深海探査

深海探査は、科学的または商業的な目的で、大陸棚の向こうの海水と海底の物理的、化学的、生物学的条件を調査することです。深海探査は水中探査の一側面であり、海のより深い深さが比較的近年にのみ調査されたため、地球物理学的研究の他の分野と比較すると比較的最近の人間の活動であると考えられています。海洋の深部は、地球上でまだほとんど探査されていない部分であり、比較的未発見の領域を形成しています。

科学的な深海探査は、フランスの科学者ピエール＝シモン・ラプラスが18世紀後半から19世紀初頭にブラジルやアフリカの海岸で記録された潮の動きを観察して大西洋の平均深度を調査したときに始まったと言えます。しかし、彼の調査の正確な日付は不明です。彼は深さを3,962メートル（12,999フィート）と計算し、この値は後にエコー測深技術によって非常に正確であることが証明されました。^{[1]その後、}海底ケーブルの設置の需要が高まったため、海底深度の正確な測定が必要になり、最初の海底調査が行われました。最初の深海生物が発見されたのは1864年で、ノルウェーの研究者マイケル・サースとゲオルグ・オシアン・サースが深さ3,109メートル（10,200フィート）で柄のあるウミユリのサンプルを入手しました。 ^[2]

1872年から1876年にかけて、1872年に調査船に改造されたスクリューコルベットであるHMSチャレンジャー号に乗船したイギリスの科学者によって画期的な海洋研究が行われた。チャレンジャー号の遠征は127,653キロメートル（68,927海里）をカバーし、船上の科学者は何百ものサンプルと水路測定を収集し、深海生物を含む4,700種を超える新しい海洋生物を発見した。 ^{[1] [3]}彼らはまた、深海盆などの主要な海底の特徴を初めて実際に見たとされている。

深海調査に使用された最初の機器は、イギリスの探検家サー・ジェームズ・クラーク・ロスが使用した測深機でした。^[4]この機器を使用して、彼は1840年に水深3,700メートル（12,139フィート）に到達しました。 ^[5]チャレンジャー号の探検隊は、ベイリー測深機と呼ばれる同様の機器を使用して海底からサンプルを採取しました。^[要出典]

20世紀には、音を利用して水中の物体の存在を検知できるソナーシステムから有人の深海潜水艇に至るまで、一連の技術的発明により深海探査は大きく進歩した。1960年、ジャック・ピカールとアメリカ海軍のドナルド・ウォルシュ大尉は、深海潜水艇 トリエステ号に乗って世界の海洋の最深部であるマリアナ海溝に潜った。^[6] 2012年3月25日、映画監督のジェームズ・キャメロンはディープシー・チャレンジャー号でマリアナ海溝に潜り、初めて海底の撮影とサンプル採取を行った。^{[7] [8] [9] [10] [11]}

深海探査のこうした進歩にもかかわらず、海底への航海は依然として困難な経験です。科学者たちは、船上からこの極限環境を研究する方法を模索しています。科学者たちは、光ファイバー、衛星、遠隔操作ロボットをより高度に利用することで、いつの日か舷窓からではなく、デッキ上のコンピューター画面から深海を探索できるようになることを期待しています。^[3]

深海の極限環境に耐えるには、高度な方法と技術が必要であり、これが深海探査の歴史が比較的浅い主な理由です。以下に深海探査の重要なマイルストーンをいくつか挙げます。

• 1521年:フェルディナンド・マゼランは重り付きの釣り糸を使って太平洋の深さを測ろうとしたが、海底を見つけることができなかった。
• 1810年-1827年:ニース（当時はサヴォワ公国の一部）の薬剤師アントワーヌ・リッソが、ジェノヴァ湾の水深600～1,000メートル（1,969～3,281フィート）で漁師が採集した数十種の魚類や甲殻類について記述し命名した一連の論文を発表したが、長らく無視されていた。^[12]
• 1818年: イギリスの研究者ジョン・ロス卿は、特殊な装置を使って水深約2,000メートル（6,562フィート）でクラゲやミミズを捕獲し、深海に生物が生息していることを独自に発見した。^{[説明が必要]}
• 1843年:エドワード・フォーブスは、深海の生物多様性は少なく、深さが増すにつれて減少すると主張した。彼は、550メートル（1,804フィート）より深い水域には生命は存在しないと述べ、いわゆるアビソス理論を唱えた。
• 1850年：ロフォーテン諸島の近くで、マイケル・サースは水深800メートル（2,625フィート）の深海に多様な深海動物を発見し、アビソス理論を反証した。^[13]
• 1872年～1876年:チャールズ・ワイヴィル・トムソン率いる チャレンジャー号の探検隊が、初の体系的な深海探検を実施しました。この探検により、深海には多様で特殊な生物相が生息していることが明らかになりました。
• 1890年 - 1898年: フランツ・シュタインダハナー率いるSMSポーラ号による東地中海と紅海でのオーストリア・ハンガリー帝国初の深海探検。
• 1898年～1899年:カール・チュン率いるバルディビア号による初のドイツ深海探検。南大西洋の4,000メートル（13,123フィート）を超える深さで多くの新種を発見。
• 1930年:ウィリアム・ビーブとオーティス・バートンは、球形の鋼鉄製耐圧容器であるバチスフィアで潜水し、人類で初めて深海に到達した。彼らは水深435メートル（1,427フィート）まで到達し、クラゲやエビを観察した。
• 1934年: バチスフェアが水深923メートル（3,028フィート）に到達。
• 1947年～1948年: スウェーデンの海洋学者ハンス・ペッターソンがアルバトロス遠征隊を組織し、15か月かけて赤道を45,000海里(51,785マイル、83,340キロメートル)周回した。カレンバーグのピストン式コアラーの助けを借りて、遠征隊は初めて海底から長さ20メートル(66フィート)の堆積物コアを採取し、海面下7,600～7,900メートル(24,934～25,919フィート)で深海トロール漁を実施した。
• 1948年: オーティス・バートンが深海球で水深1,370メートル（4,495フィート）まで潜水し、新記録を樹立した。
• 1960年:ジャック・ピカールとドン・ウォルシュが深海探査船トリエステ号でマリアナ海溝チャレンジャー海淵の底に到達し、水深10,740メートル（35,236フィート）まで潜り、魚類やその他の深海生物を観察しました。
• 2012年:ジェームズ・キャメロンが操縦する探査船ディープシー・チャレンジャー号が、チャレンジャー海淵の底への2度目の有人航海と初の単独探査を完了した。
• 2018年：ビクター・ベスコヴォが操縦するDSVリミティング・ファクターが、大西洋の最深部への初のミッションを完了し、海面下8,375メートル（27,477フィート）のプエルトリコ海溝の底まで潜りました。^[14]
• 2019年：DSVリミティングファクターは、南極海の最深部であるサウスサンドイッチ海溝の底、インド洋のスンダ海溝、南太平洋のトンガ海溝のホライズンディープ、マリアナ海溝のチャレンジャー海淵とシレナ海淵、北極海のモロイ海淵での数回のダイビングを実施しました。
• 2020年：リミティング・ファクター号に搭乗したミッションスペシャリストのキャサリン・サリバン博士とヴァネッサ・オブライエン博士は、ヴェスコヴォが操縦するミッションを完了し、チャレンジャー海淵の底10,925メートル（35,843フィート）に到達した最初の女性となった。^[15]

海底調査に使用された最初の機器の1つである測深重りは、海底に衝突すると海底を押し込む底部の管として設計されました。イギリスの探検家ジェームズ・クラーク・ロス卿は、この機器をフル活用して、1840年に深さ3,700メートル（12,139フィート）に到達しました。^{[4] [16]}

HMS チャレンジャー号で使用された測深重りは、やや進歩した「ベイリー測深機」であった。英国の研究者は、ワイヤーライン測深を使用して海の深さを調査し、北極を除くすべての海から数百の生物学的サンプルを収集した。また、HMSチャレンジャー号では、ロープで吊るされた浚渫機とスコップが使用され、海底の堆積物と生物学的標本のサンプルを採取することができた。^[4]

サウンディング ウェイトのより進化したバージョンが、重力コアラーです。重力コアラーを使用すると、研究者は海底の堆積層のサンプルを採取して調査することができます。コアラーは、鉛の重りが付いた開口チューブと、コアラーを海底に降ろして小さな重りが地面に触れるとコアラーを吊り下げケーブルから解放するトリガー メカニズムで構成されています。コアラーは海底に落下し、最大 10 メートル (33 フィート) の深さまで貫通します。コアラーを引き上げることによって、海底の堆積層の構造が保存された長い円筒形のサンプルが抽出されます。堆積コアを回収することで、科学者は泥の中に特定の化石の有無を確認でき、これは氷河期などの過去の気候パターンを示す可能性があります。より深い層のサンプルは、ドリルに取り付けられたコアラーで取得できます。掘削船ジョイデス・レゾリューション号は、海底下1,500メートル（4,921フィート）の深さからコアを採取できる装備を備えている。（海洋掘削プログラムを参照）^{[17] [18]}

音響測深器も、第二次世界大戦以来、海底の深さを測定するために広く使われてきました。この機器は、主に音響エコーを利用して水深を測定するために使用されます。船から送信された音波は海底で反射して船に戻りますが、送信と受信の時間間隔は水深に比例します。送信信号と受信信号の時間差を紙テープ上に連続的に記録することで、海底の連続的な地図が作成されます。^[19]海底の大部分はこの方法で地図化されています。^[要出典]

高解像度のビデオカメラ、温度計、圧力計、地震計も深海探査に役立つ機器です。これらの機器は、ケーブルで海底まで降ろすか、潜水ブイに取り付けます。^{[説明が必要]}深海の流れは、超音波装置を搭載したフロートで調査できるため、調査船からその動きを追跡できます。^{[説明が必要]これらの船には、}衛星ナビゲーションやダイナミック ポジショニング システムなどの精密な航行機器が装備されており、海底のソナー ビーコンに対して船の位置を固定します。^[4] 磁力計は、2024年7月15日の探検中にタイタニック号の残骸で初めて使用され、金属検出と現場の遺物の回収に使用されました。これは、強磁性材料を認識する際の材料精度を考えると、このような深さの難破船を調査する際に探検家がよく使用する手段であり、^[20]そのため、探検会社からの需要が高いことがよくあります。^[21]

高圧のため、ダイバーが特別な装備なしで潜れる深さは限られている。フリーダイバーによる最深潜水記録は、2012年時点で253メートル（830フィート）である。^[22] スキューバダイビングの記録は、2005年6月時点で318メートル（1,043フィート）である。^[23]また、1988年のComex Hydra 8実験潜水では、水面補給で534メートル（1,752フィート）を記録した。 ^[24]

気圧潜水服はダイバーを周囲の圧力から隔離し、約600メートル（1,969フィート）の深さまで潜水することができます。^[25]一部の気圧潜水服には、ダイバーを水中に推進できるスラスターが付いています。 ^[26]

より深いところを探検するためには、深海探検家は自分たちを守るために特別に作られた耐圧チャンバーに頼るか、遠隔で探検しなければならない。ニューヨークのコロンビア大学出身の博物学者でもあったアメリカの探検家ウィリアム・ビーブは、ハーバード大学の同僚エンジニア、オーティス・バートンと共同で、ダイバーが到達できない深さの海洋生物を観察するための最初の実用的な潜水球を設計した。^[要出典] 1930年にビーブとバートンは435メートル（1,427フィート）、1934年には923メートル（3,028フィート）の深さに到達した。潜在的な危険は、ケーブルが切れた場合、乗員が水面に戻れなくなることだった。潜水中、ビーブは舷窓から外を覗き、水面にいたバートンに電話で観察結果を報告した。^{[16] [27]}

1948年、スイスの物理学者オーギュスト・ピカールは、自身が発明した、ガソリンを充填したフロートと球状の鋼鉄でできた吊り下げられたチャンバーまたはゴンドラを備えた航行可能な深海船であるバチスカーフと呼ばれる、はるかに深く潜れる船をテストした。 ^[要出典]カーボベルデ諸島での実験的な潜水では、彼のバチスカーフは1,402メートル（4,600フィート）の水圧に耐えることに成功したが、潜水後に激しい波によって船体がひどく損傷した。1954年、ピカールはこのバチスカーフで深さ4,000メートル（13,123フィート）に到達した。^[要出典] 1953年、彼の息子ジャック・ピカールは、フィールドテストで深さ3,139メートル（10,299フィート）まで潜った、新しく改良されたバチスカーフトリエステの建造に加わった。^[要出典]アメリカ海軍は1958年にトリエステを購入し、深海溝に到達できるように新しいキャビンを装備しました。^[6] 1960年、ジャック・ピカールとアメリカ海軍のドナルド・ウォルシュ中尉はトリエステで地球上で最も深い地点であるマリアナ海溝のチャレンジャー海淵まで降下し、歴史上最も深い10,915メートル（35,810フィート）の潜水に成功しました。^[6]

今では世界中で、有人潜水艇の導入が増えている。例えば、ウッズホール海洋研究所が運用するアメリカ製のDSV アルビンは、 3人乗りの潜水艇で、約3,600メートル（11,811フィート）まで潜水でき、海底サンプルを採取するための機械式マニピュレーターを備えている。アルビンは、3人の乗組員を深さ4,000メートル（13,123フィート）まで運ぶように設計されている。この潜水艇には、海の深海の暗闇でサンプルを採取するためのライト、カメラ、コンピューター、高度に操縦可能なロボットアームが装備されている。^{[28] [29]}アルビンは1964年に最初のテスト潜水を行い、平均深さ1,829メートル（6,001フィート）まで3,000回以上の潜水を行っている。アルヴィンは、ガラパゴス諸島付近の太平洋の海底で巨大なチューブワームが発見された研究プロジェクトなど、さまざまな研究プロジェクトにも携わってきました。^[29]

最初の無人深海探査機の1つは、1950年代初頭にアラン・ハンコック財団の助成金を受けて南カリフォルニア大学で開発されたもので、カメラとストロボライトを内蔵したベントグラフと呼ばれる3,000ポンド（1,361kg）の高圧鋼球を使用して海底数マイルの深さで写真を撮るより経済的な方法を開発することを目的としていた。南カリフォルニア大学で作られた最初のベントグラフは、岩の間に挟まって回収できなくなるまで、一連の水中写真を撮影することに非常に成功した。^[30]

遠隔操作型無人探査機（ROV）も水中探査での利用が増えている。これらの潜水艇は水上艦艇に接続されたケーブルを介して操縦され、最大6,000メートル（19,685フィート）の深さまで到達できる。ロボット工学の新たな発展により、自律型水中車両（AUV）も開発されている。ロボット潜水艦は事前にプログラムされており、水上艦艇からの指示は受けない。ハイブリッドROV（HROV）はROVとAUVの両方の機能を兼ね備えており、独立して、またはケーブルで動作する。^{[31] [32]} アルゴは1985年にタイタニック号 の残骸を見つけるために使用され、より小型のジェイソンも沈没船の探査に使用された。^[32]

深海探査船は、外部からの高い静水圧下で航行する必要があり、深海のほとんどは氷点近くの温度で、一部の材料の脆化を引き起こす可能性がある。構造形状、材料の選択、建造プロセスはすべて重要な設計要因である。船に乗員がいる場合、乗員を収容する区画がほぼ常に制限要因となる。電子機器のケースなど、船体の他の部分は、軽量でありながら耐圧性のある合成フォームで充填するか、非圧縮性液体で充填することができる。^[33]ただし、乗員部分は中空のままで、人間に適した内部圧力下になければならない。人間が乗船できる圧力は深海での外部周囲圧力に比べて非常に小さいため、内部圧力は通常、ほぼ表面大気圧に維持され、これにより生命維持システムが大幅に簡素化され、減圧することなく表面への即時脱出が可能になる。無人船には、乾燥した状態に保ち、外部圧力から隔離する必要がある敏感で繊細な電子機器が搭載されている可能性がある。船舶の性質や使用される材料に関係なく、圧力容器はほとんどの場合、球形、円錐形、または円筒形で構築されます。これは、これらの形状が荷重を最も効率的に分散し、応力と座屈不安定性を最小限に抑えるためです。^[33]

潜水調査船の建造に選ばれた材料の加工方法は、建造プロセスの残りの多くを左右する。例えば、海洋研究開発機構（JAMSTEC）は、様々な構造の自律型無人潜水船（AUV）を複数採用している。これらの船の高圧容器の建造に最も一般的に使用される金属は、アルミニウム、鋼鉄、チタンの鍛造合金である。^[33] アルミニウムは、極めて高い強度を必要としない中深度での作業に選ばれる。鋼鉄は、驚異的な降伏強度と降伏応力を持つように調整できる、極めてよく理解されている材料である。海の極度の圧力に耐える優れた材料であるが、密度が非常に高いため、重量の問題から鋼鉄製圧力容器のサイズが制限される。^[33]チタンは鋼鉄とほぼ同等の強度を持ち、3倍の軽さである。チタンを使用するのは当然の選択のように見えるが、チタン自体にもいくつかの問題がある。第一に、チタンははるかにコストがかかり、加工が難しく、不適切な加工は重大な欠陥につながる可能性がある。圧力容器にビューポートなどの機能を追加するには、繊細な機械加工作業が必要であり、チタンではリスクが伴う。^[34]たとえば、ディープシー チャレンジャー号では、パイロットを収容するために鋼鉄の球体を使用しました。この球体は、23,100 psi の静水圧に耐えられると推定されており、これはチャレンジャー海淵よりもはるかに深い 52,000 フィートの海の深さにほぼ相当します。船の電子機器の多くを収容するために、より小さなチタン球体が使用されました。サイズが小さいほど壊滅的な故障のリスクが低減したためです。^[35]

鍛造金属は、物理的に加工されて目的の形状に作られ、このプロセスによって金属がさまざまな方法で強化されます。低温で鍛造する (冷間加工とも呼ばれます) と、金属はひずみ硬化を起こします。高温で鍛造する (熱間加工とも呼ばれます) と、他の効果によって金属が強化されます。温度が上昇すると合金の加工が容易になり、その後の急速な温度低下によって合金元素が固定されます。これらの元素は析出物を形成し、さらに剛性が高まります。

1974年、アルビン号（ウッズホール海洋研究所とディープ・シー・プレイス研究センターが運営）、フランスの深海探査船アルキメード号、フランスの潜水円盤シアナ号が、支援船とグロマー・チャレンジャー号の支援を受けて、アゾレス諸島南西部の大西洋中央海嶺の大地溝帯を探査した。この地域の写真約5,200枚が撮影され、地溝帯の中央の割れ目の両側で比較的若い凝固したマグマのサンプルが発見され、この場所の海底が年間約2.5センチメートル（1.0インチ）の速度で広がっているというさらなる証拠が得られた（プレートテクトニクスを参照）。^[36]

1979年から1980年にかけてエクアドル沖のガラパゴス 諸島で行われた一連の潜水調査で、フランス、イタリア、メキシコ、米国の科学者らは、高さ約9メートル（30フィート）、幅約3.7メートル（12フィート）の熱水噴出孔を発見した。この熱水噴出孔からは、最高300℃（572℉）の熱水と溶解した金属の混合物が、暗い煙のような柱状に噴出していた（熱水噴出孔を参照）。これらの温泉は、銅、ニッケル、カドミウム、クロム、ウランを多く含む鉱床の形成に重要な役割を果たしている。^{[36] [37]}

深海探査中に多数の生物学的サンプルが収集され、その多くは科学にとって新しい発見や仮説をもたらしている。^[38]例えば、地中海科学委員会の海洋学調査で収集されたティレニア海の深海からの微生物学的サンプルは、海洋細菌とウイルスが深海生物の生産性に大きく貢献していること、特にこの点で独立栄養性およびアンモニア酸化性古細菌が果たした役割を確認した。^[39]

1873年のチャレンジャー号の探検航海で初めて発見された海底の深部にある豊富な鉱物資源への関心の高まりにより、深海探検は新たな勢いを得ている。国際海底機構加盟国の関心の高まりにより、太平洋のクラリオン・クリッパートン断裂帯で18の探検契約が実施されることになった。^[40]探検と関連研究の結果、現代医学に影響を与える可能性のある新しい海洋生物や微生物が発見された。^[41]民間企業もこれらの資源に関心を示している。学術機関と協力してさまざまな請負業者が115,591 km2の高解像度水深データ、研究用に保存された生物サンプル10,450個、海底画像3,153 km2を取得し、海底とその生態系への理解を深めている。^[42]

• 海洋生物の調査 – 10年間の国際海洋生物学プログラム
• NEPTUNE  – 水中海洋観測所
• 海洋掘削計画 – 1985年から2003年までの海洋研究計画

Wikisource には、 1920 年のアメリカ百科事典の記事 「深海探検」のテキストがあります。

• ナショナル ジオグラフィック ディープシー チャレンジ
• TED 教育ビデオ - 深海の謎と驚異。
• スミソニアン海洋ポータルの深海探査に関する記事は、2012 年 9 月 24 日にWayback Machineにアーカイブされています。