Bathymetrie -Bathymetry

Bathymetrie dna oceánu ukazující kontinentální šelfy a oceánské náhorní plošiny (červená), středooceánské hřbety (žlutozelená) a hlubinné pláně (modrá až fialová)
Odvětrávání metanu na pobřeží Virginie
Mapa mořského dna zachycená NASA


Bathymetrie ( / b ə ˈ θ ɪ m ə t r i / ; ze starověkého řečtiny βαθύς ( bathús )  'hluboký' a μέτρον ( métron )  'míra') je studium podvodní hloubky dna oceánu ( topografie mořského dna ), jezera, podlahy nebo říční podlahy. Jinými slovy, batymetrie je podvodní ekvivalent hypsometrie nebo topografie . První zaznamenané důkazy o měření hloubky vody pocházejí ze starověkého Egypta před více než 3000 lety. Batymetrické (neboli hydrografické ) mapy jsou obvykle vytvářeny pro podporu bezpečnosti povrchové nebo podpovrchové navigace a obvykle zobrazují reliéf mořského dna nebo terén jako vrstevnice (nazývané hloubkové vrstevnice nebo izobaty ) a vybrané hloubky ( sondy ) a obvykle také poskytují povrchovou navigaci . informace. Batymetrické mapy (obecnější termín, kde se nejedná o bezpečnost navigace) mohou také používat digitální model terénu a techniky umělého osvětlení k ilustraci zobrazovaných hloubek. Globální batymetrie je někdy kombinována s topografickými daty, aby poskytla model globálního reliéfu . Paleobathymetrie je studium minulých podvodních hloubek.

Synonyma zahrnují mapování mořského dna , mapování mořského dna , zobrazování mořského dna a zobrazování mořského dna . Batymetrická měření se provádějí různými metodami, od hloubkových sond , sonarových a lidarových technik až po bóje a satelitní výškoměr . Různé metody mají výhody a nevýhody a konkrétní použitá metoda závisí na rozsahu zkoumané oblasti, finančních možnostech, požadované přesnosti měření a dalších proměnných. Navzdory modernímu počítačovému výzkumu je mořské dno oceánu na mnoha místech méně měřené než topografie Marsu .

Topografie mořského dna

Topografie mořského dna (topografie oceánu nebo mořská topografie) se týká tvaru země ( topografie ), když se spojuje s oceánem. Tyto tvary jsou patrné podél pobřeží, ale vyskytují se také významným způsobem pod vodou. Účinnost mořských stanovišť je částečně definována těmito tvary, včetně způsobu, jakým interagují s mořskými proudy a tvarují je, a způsobu, jakým sluneční světlo ubývá, když tyto tvary terénu zabírají stále větší hloubky. Přílivové sítě závisejí na rovnováze mezi sedimentárními procesy a hydrodynamikou, avšak antropogenní vlivy mohou ovlivnit přírodní systém více než jakýkoli fyzický faktor.

Mořské topografie zahrnují pobřežní a oceánské tvary terénu od pobřežních ústí řek a pobřeží až po kontinentální šelfy a korálové útesy . Dále v otevřeném oceánu zahrnují podvodní a hlubokomořské útvary , jako jsou oceánské svahy a podmořské hory . Ponořený povrch má hornaté rysy, včetně systému středooceánských hřbetů , který se rozprostírá po celém světě , stejně jako podmořské sopky , oceánské příkopy , podmořské kaňony , oceánské plošiny a propastné pláně .

Hmotnost oceánů je přibližně 1,35 × 1018  metrických tun nebo asi 1/4400 celkové hmotnosti Země. Oceány pokrývají plochu 3,618 × 108  km 2 se střední hloubkou 3 682 m, což má za následek odhadovaný objem 1 332 × 109  km 3 .

Měření

První tištěná mapa oceánské batymetrie, vyrobená s daty z USS Dolphin (1853)

Původně batymetrie zahrnovala měření hloubky oceánu pomocí sondování hloubky . Rané techniky používaly předem změřené těžké lano nebo kabel spuštěný přes bok lodi. Tato technika měří hloubku pouze singulární bod najednou, a proto je neefektivní. Podléhá také pohybům lodi a proudům, které posunují čáru mimo pravdivou hodnotu, a proto není přesná.

Data používaná k výrobě batymetrických map dnes obvykle pocházejí z echosounderu ( sonaru ) namontovaného pod nebo přes bok člunu, který "pingne" paprsek zvuku směrem dolů na mořské dno nebo ze systémů LIDAR nebo LADAR na dálku. Doba, po kterou zvuk nebo světlo projde vodou, odrazí se od mořského dna a vrátí se k sirénu, informuje zařízení o vzdálenosti k mořskému dnu. Průzkumy LIDAR/LADAR jsou obvykle prováděny vzdušnými systémy.

Topografie mořského dna poblíž příkopu Puerto Rico

Počínaje počátkem 30. let se k výrobě batymetrických map používaly jednopaprskové sirény. Dnes se typicky používají vícepaprskové echosoundery (MBES), které využívají stovky velmi úzkých sousedních paprsků (typicky 256) uspořádaných do vějířovitého pruhu typicky 90 až 170 stupňů napříč. Pevně ​​nabité pole úzkých jednotlivých paprsků poskytuje velmi vysoké úhlové rozlišení a přesnost. Obecně platí, že široký záběr, který je závislý na hloubce, umožňuje lodi zmapovat více mořského dna za kratší dobu než jednopaprskový echosounder tím, že provede méně průjezdů. Paprsky se aktualizují mnohokrát za sekundu (obvykle 0,1–50 Hz v závislosti na hloubce vody), což umožňuje rychlejší rychlost lodi při zachování 100% pokrytí mořského dna. Polohové senzory umožňují korekci náklonu a náklonu lodi na hladině oceánu a gyrokompas poskytuje přesné informace o kurzu pro korekci vybočení plavidla . (Většina moderních systémů MBES používá integrovaný pohybový senzor a polohový systém, který měří vychýlení, jakož i další dynamiku a polohu.) Globální polohovací systém (GPS) namontovaný na lodi (nebo jiný globální navigační satelitní systém (GNSS)) umístí polohu sondování vzhledem k povrchu země. Profily rychlosti zvuku (rychlost zvuku ve vodě jako funkce hloubky) vodního sloupce korigují lom nebo "ohýbání paprsků" zvukových vln kvůli nestejnoměrným charakteristikám vodního sloupce, jako je teplota, vodivost a tlak. Počítačový systém zpracovává všechna data, koriguje všechny výše uvedené faktory a také úhel každého jednotlivého paprsku. Výsledná sondážní měření jsou poté zpracována buď ručně, poloautomaticky nebo automaticky (v omezených případech) za účelem vytvoření mapy oblasti. Od roku 2010 je generováno množství různých výstupů, včetně podmnožiny původních měření, která splňují určité podmínky (např. nejreprezentativnější pravděpodobné sondy, nejmělčí v regionu atd.) nebo integrované digitální modely terénu (DTM) (např . , pravidelná nebo nepravidelná síť bodů spojených do plochy). Historicky byl výběr měření běžnější v hydrografických aplikacích, zatímco konstrukce DTM se používala pro inženýrské průzkumy, geologii, modelování proudění atd. Od ca. V letech 2003–2005 se DTM staly akceptovanějšími v hydrografické praxi.

Satelity se také používají k měření batymetrie. Satelitní radar mapuje hlubokomořskou topografii detekcí jemných změn hladiny moře způsobených gravitační silou podmořských hor, hřebenů a dalších mas. V průměru je hladina moře nad horami a hřebeny vyšší než nad propastnými pláněmi a příkopy.

Ve Spojených státech amerických armádní sbor inženýrů provádí nebo zadává většinu průzkumů splavných vnitrozemských vodních cest, zatímco National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) plní stejnou roli pro oceánské vodní cesty. Data pobřežní batymetrie jsou k dispozici z Národního geofyzikálního datového centra NOAA (NGDC), které je nyní sloučeno s Národními středisky pro informace o životním prostředí . Bathymetric data jsou obvykle odkazoval se na slapové vertikální údaje . Pro hloubkovou batymetrii je to obvykle střední hladina moře (MSL), ale většina dat používaných pro námořní mapování se v amerických průzkumech odkazuje na střední nižší hladinu vody (MLLW) a v jiných zemích na nejnižší astronomický příliv (LAT). V praxi se používá mnoho dalších údajů v závislosti na lokalitě a přílivovém režimu.

Povolání nebo kariéry související s batymetrií zahrnují studium oceánů a hornin a minerálů na dně oceánu a studium podvodních zemětřesení nebo sopek. Odebírání a analýza batymetrických měření je jednou z klíčových oblastí moderní hydrografie a základním prvkem při zajišťování bezpečné přepravy zboží po celém světě.

STL 3D model Země bez kapalné vody s 20× převýšením

Satelitní snímky

Další formou mapování mořského dna je použití satelitů. Satelity jsou vybaveny hyperspektrálními a multispektrálními senzory, které se používají k poskytování stálých toků snímků pobřežních oblastí, což poskytuje schůdnější metodu vizualizace dna mořského dna.

Hyperspektrální senzory

Soubory dat produkované Hyper-Spectral (HS) Sensors mají tendenci se pohybovat mezi 100 a 200 spektrálními pásmy o šířce pásma přibližně 5–10 nm. Hyper-Spectral Sensing, neboli zobrazovací spektroskopie, je kombinací kontinuálního vzdáleného zobrazování a spektroskopie vytvářející jediný soubor dat. Dva příklady tohoto druhu snímání jsou AVIRIS ( vzdušný viditelný/infračervený zobrazovací spektrometr ) a HYPERION.

Použití HS senzorů při zobrazování mořského dna je detekce a monitorování chlorofylu, fytoplanktonu, salinity, kvality vody, rozpuštěných organických materiálů a suspendovaných sedimentů. To však neposkytuje skvělou vizuální interpretaci pobřežních prostředí.

Multispektrální senzory

Druhá metoda satelitního zobrazování, multispektrální (MS) zobrazování, má tendenci rozdělit EM spektrum do malého počtu pásem, na rozdíl od svých partnerských Hyper-Spectral Sensors, které dokážou zachytit mnohem větší počet spektrálních pásem.

MS sensing se používá spíše při mapování mořského dna kvůli menšímu počtu spektrálních pásem s relativně větší šířkou pásma. Větší šířky pásma umožňují větší spektrální pokrytí, což je zásadní pro vizuální detekci mořských rysů a obecné spektrální rozlišení získaných snímků.

Letecká laserová batymetrie

Vysokohustotní vzdušná laserová batymetrie (ALB) je moderní, vysoce technický přístup k mapování mořského dna. ALB, poprvé vyvinutá v 60. a 70. letech 20. století, je „technika detekce a měření vzdálenosti (LiDAR), která využívá viditelné, ultrafialové a blízké infračervené světlo k optickému vzdálenému snímání obrysového cíle prostřednictvím aktivního i pasivního systému. To znamená, že vzdušná laserová batymetrie také používá světlo mimo viditelné spektrum k detekci křivek v podmořské krajině.

LiDAR (Light Detection and Ranging) je podle National Oceanic and Atmospheric Administration „metoda dálkového průzkumu, která využívá světlo ve formě pulzního laseru k měření vzdáleností“. Tyto světelné pulsy spolu s dalšími daty generují trojrozměrnou reprezentaci čehokoli, co se světelné pulsy odrážejí, a poskytují tak přesnou reprezentaci povrchových charakteristik. Systém LiDAR se obvykle skládá z laseru , skeneru a přijímače GPS . Letadla a vrtulníky jsou nejběžněji používanými platformami pro získávání dat LIDAR v rozsáhlých oblastech. Jednou z aplikací LiDARu je batymetrický LiDAR, který využívá zelené světlo pronikající vodou také k měření nadmořské výšky mořského dna a říčního dna.

ALB obecně funguje ve formě pulsu neviditelného světla vyzařovaného z nízko letícího letadla a přijímače zaznamenávajícího dva odrazy od vody. První z nich pochází z hladiny vody a druhý z mořského dna. Tato metoda byla použita v řadě studií k mapování segmentů mořského dna různých pobřežních oblastí.

Příklady komerčních batymetrických systémů LIDAR

Existují různé systémy batymetrie LIDAR, které jsou komerčně dostupné. Dva z těchto systémů jsou Scanning Hydrographic Operational Airborne Lidar Survey (SHOALS) a Laser Airborne Depth Sounder (LADS). SHOALS byl poprvé vyvinut, aby pomohl armádnímu sboru inženýrů Spojených států (USACE) v batymetrickém měření společností s názvem Optech v 90. letech. SHOALS se provádí přenosem laseru o vlnové délce mezi 530 a 532 nm z výšky přibližně 200 m při průměrné rychlosti 60 m/s.

Ortozobrazení s vysokým rozlišením

Ortozobrazení s vysokým rozlišením (HRO) je proces vytváření obrazu, který kombinuje geometrické kvality s vlastnostmi fotografií. Výsledkem tohoto procesu je ortoimage , obraz v měřítku, který zahrnuje opravy provedené pro posunutí prvku, jako je naklonění budovy. Tyto korekce se provádějí pomocí matematické rovnice, informací o kalibraci senzoru a aplikací digitálních výškových modelů.

Ortoimage lze vytvořit kombinací několika fotografií stejného cíle. Cíl je fotografován z mnoha různých úhlů, aby bylo možné vnímat skutečnou výšku a naklonění objektu. To dává divákovi přesné vnímání cílové oblasti.

Ortozobrazení s vysokým rozlišením se v současnosti používá v „programu pozemního mapování“, jehož cílem je „vytvářet topografická data s vysokým rozlišením od Oregonu po Mexiko“. Ortosnímky budou použity k poskytnutí fotografických dat pro tyto oblasti.

Dějiny

Trojrozměrná mapa znějící ozvěnou

Nejstarší známá měření hloubky provedli Egypťané kolem roku 1800 př. n. l. sondováním pomocí tyče. Později byla použita vážená čára s vyznačenými hloubkami v intervalech. Tento proces byl známý jako ozvučení. Obě tyto metody byly omezeny tím, že se jednalo o bodové hloubky, pořízené v bodě a mohly snadno přehlédnout významné odchylky v bezprostřední blízkosti. Přesnost byla také ovlivněna pohybem vody – proud mohl vychýlit závaží z vertikály a ovlivnilo by to jak hloubku, tak polohu. Byl to pracný a časově náročný proces a byl silně ovlivněn povětrnostními a námořními podmínkami.

S plavbou HMS Challenger v 70. letech 19. století došlo k významným zlepšením , kdy byly podobné systémy využívající dráty a naviják použity pro měření mnohem větších hloubek, než bylo dříve možné, ale toto zůstalo pouze jednou hloubkou v čase, což vyžadovalo velmi nízkou rychlost pro přesnost. . Větší hloubky mohly být měřeny pomocí vážených drátů rozmístěných a obnovených poháněnými navijáky. Dráty měly menší odpor a byly méně ovlivněny proudem, tolik se nenatahovaly a byly dostatečně pevné, aby unesly vlastní váhu do značné hloubky. Navijáky umožňovaly rychlejší nasazení a vyprošťování, nutné při naměřených hloubkách několika kilometrů. Průzkumy tažení drátu byly nadále používány až do 90. let 20. století kvůli spolehlivosti a přesnosti. Tento postup zahrnoval tažení lana dvěma čluny, podepřenými plováky a zatíženými tak, aby udržely konstantní hloubku. Drát by se zachytil o překážky mělčí, než je hloubka lana. To bylo velmi užitečné pro hledání navigačních nebezpečí, která mohla být sondami přehlédnuta, ale byla omezena na relativně malé hloubky.

Jednopaprskové echoloty byly používány od 20. do 30. let 20. století k měření vzdálenosti mořského dna přímo pod plavidlem v relativně krátkých intervalech podél linie cesty. Spuštěním zhruba paralelních čar bylo možné datové body shromažďovat v lepším rozlišení, ale tato metoda stále zanechávala mezery mezi datovými body, zejména mezi čarami. Mapování mořského dna začalo pomocí zvukových vln , tvarovaných do izobat a raných batymetrických map šelfové topografie. Ty poskytly první pohled na morfologii mořského dna, i když došlo k chybám kvůli horizontální polohové přesnosti a nepřesné hloubce. Sidescan sonar byl vyvinut v 50. až 70. letech a mohl být použit k vytvoření obrazu dna, ale technologie postrádala kapacitu pro přímé měření hloubky přes šířku skenu. V roce 1957 vytvořila Marie Tharp ve spolupráci s Brucem Charlesem Heezenem první trojrozměrnou fyziografickou mapu světových oceánských pánví. Tharpův objev byl učiněn v ideální čas. Byl to jeden z mnoha objevů, které se odehrály ve stejné době jako vynález počítače . Počítače se svou schopností počítat velké množství dat značně usnadnily výzkum, včetně výzkumu světových oceánů. Vývoj vícepaprskových systémů umožnil získat informace o hloubce po šířce sonarového řádku, do vyšších rozlišení a s přesnými údaji o poloze a poloze pro snímače, umožnil získat více zvuků s vysokým rozlišením z jednoho průchodu.

Americký námořní oceánografický úřad vyvinul v 60. letech minulého století utajovanou verzi vícepaprskové technologie. NOAA získala koncem 70. let neutajovanou komerční verzi a zavedla protokoly a standardy. Data získaná pomocí vícepaprskového sonaru výrazně zvýšila porozumění mořskému dnu.

Americké družice Landsat ze 70. let a později evropské družice Sentinel poskytly nové způsoby, jak najít batymetrické informace, které lze odvodit ze satelitních snímků. Tyto metody zahrnují využití různých hloubek, do kterých různé frekvence světla pronikají do vody. Když je voda čistá a mořské dno dostatečně odráží, lze hloubku odhadnout měřením míry odrazivosti pozorované satelitem a poté modelováním, jak daleko by světlo mělo proniknout za známých podmínek. Pokročilý topografický laserový výškoměr (ATLAS) na satelitu NASA Ice, Cloud a Land Elevation Satellite 2 (ICESat-2) je lidar pro počítání fotonů , který využívá dobu návratu pulzů laserového světla ze zemského povrchu k výpočtu výšky povrchu. . Měření ICESat-2 lze zkombinovat s daty lodních sonarů pro vyplnění mezer a zlepšení přesnosti map mělké vody.

Mapování topografie mořského dna kontinentálního šelfu pomocí dat z dálkového snímání použilo řadu metod k vizualizaci topografie dna. První metody zahrnovaly hachure mapy a byly obecně založeny na osobní interpretaci omezených dostupných dat kartografem. Akustické metody mapování vyvinuté z vojenských sonarových snímků vytvořily živější obraz mořského dna. Další vývoj technologie založené na sonaru umožnil více detailů a větší rozlišení a techniky pronikání do země poskytují informace o tom, co leží pod spodním povrchem. Vzdušné a satelitní získávání dat umožnilo další pokroky ve vizualizaci podvodních povrchů: letecké snímkování a ortosnímání s vysokým rozlišením jsou mocným nástrojem pro mapování mělkých čistých vod na kontinentálních šelfech a vzduchová laserová batymetrie využívající pulsy odraženého světla je také velmi účinná. v těchto podmínkách mohou hyperspektrální a multispektrální satelitní senzory poskytovat téměř konstantní proud bentických environmentálních informací. Techniky dálkového průzkumu Země byly použity k vývoji nových způsobů vizualizace dynamických bentických prostředí od obecných geomorfologických rysů po biologické pokrytí.

Viz také

Reference

externí odkazy