Krajobrazy dna morskiego

Nowoczesne techniki sonarowe umo˝liwiajà

kartowanie sk∏onów kontynentalnych Ameryki Pó∏nocnej

i ukazujà ró˝norodnoÊç kszta∏tów ukrytego podwodnego Êwiata

NAUKA W OBRAZACH

DAVIDSON SEAMOUNT

POINT REYES

Â

WIAT

N

AUKI

Sierpieƒ 1997 41

Lincoln F. Pratson

i William F. Haxby

M

niej wi´cej oko∏o 85 roku p.n.e.
Grek zwany Posejdoniosem wy-
p∏ynà∏ na morza z niezwyk∏à mi-

sjà. Nie przewozi∏ ∏adunku ani pasa˝erów,
nie bra∏ tak˝e udzia∏u w wojnie. Chcia∏ po
prostu odpowiedzieç na stare jak Êwiat py-
tanie: jak g∏´boki jest ocean? Znalaz∏szy si´
na Êrodku Morza Âródziemnego, Posejdo-
nios namówi∏ za∏og´, aby opuszcza∏a pra-
wie dwukilometrowà lin´; na tej g∏´bokoÊci
bowiem ogromny kamieƒ przywiàzany do
jej koƒca uderzy∏ o dno. Wszyscy byli za-
pewne szcz´Êliwi – przynajmniej do chwi-
li, kiedy uÊwiadomili sobie, ˝e muszà wcià-
gnàç ten wielki ci´˝ar z powrotem na pok∏ad.

Przez nast´pne 2000 lat hydrografowie

i oceanografowie stosowali do sondowania
g∏´bokoÊci oceanu t´ samà ˝mudnà metod´
wykorzystujàcà lin´ z obcià˝nikiem. Czy˝
nie zadziwia fakt, ˝e nie dokonano w tej dzie-
dzinie post´pu? Dopiero w latach dwudzie-
stych naszego wieku skonstruowano pierw-
sze echosondy – instrumenty umo˝liwiajàce
mierzenie g∏´bokoÊci za pomocà odbicia fa-
li dêwi´kowej od dna. Dzi´ki licznym po-
miarom uzyskanym tà metodà naukowcy
otrzymali pierwszy zbli˝ony do prawdziwe-
go obraz dna basenów oceanicznych.

W ostatnich dziesi´cioleciach in˝ynierowie

konstruowali coraz bardziej wyrafinowane
urzàdzenia akustyczne, przyspieszajàc kar-
towanie tej dotychczas ukrytej cz´Êci Ziemi.
Poczàtkowo do rozwoju tych urzàdzeƒ przy-
czynia∏y si´ wzgl´dy obronne, ostatnio jed-
nak wzi´∏y gór´ czynniki ekonomiczne.

W 1981 roku paƒstwa majàce dost´p do

morza zainspirowane przez Stany Zjedno-
czone zadeklarowa∏y, ˝e wody i dno mor-
skie wewnàtrz pasa szerokoÊci 200 mil mor-
skich od wybrze˝y stanowià wy∏àcznà stref´
ekonomicznà. Aby lepiej oceniç wartoÊç roz-
leg∏ych g∏´bin morskich nale˝àcych do Sta-
nów Zjednoczonych, National Oceanic and
Atmospheric Administration rozpocz´∏a
w 1983 roku pomiary niektórych rejonów
wchodzàcych w sk∏ad tej strefy. W trakcie
pomiarów (trwajàcych do 1993 roku) skarto-
wano ponad 200 tys. km

2

dna morskiego

wybrze˝y Oceanu Atlantyckiego, Pacyfiku
oraz Zatoki Meksykaƒskiej.

