主要撞击点已基本确定 最深约20米

主要撞击点已基本确定 最深约20米

这张马里亚纳海沟地图显示了海洋的最深点——挑战者深渊。摄影:ATLAS OF THE WORLD, 11TH EDITION

一阵微弱的爆裂声打断了海浪的撞击声——这是事情不对劲的第一个迹象。

2014年12月,David Barclay坐在R.V. Falkor号上,通过插在船体上的水下麦克风的耳机听到了这个声音。他的脑海里闪现出两件科学仪器,它们正在他脚下的水中下沉,准备前往太平洋的挑战者深渊。这个地方位于海浪下11.2千米处–比珠穆朗玛峰的高度还要深超过1.6千米,使它成为海洋的最深点。

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H.M.S.挑战者号于1872年起航,这是第一次为研究海洋特征而组织的探险活动。这艘船被风吹离了航线,在一幅手绘木刻中显示,它遇到了现在被称为马里亚纳海沟的巨大水下峡谷。船员们测量出南端的深度为8140米。在20世纪50年代的一次后续考察中,英国海军H.M.S.“挑战者二号”号舰艇船员在这个海沟中发现了一个更深的凹陷,标志着海洋的最深点,并以这两艘船的名字将其命名为挑战者深渊(Challenger Deep)。

这两台仪器是Barclay工作的一部分,他在斯克里普斯海洋学研究所(Scripps Institution of Oceanography)读研究生时就开始了这个项目,目的是创造一种更袖珍也更便宜的方式来记录水下的声音景观。研究海洋的颤动不仅可以帮助科学家了解海洋的结构,还可以辨别出特殊的旋律,无论是来自鲸还是潜水艇。

这些仪器在挑战者深渊内的往返记录预计需要大约九个小时。但是当时间一到,只有一个“幸存者”从深海中回来。

一个声学仪器的玻璃外壳倒塌,声波在海洋表面和海底最深处反弹——所有这些都被另一个水下设备捕捉到并记录下来了。

正如Barclay后来推断的那样,爆裂声来自于一台仪器的玻璃外壳的内爆,这是一个约38cm宽的球体,包裹着电子元件。虽然该仪器被毁,但Barclay和他的同事们最终在坍塌的嘈杂声中找到了有用的声音。该小组利用幸存的设备所记录的来自内爆的反弹声波,计算出有史以来对挑战者深渊所进行的最精确的测量之一:

过去的测量结果主要集中在10900和10950米之间,但最新的估计结果是迄今为止最深的:高达10983米。

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挑战者号上携带了许多科学仪器,图中是一部分。从左到右分别是:是用于确定盐度的滑水瓶,用于收集海底样本的杯状测深仪,用于收集海洋生物样本的挖泥机,用于测量深海温度的温度计,以及用于确定水深的探测仪。图源:COLLECTION PJ / ALAMY STOCK PHOTO

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2014年12月,科学家们部署了一对深海探测仪,计划让他们在水中自由落体,记录深海的声音。但在两台仪器沉入8000英尺以下后,Deep Sound Mark III内爆了;Deep Sound Mark II幸存下来,图中显示的是部署时的情况,它记录了塌陷和它的许多回声,声音从表面和海底反弹回来。摄影:DIETER BEVANS

科学家们早就知道挑战者深渊是海洋的最深点,但他们花了几十年的时间来精确地确定其最深点在哪里以及有多深。

研究报告的作者、伍兹霍尔海洋研究所的声学海洋学家Scott Loranger说:“我们想了解这个星球的最极端情况。哪座山最高?最干燥的沙漠在哪里?最辣的辣椒是什么? ”他补充说,“这种努力有助于扩大人类知识的极限。从根本上说,这是每一个科学家都在努力做的事情。”

职业偏执狂

Barclay现在是加拿大新斯科舍省戴尔豪斯大学(Dalhousie University)的副教授,他形容自己是“职业偏执狂”——在他的职业生涯中,不停把昂贵的设备扔到船上之后,这成了一种自然倾向。这种偏执使他会去做周密的准备。每次重大部署的前一晚,他都会列出可能出错的地方。

“听起来有点像 嗜虐,”他说。“但确实是一种很好的锻炼。”

列举可能导致故障的途径,有助于Barclay避免人为造成的灾难,比如忘记给仪器电池充电或没打开设备。然而,总有一些事情是Barclay无法控制的。

探索地球最深处并不容易。上方数英里的水产生了巨大压力,在挑战者深渊中,每平方英寸的压力为8吨,或者大约是表面压力的1000倍。

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1960年,瑞士海洋学家Jacques Piccard和美国海军中Don Walsh驾驶着美国海军的Trieste号深海潜水器。这个自行推进的飞行器,如图所示,悬挂在海浪之上,使用一个装满汽油的油箱作为其浮力控制的一部分。这对夫妇成为第一对访问海洋最深点的人。他们测量到了创纪录的10911米的深度。

挑战者深渊

当深海仪器发生内爆,释放出在海底和海面之间反弹的声波时,测量海洋最深点就可能产生新数据。

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只有少数人曾经参观过挑战者深渊。1960年1月23日,瑞士海洋学家Jacques Piccard和美国海军中尉Don Walsh登上了Trieste号深海潜水器。当Trieste号接近海底时,急剧下降的温度使一扇有机玻璃破裂,狭小的船舱发出一声巨响。但窗户一直开着,Piccard和Walsh安全抵达了挑战者深渊,在上升前逗留了20分钟。

