych głębokościach, przydaje się przy planowaniu wypraw kosmicznych. Do instytucji aktywnych w eksploracji oceanów należy m.in. NASA. Trzy lata temu rozpoczęła eksplorację w ramach misji NASA Extreme Environment Mission Operations (NEEMO), które mają pomóc w badaniu warunków pracy na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.
Przyczółki w otchłani
Po powierzchni Księżyca chodziło dotąd dwunastu ludzi, podczas gdy tylko trzy osoby na własne oczy widziały dno Rowu Mariańskiego. Pięćdziesiąt lat temu na pokładzie batyskafu Trieste dotarli tam Don Walsh i Jacques Piccard, a wyczyn ten powtórzył w 2012 r. znany reżyser James Cameron, który zanurzył się na głębokość 10 989 m w pojeździe Deepsea Challenger.
Największa głębokość osiągana przez wciąż jeszcze nieliczne roboty podwodne to 6-7 tys. m, co teoretycznie pozwala na badanie niemal 99% podmorskich głębin. Zarówno załogowe jak i bezzałogowe aparaty wciąż dokonują niezwykłych odkryć, takich jak np. odkrycie w 1977 r. kominów hydrotermalnych, otoczonych wianuszkiem kolorowych stworzeń, niczym z wizji science fiction. Pierwszy natrafił na nie Alvin, załogowy pojazd podwodny należący do The Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI). Poszukując wylotów hydrotermalnych na Krawędzi Galapagos, na głębokości ponad 2 tys. m, naukowcy ujrzeli wówczas mięsiste rurki wyglądające jak pomarańczowe dmuchawce (nazwane później robakami ryftowymi), otoczone przez wielkie małże i pływające między nimi białe kraby i homary. Zidentyfikowanie tego pierwszego ekosystemu opartego na odmiennym sposobie odżywiania uruchomiło lawinę odkryć. Przez kolejne lata oceanolodzy kilka razy w miesiącu odnajdywali nowe gatunki chemosyntetycznych stworzeń, których do dziś naliczono kilka tysięcy.
Trzeba przyznać, że pomimo trudności z roku na rok rośnie liczba projektów badawczych, których celem jest eksploracja dna oceanów. Już na EXPO 2012, które odbyło się w południowokoreańskim Yeosu, w pawilonie francuskim demonstrowano projekt SeaOrbiter autorstwa Jacquesa Rougerie. Wciąż jest on w trakcie budowy. Ma mieć wysokość 51 m, z czego 31 m znajdować się będzie pod powierzchnią wody. W kilku kondygnacjach zanurzonych w głębinach, zlokalizowane będą m.in. panoramiczna szyba, pozwalająca obserwować podwodny świat, szczelne pomieszczenia przeznaczone dla ośmiu nurków, z komorą ciśnieniową i specjalistycznym sprzętem, a także statecznik w kształcie dysku, zbiornik paliwa, maszynownia elektrowni, instalacja do odsalania wody oraz magazyn żywności. Dzięki tego typu stacji naukowcy, których na platformie będzie osiemnastu, otrzymają możliwość trwającej non stop obserwacji oceanu i jego głębin. Rozmieszczone na stacji kamery pozwolą przyglądać się temu życiu również w Internecie.
Coraz częściej tworzy się stałe podwodne laboratoria badawcze, które zbierają wiele zadziwiających danych. Przykład? Tylko na stacji Aquarius, zlokalizowanej u wybrzeży Florydy w pobliżu Key Largo, naukowcy odkrywają siedem nowych gatunków na… godzinę. Obiekt - przytwierdzony do dna oceanicznego na głębokości 20 m i w odległości 6,5 km od brzegu - stanowi miejsce zamieszkania i bazę wypadową dla oceanografów, biologów i inżynierów, badających parametry wód, temperaturę, zasolenie, prądy morskie czy poziom tlenu.
Aquarius jest jedyną oceaniczną stacją na świecie, w której naukowcy przebywają bez przerwy, zmieniając się cyklicznie. W innych, nawet bardziej zaawansowanych, często nie jest możliwy nawet dłuższy pobyt. Warto wymienić tu choćby kanadyjski projekt NEPTUN (North-East Pacific Time-series Undersea Experiments), który tworzy sieć jedenastu bezzałogowych obserwatoriów głębinowych u zachodnich wybrzeży Kanady.
