La exploración de aguas profundas es la investigación de las condiciones físicas, químicas y biológicas de las aguas oceánicas y del lecho marino más allá de la plataforma continental, con fines científicos o comerciales . La exploración de aguas profundas es un aspecto de la exploración submarina y se considera una actividad humana relativamente reciente en comparación con otras áreas de investigación geofísica , ya que las profundidades más profundas del mar se han investigado solo durante años comparativamente recientes. Las profundidades oceánicas siguen siendo una parte en gran parte inexplorada de la Tierra y forman un dominio relativamente sin descubrir.
La exploración científica de las profundidades marinas se inició cuando el científico francés Pierre-Simon Laplace investigó la profundidad media del océano Atlántico observando los movimientos de las mareas registrados en las costas brasileñas y africanas hacia finales del siglo XVIII o principios del XIX. Sin embargo, se desconoce la fecha exacta de su investigación. Calculó la profundidad en 3.962 metros (12.999 pies), un valor que más tarde se demostró bastante preciso mediante técnicas de medición por ecosonda . [1] Más tarde, debido a la creciente demanda de instalación de cables submarinos , se requirieron mediciones precisas de la profundidad del fondo marino y se llevaron a cabo las primeras investigaciones del fondo marino. Las primeras formas de vida de las profundidades marinas se descubrieron en 1864 cuando los investigadores noruegos Michael Sars y Georg Ossian Sars obtuvieron una muestra de un crinoideo pedunculado a una profundidad de 3.109 m (10.200 pies). [2]
Entre 1872 y 1876, científicos británicos llevaron a cabo un estudio oceánico histórico a bordo del HMS Challenger , una corbeta de hélice que se convirtió en un barco de investigación en 1872. La expedición del Challenger cubrió 127.653 kilómetros (68.927 millas náuticas) y los científicos a bordo recolectaron cientos de muestras y mediciones hidrográficas, descubriendo más de 4.700 nuevas especies de vida marina , incluidos organismos de aguas profundas. [1] [3] También se les atribuye haber proporcionado la primera vista real de las principales características del fondo marino, como las cuencas oceánicas profundas.
El primer instrumento utilizado para la investigación de las profundidades marinas fue la sonda de peso, utilizada por el explorador británico Sir James Clark Ross . [4] Con este instrumento, alcanzó una profundidad de 3.700 m (12.139 pies) en 1840. [5] La expedición Challenger utilizó instrumentos similares llamados máquinas de sondeo Baillie para extraer muestras del fondo marino. [ cita requerida ]
En el siglo XX, la exploración de las profundidades marinas avanzó considerablemente gracias a una serie de inventos tecnológicos, que van desde el sistema de sonar , que puede detectar la presencia de objetos bajo el agua mediante el uso del sonido, hasta los sumergibles tripulados de buceo profundo . En 1960, Jacques Piccard y el teniente de la Marina de los Estados Unidos Donald Walsh descendieron en el batiscafo Trieste a la parte más profunda de los océanos del mundo, la fosa de las Marianas . [6] El 25 de marzo de 2012, el cineasta James Cameron descendió a la fosa de las Marianas en Deepsea Challenger y, por primera vez, filmó y tomó muestras del fondo. [7] [8] [9] [10] [11]
A pesar de estos avances en la exploración de las profundidades marinas, el viaje al fondo del océano sigue siendo una experiencia desafiante. Los científicos están trabajando para encontrar formas de estudiar este entorno extremo desde el barco. Con un uso más sofisticado de la fibra óptica , los satélites y los robots de control remoto, los científicos esperan, algún día, explorar las profundidades marinas desde una pantalla de computadora en la cubierta en lugar de hacerlo desde un ojo de buey. [3]
Las condiciones extremas de las profundidades marinas exigen métodos y tecnologías muy elaborados para soportarlas, lo que ha sido la razón principal por la que su exploración ha tenido una historia comparativamente corta. A continuación se enumeran algunos hitos importantes de la exploración de las profundidades marinas:
El peso sonda, uno de los primeros instrumentos utilizados para la investigación del fondo marino, fue diseñado como un tubo en la base que empujaba el fondo marino hacia adentro cuando tocaba el fondo del océano. El explorador británico Sir James Clark Ross utilizó plenamente este instrumento para alcanzar una profundidad de 3.700 m (12.139 pies) en 1840. [4] [16]
Los pesos de sondeo utilizados en el HMS Challenger eran los ligeramente más avanzados "aparatos de sondeo Baillie". Los investigadores británicos utilizaron sondas con cable para investigar las profundidades marinas y recogieron cientos de muestras biológicas de todos los océanos excepto el Ártico . También se utilizaron en el HMS Challenger dragas y palas, suspendidas en cuerdas, con las que se podían obtener muestras de sedimentos y especímenes biológicos del fondo marino. [4]
Una versión más avanzada del peso de sondeo es el sacatestigos de gravedad . El sacatestigos de gravedad permite a los investigadores tomar muestras y estudiar las capas de sedimentos en el fondo de los océanos. El sacatestigos consiste en un tubo abierto con un peso de plomo y un mecanismo de activación que libera el sacatestigos de su cable de suspensión cuando se baja sobre el lecho marino y un pequeño peso toca el suelo. El sacatestigos cae en el lecho marino y lo penetra hasta una profundidad de hasta 10 m (33 pies). Al levantar el sacatestigos, se extrae una muestra cilíndrica larga en la que se conserva la estructura de las capas de sedimentos del lecho marino. La recuperación de núcleos de sedimentos permite a los científicos ver la presencia o ausencia de fósiles específicos en el lodo que pueden indicar patrones climáticos en momentos del pasado, como durante las edades de hielo. Se pueden obtener muestras de capas más profundas con un sacatestigos montado en un taladro. El buque de perforación JOIDES Resolution está equipado para extraer núcleos de profundidades de hasta 1.500 m (4.921 pies) por debajo del fondo del océano. (Véase Programa de Perforaciones Oceánicas ) [17] [18]
Los instrumentos de ecosonda también se han utilizado ampliamente para determinar la profundidad del fondo marino desde la Segunda Guerra Mundial . Este instrumento se utiliza principalmente para determinar la profundidad del agua por medio de un eco acústico. Un pulso de sonido enviado desde el barco se refleja desde el fondo del mar de vuelta al barco, siendo el intervalo de tiempo entre la transmisión y la recepción proporcional a la profundidad del agua. Al registrar los lapsos de tiempo entre las señales salientes y de retorno de forma continua en una cinta de papel, se obtiene un mapeo continuo del fondo marino . [19] La mayor parte del fondo del océano ha sido mapeado de esta manera. [ cita requerida ]
Cámaras de vídeo de alta resolución, termómetros , medidores de presión y sismógrafos son otros instrumentos útiles para la exploración de aguas profundas. Estos instrumentos se bajan al fondo del mar mediante cables o se fijan a boyas sumergibles . [ aclaración necesaria ] Las corrientes de aguas profundas se pueden estudiar mediante flotadores que llevan un dispositivo de sonido ultrasónico para que sus movimientos se puedan rastrear desde a bordo del buque de investigación. [ aclaración necesaria ] Estos buques están equipados con instrumentos de navegación precisos, como navegación por satélite y sistemas de posicionamiento dinámico que mantienen el buque en una posición fija en relación con una baliza de sonar en el fondo del océano. [ 4 ] Los magnetómetros se utilizaron por primera vez en el naufragio del Titanic durante una expedición del 15 de julio de 2024, con el fin de proporcionar detección de metales y recuperar artefactos en el lugar, que es un medio que suelen utilizar los exploradores para examinar naufragios a tales profundidades dada su precisión material en el reconocimiento de material ferromagnético , [ 20 ] y, por lo tanto, suelen ser muy demandados por las empresas de expedición. [21]
Debido a la alta presión, la profundidad a la que un buceador puede descender sin equipo especial es limitada. El descenso más profundo registrado realizado por un buceador en apnea fue de 253 m (830 pies) en 2012. [22] El récord de buceo es de 318 m (1043 pies) en junio de 2005, [23] y 534 metros (1752 pies) con suministro de superficie en las inmersiones experimentales Comex Hydra 8 en 1988. [24]
