Viac

9.10: Štúdium morského dna - geovedy

9.10: Štúdium morského dna - geovedy


Batymetrická mapa portorického výkopu.

Oceánografi radi hovoria, že o temnej strane Mesiaca vieme viac, ako o oceánoch. Toto tvrdenie platí dvojnásobne o morskom dne. Napriek tomu, že nám moderná technológia umožnila dozvedieť sa viac o morskom dne, rozsiahle oblasti zostávajú nepreskúmané. Potápači sa môžu potápať iba do asi 40 metrov a nemôžu tam dlho zostať. Aj keď je to dobré na výskum organizmov a ekosystémov veľmi blízko pobrežia, väčšina oceánskych výskumov vyžaduje prístup do väčších hĺbok.

Mapovanie

V kapitole Plate Tectonics ste sa dozvedeli, že ozvučnice určené na lokalizáciu nepriateľských ponoriek umožnili vedcom vytvárať batymetrické mapy morského dna. Pred týmto pokrokom mapovali prieskumníci malé množstvo morského dna tým, že usilovne zhodili čiaru cez bok lode, aby naraz zmerali hĺbku na jednom malom mieste.

Odber vzoriek na diaľku

Na pochopenie chémie oceánov sú potrebné vzorky morskej vody z rôznych hĺbok vodného stĺpca. Na tento účel sa fľaše umiestnia pozdĺž kábla v pravidelných hĺbkach a zatvoria sa, keď sa po kábli spustí závažie. Vodu uväznenú vo fľaši je možné analyzovať neskôr v laboratóriu. Vedci sa tiež zaujímajú o zber vzoriek hornín a sedimentov z morského dna. Bagr je obrovské obdĺžnikové vedro, ktoré ťaháte za loď a zbierate uvoľnené kamene. Gravitačné jadrá sú kovové trubice, ktoré padajú na morské dno a narezávajú sa do sedimentov, aby zozbierali vzorku. Výskumné plavidlo, Joides Resolution, vŕta hlboko do morského dna, aby zozbieralo vzorky sedimentu a oceánskej kôry. Vedci analyzujú vzorky na chémiu a paleomagnetizmus.

Ponorné

Vzorky morskej vody a hornín môžu vedci zbierať priamo v a ponorné. Tieto ponorky môžu vedcov stiahnuť k pozorovaniu a ponorky majú zbrane na zber vzoriek. Ponorný Alvin je HOV, vozidlo ovládané ľuďmi. Alvin sa môže potápať až do 4 500 m pod hladinou oceánu a od roku 196 urobil viac ako 4 000 ponorov. Ostatné ponorné člny sa môžu potápať hlbšie.

Prezrite si prezentáciu DSV Alvina a jeho históriu z oceánografického ústavu Woods Hole

Diaľkovo ovládané vozidlá

Aby sa predišlo nákladom, nebezpečenstvám a obmedzeniam ľudských misií pod morom, diaľkovo ovládaných vozidiel alebo ROV, umožnite vedcom študovať hĺbky oceánu pomocou malých dopravných prostriedkov s kamerami a vedeckými prístrojmi. ROV boli použité na štúdium Titanicu, ktorý by bol príliš nebezpečný na to, aby sa do neho mohol dostať ponorka s posádkou. Vedci riadia ROV elektronicky pomocou sofistikovaných operačných systémov.

Prvok YouTube bol z tejto verzie textu vylúčený. Môžete si ho pozrieť online tu: http://pb.libretexts.org/pg/?p=194

Prvok YouTube bol z tejto verzie textu vylúčený. Môžete si ho pozrieť online tu: http://pb.libretexts.org/pg/?p=194


9.10: Štúdium morského dna - geovedy

Východný Pacifik
Expedícia 2:
27. januára a 8. februára 2000

Mapa umiestnenia znázorňujúca taniere Pacific a Cocos a východný pacifický vzostup (tučné červené čiary) a hranicu hrebeňovej dosky v strede oceánu, kde sa platne oddeľujú. Čierne čiary, ktoré kompenzujú hrebeň, sú transformačné chyby, miesta, kde sa dosky navzájom posúvajú.

Dive & amp Discover & rsquos Druhá plavba vás zavedie asi 500 míľ južne od mexického Manzanilla na hrebeň East Pacific Rise, sopečný hrebeň, kde sa neustále vytvára kôra Zeme. Rozprestieranie morského dna každoročne oddeľuje tichomorskú dosku od kokosovej platne rýchlosťou 11 centimetrov (asi 5 palcov). Pod tropickými vodami východného Pacifiku sa nachádza pohorie tvorené mnohými aktívnymi sopkami vybuchujúcimi lávou, ktoré tvoria horných 500 metrov (asi 1 640 stôp) zemskej a rsquosovej kôry. Lávové prúdy majú zvláštne a nádherné tvary. Niektoré vyzerajú, ako by boli vytlačené z tuby zubnej pasty, aby vytvorili dlhé valce s hlbokými ryhami, iné tvoria veľké, popraskané vankúše skaly, ktoré vyzerajú ako preplnené pohovky, dokonca sa tu nachádzajú lávové prúdy, ktoré vyzerajú ako lanové víry z čierneho taffy.

Ako tieto lávy vznikli? Kedy vybuchli? Ako sa budujú a vytvárajú oceánsku kôru Zeme? Ako súvisia hydrotermálne prieduchy, ako tie, ktoré boli študované počas prvej plavby Dive & amp Discover & rsquos s Guaymas Basin, s týmito podmorskými erupciami a prúdmi lávy?

Počas Dive & amp Discover & rsquos Cruise 2 využijú vedci, inžinieri a študenti z niekoľkých univerzít Alvin, vyzbrojený veľmi citlivými nástrojmi, aby našiel odpovede na tieto otázky. V noci, kým AlvinBatérie & rsquos sa nabíjajú, budú tiež ťahať za loďou špecializované kamerové sane, ktoré majú digitálny fotoaparát na fotografovanie sopečného morského dna. Pomôže im to zmapovať morské dno a porozumieť tomu, ako a kde láva vybuchuje hlboko v oceáne a ako sa hromadí a vytvára oceánsku kôru.

Výskum na tomto mieste o východnom Pacifiku vzrástol v roku 1989, keď sa doktor Dan Fornari z oceánografického ústavu Woods Hole (WHOI) a prof. Rachel Haymon z Kalifornskej univerzity v Santa Barbare vybrali na vrchol East Pacific Rise medzi 9 & degN a 10 & degN Latitude na mapovanie hrebeňového hrebeňa v strede oceánu pomocou vlečeného kamerového a sonarového systému s názvom Argo [Kliknutím sem sa dozviete viac o Argo]. Na tejto plavbe našli mnoho hydrotermálnych prieduchov a dôkazov o veľkej sopečnej erupcii, ktorá pokryla niekoľko kilometrov hrebeňového hrebeňa novou, vankúšovou čiernou lávou. V roku 1991 sa vrátili potápať na hrebeň East Pacific Rise, aby vyskúšali hydrotermálne prieduchy a lávu. To, čo zistili, ich šokovalo! Keď sa ponorili na morské dno Alvin„Uvedomili si, že prebieha podmorská sopečná erupcia a že horúca nová láva pokryla morské dno a pokryla niektoré hydrotermálne prieduchy, ktoré videli iba pred 2 rokmi, so systémom Argo, dokonca aj varenie niektorých rúrkových červov!

