Тайны глубин: как составляются карты океанов

Спутники и океаны

Пять океанов Земли покрывают площадь почти 362 млн км2 слоем воды средней толщиной 3700 м. Свет не проникает глубже пары сотен метров, и на каждые 10 м глубины давление увеличивается примерно на одну атмосферу. Погружаться сюда могут лишь отдельные аппараты, производимые в штучных количествах, и обследовать ими огромные просторы дна совершенно нереально. Подсчитано, что на полный осмотр этой площади даже надводными кораблями с мощными акустическими эхолотами потребуется 200 «судо-лет». Стоимость подобного проекта оценивается в несколько миллиардов долларов (примерно в такую же сумму обходится каждый марсоход) — и денег, как водится, нет. В результате самым обширным источником наших знаний о рельефе морского дна остаются спутниковые наблюдения. Поверхность океана отражает его в сильно измененной, сглаженной форме: присутствие массивных хребтов и глубоких впадин создает локальные гравитационные аномалии, над подводными горами слой воды оказывается чуть толще, что и фиксируют альтиметрические измерения с орбиты. Именно эту картину можно увидеть, открыв карты Google Earth. Вы можете даже проследить длиннейшую на планете горную систему, которую образуют срединно-океанические хребты. Однако разрешение этой карты составляет от 0,5 до 5 км, отдельные каньоны и пики на ней неразличимы.

Конкурсы и фонды

Мы не можем сказать, например, на чем конкретно лежит опущенный на дно оптоволоконный кабель связи, не знаем рельефа обширных и богатых пространств. А ведь именно с карты начинается изучение любой местности, будь то Австралия, Луна или Мировой океан. Батиметрия — глубоководная топография — важна для инженеров и климатологов, для разработки минеральных ресурсов и сохранения биологических. Обрывочные сведения о морском дне объединяются в Генеральной батиметрической схеме океанов (General Bathymetric Chart of the Oceans, GEBCO), проект которой реализуется под эгидой Океанографической комиссии ЮНЕСКО и Международной гидрографической организации. Начиная с 1903 года вышло уже пять редакций батиметрических карт. Последние версии, достигающие разрешения 500 м, доступны в цифровом формате на сайте GEBCO.

При поддержке японского Nippon Foundation GEBCO реализует программу углубленного изучения батиметрии океанов. За 15 лет ее выпускниками стали около ста молодых исследователей из более чем 30 стран мира. Уже три года реализуется и проект Seabed 2030, направленный на то, чтобы хотя б к 2030 году получить карту морского дна с «адекватным» разрешением. «"Адекватным» считается такое разрешение, которого позволяют добиться современные эхолоты, установленные на надводном или подводном судне. Оно в любом случае лучше «спутникового» и лежит в пределах примерно до 100 м", — объяснила нам Юлия Зарайская из Геологического института РАН. Выпускница «батиметрических курсов» GEBCO, Юлия стала одним из создателей беспилотной системы картографирования морского дна, победившей в конкурсе Shell Ocean Discovery XPRIZE.

Цифры и факты

В среднем 25 млн км2 поверхности океана покрывает лед, дополнительно затрудняющий картографию морского дна.

$18,5 млрд в проект Seabed 2030 вложит Nippon Foundation.

8 команд приняли участие в конкурсе Shell Ocean X-Prize. Задача: картировать за 24 часа 250−500 км2 дна на глубине до 4 км с разрешением не менее 5 м.

$4 млн получили победители из команды GEBCO-NF Alumni.

Спонсоры и роботы

Фонд поддержки инноваций XPRIZE в особом представлении не нуждается. Организованные им конкурсы привели к появлению множества громких технологических проектов, включая израильский аппарат Beresheet (см. «ПМ» 05'2019), который лишь по обидной случайности не преуспел в посадке на Луну. Спонсорами этих соревнований выступают крупнейшие корпорации, такие как IBM и Google. Нефтяники из Shell поддержали конкурс роботизированных систем исследования морского дна. Объявленный в 2015 году Shell Ocean Discovery XPRIZE заставил выпускников «батиметрических курсов» GEBCO выступить большой международной командой.

Главным спонсором стал тот же Nippon Foundation, одну из своих беспилотных субмарин предоставили судостроители норвежской компании Kongsberg Maritime. Всего же за время работы над проектом к нему приложили руку 78 человек из 22 стран мира. «Ключевые технологии — эхолоты, подводные лодки — существуют давно, они хорошо отработаны и широко представлены на рынке, — рассказывает Юлия Зарайская. — Поэтому задача состояла в том, чтобы создать на этой основе роботизированную систему, способную самостоятельно выйти из порта, преодолеть 15−20 миль и провести картирование без участия человека».