Sieć NEPTUNE ma w sumie 800 km długości i składają się na nią ponad 2 tys. km przewodów. Jest to największe tego typu laboratorium na świecie. Wyposażono je m.in. w kamery wysokiej rozdzielczości, sejsmografy, hydrofony, sondy, prądomierze i roboty podwodne. Najgłębiej położona część znajduje się prawie 3 tys. m pod wodą. Dane z głębin przekazywane są do bazy Port Alberni na wyspie Vancouver, a następnie do Uniwersytetu Victorii, gdzie poprzez Internet mogą z nich korzystać naukowcy z całego świata. Wystarczy zarejestrować się na stronie projektu i w zaciszu własnego domu eksplorować niezbadany świat oceanu.
Własne obserwatorium na Pacyfiku stworzyli również Amerykanie. Ich projekt 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 ponad 50 km światłowodu. Jeden z głównych elementów wyposażenia stanowi niewielki robot-łazik, który, poruszając się po oceanicznym dnie, eksploruje życie mieszkańców głębin. Na głębokości 160 m umieszczono platformę połączoną z obserwatorium na dnie pionową liną, długą na 750 m. Przesuwa się po niej specjalna kapsuła z czujnikami mierzącymi właściwości wody, m.in. temperaturę, zawartość tlenu, przejrzystość wody, ilość planktonu itd.
W tym roku z podobnych rozwiązań skorzystali francuscy i brytyjscy naukowcy, którzy rozpoczęli testy automatycznego, podwodnego laboratorium u wybrzeży Bretanii. Projekt o nazwie MeDON (Marine e-Data Observatory Network), w skład którego wchodzi podwodne laboratorium umieszczone w rezerwacie biosfery Iroise, zakłada badanie wpływu człowieka na morskie ekosystemy. Baza znajduje się 2 km od brzegu, na głębokości 20 m. Uzyskane informacje przekazywane są kablem do stacji lądowej. Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, w niedalekiej przyszłości tego typu laboratoria powstaną wokół całego Morza Śródziemnego. Na razie twórcy projektu zamierzają przetestować sprzęt u wybrzeży Turcji, na głębokości 800 m.
Enigmatyczne odgłosy
Zasięg sonarowego - dźwiękowego - rozpoznania oceanicznego to mniej niż 1% obszaru dna oceanów. Pełne pokrycie podwodnych przestrzeni hydrofonami, do którego bardzo daleko, pozwoliłoby wyjaśnić wiele zagadek, m.in. trafić na nigdy nie odnalezione wraki, takie jak np. zaginiony kilka lat temu malezyjski samolot MH370. Naukowcom najbardziej jednak chodzi o poznanie tego, co rzeczywiście dzieje się w przestrzeni oceanicznej, bo obecnie nie wiemy na ów temat prawie nic.
W 1997 r., w Ameryce Południowej, po raz pierwszy usłyszano podwodne dźwięki nieznanego pochodzenia. Były wystarczająco głośne, aby mogły je odebrać dwie różne stacje, oddalone od siebie o kilka kilometrów. Wiele osób uważało, że przypominały sygnały od jakiegoś gigantycznego morskiego stworzenia czającego się w głębi oceanu.
Oceanografowie już wiedzą, że w podwodnych otchłaniach nie ma mowy o ciszy. Nawet największe głębie pełne są dźwięków. Hałasują statki, wieloryby, łodzie podwodne, ruszające się płyty tektoniczne i nie tylko. Badania tej akustyki pozwoliły naukowcom na śledzenie migracji orek, ustalanie punktów oceanicznych trzęsień ziemi, miejsc erupcji wulkanów, a nawet pomogły w mierzeniu temperatury podwodnych prądów. Co jakiś czas aparatura rejestruje jednak dźwięki, które nie przestają zaskakiwać badaczy na całym świecie. Są zazwyczaj bardzo głośne, ale nadawane na niskich częstotliwościach i rozłożone w czasie, dlatego trzeba odtwarzać je w przyspieszeniu, aby były słyszalne przez ludzkie ucho.
Kiedy konkretny odgłos zostaje wyłapany przez hydrofon, albo nawet przez kilka jednocześnie, jego charakterystyczne spektrum trafia w ręce naukowców pracujących w National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), czyli amerykańskiej agencji zajmującej się prognozowaniem pogody, ostrzeżeniami sztormowymi oraz prawie wszystkim, co dotyczy oceanów i atmosfery. Uczeni potrafią już całkiem nieźle identyfikować dźwięki z głębin. Jednak co jakiś czas napotykają na coś, co nie pasuje do żadnej z charakterystyk.