Tím geológov a geofyzikov vedený Danom Fornarim a Jimom Cochranom z observatória Zeme Lamont-Doherty sa teraz vracia na East Pacific Rise s Alvin študovať a vzorkovať lávové prúdy a hydrotermálne prieduchy. Budú používať citlivé nástroje na meranie veľmi malých zmien gravitácie Zeme a rsquos a magnetických polí, ktoré im pomôžu dozvedieť sa o oceánskej kôre a láve, ktorá ju tvorí. Rovnako ako lekár pomocou stetoskopu, aby zistil, čo sa deje v ľudskom tele-lekárske diaľkové snímanie-Dan, Jim a ich kolegovia budú na štúdium zemskej a rsquosskej oceánskej kôry používať geofyzikálne diaľkové snímanie.

Pripojte sa k nim pri skúmaní sopečného morského dna Východného Pacifiku a pokúste sa pochopiť, čo je pod ním - vo vnútri oceánskej kôry, a sledujte biologické a chemické zmeny v hydrotermálnych prieduchoch od erupcie v roku 1991.

Ciele
Čo je to geofyzika
Geofyzika je štúdium Zeme pomocou fyzikálnych princípov. Geofyzik je niekto, kto používa nástroje, aby im povedal o Zemi, a nie aby ich robil z prvej ruky. Tieto techniky, napríklad pomocou rýchlosti zvuku v rôznych vrstvách Zeme alebo štúdia gravitácie Zeme a rsquos a magnetických polí, im pomáhajú porozumieť vnútornej štruktúre planéty. Použitím týchto metód dokázali geofyzici povedať, čo je & ldquoanatomy & rdquo Zeme. Geofyzika je jednou z najdôležitejších metód na pochopenie toho, kde dochádza k zemetraseniam a ako pomôcť predchádzať alebo minimalizovať škody, ktoré v mestách, ako je Los Angeles, spôsobujú. Geofyzika je tiež dôležitým nástrojom, ktorý pomáha vedcom a inžinierom nájsť ropu a plyn.

Pohľad na Zem - geofyzika je kľúčom!
Ako vidíte vnútro Zeme? Na súši môžete vykopať priekopu a pozrieť sa na vrstvy sedimentu, pozrieť sa na stranu útesu, aby ste videli vrstvy hornín a ako sú zložené, alebo ísť dole do bane, aby ste videli skaly vo vnútri kôry. Na stredooceánskom hrebeni je pohľad do vnútra Zeme oveľa ťažší. Po prvé, medzi vami a skalami vystavenými na morskom dne je 2500 metrov (8200 stôp) morskej vody. Alvin umožňuje vedcom zostúpiť na morské dno, vykonávať pozorovania a vzorkovať skaly, ale získať informácie o tom, čo sa nachádza pod morským dnom, je ťažšie - potrebujete na to rôzne nástroje a techniky. Práve tu prichádza na rad geofyzika!

Ciele
Vedci na tejto plavbe použijú dve rôzne geofyzikálne merania na zistenie hornej časti oceánskej kôry na východe Tichého oceánu v blízkosti 9 ° 37 a rsquoN zemepisnej šírky. Vedci použijú dva typy elektronických prístrojov- jeden na meranie malých odchýlok v gravitačnom poli Zeme a rsquos a druhý na meranie malých odchýlok v magnetickom poli pozdĺž osi východu Pacifiku. Tiež nasnímajú tisíce digitálnych fotografií morského dna Alvin a vlečené kamerové sane, aby mohli vytvárať podrobné mapy sopečného terénu a spájať ich s gravitáciou a magnetikou. Tieto informácie alebo údaje im spoločne pomôžu zodpovedať tieto otázky:

  • Ako sa v priebehu času hromadia lávové toky na morskom dne a vytvárajú oceánsku kôru?
  • Láva vždy vybuchne na tom istom mieste v osi hrebeňa?
  • Keď praskne, ako ďaleko prejde od pukliny alebo praskliny, kde začala?
  • Čo sa stane s hlbokomorskými hydrotermálnymi prieduchmi, keď dôjde k sopečnej erupcii?

Hypotéza k testu
1. Vzor hrádzí alebo podávačov, ktoré dodávajú lávu morskému dnu z komory magmy pod osou East Pacific Rise, je možné mapovať pomocou gravitácie a magnetických údajov zozbieraných v blízkosti morského dna pomocou Alvin.

& copy 2010 Dive and Discover ™. Dive and Discover ™ je registrovaná ochranná známka spoločnosti
Oceánografická inštitúcia Woods Hole


Možnosti prístupu

Získajte plný prístup k denníku na 1 rok

Všetky ceny sú ČISTÉ ceny.
DPH bude pripočítaná neskôr pri pokladni.
Výpočet dane bude dokončený pri pokladni.

Získajte na ReadCube časovo obmedzený alebo úplný prístup k článkom.

Všetky ceny sú ČISTÉ ceny.


9.10: Štúdium morského dna - geovedy

Väčšina taveniny v rýchlo sa šíriacej kôre East Pacific Rise (EPR) pri 9-10 ° severnej šírky leží v 4-6 km širokej a 2-4 km vysokej dolnej časti kôry v čiastočnej zóne taveniny zistenej štúdiami seizmického a morského dna. Nevieme však, koľko taveniny existuje, ani ako je skladovaná a/alebo prepravovaná, pretože rôzne kombinácie teploty, frakcie taveniny, geometrie taveniny a zloženia hornín môžu mať rovnakú rýchlosť kompresnej vlny. Údaje o rýchlosti kompresnej vlny v celej kôre a zhode morského dna boli zozbierané a oddelene interpretované pri 9 ° 30 ′ severnej šírky v EPR. Údaje o rýchlosti kompresných vĺn boli interpretované tak, aby indikovali až 10% až 38% taveniny v dolnej kôre, v závislosti od geometrie taveniny a dôležitosti anelasticity [Dunn et al., 2000], ale táto interpretácia zohľadňuje iba podmnožina možných geometrií taveniny a nezohľadňuje citlivosť generácie taveniny na zloženie hornín. Skúmame rozsah možných množstiev a geometrií taveniny modelovaním čo najširšieho spektra geometrií taveniny a testovaním účinku variácií zloženia a geometrie taveniny s hĺbkou. Najprv určíme veľký modelový priestor, ktorý zodpovedá modelu rýchlosti kompresnej vlny podľa Dunna a kol. [2000]. Tento modelový priestor potom zmenšíme porovnaním šmykového modulu s nízkou frekvenciou (0,01 Hz) vypočítaného pre každý model s nameranou zhodou morského dna. Merania komfortu morského dna sú citlivé na modul šmyku kôry pri frekvenciách medzi 0,003 a 0,03 Hz a vzťah medzi týmto modulom šmyku a rýchlosťou kompresnej vlny pri seizmických frekvenciách (10-15 Hz) závisí od zloženia hornín, geometrie taveniny a dôležitosť anizotropie. Predstavujeme nový modelový priestor a diskutujeme o jeho dôsledkoch na nárast kôry v East Pacific Rise.


Prečo webový GIS nemusí stačiť:Prípadová štúdia s nádobou na virtuálny výskum

Počas niekoľkých desaťročí skúmania skúmalo centrum šírenia morského dna East Pacific Rise na ostrove 9-10 °N morskí geológovia, chemici geofyzikov a biológovia a ukázalo sa, že je jednou z najlepšie študovaných sekcií globálneho hrebeňa v strede oceánu. Je to príklad regiónu, pre ktorý je v súčasnosti veľké množstvo pozorovacích údajov, výsledkov a teoretických štúdií založených na dátach. Tieto však ešte musia naplno využiť, buď vedci z výskumu, alebo pedagógovia. Kým sa situácia zlepšuje, veľké množstvo údajov, výsledkov a súvisiacich teoretických modelov stále existuje buď v inertnej, neinteraktívnej forme (napr. Časopisové publikácie), alebo ako neprepojené a v súčasnosti nekompatibilné počítačové údaje alebo algoritmy. Tu je prototyp výpočtového prostredia a sady nástrojov, nazývaný Virtuálna výskumná nádoba, na zlepšenie situácie tým, že námorným vedcom a pedagógom poskytne súčasný prístup k údajom, mapám a numerickým modelom. Aj keď je infraštruktúra požadovaná a potrebná pre rýchly prístup k údajom a výsledným mapám prostredníctvom webového GIS, aby sa prepojili rôzne súbory údajov (údaje k údajom), tvrdí sa, že údaje musia byť tiež prepojené s modelmi na lepšie skúmanie nových vzťahov medzi pozorovateľné, spresnenie numerických simulácií a kvantitatívne vyhodnotenie vedeckých hypotéz. Pre rozsiahly prístup k údajom je preto webový GIS len predbežným krokom a nie konečným riešením a prebiehajúca implementácia virtuálnej výskumnej nádoby (konečné dokončenie je naplánované na roky 2004- 2005) je prípadovou štúdiou komunity stredooceánskych hrebeňov, ktorá má otestovať účinnosť prechodu od režimu „údaje k údajom“ k „údajom k modelom“ a „údajom k interpretácii“.

Kľúčové slová: webový GIS, výpočtové prostredie, mapovanie a prieskum, šírenie morského dna, stredooceánske chrbty, interdisciplinárna veda

Výskum vo vedách o Zemi bežne prináša množstvo pozorovacích údajov a výsledkov z rôznych odborov vrátane geológie, geofyziky, chémie, teoretickej mechaniky tekutín a biológie. Pokiaľ ide o morské geologické a geofyzikálne štúdie zamerané na zemeguľu obopínajúcu stredooceánsky hrebeň, zbierky údajov o lodnej multibeamovej batymetrii, sidecan sonare, fotografických a video snímkach, viackanálovej seizmike a podobne rýchlo rastú (obrázok 1) ). Najnovšie mapovacie systémy s vysokým rozlíšením poskytujú digitálne obrázky morského dna v rozlíšení pixelov v metroch a môžu generovať údaje na mori rádovo v gigabajtoch za deň (Smith et al., 2001).



Kliknutím na obrázok zobrazíte rozbalené zobrazenie

POSTAVA 1 Rast držby digitálnych údajov o morských geofyzikálnych údajoch (predovšetkým viacvrstvová a traťová batymetria, topografia morského dna zo satelitnej altimetrie, gravitácia a magnetika) v Národnom geofyzikálnom dátovom centre (NGDC) od roku 1990 (po Smith et al., 2001). Prerušované čiary ukazujú časy zdvojnásobenia údajov 9, 17 a 33 mesiacov.

Východný pacifický vzostup (EPR) s 9-10 ° severnej šírky je v súčasnosti jednou z najlepšie študovaných sekcií globálneho hrebeňa v strede oceánu (obrázok 2). Niekoľko desaťročí palubného vyšetrovania celým spektrom vyšetrovateľov hrebeňov vrátane geológov, geofyzikov, chemikov a biológov viedlo k množstvu pozorovacích údajov, výsledkov a teoretických (často numerických) štúdií založených na dátach. Väčšina týchto údajov a informácií však ešte nebola úplne využitá, či už samotnými vedcami výskumu alebo profesionálnymi pedagógmi. Väčšina z nich existuje buď v inertnej, neinteraktívnej forme (napr. Časopisové publikácie), alebo ako neprepojené a nekompatibilné súbory údajov, algoritmy a modely. Vedci v oblasti stredooceánskych hrebeňov urobili prvé kroky v archivácii údajov, ale iba zber verejne dostupných údajov nebude postačovať. Vedci budú potrebovať širokú škálu sofistikovanej podpory programovania, aby koordinovali nielen prístup a používanie údajov, ale aj súvisiace výpočtové nástroje a numerické modely v rámci distribuovaných počítačových sietí.


Kliknutím na obrázok zobrazíte rozbalené zobrazenie

OBRÁZOK 2 Trojrozmerná vizualizácia batymetrických údajov z East Pacific Rise, 9-10 °N. Vizualizácia vyvinutá z mriežky s veľkosťou bunky 80 m, zvislé prehnanie je 20x. Vložená mapa vpravo hore zobrazuje polohu regiónu vzhľadom na Mexiko a Baja California. Plné čiary sledujú os malej šípky a obdĺžnika East Pacific Rise znázorňujú polohu segmentu 9- 10 a#176N.

Aby sme uviedli príklad, dve témy, ktoré sú osobitne zaujímavé pre vyšetrovateľov EPR, boli fyzická štruktúra axiálnych magmatických komôr a povaha hydrotermálnej konvekcie. Štúdie týchto procesov prebiehali do značnej miery nezávisle na sebe. Seizmológovia boli napríklad zapojení do zobrazovania seizmickej rýchlosti a útlmu nárastu v snahe zmapovať priestorové rozmery a fyzikálne vlastnosti systému kôrovej magmy, ako je teplota a frakcia taveniny (Toomey et al., 1990, 1994). . Zatiaľ čo geológovia a chemici boli rovnako zaneprázdnení mapovaním povrchovej expresie a chémie aktívnych vetracích polí (Haymon et al., 1991 Von Damm, 2000), z ktorých sa pokúšajú odvodiť povahu hydrotermálnej cirkulácie v hĺbke (napr. hlboko a v akej geometrii prenikajú tekutiny do kôry? Cochran a Buck, 2001 Davis a kol., 1996). Takéto nezávisle vedené štúdie sú spojené spoločným procesom: interakciou hydrotermálnych tekutín s vyvíjajúcim sa magmatickým systémom.

Doteraz boli vyvinuté iba numerické modely axiálnej tepelnej štruktúry prvej generácie (napr. Dunn et al., 2000). Navyše tieto modely ešte neboli použité na kvantitatívne prepojenie ich numerických predpovedí so seizmickými, geologickými alebo chemickými pozorovaniami. Aj keď realistický model interakcií hydrotermálnej a magmatickej komory bude vyžadovať roky pokračujúceho výskumu, vývoju tohto modelu výrazne pomôže výskumné prostredie, ktoré umožňuje explicitné prepojenie modelov a údajov. Napriek tomu však vývoj nových numerických modelov presahuje rámec projektu VRV, ktorý je určený predovšetkým ako testovacie miesto pre existujúce modely.

Seizmológovia nedávno predpovedali tepelnú štruktúru kôry z podrobných tomografických snímok (Dunn et al., 2000 Obrázok 3). Seizmicky predpovedané izotermy poskytujú obmedzenie numerických modelov, ktoré ešte nebolo úplne využité. Konkrétne sa predchádzajúce tepelné modely pokúsili prispôsobiť iba hĺbku šošovke taveniny kôry, za predpokladu, že jej šírka bola pevná a že konvekčné procesy je možné napodobniť zvýšenou tepelnou vodivosťou. Na skúmanie dôsledkov týchto predpokladov by sa mohol použiť prepojený numerický experiment, experiment, ktorý kvantitatívne kombinuje seizmické a numerické predpovede. Takéto experimenty môžu pomôcť pochopiť, čo riadi šírku komôrok magmy a/alebo do akých hĺbok prenikajú hydrotermálne tekutiny. Tento príklad je typický pre typy výskumu, ktoré by bolo možné podporovať v databázovom prostredí, ktoré umožňuje spájanie rôznych typov údajov a modelov. Model, ktorý predpovedá teplotu, stres, chemické toky atď., Má veľký potenciál stať sa ťažkopádnym, pokiaľ ho nemožno efektívne overiť na základe skutočných pozorovateľných.


Kliknutím na obrázok zobrazíte rozbalené zobrazenie

OBRÁZOK 3 Batymetria morského dna a výsledky seizmického tomografického zobrazovania na vzostupe východného Pacifiku na 9´#17630'N (z projektu TIERRA a Dunn et al., 2000). Seizmická tomografia vzorkuje vnútro Zeme prostredníctvom zemetrasných vĺn zaznamenaných seizmickými nástrojmi. Anomálie rýchlosti sú zobrazené v intervaloch obrysu 0,2 km/s a šípky v horizontálnej rovine označujú orientáciu rýchlej osi anizotropie (vlastnosti ako teplota, deformácia a tavenina sa líšia v rôznych smeroch). „Deval“ znamená odchýlku v osovej linearite, ktorá môže ovplyvniť distribúciu magmy na morskom dne pozdĺž osi stúpania.

Tento článok popisuje dôvody prototypu výpočtového prostredia s názvom Virtual Research Vessel (VRV), ktoré obsahuje webový GIS (na prezeranie, načítavanie a výber podmnožín údajov), ale aj samostatný systém správy relačných databáz (RDBMS) a programovanie aplikácií. rozhrania (API) na podporu spájania numerických modelov. Cieľom takéhoto výpočtového prostredia je umožniť vedcom vykonávať interdisciplinárne experimenty, ktoré počítačovo prepájajú nesúrodé údaje a/alebo numerické simulácie, a tým poskytnúť bezprecedentné schopnosti skúmať nové vzťahy medzi pozorovateľnými, kvantitatívne hodnotiť hypotézy a dokonca zdokonaľovať numerické simulácie. Ďalším cieľom je schopnosť výskumných pracovníkov budovať autonómne modely komplexných javov z existujúcich modelov izolovaných javov. Prototyp, ktorý práve prebieha, poskytuje prípadovú štúdiu pre komunitu mapujúcu hlboké oceány o tom, či toto spojenie bude fungovať k dosiahnutiu požadovaného cieľa, a v súčasnosti sa zapracovávajú vstupné a testovacie databázy komunity. Keďže sa dve ďalšie hlavné súčasti VRV uvádzajú do režimu online a sú prepojené s webovým rozhraním GIS, budú publikované následné články popisujúce výsledky prepojenia všetkých troch technológií.

Dôležitým prvým krokom je identifikácia údajov, ktoré musia byť prístupné komunite stredooceánskych hrebeňov, a potom poskytnutie fyzického prístupu k údajom. Súčasný súpis údajov identifikovaných spoločnosťou EPR a ďalšími výskumníkmi hrebeňov v stredných oceánoch (napr. Smith a kol., 2001 Haymon a kol., 1998 Wright a kol., 1997 Wright a McDuff, 1998) zahŕňa: a) geológiu morského dna, vrátane umiestnenia vetracích otvorov, batymetrie záberu, kamerových pozorovaní, údajov o bočnom skenovaní SeaMARC II, HMR-1 alebo DSL-120, vlečných kamier a videa Argo I a Argo II (b) chemických údajov zo vzoriek hydrotermálnych prieduchov alebo hornín (c) geofyzikálnych výsledkov , vrátane máp kôrovej litológie, polohy, hĺbky a charakteru osového reflektora magmatickej komory, hrúbky kôry, seizmickej rýchlosti d) fyzikálne vlastnosti odvodené z geologických a geofyzikálnych údajov vrátane hustoty hornín, teploty alebo pórovitosti a e) biologického otvoru komunitné distribúcie.

Na to, aby sme sa priblížili k efektívnemu využívaniu údajov na výpočtové analýzy, je vybudovanie spoločne uznávaného dátového modelu tiež nevyhnutné pre komunitnú databázu, ako ukazuje komunita molekulárnej biológie (Goodman et al., 1995). Okrem formátu údajov je potrebné definovať aj to, aké metadáta sa budú archivovať a ako sa bežne kódujú hodnoty a kľúčové slová alebo tezauri (napr. Štandard metadát Federálneho výboru pre geografické údaje (FGDC) alebo dlhodobá ekologická norma National Science Foundation (NSF) Pokyny pre metadáta výskumu, ktoré sú založené na štandarde FGDC), budú spravované. Tieto tri komponenty (požiadavky na údaje, dátový model a požiadavky na metaúdaje) nevyhnutné na vybudovanie databázovej infraštruktúry sú blízke architektonickému plánu pre výstavbu databázy (Cushing et al., 1994, 1997).

Aj napriek takýmto návrhovým dokumentom však základné výpočtové prostredie pre údaje o hrebeňoch stredného oceánu nemožno skonštruovať so súčasnou technológiou, pretože jedna technológia sama osebe v súčasnosti nemôže spĺňať potreby komunity stredooceánskych hrebeňov. Podporujú to odporúčania nedávneho workshopu NSF, ktoré identifikovali hlavné problémy brániace využívaniu multidisciplinárnej spolupráce vo vedeckej analýze, najmä nedostatok technológie na sprístupnenie informácií na účely interpretácie a zdieľania (Patrikalakis, 1998). Ďalšou výzvou je, že komerčné databázové systémy, ktoré sú k dispozícii výskumným pracovníkom, boli v skutočnosti navrhnuté a postavené pre obchodné aplikácie, nie pre vedu, a preto vyžadujú ďalšie funkcie vhodné pre vedcov. To sa však pomaly zlepšuje, so zavedením revízií, ako je napríklad Oracle 9, ktoré teraz dokážu spracovať priestorové údaje. Vedci v oblasti stredooceánskych hrebeňov budú nakoniec musieť hladko prechádzať medzi rôznymi komponentmi systému, medzi GIS a funkčnými údajmi bez toho, aby boli odborníkmi na GIS. Také „lepidlo“ nie je komerčne dostupné.

Hoci GIS existuje viac ako tri desaťročia, vývoj webového GIS je fenoménom poslednej doby. Obrovská popularita internetu okolo roku 1995 podnietila vývoj nových zdrojov pre sieťové prepojenie údajov GIS. Rozmanitosť a typy distribuovaných geografických informačných aplikácií odvtedy rástli a pozostávali z formátov od statických a dynamických mapových obrázkov až po pokročilejšie webové GIS, ktoré ponúkajú väčšiu funkcionalitu (Xue et al., 2002). S rozvojom webového GIS sa internet stáva portálom pre funkcie GIS a distribúciu údajov. Tento vývoj sleduje prirodzený postup zvyšovania účinnosti v GIS (Chueng, 2001), ale ako je uvedené nižšie, je tiež vystavený niektorým tým istým výzvam. Verzie webového GIS sa neustále zdokonaľujú, od jednoduchých schopností prezerania údajov až po vykonávanie priestorovej analýzy a spolupráce v reálnom čase zo vzdialených miest (Plewe, 1997). Mnoho odborníkov skutočne predpovedá, že webový GIS sa môže nakoniec stať dominantným formátom pre prístup k GIS (Longley et. Al. 2001 Xue et al., 2002), čo je problém, ktorý bol pri vývoji VRV zohľadnený ako počiatočný dátový portál pre vedeckú komunitu EPR.

Pri súčasnej úrovni funkčnosti webového GIS je tento koncept ideálny na použitie namiesto úplného programu GIS pre používateľov, ktorí majú iba jednoduché potreby GIS. Poskytuje metódu pre ľudí, ktorí nemajú hlboké znalosti GIS, na zobrazenie údajov špecifických pre oblasť záujmu pomocou zjednodušeného rozhrania, ktoré si tvorca stránky môže prispôsobiť tak, aby vyhovoval konkrétnym potrebám. Plný GIS vyžaduje lokálnu inštaláciu a licencovanie drahého softvéru, ako aj výkonného hardvéru so značným úložným priestorom pre veľmi veľké množiny údajov GIS.

VRV web GIS je založený na ESC ArcIMS v. 3.1 a beží na 800 Mhz, Windows 2000 Dell Precision Workstation220, s 384 Mb RAM v 2 procesoroch. Webový server je Apache 1.3.23 s Jakarta Tomcat Servlet Engine a Java ‰ 2 SDK s Java Runtime Environment. Základná štruktúra ArcIMS pozostáva z funkcií server (distribútor) a klienta (divák), okrem webového servera, servletového motora a webového prehliadača na konci klienta (obrázok 4). Priestorový server ArcIMS je miestom, kde sa spracúvajú všetky požiadavky klientov, zatiaľ čo aplikačný server ArcIMS funguje ako sekretár, ktorý spracováva žiadosti a sleduje, aké služby a kde sú spustené. Konektory ArcIMS sú napísané v ArcXML, variácii na jazyk Extensible Markup Language (XML), na štruktúrovanie údajov a uľahčenie komunikácie medzi webovým serverom a aplikačným serverom ArcIMS. ArcIMS Manager je webové rozhranie, kde sa vytvárajú MapServices (súbory, ktoré ukladajú priestorové údaje určené na zobrazenie online), navrhujú sa webové stránky a spravuje sa web. Sady údajov použité na vytvorenie služby MapService môžu byť uložené ako textové súbory ASCII v systéme alebo prostredníctvom Arc Spatial Database Engine (ArcSDE). Nakoniec prehliadač ArcIMS určuje, ako sa bude webová stránka zobrazovať, a to buď pomocou zobrazovača HTML, ktorý je prístupný pre všetky prehliadače, ale s obmedzenou funkčnosťou, alebo pomocou prehliadača Java, s väčšou funkčnosťou, ale obmedzenejšou prístupnosťou prehliadača (klienti musia mať doplnok Java -in ktorý najlepšie funguje v systéme Windows 2000 Internet Explorer). O'Dea (2002) poskytuje ďalšie podrobnosti o inštalácii webového GIS, funkcionalite a dizajne stránok.

OBRÁZOK 4 Všeobecná architektúra ArcIMS (po Výskumnom ústave environmentálnych systémov, 2000).

Obrázok 5 ukazuje príklad toho, ako webový GIS, podobný svojmu nadradenému systému GIS pre stolné počítače, poskytuje možnosť priestorovo organizovať, získavať a zobrazovať údaje, čo umožňuje vedcom integrovať niekoľko databáz do jedného georeferencovaného systému. Je možné vytvárať logické dotazy a vidieť priestorové vzťahy medzi rôznymi vrstvami alebo témami údajov. To poskytuje rýchly, „nezištný“ a logický spôsob šírenia znalostí do komunity s cieľom rýchlej reakcie na budúce udalosti na vyvýšenine v strede oceánu, ako sú megaplumes alebo sopečné erupcie naznačované seizmickými udalosťami. Táto súčasť VRV má byť pre vedcov EPR prieskumným nástrojom na zobrazenie jednoduchých priestorových vzťahov medzi rôznymi súbormi údajov, z ktorých mnohé im môžu byť stále cudzie. Biológovia ventilových ventilov napríklad nemusia byť oboznámení s chemickými alebo geologickými údajmi, ktoré sa nachádzajú v blízkosti miest, z ktorých odobrali vzorky na morské dno pomocou ponorného zdroja. Alebo geofyzici môžu chcieť vykresliť epicentrá zemetrasenia spod morského dna v čase, všimnúť si zoskupenie týchto udalostí a ako toto zoskupenie môže súvisieť s umiestnením a teplotami hydrotermálnych prieduchov na samotnom morskom dne.


Kliknutím na obrázok zobrazíte rozbalené zobrazenie

OBRÁZOK 5 Príklad prototypu webového GIS pre VRV s použitím ArcIMS spoločnosti ESRI na zabezpečenie súčasného prístupu k údajom z webového servera a k miestnym údajom z desktopového klienta, streamovanie vektorov namiesto pixelov pre lepšie vyzerajúce mapy a funkcie pre priestorový dotaz a analýza. Údaje pochádzajú z EPR (Haymon a kol., 1991 Kurras a kol., 1999 a Wright a kol., 1995), ako aj zo segmentu Endeavour hrebeňa Juan de Fuca v severovýchodnom Pacifiku (Wright a McDuff, 1998) .

Obrázok 6 ilustruje niektoré typické webové GIS operácie, ktoré môže vedec EPR vykonať. Je potrebné poznamenať, že vedci EPR zvyčajne nie sú výkonnými používateľmi GIS a chcú používať webový GIS hlavne na prieskum a validáciu údajov. Bodky ukazujú umiestnenie vonkajšej steny axiálnej vrcholovej kaldery na EPR, v ktorej sa vyskytuje väčšina záujmu o vulkanickú a hydrotermálnu aktivitu. Poloha hydrotermálneho prieduchu bola uložená do vyrovnávacej pamäte (sivý kruh na obrázku 6) do vzdialenosti predstavujúcej hydrotermálny oblak, ktorý môže vychádzať z prieduchu, ktorý je potom možné porovnať so súčasnými a plánovanými líniami tratí ponorných alebo diaľkovo ovládaných vozidiel v Oblasť. Užívateľ môže tiež merať vzdialenosti, napríklad vzdialenosť od miesta vetrania k opačnej stene kaldery, kde bola zhromaždená ďalšia vzorka (červená čiara na obrázku 6). Obrázky alebo videoklipy môžu byť tiež začlenené prostredníctvom „horúcich odkazov“ na miesta na webových mapách, ako sú tieto. Užívateľ môže mať súčasne prístup k údajom z webového servera aj k miestnym údajom z klientskej pracovnej plochy spolu s možnosťou dynamickej úpravy a pridávania poznámok k mapám. V prípade VRV sa píšu aj funkcie, ktoré umožňujú používateľom prispievať vlastnými vrstvami priestorových údajov a exportovať vrstvy do formátov, ktoré je možné previesť do formátu 3-D na vstup do balíkov vedeckej vizualizácie na pracovnej ploche a do častí 2 a 3 VRV (pozri nižšie uvedené časti).


Kliknutím na obrázok zobrazíte rozbalené zobrazenie

OBRÁZOK 6 Druhý príklad z webového prototypu GIS pre VRV, ktorý ukazuje typické operácie, ktoré by vedec mohol vykonať. Vysvetlenie nájdete v texte. Údaje sú z EPR (Haymon a kol., 1991).

Web GIS is therefore deemed as an effective way for an entire community of EPR scientists from several different labs and academic institutions around the world to initially encounter data before proceeding to transfer data to associated computational tools and numerical models. Current data consist of vector layers such as locations of hydrothermal vents, colonies of important vent biota (e.g., tubeworms, clams, mussels), faults, fissures, and lava flows, and tracklines and sample stations underwater vehicles, as well as raster layers of bathymetry that are being integrated via ArcSDE. In sum, the web GIS interface may be used as an atlas to find, view, and query the data, but also to translate between data formats and to execute simple spatial analyses (buffering, data clipping), and dynamic editing of data and annotation of resulting maps. The web GIS prototype is available at oregonstate.edu/dept/vrv.

Despite the increasing popularity of the web and web GIS as a means to disseminate information in the form of maps and digital data, many barriers to efficient and effective use persist (summarized as pertaining to government applications by Evans et al. 1999 McKee 2001). And while web GIS offers very effective ways to build and view mid-ocean ridge databases, there remain a number of shortcomings in using it as the sole environment for data storage and analysis. Indeed it is more effective when coupled with an "industrial-strength" RDBMS such as SQL Server, Sybase, Oracle or GemStone, as well as with numerical models. If one defines web GIS, at least in the way that it is implemented for the VRV prototype, as merely the front end of an "industrial strength" GIS that might be running on a single server or desktop, it follows that the general shortcomings of GIS will propagate to the realm of web GIS. While the situation is improving, specific issues that remain for the oceanographic community include the following.

Management of Non-Spatial Data. Combining spatial and non-spatial data presents unique challenges to data management and access over the web. Few web-based GIS environments have tools "out-of-the-box" for importing data and validating that data against a metadata profile as it is loaded into a database. Similarly, while GIS provides excellent end-user query capabilities, and simple data export capabilities to spreadsheets or single user databases, they are built around having a "map coverage" as the organizing principle of any particular data set (e.g., a map file and an associated attribute file), which can be problematic for the calculation of parameters that are not quite ready to be mapped in a traditional x-y or x-y-z space (such as calculated isotherms of temperature in x-z as predicted from seismic measurements). And although many web GIS have simple RDBMS environments imbedded in them it is not easy to connect them to more powerful products such as Oracle, Sybase, or DB2. These RDBMSs have better tools for reorganizing and packaging data for export to non- spatial uses and the technology for multi-user access and security is more well-developed.

Prístupnosť Within the community of EPR researchers we cannot assume that everyone is using GIS, and various data formats (GIS or non-GIS) vary according to the underlying data structure (vector or raster). However, RDBMS technology for providing web- accessible databases in flexibly specifiable formats, and for uploading and validating data via the web, is currently well understood. Following the example of the USGS EROS Data Center, EPR data within VRV are viewed cartographically, but available for download to the user via RDBMS. In this way the data may be still be imported to an offline, desktop GIS local to the scientist.

Time Series Data. Most GISs, web- based or desktop, currently have only rudimentary support of time series data. RDBMS support for maintaining and viewing data as a time series is better understood, primarily because of heavy use of time series by banks and stock exchanges who have lobbied DBMS companies for this functionality. As the VRV prototype progresses, links will be provided from the web GIS to special purpose programs that provide time series analysis.

Three-dimensional (3-D) Visualization. While current web GIS environments support two-dimensional geographic distributions very well, they do not provide easy-to-use 3-D or volumetric analysis in concert with the web mapping. In fact, RDBMSs do not provide this capability directly either, but it is probably easier to provide data directly to a web-based scientific visualization application from an RDBMS than from GIS. Most RDBMS' can export data sets to simple x-y-z files in one or two steps, whereas it is still difficult to export the proprietary formats of commercial GIS packages to formats seamlessly readable by packages such as Dynamic Graphics, IBM Visualization Explorer, or Spyglass. However, this is fast changing, and a good example is the new ArcConverter software filter that transfers data layers from an ArcView project directly to a format that can be interpreted by the Fledermaus visualization system (Fonseca et al., 2002). However, ArcConverter must still be run manually on the desktop and is not yet integrated into a web environment, nor is Fledermaus. A stop-gap solution may be to export everything to VRML but it would be difficult to access the attributes of the data.

Computational Models and Experiment Flow. GIS have excellent capabilities for connecting maps to computational models or for linking programs running on one platform to those running on another. And rigorous models are slowly being incorporated into GISs (e.g., MODFLOW for the hydrological community). However, these inclusions and linkages remain in the realm of terrestrial surface hydrology, groundwater contamination, and climate, and are not common within the mid-ocean ridge community. And there still remains no way to schedule even one, let alone a series of, computational experiments within a GIS, web-based or desktop, or to easily provide templates in a computational tool description for extracting data or importing results.

