심해 탐사

심해 탐사는 과학적 또는 상업적 목적을 위해 해저의 물리적, 화학적, 생물학적 상태를 조사하는 것이다. 심해 탐사는 지구물리학 연구의 다른 분야에 비해 비교적 최근의 인간 활동으로 여겨지는데, 이는 바다의 깊이가 비교적 최근 몇 년 동안만 조사되었기 때문이다. 바다의 깊이는 여전히 행성의 대부분 미개척 지역으로 남아 있으며, 상대적으로 발견되지 않은 영역을 형성하고 있다.

일반적으로 현대 과학 심해 탐사는 프랑스 과학자 피에르 시몬 드 라플레이스가 브라질과 아프리카 해안에 등록된 조석 운동을 관찰하여 대서양의 평균 깊이를 조사하면서 시작되었다고 할 수 있다. 그는 그 깊이를 3962m(1만2999ft)로 계산했는데, 이 값은 나중에 초음파 측정 기법에 의해 상당히 정확하다는 것이 입증되었다.^[1] 이후 해저케이블 설치 수요가 증가함에 따라 해저 깊이의 정확한 측정이 요구되었고, 해저에 대한 첫 조사가 이루어졌다. 최초의 심해 생물 형태는 1864년 노르웨이 연구원들이 3,109m(10,200ft)의 깊이에서 스토킹된 크리노이드의 샘플을 얻었을 때 발견되었다.^[2]

1872년부터 1876년까지, 실험선으로 재설계된 항해 선박인 HMS 챌린저호에 탑승한 영국 과학자들에 의해 획기적인 해양 연구가 수행되었다. 챌린저호 원정대는 12만7653km(6만8927nmi)에 달했고, 선상 과학자들은 수백 종의 시료와 수력측정을 수집해 심해 생물 등 4700여 종의 새로운 해양생물을 발견했다.^[1][3] 그들은 또한 심해 분지와 같은 주요 해저 지형들을 처음으로 실제로 볼 수 있게 해준 공로를 인정받고 있다.

심해 조사에 사용된 첫 번째 기구는 영국 탐험가 제임스 클라크 로스 경이 사용한 음향 무게였다.^[4] 이 악기로 그는 1840년에 3,700m(12,139ft)의 깊이에 도달했다.^[5] 챌린저 탐험대는 해저에서 샘플을 추출하기 위해 배일리 음향기라는 유사한 도구를 사용했다.^[6]

20세기 들어 심해 탐사는 음향을 이용해 물체의 존재를 탐지할 수 있는 음파탐지 시스템부터 유인 심해 잠수함에 이르기까지 일련의 기술적 발명을 통해 상당히 진전되었다. 1960년, 자크 피카르와 도널드 월시 미 해군 중위는 바티스캐프 트리에스테를 타고 세계 해양의 가장 깊은 곳인 마리아나 해구로 내려왔다.^[7] 2012년 3월 25일, 영화제작자 제임스 카메론이 심해 챌린저호의 마리아나 해구에 내려갔으며, 처음으로 밑바닥을 촬영하고 시료 채취했을 것으로 예상된다.^{[8][9][10][11][12]}

이러한 심해 탐사의 진보에도 불구하고 바다 밑바닥으로의 항해는 여전히 도전적인 경험이다. 과학자들은 이 극한 환경을 선상에서 연구하기 위한 방법을 찾기 위해 노력하고 있다. 광섬유, 위성, 리모컨 로봇의 보다 정교한 사용으로 과학자들은 언젠가 포트홀이 아닌 갑판의 컴퓨터 스크린에서 깊은 바다를 탐험하기를 희망한다.^[3]

심해 탐험의 이정표

심해에 있는 극한의 환경은 정교한 방법과 기술을 필요로 하는데, 이것이 그것의 탐사가 비교적 짧은 역사를 가지고 있는 주된 이유였다. 심해 탐사의 중요한 이정표는 다음과 같다.