Los trajes de buceo atmosféricos aíslan al buceador de la presión ambiental y permiten a los buceadores alcanzar profundidades de aproximadamente 600 m (1969 pies). [25] Algunos trajes atmosféricos cuentan con propulsores que pueden impulsar al buceador a través del agua. [26]
Para explorar mayores profundidades, los exploradores de aguas profundas deben confiar en cámaras resistentes a la presión especialmente construidas para protegerlos, o explorar de forma remota. El explorador estadounidense William Beebe , también naturalista de la Universidad de Columbia en Nueva York, trabajando con su colega ingeniero Otis Barton de la Universidad de Harvard , diseñó la primera batisfera práctica para observar especies marinas a profundidades que no podían ser alcanzadas por un buceador. [ cita requerida ] En 1930, Beebe y Barton alcanzaron una profundidad de 435 m (1.427 pies), y 923 m (3.028 pies) en 1934. El peligro potencial era que si el cable se rompía, los ocupantes no podrían regresar a la superficie. Durante la inmersión, Beebe miró por un ojo de buey e informó sus observaciones por teléfono a Barton que estaba en la superficie. [16] [27]
En 1948, el físico suizo Auguste Piccard probó un buque de buceo mucho más profundo que él inventó llamado batiscafo , un buque navegable de aguas profundas con su flotador lleno de gasolina y cámara suspendida o góndola de acero esférico. [ cita requerida ] En una inmersión experimental en las islas de Cabo Verde , su batiscafo resistió con éxito la presión sobre él a 1.402 m (4.600 pies), pero su cuerpo fue severamente dañado por fuertes olas después de la inmersión. En 1954, con este batiscafo, Piccard alcanzó una profundidad de 4.000 m (13.123 pies). [ cita requerida ] En 1953, su hijo Jacques Piccard se unió a la construcción de un nuevo y mejorado batiscafo Trieste , que se sumergió a 3.139 m (10.299 pies) en pruebas de campo. [ cita requerida ] La Armada de los Estados Unidos adquirió el Trieste en 1958 y lo equipó con una nueva cabina para permitirle alcanzar fosas oceánicas profundas. [6] En 1960, Jacques Piccard y el teniente de la Armada de los Estados Unidos Donald Walsh descendieron en Trieste al punto más profundo conocido en la Tierra, el abismo Challenger en la fosa de las Marianas , logrando con éxito la inmersión más profunda de la historia: 10.915 m (35.810 pies). [6]
En la actualidad, se emplean cada vez más sumergibles tripulados en todo el mundo. Por ejemplo, el DSV Alvin , de fabricación estadounidense y operado por el Instituto Oceanográfico Woods Hole , es un submarino de tres personas que puede sumergirse hasta unos 3600 m (11 811 pies) y está equipado con un manipulador mecánico para recoger muestras del fondo. El Alvin está diseñado para llevar una tripulación de tres personas a profundidades de 4000 m (13 123 pies). El submarino está equipado con luces, cámaras, ordenadores y brazos robóticos muy maniobrables para recoger muestras en la oscuridad de las profundidades del océano. [28] [29] El Alvin realizó su primera inmersión de prueba en 1964 y ha realizado más de 3000 inmersiones a profundidades medias de 1829 m (6001 pies). El Alvin también ha participado en una amplia variedad de proyectos de investigación, como uno en el que se descubrieron gusanos tubícolas gigantes en el fondo del océano Pacífico cerca de las islas Galápagos . [29]
Uno de los primeros vehículos no tripulados para aguas profundas fue desarrollado por la Universidad del Sur de California con una subvención de la Fundación Allan Hancock a principios de la década de 1950 para desarrollar un método más económico de tomar fotografías a kilómetros de profundidad con una esfera de acero no tripulada de alta presión de 3000 lb (1361 kg) llamada bentógrafo, que contenía una cámara y una luz estroboscópica. El bentógrafo original construido por la USC tuvo mucho éxito al tomar una serie de fotografías submarinas hasta que se quedó encajado entre algunas rocas y no se pudo recuperar. [30]
Los vehículos operados a distancia (ROV) también se están utilizando cada vez más en la exploración submarina. Estos sumergibles se pilotan a través de un cable que se conecta al barco de superficie y pueden alcanzar profundidades de hasta 6.000 m (19.685 pies). Los nuevos avances en robótica también han llevado a la creación de AUV, o vehículos submarinos autónomos . Los submarinos robóticos se programan de antemano y no reciben instrucciones de la superficie. Un ROV híbrido (HROV) combina características de ambos ROV y AUV, operando de forma independiente o con un cable. [31] [32] Argo se utilizó en 1985 para localizar los restos del RMS Titanic ; el Jason , más pequeño, también se utilizó para explorar el naufragio. [32]
