Wielkie oceaniczne ucho

Łącznie ma ich być sześć. Pięć już działa, przebudowa szóstego powinna zostać zakończona w tym roku. Potem jeszcze kilka miesięcy testów, a wtedy ostatni z oceanicznych strażników wejdzie do służby

Mowa o sieci stacji hydroakustycznych, które mają strzec Ziemi i jej mieszkańców przed podwodnymi próbami atomowymi. Zbudowanie jednej to wydatek kilkudziesięciu milionów dolarów. Każda składa się z sześciu niezwykle czułych hydrofonów, czyli podwodnych mikrofonów, ustawionych tak, aby mogły zarejestrować dźwięki o niskich częstotliwościach przybywające z odległości wielu tysięcy kilometrów. To pierwszy system globalnego monitoringu przeznaczony do podsłuchiwania oceanów.

Jego instalowanie rozpoczęto dekadę temu. Zaczęło się od dwóch już istniejących stacji. Jedną z nich zbudowali Amerykanie na pacyficznym atolu Wake, drugą - Brytyjczycy na wulkanicznej wysepce Ascension ulokowanej na środku tropikalnego Atlantyku. Oba te skrawki lądu znajdują się we władaniu wojskowych, którzy mają tu swoje poligony, lotniska i anteny. Jednak dane zbierane przez hydrofony trafiają nie do brytyjskich i amerykańskich dowództw, ale do Wiednia, gdzie znajduje się centrala najzupełniej cywilnej sieci monitoringowej.

Trzeci zestaw hydrofonów zainstalowano kilka lat temu na chilijskiej wyspie Robinson Crusoe położonej we wschodniej części południowego Pacyfiku, około 700 km od wybrzeży Ameryki Południowej. Na początku XVIII wieku cztery lata spędził tu szkocki marynarz Alexander Selkirk, który zainspirował Daniela Defoe do napisania słynnej powieści o rozbitku. 300 lat później zbudowano tu stację, która podsłuchuje cały południowy Pacyfik - od Nowej Gwinei po Antarktydę.

Pozostałe trzy stacje mają wyławiać dźwięki z Oceanu Indyjskiego. Urządzenia umieszczono na półwyspie Leeuwin w południowo-zachodniej Australii, na brytyjskim atolu Diego Garcia leżącym na środku oceanu kilka stopni poniżej równika oraz na francuskich Wyspach Crozeta znajdujących się około dwóch tysięcy kilometrów na południe od Madagaskaru. Mniej więcej tyle samo dzieli ten archipelag od Antarktydy. Podsłuchiwać można stąd również znaczną część południowego Atlantyku aż po brzegi Antarktydy. Właśnie ta ostatnia stacja jest obecnie przebudowywana. Dostanie silniejsze urządzenia podsłuchowe.

Glob pod ścisłą obserwacją

Hydrofony, dodajmy, to część znacznie większej sieci globalnej, której zadaniem jest rejestrowanie wszystkich, nie tylko podwodnych, testów broni atomowej. To anioł stróż Ziemi, zwany po angielsku International Monitoring System (IMS). Składa się z detektorów promieniowania gamma, sejsmografów, sprzętu do odbioru infradźwięków oraz aparatury hydroakustycznej. Obecnie planetę monitoruje około 270 takich urządzeń. Docelowo, czyli w ciągu kilku lat, będzie ich 327.

Sejsmografy mają wykrywać podziemne próby jądrowe, anteny infradźwiękowe - eksplozje w atmosferze, a stacje hydroakustyczne - podwodne testy. Zadaniem detektorów gamma jest namierzanie nawet niewielkiego stężenia cząstek radioaktywnych w powietrzu. Ostatnio śledziły wędrówkę substancji uwolnionych podczas awarii elektrowni Fukushima Daiichi, a wcześniej wszczęły alarm po próbach atomowych przeprowadzonych przez Koreę Północną w 2006 i 2009 roku. Wszystkie informacje spływają na bieżąco do wiedeńskiej centrali.

CTBTO Public InformationCTBTO Public Information

IMS stworzono, by pilnował przestrzegania jednego z najważniejszych międzynarodowych porozumień - traktatu o całkowitym zakazie prób z bronią jądrową. Układ, w skrócie zwany CTBT (od angielskiego Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty), został podpisany 24 września 1996 roku. Ratyfikowało go już 156 krajów, ostatnio - w grudniu 2011 roku - uczyniła to Indonezja. Nadal jednak nie wszedł w życie. Stanie się tak, dopiero gdy przyjmą go wszystkie 44 kraje, które negocjowały ostateczną wersję umowy. A wciąż nie zrobiło tego osiem państw, m.in.: USA, Chiny, Indie, Pakistan i Korea Północna. Niektóre z nich argumentują, że zanim traktat wejdzie w życie, najpierw musi ruszyć globalna sieć aparatury kontrolnej potrafiącej wykryć każdą próbę użycia broni atomowej przeprowadzoną w dowolnym miejscu na Ziemi. Planetę, niczym chorego człowieka, postanowiono więc wziąć pod ścisłą obserwację.