• 1521:페르디난드 마젤란은 가중선으로 태평양의 깊이를 측정하려 했으나 바닥을 찾지 못했다.
• 1818: 영국의 연구원 존 로스 경은 특별한 장치로 약 2,000m(6,562ft) 깊이의 해파리와 벌레를 잡을 때 심해에 생명체가 살고 있다는 것을 처음 발견했다.
• 1843: 그럼에도 불구하고, 에드워드 포브스는 심해에서의 생명의 다양성은 거의 없고 깊이가 증가하면서 감소한다고 주장했다. 그는 550m(1,804ft) 이상의 해역에는 생명체가 있을 수 없다고 밝혔는데, 이는 이른바 '어비스' 이론이다.
• 1850: 로포텐 근처에서, 마이클 사스는 800미터(2,625피트)의 깊이에서 다양한 심해 동물들을 발견했고, 이에 따라 아비서스 이론을 반박하였다.^[13]
• 1872–1876: 최초의 체계적인 심해 탐사는 찰스 와이빌 톰슨이 이끄는 HMS 챌린저호에 탑승한 챌린저호에 의해 수행되었다. 이 탐험은 심해에 다양하고 전문화된 생물체가 살고 있다는 것을 밝혔다.
• 1890–1898: 동부 지중해와 홍해에서 프란츠 슈틴다흐너가 이끄는 SMS 폴라호에 탑승한 최초의 오스트리아-헝가리 심해 탐험대.
• 1898–1899: 칼 천이 이끄는 발디비아호에 탑승한 최초의 독일 심해 탐험대; 남대서양에서 4,000m(13,123ft) 이상의 깊은 곳에서 많은 새로운 종들을 발견했다.
• 1930: 윌리엄 비베와 오티스 바톤은 강철로 만들어진 이른바 배티스피어(Bathysphere)에서 다이빙을 할 때 처음으로 심해에 도달한 인간이었다. 그들은 해파리와 새우를 관찰한 435m(1,427ft)의 깊이에 도달했다.
• 1934: Bathysphere의 깊이는 923m(3,028ft)에 달했다.
• 1948년: 오티스 바튼은 1,370m(4,495ft)의 깊이에 도달하는 신기록을 세웠다.
• 1960:자크 피카르와 돈 월시는 마리아나 해구의 챌린저 딥 바닥에 도달하여 그들의 심해선 트리에스테에서 10,740m(35,236ft)의 깊이까지 내려갔고, 그곳에서 그들은 물고기와 다른 심해 생물들을 관찰했다.
• 2012년: 제임스 카메론이 조종한 딥시 챌린저호는 챌린저 딥의 밑바닥까지 2차 유인 항해와 1차 단독 임무를 완수했다.
• 2018년: 빅터 베스코보가 조종한 DSV 제한요소는 푸에르토리코 해구 밑바닥까지 해저 8,375m(2만7,477ft)를 잠수해 대서양 가장 깊은 곳으로 향하는 첫 임무를 완수했다.^[14]
• 2020: 캐서린 설리번과 바네사 오브라이언은 임무를 완수하여, 10,925m(35,843ft)^[15]로 챌린저 딥의 바닥에 도달한 최초의 여성이 되었다.

해양학^[4] 계측기

바다 밑바닥 조사에 사용된 최초의 기구 중 하나인 음향 중량은 해저 바닥이 해저에 닿았을 때 강제로 밀어 넣게 하는 기지의 튜브로 설계되었다. 영국의 탐험가 제임스 클라크 로스 경은 1840년 이 기구를 완전히 사용해 수심 3700m(1만2,139ft)에 도달했다.^[4][16]

HMS 챌린저에 사용된 사운드링 웨이트는 조금 더 발전된 "빌리 사운드 머신"이었다. 영국 연구원들은 해저 깊이를 조사하기 위해 유선 소리를 사용했고 북극을 제외한 모든 바다에서 수백 개의 생물학적 샘플을 수집했다. 또한 HMS 챌린저호에도 준설기와 스쿠프가 사용되었는데, 이 준설기와 스쿠프는 해저의 침전물과 생물학적 표본을 채취할 수 있었다.^[4]

소리 나는 무게의 좀 더 발전된 버전은 중력 코어러다. 중력 중심핵은 연구자들이 해저의 퇴적층을 샘플링하고 연구할 수 있게 해준다. corer는 납 중량이 있는 오픈 엔드 튜브와 corer가 해저 위로 내려가고 작은 중량이 지면에 닿을 때 서스펜션 케이블에서 corer를 해제하는 트리거 메커니즘으로 구성된다. 코어는 해저에 떨어져 최대 10m(33ft)의 깊이까지 침투한다. corer를 들어 올리면 해저의 침전물 층의 구조가 보존되는 길고 원통형의 시료를 추출한다. 침전물 중심부를 복구하는 것은 과학자들이 과거 빙하시대와 같이 때때로 기후 패턴을 나타낼 수 있는 진흙 속의 특정 화석의 유무를 볼 수 있게 해준다. 더 깊은 층의 샘플은 드릴에 장착된 corer로 얻을 수 있다. 시추선 JOIDS 해상도는 해저 1500m(4,921ft) 깊이에서 코어를 추출할 수 있는 장비를 갖추고 있다. (오션 드릴링 프로그램 참조)^[17][18]

