Mapování celého dna oceánu – z nebe?

Můj přítel, který pracuje v herním designu, mi nedávno ukázal 3D model Země, vykreslený velmi podrobně pomocí topograficky přesná satelitní data, abychom mohli stoupat kaňony a našimi příslušnými čtvrtěmi vysokou rychlostí jako párová jízda Supermani. "Pojďme se podívat, jestli můžeme jít pod vodu," řekl nadšeně, když jsme letěli nad Pacifik.

nemohli jsme. Model, tak úžasně přesný na souši, měl zjevně nulová data, se kterými by bylo možné modelovat podmořské prostředí. Byla to nevykreslená prázdnota pod skelným povrchem vody, jako by to byla nějaká subvodní verze Truman Showa dostali jsme se na konec světa.

Ani jeden z nás nebyl nijak zvlášť překvapen. Šok by byl, kdyby oceány měl byla vykreslena. Odkud by se ta informace vzala? A jak přesné by to bylo? Znamenalo by to, že tvůrci modelu věděli něco, co nevědí ani přední světoví oceánografové.

Přes veškeré oprávněné vzrušení z objevování vesmíru ve 2020 (Elon Musk je „

vysoce sebevědomý“, že lidé budou raketově stoupat k Marsu do roku 2026), zůstávají oceány naší planety převážně nezmapovanou a neznámou doménou, která je mnohem blíže domovu. Voda pokrývá přibližně 71 procent zemského povrchu, přičemž sladkovodní látky, které pijeme, představují nepatrná 3 procenta, o něco více než zaokrouhlovací chyba. Ale naprostá většina pozemských oceánů – až 95 procent – ​​je neprozkoumanou záhadou.

I když jsme stále daleko od ekvivalentu Google Street View pro podmořský svět, probíhá nový projekt výzkumy na Stanfordské univerzitě by mohly v budoucnu vydláždit cestu právě takové věci – a mnohem více kromě. Představte si, jak můžete letět letadlem nad vodní hladinou a naprosto jasně vidět, co se skrývá pod vlnami.

Zní to nemožně. Jak se ukazuje, je to opravdu, opravdu těžké.

Problém s lidarem, problém se sonarem

„Zobrazování prostředí pod vodou ze vzdušného systému je náročný úkol, který však má mnoho potenciálních aplikací,“ Aidan James Fitzpatrick, postgraduální student na katedře elektrotechniky Stanfordské univerzity, řekl Digital Trends.

Zřejmým kandidátem na tuto zobrazovací práci je lidar. Lidar je technologie odraženého laseru nejznámější tím, že pomáhá (mimo Tesla) autonomním vozidlům vnímat svět kolem sebe. Funguje tak, že vysílá pulzní světelné vlny a poté měří, jak dlouho trvá, než se odrazí od objektů a vrátí se zpět k senzoru. Díky tomu může senzor vypočítat, jak daleko se světelný impuls pohyboval, a v důsledku toho vytvořit obraz okolního světa. I když samořídící auta zůstávají nejznámějším využitím lidaru, lze jej použít jako výkonný mapovací nástroj i v jiných kontextech. Například vědci ji použili v roce 2016 odhalit ukryté dávno ztracené město pod hustým listím v kambodžské džungli.

Lidar však není pro tento druh mapování vhodný. Ačkoli pokročilé, vysoce výkonné lidarové systémy fungují dobře v extrémně čistých vodách, velká část oceánu – zejména pobřežní voda – bývá pro světlo zakalená a neprůhledná. V důsledku toho, řekl Fitzpatrick, velká část dosud provedeného podvodního zobrazování spoléhala na sonarové systémy ve vodě, které využívají zvukové vlny schopné se snadno šířit kalnými vodami.

Bohužel i zde je háček. Sonarové systémy ve vodě jsou namontovány nebo taženy pomalu se pohybující lodí. Zobrazování ze vzduchu pomocí létajícího vzdušného prostředku by bylo efektivnější, protože by mohlo pokrýt mnohem větší oblast za kratší dobu. Ale je to nemožné, protože zvukové vlny nemohou přejít ze vzduchu do vody a pak zpět, aniž by ztratily 99,9999 procent své energie.

Co přichází do PASS

V důsledku toho, zatímco lidarové a radarové systémy zmapovaly celou zemskou krajinu (důraz na „země“), pouze asi 5 procent globálních vod bylo předmětem podobného zobrazování a mapování. To je ekvivalent mapy světa, která zobrazuje pouze Austrálii a zbytek nechává temný jako nějaký neprozkoumaný Věk říší mapa.

"Naším cílem je navrhnout technologii, která může být namontována na létající vozidlo, aby poskytla rozsáhlé pokrytí při použití zobrazovací techniky, která je odolná v kalné vodě," řekl Fitzpatrick. „Abychom toho dosáhli, vyvíjíme to, co jsme vytvořili, systém fotoakustického vzdušného sonaru. PASS využívá výhody šíření světla vzduchem a šíření zvuku ve vodě k zobrazení podvodního prostředí ze vzdušného systému.

PASS funguje takto: Nejprve speciální zakázkový laserový systém vyšle záblesk infračerveného světla, který je pohlcen prvním centimetrem vody. Jakmile dojde k absorpci laseru, voda se tepelně rozpíná a vytváří zvukové vlny, které jsou schopny cestovat do vody.

"Tyto zvukové vlny nyní fungují jako sonarový signál ve vodě, který byl na dálku generován pomocí laseru," pokračoval Fitzpatrick. „Zvukové vlny se budou odrážet od podvodních předmětů a cestovat zpět k vodní hladině. Část tohoto zvuku – jen asi 0,06 procenta – prochází rozhraním vzduch-voda a postupuje nahoru směrem k vzdušnému systému. Vysoce citlivé zvukové přijímače nebo převodníky zachycují tyto zvukové vlny. Převodníky [potom] převádějí zvukovou energii na elektrické signály, které mohou projít algoritmy rekonstrukce obrazu, aby vytvořily vnímatelný obraz.

Věci, které leží vespod

Zatím se na PASSu pracuje. Tým předvedl trojrozměrné zobrazování s vysokým rozlišením v kontrolovaném laboratorním prostředí. Ale Fitzpatrick uznal, že je to v „kontejneru velikosti velkého akvária“, ačkoli technologie je nyní „blízko fáze“, kdy by mohla být nasazena nad velkým bazénem.

Mezi velkým bazénem a celými pozemskými oceány je samozřejmě nepatrný rozdíl, a to bude vyžadovat podstatně více práce. Velkou výzvou, kterou je třeba vyřešit před testováním ve větších, více nekontrolovaných prostředích, je zejména to, jak se vypořádat se zobrazováním ve vodě s turbulentními povrchovými vlnami. Fitzpatrick řekl, že je to škrábanec, ale je to řešení, které „určitě má proveditelná řešení“, na některých z nich už tým pracuje.

"PASS by mohl být použit k mapování hloubek nezmapovaných vod, průzkumu biologického prostředí, hledání ztracených trosek a potenciálně mnohem více," řekl. „Není to divné,“ dodal, „že ještě musíme prozkoumat celou Zemi, na které žijeme? Možná to PASS může změnit."

Kombinace světla a zvuku za účelem vyřešení rozhraní vzduch-voda by změnila hru. A po tom? Přiveďte armádu mapovacích dronů, aby nám konečně pomohla ukázat, co se skrývá pod hladinou oceánu.

Dokument popisující projekt PASS byl nedávno publikované v časopise IEEE Access.

Doporučení redakce

• Chytrá nová haptická vesta by mohla umožnit záchranářským psům přebírat povely na míle daleko