我們對月球表面的瞭解都比對地球海底的瞭解要多——但這種情況正在迅速改變。美國宇航局支持的團隊利用一顆名為 SWOT 的開創性衛星繪製了前所未有的詳細海底地圖。這些太空數據揭示了隱藏的水下山脈和丘陵，為深海洋流、地殼變化甚至潛在礦產熱點提供了見解。借助這項技術飛躍，科學家們正在競相完成有史以來最全面的海底地圖，揭開曾經看不見的地球地質和生態秘密。

這張全球海底特徵地圖基於 SWOT 衛星的海洋高度數據。紫色表示與綠色表示的較高特徵（如海山和深海丘陵）相比較低的區域。厄特沃什是用於創建這些地圖的重力數據的測量單位。來源：NASA 地球觀測站

月球表面的地圖比地球海底的地圖更詳細。幾十年來，科學家一直在努力改變這一現狀。現在，一個由 NASA 支持的團隊向前邁出了重要一步，發佈了迄今為止最詳細的海底地圖之一。該地圖是使用 SWOT（地表水和海洋地形）衛星的數據創建的，該衛星是NASA和法國航太局 CNES（法國國家空間研究中心）的聯合任務。

雖然配備聲納的船隻可以繪製出高精度的海底地圖，但目前只有約 25% 的海洋被以這種方式繪製。為了填補空白並建立全球海底視圖，研究人員越來越多地求助於衛星數據。

派拉蒙海山位於厄瓜多海岸附近，是某些海洋觀測衛星（如 SWOT）可以通過其引力對海面的影響來探測的海底特徵之一。圖片來源：NOAA 奧基阿諾斯探索計劃

高解析度海底地圖對於許多實際用途都至關重要，從導航船舶和鋪設海底電纜到探測危險和支援軍事行動。NASA 總部物理海洋學項目負責人 Nadya Vinogradova Shiffer 表示：“海底測繪對於現有和新興的經濟機會都至關重要，包括稀有礦物海底採礦、優化航線、危險探測和海底作戰行動。”

準確的海底地圖對於更好地了解影響深海生物的深海洋流和潮汐以及板塊構造等地質過程也很重要。海底山脈被稱為海山，其他海底特徵（如它們的小表親深海丘陵）會影響深海熱量和營養物質的移動，並可以吸引生命。這些物理特徵的影響甚至可以在表面感受到，因為它們對人類社區所依賴的生態系統產生了影響。

此動畫顯示了根據 SWOT 數據得出的墨西哥、南美洲和南極半島附近地區的海底特徵。紫色表示相對於較高區域（如海山，綠色）較低的區域。厄特沃什是用於創建這些地圖的重力數據的測量單位。圖片來源：NASA 科學可視化工作室

繪製海底地圖並不是SWOT任務的主要目的。該衛星於 2022 年 12 月發射，測量地球幾乎所有表面的水位，包括海洋、湖泊、水庫和河流。研究人員可以利用這些高度差異來創建淡水和海水表面的地圖。這些數據隨後可用於評估海冰變化或追蹤洪水沿河流動的方式等任務。

加利福尼亞州拉霍亞斯克里普斯海洋研究所的地球物理學家大衛·桑德韋爾 (David Sandwell) 表示：“SWOT 衛星極大地提高了我們繪製海底地圖的能力。”自 1990 年代以來，他一直使用衛星數據繪製海底地圖，並且是負責基於 SWOT 的海底地圖的研究人員之一，該地圖於 2024 年 12 月發表在《科學》雜誌上。

這張海底特徵圖（例如墨西哥阿卡普爾科西南部的海山）基於 SWOT 的海面高度數據繪製而成。紫色表示相對較高的區域（例如海山，綠色表示）較低的區域。厄特沃什是用於創建這些地圖的重力數據的測量單位。來源：NASA 地球觀測站

這項研究的作者認為，由於海山和深海丘陵等地質特徵的品質比周圍環境大，它們會施加稍強的引力，從而在上方的海面上形成微小的可測量凸起。這些微妙的重力特徵有助於研究人員預測產生它們的海底特徵類型。

通過反覆觀測——SWOT 每 21 天覆蓋地球約 90% 的區域——該衛星足夠靈敏，能夠以釐米級的精度捕捉到由以下特徵引起的海面高度的微小差異。桑德韋爾和他的同事利用一年的 SWOT 數據，重點關注海山、深海丘陵和水下大陸邊緣，即大陸地殼與海洋地殼的交匯處。

以前的海洋觀測衛星已經探測到這些海底特徵的巨大版本，例如大約 3300 英尺（1 公里）高的海山。SWOT 衛星可以探測到不到該高度一半的海山，這可能會使已知的海山數量從 44000 座增加到 100000 座。這些水下山脈伸入水中，影響深海洋流。這可以將營養物質集中在斜坡上，吸引生物並在原本貧瘠的海底形成綠洲。

這張印度洋海底特徵（如深海丘陵）的地圖基於 SWOT 衛星的海面高度數據繪製而成。紫色表示相對較高的區域（如深海丘陵，綠色表示）較低的區域。厄特沃什是用於繪製這些地圖的重力數據的測量單位。來源：NASA 地球觀測站

SWOT 的改進視角也讓研究人員對地球的地質歷史有了更多的瞭解。

“深海丘陵是地球上最豐富的地貌，覆蓋了大約 70% 的海底，”斯克里普斯海洋研究所的海洋學家、論文第一作者姚宇說。“這些丘陵只有幾公里寬，很難從太空中觀察到。我們很驚訝 SWOT 能如此清楚地看到它們。”

深海丘陵形成平行帶狀，就像搓衣板上的山脊，板塊在這裡分開。這些帶狀的方向和範圍可以揭示板塊如何隨時間移動。深海丘陵還與潮汐和深海洋流相互作用，但研究人員尚未完全瞭解其中的相互作用方式。

研究人員已經提取了幾乎所有他們希望在 SWOT 測量中找到的海底特徵資訊。現在他們正專注於通過計算他們所看到的特徵的深度來完善他們對海底的描繪。這項工作是對國際科學界在 2030 年前使用船載聲納繪製整個海底地圖的努力的補充。“到那時我們無法完成完整的船載測繪，”桑德韋爾說。“但 SWOT 將幫助我們填補空白，讓我們接近實現 2030 年的目標。”

地表水和海洋地形衛星（SWOT）旨在對地球地表水進行首次全球調查，它將收集地球水體隨時間變化的詳細測量數據。圖片來源：NASA/JPL-Caltech

有關 SWOT 的更多資訊

地表水和海洋地形 (SWOT) 衛星是一項開創性的國際任務，旨在以前所未有的細節測量地球表面幾乎所有區域（包括海洋、河流、湖泊和水庫）的水位高度。SWOT 是 NASA 和法國航太局 CNES 的合作專案，加拿大航太局 (CSA) 和英國航太局也參與其中。

此次任務的美國部分由加州理工學院管理的NASA 噴氣推進實驗室 ( JPL ) 牽頭。NASA 提供了幾種關鍵儀器，包括 Ka 波段雷達干涉儀 (KaRIn)、 GPS科學接收器、鐳射反射器、雙光束微波輻射計，並監督了美國儀器的操作。

法國國家空間研究中心提供了衛星平臺、地面操作和系統，例如由泰雷茲阿萊尼亞航太公司開發的衛星綜合多普勒軌道和無線電定位系統 (DORIS) 和波塞冬雙頻高度計。KaRIn 射頻子系統由泰雷茲阿萊尼亞航太公司和法國國家空間研究中心聯合開發，並得到英國的支援。KaRIn 高功率發射器元件由加拿大航太局提供。

這些貢獻共同使 SWOT 能夠提供水面的高解析度測量，幫助科學家更好地瞭解地球的水迴圈、洋流，甚至海底的地形。

書目：“來自 SWOT 任務的深海海洋構造”，作者：Yao Yu、David T. Sandwell 和 Gerald Dibarboure，2024 年 12 月 12 日， 《科學》。

DOI：10.1126/science.ads4472

編譯自/ScitechDaily