메아리를 울리는 악기는 제2차 세계대전 이후 해저의 깊이를 결정하는데도 널리 사용되어 왔다. 이 기구는 주로 음향 반향에 의해 물의 깊이를 결정하는 데 사용된다. 배에서 보내는 소리의 맥박은 해저에서 배로 다시 반사되는데, 송수신 간격은 물의 깊이에 비례한다. 송신 신호와 회신 신호 사이의 시간을 종이 테이프에 연속적으로 등록함으로써 해저의 연속적인 매핑을 얻는다. 해저의 대다수는 이런 방식으로 지도화되었다.^[19]

게다가, 고해상도 텔레비전 카메라, 온도계, 압력계, 지진계는 기술 발전에 의해 발명된 심해 탐사를 위한 다른 주목할 만한 도구들이다. 이 기구들은 긴 케이블에 의해 해저로 내려오거나 잠수부 부표에 직접 부착된다. 심해 전류는 초음파 음향 장치를 운반하는 부유물로 연구할 수 있어 연구용 선박에서 이들의 움직임을 추적할 수 있다. 이런 함정 자체에는 위성항법장치 등 첨단 항법장비와 해저의 수중음파탐지기봉에 비해 선박을 활선 위치에 유지하는 위성위치확인시스템이 탑재돼 있다.^[4]

해양학 잠수정

고기압 때문에 잠수부가 특별한 장비 없이 내려올 수 있는 깊이가 제한된다. 스킨 다이버가 만든 가장 깊은 하강속도는 127m(417ft)이다.^[3] "JIM 슈트"와 같은 혁신적인 새 잠수복은 잠수부들이 약 600m (1,969ft) 깊이까지 잠수할 수 있게 해준다.^[20] 일부 추가 슈트에는 수중 다이버를 다른 위치로 끌어올릴 수 있는 추진기 팩이 있다.^[21]

더 깊은 깊이를 탐험하기 위해 심해 탐험가들은 그들을 보호하기 위해 특수하게 지어진 강철 격실에 의존해야 한다. 미국 뉴욕 컬럼비아대 출신 자연학자 윌리엄 비비는 하버드대 동료 엔지니어 오티스 바튼과 함께 잠수부가 접근할 수 없는 깊은 곳에서 해양 종을 관찰할 수 있는 최초의 실용적인 배쓰이를 설계했다.^[22][23] 1930년 비베와 바톤은 435m(1,427ft), 1934년에는 923m(3,028ft)의 깊이에 도달했다. 잠재적 위험은 케이블이 끊어지면 탑승자가 수면으로 돌아갈 수 없다는 것이었다. 잠수하는 동안 비비는 포트홀을 훔쳐보았고 그의 관찰 결과를 표면에 있는 바튼에게 전화로 보고했다.^[16][24]

1948년, 스위스 물리학자 오귀스트 피카르는 그가 발명한 훨씬 더 깊이 잠수하는 배인 bathyscaphe라고 불리는, 가솔린으로 가득 찬 부유물과 구형 강철의 매달려 있는 챔버나 곤돌라를 가진 항해가 가능한 심해 선박을 시험했다.^[22] 케이프 베르데 제도에서의 실험적인 다이빙에서, 그의 바티스캡은 1,402m (4,600ft)에서 성공적으로 그것의 압력을 견뎌냈지만, 다이빙 후에 그것의 몸은 심한 파도에 의해 심하게 손상되었다. 1954년, 이 배티스캡으로 피카르트의 깊이는 4,000m(13,123ft)에 달했다.^[22] 1953년, 그의 아들 자크 피카르트는 새롭고 개선된 배시캡슈 트리에스테를 건설하는데 참여했고, 이것은 현장 시험에서 3,139미터(10,299피트)까지 급강하했다.^[22] 미 해군은 1958년 트리에스테를 인수하여 심해 참호에 도달할 수 있도록 새 오두막을 설치하였다.^[7] 1960년, 자크 피카르와 도널드 월시 미 해군 중위는 트리에스테에서 지구상에서 가장 깊은 곳으로 알려진 지점인 마리아나 해구의 챌린저 딥으로 내려오면서 역사상 가장 깊은 잠수에 성공했다: 10,915미터(35,810피트)^[7]

점점 더 많은 수의 점령된 잠수함이 현재 전세계에서 고용되고 있다. 예를 들어 우즈홀해양그래픽연구소가 운영하는 미국제 DSV 앨빈은 약 3,600m(11,811ft)까지 잠수할 수 있는 3인용 잠수함이며 하단 시료를 채취할 수 있는 기계식 조작기가 장착돼 있다. 우즈홀 해양학 연구소가 운영하는 앨빈은 3명의 승무원을 4000m(1만3123ft) 깊이까지 실어 나르도록 설계됐다. 이 잠수함은 불빛, 카메라, 컴퓨터, 그리고 바다 깊은 곳의 어둠 속에서 샘플을 수집하기 위해 매우 조작이 쉬운 로봇 팔을 갖추고 있다.^[25][26] 앨빈은 1964년에 첫 시험 다이빙을 했고 평균 깊이 1,829m(6,001ft)까지 3,000개 이상의 다이빙을 했다. 앨빈은 갈라파고스 제도 인근 태평양 해저에서 거대한 튜브벌레가 발견된 것과 같은 다양한 연구 프로젝트에도 참여했다.^[26]

무인 잠수정

최초의 무인 심해 차량 중 하나는 1950년대 초 캘리포니아대학이 앨런 핸콕 재단으로부터 보조금을 받아 개발한 것으로, 카메라와 스트로보가 들어 있는 벤트호그래프라고 불리는 무인강 고압 3,000파운드(1,361kg) 구체로 바다 밑에서 수 마일을 촬영하는 보다 경제적인 방법을 개발하기 위해 개발되었다. 빛. USC에 의해 만들어진 원래의 벤트호그래프는 그것이 몇몇 바위들 사이에 끼여져 회수될 수 없을 때까지 일련의 수중 사진을 찍는 데 매우 성공적이었다.^[27]

원격조종 차량(ROV)도 수중 탐사에 활용도가 높아지고 있다. 이 잠수함은 해저선과 연결되는 케이블을 통해 조종되며, 최대 6,000m(19,685ft) 깊이까지 도달할 수 있다. 로봇공학에서의 새로운 발전은 또한 AUV, 즉 자율 수중 자동차들의 창조를 이끌었다. 이 로봇 잠수함은 미리 프로그램되어 있고, 표면으로부터 어떠한 지시도 받지 않는다. 하이브리드 ROV(HROV)는 독립적으로 작동하거나 케이블과 함께 작동하는 ROV와 AUV의 특징을 결합한다.^[28][29] 아르고는 1985년에 RMS 타이타닉호의 난파선의 위치를 찾기 위해 고용되었다. 더 작은 제이슨은 난파선을 탐사하는데도 사용되었다.^[29]

압력용기의 구조와 재료

심해 탐사선을 건조할 때는 특별한 고려가 필요하다. 가공, 재료 선택, 시공은 모두 지극히 중요한 요소들이다. 대부분의 심해는 거의 결빙에 가까운 온도에 머물러 있어 사용되는 금속의 부스러기 발생에 기여한다. 선박이 유인된 경우, 잠수부나 잠수부가 수용하는 부분은 거의 항상 가장 높은 고려사항의 부분이다. 전자 케이싱과 같은 잠수정 차량의 다른 부품은 가벼우면서도 강한 기포로 보강하거나 고밀도 액체로 채울 수 있다.^[30] 그러나 유인 부분은 사람이 조작할 수 있는 압력 하에서 텅 빈 상태로 유지되어야 한다. 이러한 요건은 외부와 내부의 압력 차이가 가장 높기 때문에 혈관에 큰 스트레스를 준다. 무인정찰선도 세심하게 건조해야 한다. 유인 우주선처럼 압력 차이가 크지 않지만 무인 선박은 민감하고 섬세한 전자 장비를 갖추고 있어 안전하게 보관해야 한다. 기선의 성격과 상관없이, 기내에 탑재된 압력 용기는 거의 항상 구형 또는 원통형 형태로 구성된다.^[30] 해양이 우주선에 가하는 압력은 자연적으로 정수적이며, 보다 등방성적이거나 대칭적인 형태는 이 압력을 고르게 분산시키는데 도움이 된다.

잠수용 연구차량을 건설하기 위해 선택된 자재의 처리는 나머지 대부분의 건설 과정을 안내한다. 예를 들어, 일본 해양과학 기술청(JAMSTEC)은 다양한 시공을 가진 여러 개의 자율 수중 자동차(행정 차량)를 고용하고 있다. 이들 공예품의 고압용기 제작에 가장 많이 사용되는 금속은 알루미늄, 강철, 티타늄의 연합금이다.^[30] 알루미늄은 극도로 높은 강도가 필요하지 않은 중간 깊이의 작동에 선택된다. 강철은 매우 잘 이해되는 재료로, 믿을 수 없는 항복강도와 항복스트레스를 가질 수 있도록 조정될 수 있다. 바다의 극한 기압에 저항하기 좋은 소재지만 무게 우려로 강철 압력용기의 크기를 제한하는 밀도가 매우 높다.^[30] 티타늄은 강철과 거의 같으며, 세 배나 가볍다. 그것은 분명히 사용할 수 있는 선택인 것 같지만 그것 자체의 여러 가지 문제가 있다. 첫째, 티타늄으로 작업하는 것이 훨씬 비용이 많이 들고 어려우며, 부적절한 가공은 상당한 결함으로 이어질 수 있다. 압력 용기에 뷰포트 같은 기능을 추가하려면 티타늄의 위험을 수반하는 섬세한 가공 작업을 사용해야 한다.^[31] 예를 들어 심해 챌린저호는 조종사를 수용하기 위해 강철 구역을 사용했다. 이 구체는 챌린저 딥보다 훨씬 깊은 5만2000피트의 해양 깊이에 대략 해당하는 2만3100psi의 정수압을 견딜 수 있을 것으로 추정된다. 크기가 작을수록 치명적인 고장의 위험이 낮아지기 때문에 작은 티타늄 구체는 선박의 많은 전자장치를 수용하기 위해 사용되었다.^[32]

연근 금속은 물리적으로 원하는 모양을 만들기 위해 작용하며, 이 과정은 여러 가지 방법으로 금속을 강화한다. 냉간 가공으로도 알려진, 더 추운 온도에서 연마할 때, 금속은 변형 경화를 겪는다. 고온 또는 고온 작업 시 다른 효과가 금속을 강화시킬 수 있다. 온도가 높아지면 합금의 작동이 더 쉬워지고, 이후 합금 요소를 제자리에 고정시켜 온도가 급격히 감소한다. 그리고 나서 이러한 요소들은 침전물을 형성하며, 이것은 강성을 더욱 증가시킨다.

과학적 결과

1974년 앨빈(우즈홀 해양학연구소와 심해장소연구센터 운영)과 프랑스 배티스캡헤 아르키메데, 프랑스 다이빙 접시 CYANA가 지원선과 글로마르 챌린저호의 도움을 받아 아조레스 남서쪽 중대서양 능선의 거대한 갈라진 골짜기를 탐험했다. 약 5,200장의 사진을 찍었으며, 비교적 젊은 응고된 마그마의 샘플이 리프트 계곡의 중앙 틈새 양쪽에서 발견되어, 이 현장의 해수면이 연간 약 2.5 센티미터(1.0 인치)의 비율로 퍼진다는 추가적인 증거를 제시하였다(판구조물 참조).^[33]

In a series of dives conducted between 1979–1980 into the Galápagos rift, off the coast of Ecuador, French, Italian, Mexican, and U.S. scientists found vents, nearly 9 m (30 ft) high and about 3.7 m (12 ft) across, discharging a mixture of hot water (up to 300 °C, 572 °F) and dissolved metals in dark, smoke-like plumes (see hydrothermal vent,). 이들 온천은 구리, 니켈, 카드뮴, 크롬, 우라늄에 농축된 퇴적물을 형성하는 데 중요한 역할을 한다.^[33][34]

심해 채굴

심해탐사는 1873년 챌린저호의 탐사 항해에서 처음 발견된 해저 깊숙한 곳에 위치한 풍부한 광물자원에 대한 관심이 높아지면서 새로운 동력을 얻었다. 캐나다, 일본, 한국, 영국 등 국제해저기구 회원국들의 관심이 높아지면서 태평양의 클라리온 클리퍼턴 골절지대에서 18건의 탐사 계약이 이뤄졌다.^[35] 탐사 및 관련 연구의 결과는 현대 의학에 영향을 미칠 수 있는 미생물뿐만 아니라 새로운 해양 생물종의 발견이다.^[36] 민간기업들도 이런 자원에 관심을 표명했다. 다양한 계약업체들이 학술기관과 협력하여 115,591km²의 고해상도 배스메트릭 데이터, 10,450km의 연구용 생물 시료, 3,153km의 해저 이미지 등을 획득해 해저와 해양 생태계를 보다 깊이 이해할 수 있도록 돕고 있다.^[37]

참고 항목

• 해양생물 센서스
• 넵튠

참조

외부 링크

• 내셔널 지오그래픽 심해 챌린지
• TED-교육 비디오 - 깊은 바다의 미스터리와 불가사의.
• 스미소니언 해양 심층 탐사 포털