W tym samym czasie National Science

Foundation sfinansowa∏a dwa mniejsze
przedsi´wzi´cia badawcze, które mia∏y na
celu zbadanie cz´Êci dna morskiego w pobli-
˝u New Jersey i zachodniej Florydy. Wszyst-

KOMPUTEROWE OBRAZY dna morskiego wy-
brze˝y Stanów Zjednoczonych szczegó∏owo po-
kazujà formy geologiczne, które skartowano za
pomocà wyspecjalizowanego sonaru (powierzch-
nia obrysowana).

LINCOLN F. PRATSON i

WILLIAM F. HAXBY

SAN FRACISCO

MONTEREY BAY

MOUNT SHASTA

Ciàg dalszy na stronie 44

ODERWANIE SKA¸ OD DNA MORSKIEGO wyrzeêbi∏o zag∏´bienie
w stoku kontynentalnym w pobli˝u Êrodkowego wybrze˝a Oregonu.
Âlad rumowiska rozciàgajàcy si´ od zatoki w kszta∏cie sierpa wska-
zuje Êcie˝k´ w´drówki materia∏u. Wydrà˝ona jama ma 6 km szeroko-
Êci – to prawie tyle co szerokoÊç wyspy Manhattan. Niektóre z bloków
spoczywajàce obecnie na platformie kontynentalnej dorównujà wyso-
koÊcià nowoczesnym drapaczom chmur. Oderwanie znacznej iloÊci
materia∏u, którego nast´pstwem by∏o toczenie si´ olbrzymich bry∏ po
stoku, najprawdopodobniej zosta∏o wywo∏ane trz´sieniem Ziemi. Ta-
kie uszkodzenie stoku kontynentalnego mo˝e spowodowaç gwa∏tow-
ne tsunami, które zalewa pobliskie wybrze˝e lub w´druje przez Pacy-
fik, wywo∏ujàc spustoszenie na odleg∏ych làdach.

ILUSTRACJE: LINCOLN F. PRATSON i

WILLIAM F. HAXBY

POFA¸DOWANY DYWAN OSADÓW przykrywa dno morskie w pobli˝u wybrze˝y
Oregonu. Formy te powsta∏y w wyniku zderzenia czo∏owego dwóch p∏yt: pó∏nocno-
amerykaƒskiej i Juan de Fuca. Niczym olbrzymia spycharka p∏yta pó∏nocnoame-
rykaƒska, zachodzàc na p∏yt´ Juan de Fuca, zdar∏a osady i spi´trzy∏a je w fa∏dy. Na
pó∏nocy (z lewej na dole) osady tworzà wyraêne grzbiety. Na po∏udniu (z prawej
u góry), gdzie cz´Êç p∏yty Juan de Fuca przebija swojà osadowà pokryw´, ciasno
pouk∏adane fa∏dy tworzà tarasy.

TRZY TYPY KRAW¢DZI wyst´pujàce w Ameryce Pó∏nocnej. Brze-
gi Oceanu Atlantyckiego i Zatoki Meksykaƒskej okreÊla si´ jako
kraw´dzie pasywne. Osadzone sà bowiem w olbrzymiej tekto-
nicznej p∏ycie pó∏nocnoamerykaƒskiej i po prostu poruszajà si´
wraz z nià. Zachodni brzeg kontynentu pokrywa si´ natomiast
z g∏ównà kraw´dzià tej p∏yty. Jest to strefa kolizji p∏yt pó∏nocno-

EDWARD BELL

a

PLATFORMA

JUAN DE FUCA

WYBRZE˚E OREGONU

OBIEKTY KRATEROPODOBNE
tworzà dziobate przybrze˝ne dno
morskie od delty Missisipi do
wschodniego Teksasu. Te ma∏e
niecki wype∏nione sà grubà war-
stwà osadu, a w niektórych miej-
scach miliardami bary∏ek nafty
i gazu. W zag∏´bieniach grzbietów
i fa∏dów zalegajà powierzchownie
przykryte bry∏y soli ró˝nej wielko-
Êci i kszta∏tu. Z∏o˝a te powsta∏y
przez odparowanie wody Zatoki
Meksykaƒskiej (oko∏o 180 mln lat
temu), a nast´pnie przysypa∏ je
ci´˝ki ∏adunek zerodowanego
osadu naniesionego do zatoki wo-
dami Missisipi z Gór Skalistych.
Sól nie poddaje si´ kompresji, to-
te˝ raczej wyp∏ynie, ni˝ zostanie
sprasowana. Dlatego pod le˝àcym
na niej osadem olbrzymie p´-
cherze soli bulgota∏y, wydobywa-
jàc si´ ku górze i rozprzestrzenia-
jàc w kierunku otwartego morza.

b

42 Â

WIAT

N

AUKI

Sierpieƒ 1997

OBSZAR ZE

STRONY 40

P¸YTA

PACYFICZNA

amerykaƒskiej i pacyficznej. Przyjmuje ona dwie formy. Na znacz-
nej d∏ugoÊci wybrze˝a Kalifornii (kraw´dê uderzeniowo-poÊlizgo-
wa) p∏yta pó∏nocnoamerykaƒska zeÊlizguje si´ po p∏ycie pacy-
ficznej wzd∏u˝ uk∏adu prawie pionowych p´kni´ç znanych jako
uskok Êw. Andrzeja. Dalej a˝ do brzegu morza (kraw´dê zbie˝na)
– po cz´Êci skorupy oceanicznej nazwanej p∏ytà Juan de Fuca.

P¸YTA

PÓ¸NOCNO-

AMERYKA¡SKA

OBSZAR

ZE STRONY 44

b

c

NOWY ORLEAN

DELTA

MISSISIPI

KRAW¢Dè

ZATOKI

WYBRZE˚E FLORYDY

c

KLIF wysokoÊci ponad 1.6 km wyznacza kra-
w´dê stoku kontynentalnego wybrze˝a za-
chodniej Florydy. To podmorskie urwisko,
znane jako Florida Escarpment, jest cztery
razy wy˝sze ni˝ Empire State Building. Pod-
czas gdy nachylenie stoku kontynentalnego
na ogó∏ wynosi jedynie kilka stopni, czo∏o
skarpy jest przeci´tnie nachylone pod kà-
tem 35°. W wielu miejscach Êciana urwiska
jest prawie pionowa. Dno tworzà zaÊ niezli-
czone iloÊci spojonych ze sobà szkieletów
morskich organizmów. Stopniowe groma-
dzenie si´ tego materia∏u uformowa∏o ∏agod-
nie zanurzajàcà si´ pochy∏oÊç. Jednak ja-
kieÊ si∏y, byç mo˝e silne pràdy, przyczyni∏y
si´ do erozji podstawy zbocza. DziÊ znacznie
zasolone wody gruntowe przesiàkajà przez
czo∏o skarpy, rozpuszczajàc ska∏´. Os∏abio-
ne tym zbocze mo˝e runàç, zabierajàc ze so-
bà mnóstwo le˝àcego na nim materia∏u. Co
ciekawe, u podnó˝a klifu w∏aÊciwie nie mo˝-
na znaleêç Êladu startego materia∏u.

kie zaanga˝owane do tej pracy statki by∏y wyposa˝one w sona-
ry wielowiàzkowe, a wi´c najnowoczeÊniejsze przyrzàdy s∏u-
˝àce do wyznaczania topografii dna oceanu.

Pomiary umo˝liwiajà otrzymanie bezprecedensowych ob-

razów sk∏onu kontynetalnego. Chocia˝ Êwiat∏o s∏oneczne w
rzeczywistoÊci nie przenika na wi´kszà g∏´bokoÊç, komputery
potrafià jednak odtworzyç obraz dna morskiego, jaki móg∏by
si´ ukazaç po osuszeniu oceanów. Jest to szczególnie wa˝ne
w planowaniu dzia∏alnoÊci przemys∏owej na morzach. Na przy-
k∏ad podwodne kable odgrywajà coraz wi´kszà rol´ w komu-
nikacji mi´dzynarodowej, a przedsi´biostwa naftowe przeno-
szà platformy wiertnicze na coraz g∏´bsze wody. Do takich
przedsi´wzi´ç potrzebne sà mapy, na których widaç, gdzie
dno morskie wydaje si´ stabilne – nie zagra˝ajà tam podmorskie
lawiny lub gwa∏towne pràdy. Podobne informacje sà potrzeb-

ne, je˝eli planuje si´ sk∏adowanie odpadów w g∏´binach mórz,
poniewa˝ pràdy przebiegajàce wzd∏u˝ dna mogà niszczyç miej-
sca gromadzenia odpadów. W przysz∏oÊci pomiary dna po-
mogà geologom dok∏adniej lokalizowaç systemy uskoków geo-
logicznych ciàgnàce si´ wzd∏u˝ wybrze˝y oraz oceniaç
zwiàzane z nimi ryzyko wystàpienia trz´sieƒ Ziemi.

W szerszym i naukowym uj´ciu efekty kartowania g∏´bin

morskich dajà podstawowà wiedz´ o si∏ach geologicznych
kszta∏tujàcych dno oceanu. Obrazy stworzone przez nas
pozwalajà na szybkà obserwacj´ rozleg∏ego podmorskiego
terenu; z mo˝liwoÊci tej korzystano ju˝ od dawna, aby badaç
powierzchnie odleg∏ych ksi´˝yców i planet. Obecne podej-
Êcie oferuje nowy fascynujàcy wglàd w zdumiewajàco skom-
plikowanà ewolucj´ Ziemi.

T∏umaczy∏

Janusz Walo

44 Â

WIAT

N

AUKI

Sierpieƒ 1997

O

brazy uzyskane na podstawie pomiarów sonarem wielowiàz-
kowym sà tylko jednym ze sposobów przedstawienia dna

morskiego. Naukowcy stosujà te˝ inne metody; ka˝da z nich ma
swoje szczególne zalety i wady.

Satelity (a) nie mierzà g∏´bokoÊci dna morskiego w sposób

bezpoÊredni, ale mogà rejestrowaç zmiany wysokoÊci wody na
powierzchni oceanu. Przyk∏adem jest satelita Geosat nale˝àcy
do marynarki wojennej Stanów Zjednoczonych, który wykorzystu-
jàc zjawisko odbicia impulsów radarowych od powierzchni wo-
dy, mierzy odleg∏oÊç do powierzchni oceanu z dok∏adnoÊcià do
5 cm. Poniewa˝ znana jest dok∏adna pozycja satelity, to pomiar
taki pozwala wyznaczyç wysokoÊç powierzchni morza.

Rzeêba powierzchni oceanu mo˝e zmieniaç si´ nawet o 200 m.

Ta falistoÊç odzwierciedla bardzo ma∏e ró˝nice grawitacji ziem-
skiej zmieniajàcej si´ z miejsca na miejsce, które przyczynia-

jà si´ do nierówno-
miernej dystrybucji
wody. Mówiàc pro-
Êciej, nierównoÊci
powierzchni oceanu
wywo∏ane grawita-
cjà sà spowodowa-
ne chropowatoÊcià
topografii dna mor-
skiego. Na przyk∏ad
masywny podwod-
ny wulkan wysoko-
Êci 2000 m i o Êred-

nicy 40 km b´dzie przyciàga∏ wod´, tworzàc nad sobà na po-
wierzchni oceanu wypuk∏oÊç wysokoÊci oko∏o 2 m. Jednak pod-
morskie obiekty o Êrednicy mniejszej ni˝ 10 km zwykle nie majà
wystarczajàcej masy, aby wywo∏aç zmiany na powierzchni oce-
anu, a zatem stajà si´ niewykrywalne przez radary satelitarne.
Co wi´cej, zmiany grawitacji (szczególnie w pobli˝u kraw´dzi
kontynentalnych) mogà raczej odzwierciedlaç ró˝nice g´stoÊci
ska∏ pod∏o˝a ni˝ topografi´. Niemniej satelity dostarczajà nad-
zwyczaj bogatego materia∏u kartograficznego (map) regionów
nie zmierzonych jeszcze przez statki.

Sonary wielowiàzkowe (b) mierzà g∏´bokoÊç oceanu, wykorzy-

stujàc odbijanie si´ dêwi´ku od dna morskiego. W przeciwieƒ-
stwie do prostych echosond ta nowoczesna technika korzysta
z ca∏ego uk∏adu êróde∏ dêwi´ku i urzàdzeƒ nas∏uchowych zamon-
towanych w kad∏ubie statku mierzàcego. Co kilka sekund wysy-
∏ane sà impulsy
obejmujàce jedynie
wàski pas dna mor-
skiego zorientowa-
ny prostopadle do
kierunku ruchu sta-
tku. W tym samym
czasie urzàdzenia
nas∏uchowe zaczy-
najà rejestrowaç
dêwi´ki odbite od
dna. Przyrzàdy sà
tak nastawione, by

Narz´dzia do kartowania dna morskiego

RADAROWY OBRAZ SATELITARNY

OBSZAR
MIERZONY
SONAREM
WIELOWIÑZKOWYM

a

b

1000 km

30 km

OBRAZ TERENU MIERZONEGO SONAREM WIELOWIÑZKOWYM

OBSZAR MIERZONY

SONAREM BOCZNEGO

SKANOWANIA

WALTER H. F. SMITH

National Oceanic and Atmospheric Administration

LINCOLN F. PRATSON i

WILLIAM F. HAXBY

ROBERTO OSTI

Â

WIAT

N

AUKI

Sierpieƒ 1997 45

Informacje o autorach

LINCOLN F. PRATSON i WILLIAM F. HAXBY pracowali razem

przez dwa lata, badajàc sk∏ony kontynentalne wybrze˝y Sta-

nów Zjednoczonych. Pratson obroni∏ rozpraw´ doktorskà z za-

kresu nauk geologicznych w Columbia University w 1993 ro-

ku. Nast´pnie bada∏ topografi´ dna morskiego na zlecenie Office

of Naval Research w Columbia’s Lamont-Doherty Earth Obse-

rvatory. W 1996 roku rozpoczà∏ prac´ w Institute of Arctic and

Alpine Research w University of Colorado. Haxby uzyska∏ ty-

tu∏ doktora w Cornell University w 1978 roku. Od tego czasu

pracuje naukowo w Lamont-Doherty Earth Observatory i kieru-

je badaniami basenów oceanicznych.

Literatura uzupe∏niajàca

SWATH BATHYMETRIC MAPPING

. Wyd. specjalne Journal of Geophysi-

cal Research, vol. 19, nr B3, 10 III 1986.

IMAGING THE OCEAN FLOOR: HISTORY AND STATE OF THE ART

. Peter R.

Vogt i Brian E. Tucholke, w: Geology of North America, vol. M:

The Western North Atlantic Region. Red. P. R. Vogt i B. E. Tu-

cholke; Geological Society of America, 1986.

WHAT IS THE SLOPE OF THE U.S. CONTINENTAL SLOPE?

Lincoln F. Prat-

son i William F. Haxby, Geology, vol. 24, nr 1, ss. 3-6, I/1996.