Los buques de exploración de aguas profundas deben operar bajo una alta presión hidrostática externa , y la mayor parte de las aguas profundas permanecen a temperaturas cercanas al punto de congelación, lo que puede provocar la fragilización de algunos materiales. La geometría estructural, la elección de los materiales y los procesos de construcción son factores de diseño importantes. Si el buque está tripulado, los compartimentos que albergan a los ocupantes son casi siempre el factor limitante. Otras partes del vehículo, como las carcasas de los componentes electrónicos, pueden llenarse con espumas sintácticas ligeras pero resistentes a la presión o con líquidos incompresibles. [33] Sin embargo, la parte ocupada debe permanecer hueca y bajo presiones internas adecuadas para los seres humanos. Dado que las presiones aceptables para la ocupación humana son tan pequeñas en comparación con la presión ambiental externa en profundidad, la presión interna normalmente se mantiene aproximadamente a la presión atmosférica de la superficie, lo que simplifica considerablemente los sistemas de soporte vital y permite la salida inmediata a la superficie sin descompresión. Los buques no tripulados pueden tener equipos electrónicos sensibles y delicados que deben mantenerse secos y aislados de la presión externa. Independientemente de la naturaleza de la embarcación o de los materiales utilizados, los recipientes a presión casi siempre se construyen en formas esféricas, cónicas o cilíndricas, ya que éstas distribuyen las cargas de manera más eficiente para minimizar la tensión y la inestabilidad por pandeo. [33]
El procesamiento del material elegido para construir vehículos de investigación sumergibles guía gran parte del resto del proceso de construcción. Por ejemplo, la Agencia Japonesa para la Ciencia y Tecnología Marina-Terrestre (JAMSTEC) emplea varios Vehículos Submarinos Autónomos (AUV) con una construcción variada. Los metales más comúnmente utilizados para construir los recipientes de alta presión de estas embarcaciones son aleaciones forjadas de aluminio, acero y titanio. [33] El aluminio se elige para operaciones de profundidad media donde no es necesaria una resistencia extremadamente alta. El acero es un material extremadamente bien entendido que se puede ajustar para tener una increíble resistencia al límite elástico y tensión de fluencia . Es un material excelente para resistir las presiones extremas del mar, pero tiene una densidad muy alta que limita el tamaño de los recipientes a presión de acero debido a preocupaciones de peso. [33] El titanio es casi tan fuerte como el acero y tres veces más ligero. Parece la opción obvia para usar, pero tiene varios problemas propios. En primer lugar, es mucho más costoso y difícil trabajar con titanio, y el procesamiento inadecuado puede provocar fallas importantes. Para añadir características como ventanas a un recipiente a presión, se deben utilizar operaciones de mecanizado delicadas, que conllevan un riesgo en el titanio. [34] El Deepsea Challenger , por ejemplo, utilizó una esfera de acero para albergar a su piloto. Se estima que esta esfera puede soportar 23.100 psi de presión hidrostática, lo que equivale aproximadamente a una profundidad oceánica de 52.000 pies, mucho más profunda que Challenger Deep. Se utilizaron esferas de titanio más pequeñas para albergar muchos de los componentes electrónicos del buque, ya que el tamaño más pequeño reducía el riesgo de una falla catastrófica. [35]
Los metales forjados se trabajan físicamente para crear las formas deseadas, y este proceso fortalece el metal de varias maneras. Cuando se forja a temperaturas más frías, también conocido como trabajo en frío , el metal sufre un endurecimiento por deformación . Cuando se forja a altas temperaturas, o trabajo en caliente , otros efectos pueden fortalecer el metal. Las temperaturas elevadas permiten trabajar más fácilmente la aleación, y la posterior disminución rápida de la temperatura mediante el temple fija en su lugar los elementos de aleación. Estos elementos luego forman precipitados, que aumentan aún más la rigidez.
En 1974, el Alvin (operado por la Institución Oceanográfica Woods Hole y el Centro de Investigación Deep Sea Place), el batiscafo francés Archimède y el platillo de buceo francés CYANA , asistidos por barcos de apoyo y el Glomar Challenger , exploraron el gran valle del rift de la dorsal mesoatlántica , al suroeste de las Azores . Se tomaron alrededor de 5200 fotografías de la región y se encontraron muestras de magma solidificado relativamente joven a cada lado de la fisura central del valle del rift, lo que proporciona una prueba adicional de que el fondo marino se extiende en este sitio a una velocidad de aproximadamente 2,5 centímetros (1,0 pulgadas) por año (véase tectónica de placas ). [36]
En una serie de inmersiones realizadas entre 1979 y 1980 en la grieta de las Galápagos , frente a la costa de Ecuador , científicos franceses, italianos, mexicanos y estadounidenses encontraron respiraderos de casi 9 m (30 pies) de alto y unos 3,7 m (12 pies) de ancho, que descargaban una mezcla de agua caliente (hasta 300 °C, 572 °F) y metales disueltos en columnas oscuras similares al humo (véase respiradero hidrotermal ). Estas fuentes termales desempeñan un papel importante en la formación de depósitos enriquecidos con cobre , níquel , cadmio , cromo y uranio . [36] [37]
Se han recogido numerosas muestras biológicas durante las exploraciones en aguas profundas, muchas de las cuales han proporcionado hallazgos e hipótesis nuevos para la ciencia. [38] Por ejemplo, las muestras microbiológicas de las profundidades del mar Tirreno recogidas en campañas oceanográficas de la Comisión Científica del Mediterráneo han confirmado la importante contribución de las bacterias y los virus marinos a la productividad batipelágica y, en particular, el papel desempeñado por las arqueas autótrofas y oxidantes de amoníaco a este respecto. [39]
La exploración de las profundidades marinas ha cobrado un nuevo impulso debido al creciente interés en los abundantes recursos minerales que se encuentran en las profundidades del fondo oceánico , descubiertos por primera vez en el viaje de exploración del Challenger en 1873. El creciente interés de los estados miembros de la Autoridad Internacional de los Fondos Marinos ha llevado a que se lleven a cabo 18 contratos de exploración en la zona de fractura Clarion Clipperton del Océano Pacífico . [40] El resultado de la exploración y la investigación asociada es el descubrimiento de nuevas especies marinas , así como de microbios microscópicos que pueden tener implicaciones para la medicina moderna . [41] Las empresas privadas también han expresado interés en estos recursos. Varios contratistas en cooperación con instituciones académicas han adquirido 115.591 km2 de datos batimétricos de alta resolución , 10.450 muestras biológicas preservadas para su estudio y 3.153 km de línea de imágenes del fondo marino que ayudan a obtener una comprensión más profunda del fondo oceánico y su ecosistema . [42]