Подлодка и катер

«Одна из команд использовала воздушные дроны, которые при приводнении выпускали сонары в воду, — продолжает Юлия. — Но все группы, принявшие участие в финале, выбрали примерно тот же вариант, что и мы: с надводным кораблем и подводными аппаратами. Британцы прорабатывали применение «роя» малых субмарин, японцы — «бригаду» из двух субмарин и одного катера. У нас получилось еще проще: одна подлодка и одна лодка, надводный робот, задача которого — доставить ее на место, спустить в воду, а после завершения работы поднять на борт и вернуть на базу».

Внушительных размеров подлодка Kongsberg HUGIN оснащена целым массивом сонаров и батареями, позволяющими работать до 24 часов без подзарядки. Погружаясь на глубину до 4,5 км, она способна вести картографирование полосой шириной до 400 м и со сверхвысоким разрешением. Радиосвязь под таким слоем воды уже невозможна, поэтому используется акустическая, но лодка может действовать и автономно, следуя за рельефом дна и ориентируясь по бортовой инерциальной системе навигации. Написав новые алгоритмы работы сонаров, команда GEBCO-NF смогла расширить полосу сканирования до 1100 м. «Но все равно можно подсчитать, — продолжает Юлия Зарайская, — что даже с такими способностями отснять за сутки 250 км2, как это требовалось по условиям конкурса, просто невозможно». Поэтому дополнительная нагрузка легла на надводное судно, второе звено беспилотной системы.

В «транспортной конфигурации» 12-метровый катер вместе с субмариной размещается в стандартном 40-футовом грузовом контейнере — таково было еще одно из поставленных организаторами условий. «Лодку пришлось создавать с нуля, и это было самым прекрасным, что с нами случилось, — говорит Юлия. — Бен Симпсон, разработчик из Великобритании, предложил нам два варианта — катамаранного и обычного типа. Но катамаран оказался недостаточно безопасен для подлодки, и мы остановились на классическом однокорпусном судне». Открытая кормовая часть позволяет конвейерной лентой спускать подлодку на воду и поднимать ее после завершения миссии.

Стыковка и победа

«Стыковка происходит почти как на космической станции», — объясняет Юлия. Корабль-носитель выходит на точку и замедляется, субмарина самостоятельно всплывает, выходит на тот же курс и понемногу нагоняет корабль, пока не окажется на конвейере. Последние, самые опасные шаги этого маневра происходят под управлением оператора. Для этого надводный катер оснащен панорамной видеокамерой и ИК-системой ночного видения, а также средствами спутниковой связи, необходимой для коммуникаций с берегом на дистанциях в десятки морских миль.

Но SEA-KIT выполняет не только функцию транспортного судна. Размещенный на борту эхолот позволяет ему самостоятельно сканировать дно на не слишком больших глубинах, пока катер ожидает возвращения подлодки. Они не настолько точны, как сонары подлодки, однако именно совместная работа надводного и подводного аппаратов позволила охватить за сутки работы нужные 250 км2. Финальные «заплывы» прошли в Греции в мае 2019 года, и система GEBCO-NF оказалась единственной, сумевшей выполнить все требования конкурса. Собранные 1,5 ТБ данных были доставлены в порт на жестком диске и обработаны, превратившись в карту с разрешением до 5 м.

Беспилотный катер Sea-Kit

Длина: 11,75 м. Mасса: около 12 000 кг. Скорость: до 8 узлов (14 км/ч).

Запас хода: до 130 дней или 12 500 морских миль (23 тыс. км). Двигатели дизель-электрические 2x10 кВт.

Наука и бизнес

«Теперь к проекту уже проявили интерес и добывающие, и сервисные компании, — говорит Юлия Зарайская. — Но больше всего нам, конечно, хотелось бы поучаствовать в съемках для Seabed 2030». Получение «адекватной» карты морского дна к 2030 году — задача действительно грандиозная. Но и 5-метрового разрешения, как на конкурсе, для нее не требуется. А значит, подлодка сможет действовать быстрее и сканировать за сутки намного большую площадь.

К сожалению, даже GEBCO не по силам вывести в море флотилию таких аппаратов, способную картографировать все океаны за несколько лет. Поэтому гидрографы стараются привлечь к этой задаче компании, занятые укладкой подводных кабелей, обслуживанием нефтяных вышек и офшорных ветрогенераторов, — всех, кто использует сонары и может попутно получать нужные для карты данные. Государства не проявляют большой готовности финансировать проекты исследования морского дна, и картографам приходится выкручиваться самостоятельно.

«Самое обидное, что, если чиновники NASA заявляют: нам нужно столько-то миллиардов, чтобы снова отправить зонд на Марс, — такое предложение сразу находит понимание. Это ощущается как фронтир, как вызов, как движение в неизведанное, — говорит Юлия Зарайская. — Если же мы предлагаем снимать океан, нам показывают Google Earth: мол, вот же карта, что вам еще нужно?» В результате морское дно по‑прежнему остается большим и плохо изученным белым пятном. По крайней мере, до 2030 года.