Weźmy jako przykład dziwny dźwięk nazwany Upsweep, który stanowi kombinację niskich częstotliwości, przeplatanych co jakiś czas przez wysokie tony. Aparatura odbiera go nieprzerwanie od roku 1991, z największą intensywnością przypadającą na rok 1994 r.
Badacze z NOAA wykluczyli źródło biologiczne, sugerując, że nawet jeśli jakieś żywe stworzenie byłoby tak głośne, to sam sygnał wydaje się zbyt jednorodny, aby mógł stanowić źródło komunikacji. Zamiast tego zaproponowali hipotezę głośnego, podwodnego procesu wulkanicznego, np. powoli wydobywającej się lawy, która, nieustannie napotykając na zwały słonej wody, generowałaby podobne do wrzątku skwierczenie. Oczywiście wszystko na nieporównywalnie większą skalę. Aby zweryfikować swoje przypuszczenia, naukowcy użyli 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 wielkich przestrzeni oceanicznych za pomocą sensorów pasywnych. Wszystkie z nich wskazały aktywny sejsmicznie punkt na południowym Pacyfiku, mniej więcej w połowie drogi między Nową Zelandią a Chile. Kiedy naukowcy mieli już w ręku wytyczne, skontaktowali się radiowo z francuskim statkiem badawczym, który akurat znajdował się w tym regionie. Po kilku dniach otrzymali potwierdzenie - łańcuch podwodnych gór, który znajdował się we wskazanym regionie, okazał się w rzeczywistości gigantycznym skupiskiem wulkanów. Jednak pochodzenie Upsweep wciąż nie zostało zadowalająco potwierdzone i zalicza się go oficjalnie do dźwięków niezidentyfikowanych.
Obecnie wśród uczonych przeważa przekonanie, że tajemnicze dźwięki, które nie znajdują innego wyjaśnienia, muszą mieć coś wspólnego z ogromnym tarciem, prawdopodobnie emitowanym przez górę lodową albo część pokrywy Antarktydy, która odrywa się i ociera o dno oceanu. W grę wchodzą również tzw. trzęsienia lodu, które przebiegają podobnie jak trzęsienia ziemi, ale nie są generowane przez nachodzenie na siebie płyt tektonicznych.
Może chodzić też o inne źródło, związane ze zjawiskami bardziej globalnymi. Ostatnio w 2016 r. na Morzu Karaibskim namierzono dźwięk o bardzo niskim natężeniu, daleko poza ludzkim zakresem słyszalności. Naukowcy z Uniwersytetu w Liverpoolu byli akurat w trakcie wyprawy na Ocean Atlantycki, gdy na Morzu Karaibskim coś zwróciło ich uwagę. Aparatura badawcza odnotowała odgłos przypominający gwizd. Dźwięk ten brzmiał, jakby wydawał go ogromny obiekt znajdujący się pod wodą - początkowo nie wiadomo było, czy pochodził od żywego stworzenia, czy z innego procesu naturalnego.
Ostatecznie za źródło tajemniczego dźwięku badacze uznali fale oceaniczne, na tyle duże, by wejść w interakcję z dnem. W wyniku zjawiska interferencji fal morskich dochodzi do powstania dźwięku przypominającego pod pewnymi względami śpiew. Fale takie nazywamy falami Rossby'ego lub falami planetarnymi. Ich dynamika jest związana ze zmianą siły Coriolisa wraz z szerokością geograficzną.
Nasłuch i monitoring
Dzięki wykorzystaniu hydrofonów pozostałych po zimnej wojnie oraz rozwojowi oceanicznych programów badawczych już niedługo być może usłyszymy kolejne przedziwne, dochodzące z najgłębszych rejonów dźwięki. Wciąż rozbudowywana jest bowiem sieć stacji hydroakustycznych. Stworzenie jednej to wydatek kilkudziesięciu milionów dolarów. Każda składa się z sześciu niezwykle czułych hydrofonów, czyli podwodnych mikrofonów, ustawionych tak, aby mogły zarejestrować dźwięki o niskich częstotliwościach przybywające z odległości wielu tysięcy kilometrów. To pierwszy system globalnego monitoringu przeznaczony do wsłuchiwania się w dźwięki oceanów.
Jego instalowanie rozpoczęto dekadę temu. Zaczęło się od dwóch już istniejących stacji. Jedną z nich zbudowali Amerykanie na pacyficznym atolu Wake, drugą - Brytyjczycy na wysepce Ascension, ulokowanej w sercu tropikalnego Atlantyku. Oba te kawałki lądu są zmilitaryzowane, pokryte poligonami, lotniskami i antenami. Jednak dane zbierane przez hydrofony trafiają do Wiednia, gdzie działa całkiem cywilna centrala sieci monitoringowej.
Trzeci zestaw hydrofonów zainstalowano kilka lat temu na chilijskiej wyspie Robinson Crusoe, położonej we wschodniej części południowego Pacyfiku, ok. 700 km od wybrzeży Ameryki Południowej. Pozostałe trzy stacje mają odbierać odgłosy z Oceanu Indyjskiego. Urządzenia umieszczono na półwyspie Leeuwin, w południowo-zachodniej Australii, na brytyjskim atolu Diego Garcia, leżącym na środku oceanu kilka stopni poniżej równika, oraz na francuskich Wyspach Crozeta znajdujących się ok. 2 tys. km na południe od Madagaskaru.
Hydrofony 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). Całość składa się z detektorów promieniowania gamma, sejsmografów, sprzętu do odbioru infradźwięków oraz aparatury hydroakustycznej. Obecnie naszą planetę monitoruje ok. trzystu takich urządzeń.
Sejsmografy mają wykrywać podziemne próby jądrowe, anteny infradźwiękowe - eksplozje w atmosferze, a stacje hydroakustyczne - podwodne testy. Zadaniem detektorów gamma jest namierzanie nawet niewielkiego stężenia w powietrzu cząstek radioaktywnych. Śledziły one np. wędrówkę substancji uwolnionych podczas awarii elektrowni Fukushima Daiichi, a wcześniej wszczęły alarm po próbach atomowych przeprowadzonych przez Koreę Północną w 2006 i 2009 r. Wszystkie informacje spływają na bieżąco do wspomnianej wiedeńskiej centrali.
IMS stworzono, by pilnował przestrzegania jednego z najważniejszych międzynarodowych porozumień - traktatu o całkowitym zakazie prób z bronią jądrową. Układ, w skrócie zwany CTBT (Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty), został podpisany 24 września 1996 r. Ratyfikowało go już 156 krajów, ale wciąż nie wszystkie. Niektóre z nich argumentują, że zanim traktat wejdzie w życie, musi ruszyć globalna sieć aparatury kontrolnej potrafiącej wykryć każdą próbę użycia broni atomowej, przeprowadzoną w dowolnym miejscu na Ziemi. Planetę, niczym chorego człowieka, postanowiono więc wziąć pod ścisłą obserwację.
Głównymi użytkownikami systemu są jednak 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 zbudzenie się podwodnego wulkanu, narodziny góry lodowej, a nawet przejście cyklonu. Nastawione na niskie częstotliwości mikrofony potrafią też usłyszeć odgłosy wielorybów.
Grupa europejskich badaczy - kierowana przez Davida Greena z brytyjskiego ośrodka sejsmologicznego AWE Blacknest - sięgnęła niedawno po dane zebrane przez hydrofony na atolu Wake. W 2010 r. odnotowały one silną eksplozję podwodnego wulkanu znajdującego się na południe od atolu Sarigan, który sąsiaduje z Rowem Mariańskim. Oddalona o 2 tys. km aparatura zarejestrowała nie tylko główną erupcję, lecz również wychwyciła pierwsze drgania poprzedzające aktywność podwodnego wulkanu.
Z takich programów korzystają też biolodzy morscy obserwujący wędrówki waleni. Oni jednak zajmują się podsłuchiwaniem oceanicznych olbrzymów już od kilku dekad. Próbują się dowiedzieć, co dokładnie dzieje się z największymi ssakami, szczególnie tymi reprezentującymi odmiany antarktyczne, które w sposób szczególny zostały zdziesiątkowane przez wielorybników.
Horyzont oceanicznych zdarzeń
Ocean można badać i eksplorować także z orbity. W 2014 r. misja ESA (European Space Agency ) CryoSat została wykorzystana do stworzenia nowej mapy pola grawitacyjnego, ujawniającej tysiące wcześniej nieznanych morskich grzbietów, rowów oraz innych struktur oceanicznych. Ten malowniczy obraz najsłabiej poznanej części oceanów zawiera również najnowsze wskazówki odnośnie formowania się i rozpadania kontynentów. Głównym zadaniem przenoszącego radarowy wysokościomierz CryoSata jest wykonywanie precyzyjnych pomiarów wysokości globalnej pokrywy lodowej. Pozwala nam to zobaczyć, jak - sezonowo i na skutek zmian klimatycznych - zmienia się grubość lodu.
Mapa sprzed trzech lat, opisana w piśmie „Science”, w połączeniu z dotychczasowymi danymi, ukazała szczegóły tysięcy podwodnych gór wznoszących się na kilometr lub więcej ponad dno oceanu. Zaoferowała też geofizyce nowe metody badania słabo poznanych, niedostępnych basenów morskich i procesów, takich jak spreading dna oceanicznego (rozrastanie się dna w rejonie grzbietu śródoceanicznego).
Okazuje się również, że ocean z kosmosem mają więcej wspólnego. Pojawiają się nieoczekiwane analogie. Od niedawna wiemy, że w otchłaniach oceanów występują zjawiska wypisz wymaluj przypominające kosmiczne czarne dziury. Niektóre z wirów mogą osiągać średnicę równą nawet 150 km! Taki specyficzny ruch wody potrafi trwać nawet kilka miesięcy lub lat. Co więcej, wiry jako integralna całość przemieszczają się.
Naukowcy zauważyli, że w miejscu, które zgodnie z ich wyliczeniami stanowiło granicę wiru, cząsteczki wody zachowują się tak samo jak fotony wpadające do czarnych dziur. W dodatku, podobnie jak w przypadku tych kosmicznych obiektów, w rotującej masie wody działają tak duże siły, że nic nie jest w stanie opuścić matni - gdy coś do ogromnych wirów oceanicznych wpadnie, już się stamtąd nie wydostanie.
Analogia dotyczy również samej wody tworzącej wir. Oznacza to, że jej skład chemiczny (np. poziom zasolenia) może znacznie różnić się od otaczającego środowiska. Po pokonaniu wielu kilometrów wir dalej ma bowiem w sobie cząsteczki, które zabrał z miejsca powstania. W ten sposób roznoszone po świecie mogą być nie tylko substancje chemiczne, ale również mikroorganizmy, takie jak np. fitoplankton. Badacze zaobserwowali siedem wirów, które przez prawie rok nie wypuściły poza „horyzont zdarzeń” ani kropli wody, z której powstały - przy jednoczesnym ciągłym przemieszczaniu się.
Lista dziwnych dźwięków z oceanicznych głębin, zarejestrowanych przez National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) za pomocą instalacji nasłuchowych na Pacyfiku, zawiera przynajmniej kilka ciekawych pozycji.
Niezidentyfikowane przez naukowców:
- wznoszący się dźwięk Upsweep - po raz pierwszy słyszany w 1991 r. i wciąż rejestrowany. Ma charakter sezonowy, powtarza się wiosną i jesienią. Jego źródło lokalizowano w rejonie 54°S 140°W. Mimo wielu mocnych hipotez, związanych głównie z wulkanizmem, nie ma do dziś oficjalnego naukowego wyjaśnienia pochodzenia Upsweep;
- gwizd (whistle) - uczeni słyszą w tym dźwięku podobieństwo do wcześniej zidentyfikowanych odgłosów aktywności wulkanicznej w rejonie Rowu Mariańskiego, jednak oficjalnie pozostaje on niezidentyfikowany.
Zidentyfikowane:
- Bloop - odgłos odebrany w 1997 r. i obecnie przypisany ruchom, zderzeniom lub rozpadowi ogromnej góry lodowej w pobliżu archipelagu wyspy Południowa Georgia;
- Julia - zdaniem naukowców, ten zarejestrowany w 1999 r. dźwięk stanowi odgłos oderwania się gigantycznej masy lodu od Antarktyki;
- Slow Down oraz Train - oba zarejestrowane w 1997 r. dźwięki są wg badaczy echem potężnych uderzeń gór lodowych o dno morskie.
