美国宇航局的SWOT卫星揭示了海底隐藏的数千座山脉

我们对月球表面的了解都比对地球海底的了解要多——但这种情况正在迅速改变。美国宇航局支持的团队利用一颗名为 SWOT 的开创性卫星绘制了前所未有的详细海底地图。这些太空数据揭示了隐藏的水下山脉和丘陵，为深海洋流、地壳变化甚至潜在矿产热点提供了见解。借助这项技术飞跃，科学家们正在竞相完成有史以来最全面的海底地图，揭开曾经看不见的地球地质和生态秘密。

这张全球海底特征地图基于 SWOT 卫星的海洋高度数据。紫色表示与绿色表示的较高特征（如海山和深海丘陵）相比较低的区域。厄特沃什是用于创建这些地图的重力数据的测量单位。来源：NASA 地球观测站

月球表面的地图比地球海底的地图更详细。几十年来，科学家一直在努力改变这一现状。现在，一个由 NASA 支持的团队向前迈出了重要一步，发布了迄今为止最详细的海底地图之一。该地图是使用 SWOT（地表水和海洋地形）卫星的数据创建的，该卫星是NASA和法国航天局 CNES（法国国家空间研究中心）的联合任务。

虽然配备声纳的船只可以绘制出高精度的海底地图，但目前只有约 25% 的海洋被以这种方式绘制。为了填补空白并建立全球海底视图，研究人员越来越多地求助于卫星数据。

派拉蒙海山位于厄瓜多尔海岸附近，是某些海洋观测卫星（如 SWOT）可以通过其引力对海面的影响来探测的海底特征之一。图片来源：NOAA 奥基阿诺斯探索计划

高分辨率海底地图对于许多实际用途都至关重要，从导航船舶和铺设海底电缆到探测危险和支持军事行动。NASA 总部物理海洋学项目负责人 Nadya Vinogradova Shiffer 表示：“海底测绘对于现有和新兴的经济机会都至关重要，包括稀有矿物海底采矿、优化航线、危险探测和海底作战行动。”

准确的海底地图对于更好地了解影响深海生物的深海洋流和潮汐以及板块构造等地质过程也很重要。海底山脉被称为海山，其他海底特征（如它们的小表亲深海丘陵）会影响深海热量和营养物质的移动，并可以吸引生命。这些物理特征的影响甚至可以在表面感受到，因为它们对人类社区所依赖的生态系统产生了影响。

此动画显示了根据 SWOT 数据得出的墨西哥、南美洲和南极半岛附近地区的海底特征。紫色表示相对于较高区域（如海山，绿色）较低的区域。厄特沃什是用于创建这些地图的重力数据的测量单位。图片来源：NASA 科学可视化工作室

绘制海底地图并不是SWOT任务的主要目的。该卫星于 2022 年 12 月发射，测量地球几乎所有表面的水位，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来创建淡水和海水表面的地形图。这些数据随后可用于评估海冰变化或追踪洪水沿河流动的方式等任务。

加利福尼亚州拉霍亚斯克里普斯海洋研究所的地球物理学家戴维·桑德韦尔 (David Sandwell) 表示：“SWOT 卫星极大地提高了我们绘制海底地图的能力。”自 1990 年代以来，他一直使用卫星数据绘制海底地图，并且是负责基于 SWOT 的海底地图的研究人员之一，该地图于 2024 年 12 月发表在《科学》杂志上。

这张海底特征图（例如墨西哥阿卡普尔科西南部的海山）基于 SWOT 的海面高度数据绘制而成。紫色表示相对较高的区域（例如海山，绿色表示）较低的区域。厄特沃什是用于创建这些地图的重力数据的测量单位。来源：NASA 地球观测站

这项研究的作者认为，由于海山和深海丘陵等地质特征的质量比周围环境大，它们会施加稍强的引力，从而在上方的海面上形成微小的可测量凸起。这些微妙的重力特征有助于研究人员预测产生它们的海底特征类型。

通过反复观测——SWOT 每 21 天覆盖地球约 90% 的区域——该卫星足够灵敏，能够以厘米级的精度捕捉到由以下特征引起的海面高度的微小差异。桑德韦尔和他的同事利用一年的 SWOT 数据，重点关注海山、深海丘陵和水下大陆边缘，即大陆地壳与海洋地壳的交汇处。

以前的海洋观测卫星已经探测到这些海底特征的巨大版本，例如大约 3300 英尺（1 公里）高的海山。SWOT 卫星可以探测到不到该高度一半的海山，这可能会使已知的海山数量从 44000 座增加到 100000 座。这些水下山脉伸入水中，影响深海洋流。这可以将营养物质集中在斜坡上，吸引生物并在原本贫瘠的海底形成绿洲。

这张印度洋海底特征（如深海丘陵）的地图基于 SWOT 卫星的海面高度数据绘制而成。紫色表示相对较高的区域（如深海丘陵，绿色表示）较低的区域。厄特沃什是用于绘制这些地图的重力数据的测量单位。来源：NASA 地球观测站

SWOT 的改进视角也让研究人员对地球的地质历史有了更多的了解。

“深海丘陵是地球上最丰富的地貌，覆盖了大约 70% 的海底，”斯克里普斯海洋研究所的海洋学家、论文第一作者姚宇说。“这些丘陵只有几公里宽，很难从太空中观察到。我们很惊讶 SWOT 能如此清楚地看到它们。”

深海丘陵形成平行带状，就像搓衣板上的山脊，板块在这里分开。这些带状的方向和范围可以揭示板块如何随时间移动。深海丘陵还与潮汐和深海洋流相互作用，但研究人员尚未完全了解其中的相互作用方式。

研究人员已经提取了几乎所有他们希望在 SWOT 测量中找到的海底特征信息。现在他们正专注于通过计算他们所看到的特征的深度来完善他们对海底的描绘。这项工作是对国际科学界在 2030 年前使用船载声纳绘制整个海底地图的努力的补充。“到那时我们无法完成完整的船载测绘，”桑德韦尔说。“但 SWOT 将帮助我们填补空白，让我们接近实现 2030 年的目标。”

地表水和海洋地形卫星（SWOT）旨在对地球地表水进行首次全球调查，它将收集地球水体随时间变化的详细测量数据。图片来源：NASA/JPL-Caltech

有关 SWOT 的更多信息

地表水和海洋地形 (SWOT) 卫星是一项开创性的国际任务，旨在以前所未有的细节测量地球表面几乎所有区域（包括海洋、河流、湖泊和水库）的水位高度。SWOT 是 NASA 和法国航天局 CNES 的合作项目，加拿大航天局 (CSA) 和英国航天局也参与其中。

此次任务的美国部分由加州理工学院管理的NASA 喷气推进实验室 ( JPL ) 牵头。NASA 提供了几种关键仪器，包括 Ka 波段雷达干涉仪 (KaRIn)、 GPS科学接收器、激光反射器、双光束微波辐射计，并监督了美国仪器的操作。

法国国家空间研究中心提供了卫星平台、地面操作和系统，例如由泰雷兹阿莱尼亚航天公司开发的卫星综合多普勒轨道和无线电定位系统 (DORIS) 和波塞冬双频高度计。KaRIn 射频子系统由泰雷兹阿莱尼亚航天公司和法国国家空间研究中心联合开发，并得到英国的支持。KaRIn 高功率发射器组件由加拿大航天局提供。

这些贡献共同使 SWOT 能够提供水面的高分辨率测量，帮助科学家更好地了解地球的水循环、洋流，甚至海底的地形。

参考文献：“来自 SWOT 任务的深海海洋构造”，作者：Yao Yu、David T. Sandwell 和 Gerald Dibarboure，2024 年 12 月 12 日， 《科学》。

DOI：10.1126/science.ads4472

编译自/ScitechDaily