Wiele wskazuje jednak na to, że sieć kontrolna, której instalacja kosztowała już ponad miliard dolarów, przyda się nawet wtedy, kiedy wszystkie poligony atomowe na globie zostaną zamknięte na cztery spusty. Już dziś jej głównymi użytownikami są naukowcy. Dane sejsmiczne trafiają do centrów ostrzegania przed tsunami. Infradźwięki informują o erupcjach wulkanów, a interesują się nimi także badacze zórz polarnych, burz i zjawisk magnetycznych w atmosferze. Aparatura hydroakustyczna potrafi rozpoznać pobudkę podwodnego wulkanu, narodziny góry lodowej, a nawet przejście cyklonu. Nastawione na niskie częstotliwości mikrofony rejestrują też odgłosy wielorybów.

Akustyczny taśmociąg

Fale akustyczne niskich częstotliwości doskonale rozchodzą się w wodzie. Dowiódł tego w 1943 roku amerykański oceanograf Maurice Ewing, który przeprowadził w pobliżu Bahamów prosty eksperyment. Zdetonował mianowicie pod wodą niewielki ładunek wybuchowy o masie jednego funta TNT (około pół kilograma). Detonację zarejestrowano po drugiej stronie Atlantyku. Dźwięki bez większych przeszkód i zakłóceń pokonały dystans kilku tysięcy kilometrów.

Ewing doszedł do wniosku, że w oceanach istnieje coś w rodzaju akustycznego taśmociągu. Funkcjonuje on na głębokości 600-1000 m. Fale dźwiękowe niskiej częstotliwości, które tam trafią, mogą przebyć dziesiątki tysięcy kilometrów. Teoretycznie mogłyby obiec cały glob, gdyby po drodze nie było lądów.

Dzieje się tak, ponieważ prędkość rozchodzenia się dźwięku w oceanie zmienia się wraz z głębokością - najpierw spada z powodu obniżania się temperatury, a następnie podnosi się w wyniku wzrostu ciśnienia wody. W efekcie dźwięk, który znajdzie się w wąskiej strefie najmniejszych prędkości, zostaje w niej uwięziony - jest zakrzywiany i dobijany ku jej środkowi przez wyżej i niżej leżące warstwy. Ewing nazwał ten poziom dalekich transmisji akustycznych SOFAR (od angielskiego terminu Sound Fixing And Ranging), natomiast Rosjanie, którzy podobne zjawisko odkryli w tym samym czasie na Morzu Japońskim, nazywali je głębokim kanałem dźwiękowym. Na wodach polarnych, gdzie temperatura niewiele zmienia się z głębokością, SOFAR wychodzi na powierzchnię.

Z nowego odkrycia szybko skorzystało wojsko. W latach 50. XX wieku zainstalowano wzdłuż atlantyckich i pacyficznych wybrzeży Ameryki Północnej kilkanaście mikrofonów nastawionych na radzieckie łodzie podwodne. Rozpoznawano je, ponieważ były nieco głośniejsze od amerykańskich jednostek. Sieć o nazwie Sound Surveillance System (SOSUS) działała do końca zimnej wojny. Potem część urządzeń zabrano, a niektóre oddano do zabawy naukowcom z Pacific Marine Environmental Laboratory w Seattle.

Ci zamiast wrogich okrętów zaczęli nasłuchiwać waleni oraz odgłosów towarzyszących rozmaitym zjawiskom przyrodniczym. Stopniowo uczyli się odróżniać podwodną erupcję wulkaniczną od trzęsienia ziemi czy potężnego trzasku pękającej góry lodowej. Zasięg terytorialny tych badań ograniczał się głównie do północnego Pacyfiku. Dopiero teraz, dzięki powstaniu globalnej sieci hydrofonów badacze mogą wreszcie podsłuchiwać cały ocean.

Mały trzask, wielki hałas

Czułym mikrofonom pracującym w zakresie od 1 do 100 Hz nic nie umknie.