VRV Web GIS Empowered by Parts 2 and 3: Database Support and Model Coupling

This section suggests some solutions to the shortcomings previously outlined. First, appropriate database design elements for a computational environment such as VRV should not only include data access via web GIS, but a data model and data dictionary component with commonly used mid-ocean ridge data structures, tables of commonly used coded values, a dictionary of commonly used instruments (used for data collection ), a thesaurus of commonly used terms, and a hierarchically organized list of commonly used keywords. These will enable mid-ocean ridge scientists to describe their data using consistent descriptors, and allow researchers from different sub-disciplines to navigate databases efficiently.

VRV Part 2 focuses on common data models that can provide data, programs and metadata in a uniform manner, and includes: 1) a data model for marine geology data that abstracts across cruise formats 2) an infrastructure so that metadata for data sets published with different formats, or buried within data files, can be viewed as if they were all of the same format and 3) a distributed infrastructure so that data files and application output could be viewed as database queries. The metadata viewer (2) and the infrastructure for integrating marine geology data and applications (3) use LeSelect, a framework for accessing heterogeneous data and programs over Internet environments developed by E. Simon and colleagues at the Institut Nationale pour Recherche en Informatique (INRIA), France ( www.caravel.inria.fr/

leselect). LeSelect provides an underlying mechanism for distributed access to files, databases and programs. For VRV, it is extended by providing wrappers that map marine geology data files, metadata and programs onto commonly recognized names and formats, and clients that provide a uniform application interface for marine geology (Figure 7).


Click on the image for an expanded view

FIGURE 7 Design diagram for how various parts of VRV may work together. An existing tool, LeSelect, can be used in combination with web GIS, RDBMS and model coupling applications to run across platforms. In this hypothetical example, Le Select is allowing publishers of EPR, Endeavor and other mid-ocean ridge data to make those data appear similar to the global schema (also published, at right) by writing data wrappers that describe the data sources in terms of one or more tables and variables in each table. A data source may be an SQL database, or a flat file, or an XML file, etc. A data wrapper establishes correspondence between the names that the API (or user at the web browser) expects and those explicitly in the data source. Le Select allows the user to issue an SQL query against the published data sources. Locations of data sources appear similar to URLs. Le Select also allows the publication of programs that execute on foreign hosts. Input to a published program can be given as an SQL query (which will be issued by Le Select). Output from the program will be deposited as a file described by an output query (which must be issued by the user or API to get the data).

Second, many computational models of isolated phenomena are now well understood and captured in robust programs. The challenge now, for the ridge community as well as many other scientific communities, is to couple these models into self-consistent representations of more complex processes (Cuny et al., 1997). Coupling is more complex than program composition. Scientists are faced with the poorly understood task of establishing sophisticated time-varying relationships between models and large, multi-dimensional data that are heterogeneous in quantity, quality, scale, type, and ultimately importance. To accomplish this, they will need more than standard coupling mechanisms they will need support for dynamically exploring model correlations and relationships at a very high, domain-specific level (Figure 7).

Work in progress for VRV Part 3 includes building the infrastructure to support the fast prototyping of model couplings. Robust, abstract descriptions of existing computational models (existing code) will be made available in a common SQL database, a graphical interface will allow scientists to easily specify couplings between models, and the required interfaces and runtime monitor will be automatically generated.

Conclusion and Future Directions

VRV represents a unique case study for the mid-ocean ridge community to test the effectiveness of moving beyond a "data-to-data" mode (linking disparate data sets together) towards "data-to-models" and "data-to-interpretation". VRV is a prototype, the development of which is still ongoing, with the completion of Parts 2 and 3 expected in late 2003/early 2004. One portion of VRV supports the viewing, loading, selection of subsets of mid-ocean ridge data via web GIS, but it is argued here that web GIS may not be enough. While an infrastructure for ready access to data and maps is certainly desired and needed, data must also, at times, be linked to numerical models for better exploration of new relations between observables, and the quantitative evaluation of scientific hypotheses. For widespread data access, web GIS is therefore only a preliminary step rather than a final solution. VRV is therefore endeavoring to incorporate three technologies (none of which alone can meet the needs of mid-ocean ridge researchers): web GIS, a separate, more robust RDBMS, and APIs to support the coupling of numerical models.

As this environment is developed outreach and ongoing communication with the mid-ocean ridge community, including workshops, demonstrations, test deployments of the system and documentation, will help to refine the final product. Initial workshops are planned in 2004 to help define the data model and metadata requirements and to teach the basic operation of the VRV prototype to a wider audience. As all three parts of the prototype come together demonstrations will be conducted at mid-ocean ridge scientific meetings, and the entire prototype, along with sample EPR databases, will be deployed to selected laboratories.

Once the VRV prototype is refined and stabilized (including documentation for the software), a final teaching and system evaluation workshop in late 2004/early 2005 will be conducted for EPR researchers, including solicited feedback from the focus laboratories that have tested VRV. Particular attention will be paid to the possible deployment of a desktop version of VRV, that researchers will be able to run locally, should access to the web prove impractical on visits to the field (i.e., going to sea) or too slow for certain kinds of data analysis.

Cheung, R. L., and S. C. Brown. 2001. Designing a distributed geographic information system for environmental education, Proceedings of the 21 st Annual ESRI International User Conference , San Diego, CA: Environmental Systems Research Institute.

Cochran, J.R. and W.R. Buck, 2001. Near-axis subsidence rates, hydrothermal circulation, and thermal structure of mid-ocean ridge crests, J. Geophys. Res. , 106(B9): 19,233-19,258.

Cuny, J.E., R. Dunn, S.T. Hackstadt, C. Harrop, H. Hersey, A.D. Malony, and D.R. Toomey, 1997. Building domain-specific environments for computational science: A case study in seismic tomography, Int. J. Supercomputer Applications High Performance Computing, 11: 179- 196.

Cushing, J.B., D. Maier, M. Rao, D. Abel, D.M. DeVaney, and D. Feller, 1994. Computational proxies: Modeling scientific applications in object databases. In: French, J.C. (ed.), Proc. 7th Int. Working Conf. on Statistical and Scientific Database Management (SSDBM), IEEE Press.

Cushing, J.B., N. Nadkarni, D. Maier, S. Knackstedt, E. Lyons, and L. Delcambre, 1997. Database support for forest canopy researchers: Metadata as a byproduct of the research process, Proc. Konf. on Scientific and Technical Data Exchange and Integration , National Research Council.

Davis, E.E., D.S. Chapman and C.B. Forster, 1996. Observations concerning the vigor of hydrothermal circulation in young oceanic crust, J. Geophys. Res. , 101(B2): 2927-2942.

Dunn, R.A. and D.R. Toomey, 2001. Crack-induced seismic anisotropy in the oceanic crust across the East Pacific Rise (9䓞'N), Earth Planet. Sci. Lett. , 189(1- 2): 9-17.

Dunn, R.A., D.R. Toomey and S.C. Solomon, 2000. Three- dimensional seismic structure and physical properties of the crust and shallow mantle beneath the East Pacific Rise at 9䓞'N, J. Geophys. Res. , 105(10): 23,537- 23,555.

Environmental Systems Research Institute, Inc. 2000. Customizing ArcIMS – HTML Viewer . Redlands, CA: ESRI, web link. Last visited: May 2002.