其他科学家已经向这个深渊发射了遥控飞行器,或者使用声纳从水面测量深度。Barclay的两个装置就是这一漫长探索历史的一部分。

根据程序设定,这两个设备会潜到一定的深度,在返回水面之前,记录下海洋的交响乐。其中一个被称为“深海之声II”(Deep Sound Mark II),可以到达9000米深的海底。另一艘名为“深海之声III”(Deep Sound Mark III),目的是潜入海底。但一旦它们从人们的视线中消失,就没有什么方法可以追踪它们的行进过程了。

Barclay说:“你拉一拉绳子,松开它,它就不见了。”“你看不见,无法跟它对话,也不知道这段时间它在做什么。”

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2012年3月26日,国家地理探险家、电影制作人James Cameron成功完成了第一次独自潜入挑战者深渊的任务,使用的是他共同设计的名为“深海挑战者”的潜水器,如图所示,他开始了8000米深的测试潜水。在这次与《国家地理》杂志合作的探险中,Cameron用高分辨率记录了他的经历,并收集了样本进行研究。摄影:MARK THIESSEN, NATGEO IMAGE COLLECTION

Barclay时刻准备着,他在船上安装了水下麦克风,以便在水面上进行记录,偶尔也会听一下下面发生了什么。就在这时,他听到了砰的一声。那天晚上,他仍然不确定发生了什么,他和船员们在指定的时间越过海面,取回仪器。他们发现只有一只在海浪中上下浮动。

科学家们把“深海之声II”拖回到船上,并听了它的录音。一阵噪音打破了寂静,这就是“深海之声III”下方的内爆所产生的刺耳声音。Barclay推测,该仪器的一个小陶瓷浮标可能已经失灵,引发了一连串的破坏。

当仪器的玻璃在5英里的水的重量下坍塌时,它释放出一袋空气,在压力下振荡,然后分裂成一层小气泡。所有这些活动发出的声音在水中急速移动,倾斜着离开水面,然后回到海洋深处——“深海之声II”正在那里聆听。

“很明显,它已经不见了,”Barclay谈到被摧毁的乐器时说。

海波的律动

六年后,Loranger坐在办公桌前,聆听着爆炸的回响。由于现场工作因疫情受阻,他希望能在录音中找到一些有用的东西。在最初混乱的声音之后,可以听到几个明显的回声,每一个都比最后一个稍低,直到它们逐渐消失在寂静中。

“我忘了按停止键,一直在打字,”Loranger说。就在这时,他听到了一些奇怪的声音。内爆后大约25秒,录音中出现了微弱的 “piu”声。这个回声已经传播了近40千米,在海面和海洋最深点之间多次反弹。“天哪,”他回忆道。“我完全没想到会这样。”

测量声波是绘制海底地图最常见的方法之一,就像蝙蝠利用回声定位在黑暗中看东西一样。多年来,研究人员在水面或接近水面的地方引爆炸药,以产生从水底反弹的声音。最近,科学家们已经转向了更可控的制造噪音的方法,例如压缩空气,Mark Rognstad说,他是夏威夷地球物理与行星学研究所的海底测绘专家,不是研究小组成员。

水越深,声音就越强烈,音调也越低,这样才能到达水底。2014年的内爆提供了这种强烈的声音来源。Rognstad说,玻璃外壳在压力下会非常剧烈地坍塌。他加入了《国家地理》杂志资助的探险队,该探险队的任务是搜寻在二战中途岛战役(Battle of Midway)中沉没的船只。当时,一艘遥控飞行器内的玻璃球发生爆炸,造成严重破坏。“对我来说,这就像一个爆炸的炸药,”他说。

“深海之声III”内爆的强度产生的冲击波在地表和海底之间来回穿梭,这是团队精确测量的关键。利用其中一个回声的声学特征作为模板,Loranger和他的同事们确定了最初的巨响爆发和每个反射的到达时间。然后,研究人员模拟了各种声波的路径,并根据温度、压力和盐度变化导致的不同深度下的声速变化进行了调整。

他们对挑战者深渊深度的最终计算为10983米,误差在正负6米左右。

声学的魔力

不同测量方法已经得出了挑战者深渊深度的不同结果——随着技术的进步,寻找海洋最深处的努力肯定会继续。去年发表的一份细致的分析报告显示,Victor Vescovo在潜水器“Limiting Factor”潜水期间,通过声学和压力测量得出了10,935米的结果。不同方法之间可能会有一些差异,每种方法都有自己的挑战和不确定性。

“没有办法用尺子精确地测量,”Rochelle Wigley说,他是新罕布什尔大学的一位地质学家,没有参加这个研究小组。她指出,这两个最新数据之间的差异并不大,不到0.5%。

不管挑战者深渊到底有多深,其魅力部分在于探索——以及沿途可能发现的许多未知奇观。内爆本身就是一个偶然发现的例子,产生了研究人员从未着手收集的数据。

Barclay说,录音还为我们提供了一种方式,来体验一个很少有人有机会参观的地方。他说,就像对着大峡谷大喊以倾听回声一样,听录音是“一种真正身处深渊中的方式”。“真的很神奇。”

至于Barclay的计划,他和他的同事们最终实现了在挑战者深渊聆听声音的目标。2021年,他们在地球的最深处放置了一个设备,记录了4个小时的海洋平静节奏。

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