National Geophysical Data Center World Wide Web:

http://www. ngdc.noaa.gov/mggd.html

wykrywaç dêwi´ki docierajàce tylko z wn´trza wàskich korytarzy
dna morskiego zorientowanych równolegle do kierunku statku.
Tak wi´c odbicia dêwi´ku odebrane na statku pochodzà z obsza-
rów, gdzie wàskie pasy dêwi´ku i korytarze nas∏uchowe przecina-
jà si´ ze sobà. Pomiar czasu, który up∏ynà∏ od wys∏ania po-
szczególnych impulsów dêwi´kowych do ich odbioru, pozwala
uzyskaç profil g∏´bokoÊci dna morskiego. Takie profile sà zapisy-
wane co kilka sekund podczas ruchu statku. Kolejne obserwacje
budujà model ciàg∏y pokrycia. Statek przemieszcza si´ podobnie
jak kosiarka, która strzy˝e traw´; naukowcy mogà wi´c stworzyç
kompletnà map´ danego obszaru. Jednak za pomocà niespe∏na
200 statków wyposa˝onych w niezb´dny do pomiarów ekwipu-
nek sporzàdzenie mapy ca∏ego dna morskiego wymaga setek lat.

Sonar bocznego skanowania (c) daje jeszcze inny obraz dna

morskiego. Ekwipunek badawczy jest zwykle przytwierdzony do
urzàdzenia przypominajàcego wyglàdem sanie, które sà holowa-
ne przez statek. Zespo∏y sk∏adajàce si´ z dwóch sonarów do∏à-

czone sà do boków
„saƒ”, przy czym
ka˝dy sonar odgry-
wa rol´ zarówno êró-
d∏a dêwi´ku, jak i
urzàdzenia nas∏u-
chowego. Przyrzàdy
wysy∏ajà eksplozje
dêwi´ku w dwóch
przeciwnych kierun-
kach. JeÊli dno mor-
skie jest p∏askie i
g∏adkie, to wyemito-

wana energia odbije si´ tak jak wiàzka Êwiat∏a skierowana uko-
Ênie na lustro, a wi´c nie powróci do êród∏a. Je˝eli natomiast
pod∏o˝e jest chropowate, to dêwi´k, uderzajàc o nie, zostanie
rozproszony we wszystkich kierunkach (jak wiàzka Êwiat∏a oÊwie-
tlajàca matówk´) i cz´Êç powróci do sonarów przytwierdzonych
do „saƒ”. Przyporzàdkowujàc amplitudy powracajàcych odbiç
do ró˝nych odcieni szaroÊci i przedstawiajàc wyniki jako funkcj´
odleg∏oÊci od „saƒ”, naukowcy otrzymujà obraz ukszta∏towania
dna morskiego jak na czarno-bia∏ej fotografii. Na podstawie ob-
razu uzyskanego dzi´ki sonarowi bocznego skanowania nie mo˝-
na jednak okreÊliç wysokoÊci znajdujàcych si´ pod nim elemen-
tów powierzchni, podobnie jak z pojedynczego zdj´cia lotniczego.

Najdok∏adniejszy i najbardziej szczegó∏owy obraz dna morskie-

go dajà fotografie podwodne (d). Wykonujà je kamery – bàdê to
poruszajàce si´ wzd∏u˝ dna pilotowane urzàdzeniem podwod-
nym, bàdê te˝ przytwierdzone do zdalnie sterowanych pojazdów.
Takie urzàdzenie niosàce kamer´ pozwala badaczom na oglàda-
nie dna morskiego z
bliska. Jednak nawet
bardzo intensywne
Êwiat∏o nie przenika
efektywnie wody mor-
skiej. Dlatego na obra-
zach fotograficznych
otrzymanych tà meto-
dà widaç niewielki za-
si´g dna limitowany
odleg∏oÊcià, na jakà
sztuczna wiàzka Êwia-
t∏a mo˝e penetrowaç.

ROBERTO OSTI

c

d

5 km

30 cm

OBSZAR
SFOTOGRAFOWANY
POD WODÑ

OBRAZ TERENU MIERZONEGO
SONAREM BOCZNEGO SKANOWANIA

PODWODNA FOTOGRAFIA

KAMERA WIDEO

KAMERA FOTOGRAFICZNA

KAMERA

STEREOSKOPOWA

LINCOLN F. PRATSON i

WILLIAM B. F. RYAN

LINCOLN F. PRATSON