Wrażliwość systemu przetestowano w 2008 roku, detonując kilka ładunków o sile 20 kg TNT w pobliżu Japonii. Wybuchy zostały bez trudu zarejestrowane przez hydrofony na wyspie Robinson Crusoe odległej o 16 tysięcy km. Dwa lata wcześniej doszło do przypadkowej eksplozji akumulatorów zasilających sprzęt oceanograficzny umieszczony na Atlantyku w pobliżu Nowego Jorku. Zdarzenie zarejestrowała odległa o osiem tysięcy kilometrów stacja hydroakustyczna na wyspie Ascension. Nie dość, że zarejestrowała, to jeszcze dokładnie określiła jego lokalizację.

fot. CTBTO Public InformationCTBTO Public Information

Korzystając z olbrzymiej precyzji systemu, Aleksander Gawriłow i Binghui Li z Curtin University of Technology w Perth w Australii określili ostatnio z dokładnością do 50 km wszystkie epizody pękania i cielenia się lodu szelfowego i lodowców Antarktydy w tej części jej wybrzeża, która sąsiaduje z Oceanem Indyjskim. Badacze sięgnęli po dane zebrane przez hydrofony w pobliżu półwyspu Leeuwin oraz atolu Diego Garcia. Teraz analizują zapisy z kolejnych stacji. Twierdzą, że niedługo będzie można zdalnie śledzić tempo ubywania antarktycznego lodu.

Od hydrofonów globalnej sieci wiele oczekują także sejsmolodzy. Liczą, że przy ich pomocy będą mogli monitorować aktywność podwodnych stożków wulkanicznych. Takie erupcje same w sobie są niebezpieczne, ale mogą też być zapowiedzią trzęsień ziemi.

Grupa europejskich badaczy - kierowana przez Davida Greena z brytyjskiego ośrodka sejsmologicznego AWE Blacknest - sięgnęła ostatnio po dane zebrane przez hydrofony na atolu Wake. W 2010 roku odnotowały one silną eksplozję podwodnego wulkanu znajdującego się na południe od atolu Sarigan, który sąsiaduje z największą głębią świata, Rowem Mariańskim. Okazało się, że oddalona o dwa tysiące kilometrów aparatura zarejestrowała nie tylko główną erupcję, lecz także wychwyciła pierwsze pomruki podwodnej góry poprzedzające jej pobudkę.

- Niezwykłe. Być może za jakiś czas będziemy mogli na bieżąco monitorować takie zagrożenia - komentuje Green. Dotyczy to również tych podwodnych trzęsień, które mogą wzbudzać fale tsunami. - Jestem pewien, że hydrofony rejestrują nawet najmniejsze drżenia, które mogą być forpocztą tych potężnych. Jeśli nauczymy się szybko interpretować te sygnały, będziemy mieli wspaniałą sieć ostrzegawczą - podkreśla naukowiec. Na razie sejsmolodzy dopiero poznają możliwości nowego systemu podsłuchowego. Potem trzeba będzie tę wiedzę przełożyć na modele i programy komputerowe, które automatycznie wykrywałyby interesujące zdarzenia.

Z takich programów korzystają biolodzy morscy śledzący wędrówki waleni. Oni jednak zajmują się podsłuchiwaniem oceanicznych olbrzymów już od kilku dekad. I dziś potrafią sporo wycisnąć z hydrofonów należących do sieci IMS. Przykładem są nowe badania, które przeprowadziła Flore Samaran z Centre d'Études Biologiques de Chizé w Villiers-en-Bois we Francji. Przenalizowała dziesiątki tysięcy godzin nagrań pochodzących ze stacji w pobliżu Diego Garcia i Wysp Crozeta. Z oceanicznego szumu wyłowiła tysiące recitali, których autorami były płetwale błękitne.

Badacze próbują się dowiedzieć, jak dziś miewają się największe ziemskie ssaki, szczególnie te reprezentujące odmianę antarktyczną, która została najbardziej wytrzebiona przez wielorybników. Wciąż trudno zobaczyć te potężne zwierzęta. Zdarza się to wyłącznie podczas letnich uczt krylowych w pobliżu Antarktydy.

Flore Samaran ma nadzieję, że stacje hydroakustyczne umożliwią śledzenie wędrówek antarktycznych płetwali przez cały rok oraz zidentyfikowanie akwenów i szlaków, które są najczęściej uczęszczane przez zwierzęta. - Dzięki czułym, pracującym non stop mikrofonom możemy je usłyszeć z odległości setek kilometrów. Dudnią na częstotliwości 28 Hz i są głośniejsze od wielkiego odrzutowca. Materiału do analiz z pewnością nam nie zabraknie - mówi badaczka.

 

Andrzej Hołdys jest dziennikarzem naukowym i popularyzatorem nauki. Publikuje m.in w "Wiedzy i Życiu", "Polityce", "Gazecie Wyborczej".

Więcej o: