下一代水文卫星从太空绘制海底地图

位于厄瓜多尔沿海的 Paramount 海山是某些海洋观测卫星（如 SWOT）能够探测到的海底地形之一，这些卫星通过测量这些地形对海洋表面的重力影响来进行探测。
图片来源：NOAA Okeanos 探险者计划

基于 SWOT 任务数据制作的更精确的海底地图可以改善水下导航，并提升我们对全球海洋中热量和生命运动方式的认知。

相比地球海洋底部，人类对月球表面的了解反而更加详尽。几十年来，研究人员一直在努力改变这一现状。作为这一持续努力的一部分，由 NASA 资助的一个团队最近利用 SWOT（表层水和海洋地形）卫星的数据，发布了迄今最详细的海底地图之一。SWOT 任务是 NASA 与法国国家空间研究中心（CNES）合作的成果。

为何海底地图至关重要？

更精确的海底地图对于航海活动至关重要，包括导航和铺设水下通信电缆。NASA 总部物理海洋学项目负责人 Nadya Vinogradova Shiffer 表示：“海底测绘在已成熟和新兴的经济机遇中都起着关键作用，例如稀有矿产的深海开采、优化航运路线、灾害探测以及海底作战行动。”

该动画展示了基于SWOT数据绘制的海底地形特征，涵盖墨西哥、南美洲和南极半岛附近区域。紫色表示较低区域，相对于海山等较高区域（以绿色表示）。Eötvös 是用于创建这些地图的重力数据测量单位。

海底地形对全球生态和地质活动的影响

准确的海底地图还能帮助我们更好地理解深海洋流和潮汐，这些因素影响着深海生命，同时也与板块构造等地质过程相关。像海山这样的水下山脉，以及深海丘等较小的海底地形，都会影响深海中的热量和养分流动，进而吸引海洋生物。这些物理地形的影响甚至可以波及海面，影响人类赖以生存的生态系统。

尽管海底测绘并非 SWOT 任务的主要目标，但这颗于2022年12月发射的卫星可测量地球表面几乎所有水体的高度，包括海洋、湖泊、水库和河流。研究人员可以利用这些高度差异绘制淡水和海水表面的地形图，并应用于海冰变化监测、洪水演进追踪等任务。

海底测绘的技术突破

“SWOT 卫星在海底测绘能力方面实现了巨大飞跃，”加州拉霍亚斯克里普斯海洋研究所（Scripps Institution of Oceanography）的地球物理学家 David Sandwell 说道。他自 1990 年代以来便利用卫星数据绘制海底地图，并参与了基于 SWOT 数据的海底测绘研究，该研究成果已于 2024 年 12 月发表于《科学》期刊。

研究人员利用了一个关键原理：由于海山和深海丘等地质特征的质量大于周围环境，它们会产生略强的引力，从而在其上方的海面形成微小的凸起。这些细微的重力信号帮助科学家推测海底的地形特征。

通过重复观测（SWOT 每 21 天覆盖全球约 90% 的区域），卫星能够以厘米级精度检测由海底特征引起的海面高度微小变化。Sandwell 和同事们利用一年的 SWOT 数据，重点研究了海山、深海丘和大陆边缘地形（即大陆地壳与海洋地壳的交界地带）。

以往的海洋观测卫星只能探测 1 公里以上的海底地形，而 SWOT 可以探测到高度不到 500 米的海山，这使得全球已知海山的数量有望从 44,000 座增加至 100,000 座。这些水下山脉会影响深海洋流，沿山坡富集营养物质，形成生命的“绿洲”，使原本荒芜的海底焕发生机。

探索深海奥秘

SWOT 还让研究人员对地球的地质历史有了更深入的了解。

“深海丘是地球上最广泛分布的地貌，占据了约 70% 的海底面积，”论文第一作者、斯克里普斯海洋研究所的海洋学家 Yao Yu 说道。“这些丘状地形仅宽几公里，因此在过去的卫星数据中很难被观测到。我们惊讶地发现，SWOT 能够如此清晰地呈现它们。”

深海丘呈平行带状分布，类似洗衣板上的褶皱，是由于构造板块的扩张而形成的。这些带状结构的方向和范围可以揭示地球板块在历史上的运动轨迹。此外，深海丘还会与潮汐和深海洋流相互作用，这些机制目前仍未被完全理解。

研究团队已经从 SWOT 数据中提取出了他们预期的大部分海底信息。接下来，他们将专注于计算这些海底地形的具体深度。该研究与国际科学界的目标相辅相成，即在 2030 年前利用船载声呐完成全球海底测绘。“我们可能无法在 2030 年前完成全部船载测绘，”Sandwell 说，“但 SWOT 将帮助我们弥补空白，使我们更接近这一目标。”

参考https://www.jpl.nasa.gov/news/next-generation-water-satellite-maps-seafloor-from-space/