Evans, A., R. Kingston, S. Carver, and I. Turton, 1999. Web-based GIS used to enhance public democratic involvement, Proc. 4th Int. Konf. GeoComputation , Fredericksburg, Virginia, web link. Last visited: January 2002.

Fonseca, L., L. Mayer, and M. Paton, 2002. ArcView object in the Fledermaus interactive 3-D visualization system: An example from the STRATAFORM GIS. In: Wright, D.J. (ed.), Undersea with GIS , Redlands, CA: ESRI Press, 1-21.

Goodman, N., S. Rozen, and L. Stein, 1995. The importance of standards and componentry in meeting the genome informatics challenges of the next five years, Proc. 2nd Mtg. Interconnection Molecular Biology Databases (MIMBD '95).

Haymon, R.M., D.J. Fornari, M.H. Edwards, S. Carbotte, D. Wright and K.C. Macdonald, 1991. Hydrothermal vent distribution along the East Pacific Rise crest (9䓉'- 54'N) and its relationship to magmatic and tectonic processes on fast-spreading mid-ocean ridges, Earth Planet. Sci. Lett. , 104: 513-534.

Haymon, R.M., J. Childress, D. Toomey, and K. Von Damm, 1998. RIDGE Workshop on the Results of Field Studies along the East Pacific Rise, 9-10°N , September 26- 28, Santa Barbara, California, web link. Last visited: January 2002.

Kurras, G.J., M.H. Edwards, D.J. Fornari and P. Johnson, 1999. An online database for the East Pacific Rise 9°- 10°N, RIDGE Events , 10(2): 9-13.

Longley, P.A., M.F. Goodchild, D.J. Maguire, and D.W. Rhind. 2001. Geographic Information Systems and Science , Chichester: John Wiley & Sons, Ltd.

McKee, L., 2001. Geography connects cyberspaces with the real world, GEOWorld , 14(2): 2-4, 6.

O'Dea, E., 2002. Integrating Geographic Information Systems and Community Mapping into Secondary Science Education: A Web GIS Approach , M.S. Thesis,. Corvallis, OR: Oregon State University.

Patrikalakis, N.M. (ed.), 1998. NSF Invitational Workshop on Distributed information, Computation, and Process Management for Scientific and Engineering Environments (DICPM), Washington, D.C.: National Science Foundation, web link. Last visited: May 2002.

Plewe, B. 1997. GIS Online: Information Retrieval, Mapping, and the Internet , Santa Fe, NM: OnWord Press.


GeoScience: Chapter 09

- Evidence : Matching Fossils, Ancient Climates, and Rock types and structures.

- The lithosphere is cracked into pieces forming plate tectonics.

Boundaries:
Divergent - spit apart
Transform - move past
Convergent - move toward

Divergentné hranice
Oceanic Ridges - elevated zones on major ocean basins

Rift Valleys -deep faulted structures found along the axes of divergent plate boundaries

Seafloor spreading - production of new oceanic crust

Continental rifts- when landmass splits into two or more segments

Subduction Zone- one plate is forced underneath the other

Oceanic to oceanic - one subducts underneath the other causing volcanic islands

Continental to continental - two plates crash and forms mountains

Paleomagnetism- natural remnant magnetism in rock bodies

Normal polarity- same as present day polarity

Reverse polarity - opposite magnetism than present day

Hot spots - concentration of heat remaining still on earths surface

Ocean Drilling - procedure used to confirm the sea floor was spreading as predicted

Slab pull - when cool dense oceanic crust sinks into the mantle and pulls the lithosphere with it

Ridge- push - causes oceanic lithosphere to slide down the sides of the oceanic ridge due to gravity


Download and print this article for your personal scholarly, research, and educational use.

Buy a single issue of Veda for just $15 USD.

Veda

Vol 356, Issue 6341
02 June 2017

Article Tools

Please log in to add an alert for this article.

By K. Andreassen , A. Hubbard , M. Winsborrow , H. Patton , S. Vadakkepuliyambatta , A. Plaza-Faverola , E. Gudlaugsson , P. Serov , A. Deryabin , R. Mattingsdal , J. Mienert , S. Bünz

Veda 02 Jun 2017 : 948-953

Massive methane blow-outs may be responsible for clusters of kilometer-wide craters in the Barents Sea.


The Floor of the Ocean Comes into Better Focus

Undersea mountains near the Hawaiian Islands, from the Marine Geoscience Data System. Images of the mountains and nearby seafloor are derived from sonar readings taken along the paths sailed by research ships. (Click on this and the other images for higher resolution.)

The bottom of the ocean just keeps getting better. Or at least more interesting to look at.

In an ongoing project, mappers at Lamont-Doherty Earth Observatory have been gathering data from hundreds of research cruises and turning it all into accessible maps of the ocean floor with resolutions down to 25 meters.

You can see some of the results here, at a mapping site that allows scientists—and you—to zero in on a particular location, zoom in and download topographical maps of the ocean floor. The Lamont data has also contributed to the latest version of Google ocean map, which now offers its own more closely resolved view of the ocean floor globally. (You can take a quick tour of the updated Google map here.)

“I love looking at everything,” said Vicki Ferrini, a scientist at Lamont who oversees the team that synthesizes the data and creates the maps. Ferrini may have absorbed more data about the ocean floor than anyone a self-professed map and data geek, she says she has her own map of the oceans in her head.

“I really like these sinuous channels in the deep sea, they’re very cool to me. … There [are] clearly concentrated areas of energy that are able to scour these river-like features through the seafloor. And the [mid-ocean] ridges are all pretty cool.”

A map showing the tracks of research vessels where more detailed imagery of the seafloor is available. From the Marine Geoscience Data System site.

The new data from Lamont covers about 8 percent of the ocean floor, a fraction of the oceans, but a sizable piece overall of the earth’s surface. The data mostly comes as a byproduct of scientific expeditions that send research vessels criss-crossing the seas, explained Suzanne Carbotte, a professor of marine geology and geophysics at Lamont. The cruises may not be focused on ocean topography at all but as the ships sail, they keep their measuring instruments humming and collect sonar data.

The sonar sends a pulse of sound down through the water column, and uses the speed of the sound’s return to calculate depth. Data from U.S. expeditions is archived by the National Oceanic and Atmospheric Administration. Lamont processes that data, gathers more from scientists around the world, and turns it into maps.

The Google ocean map, covering the entire ocean floor, relies mostly on data collected by satellite that is curated by the Scripps Institution of Oceanography, in partnership with NOAA, the U.S. Navy and the National Geospatial Intelligence Agency, with contributions from the Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology and Australia Geosciences-AGSO. It also incorporates the more precise data from Lamont. (A video produced by Scripps at this site offers an interesting global tour of mid-ocean ridges.)

The seafloor off the northwest coast of the United States and southwest Canada. From the Marine Geoscience Data System.

The satellite data details small changes in sea surface height which, through gravity, reflect the underlying topography of the sea floor. The latest version of the Scripps-NOAA ocean map offers a resolution of roughly 500 meters—an improvement over the earlier, 1 kilometer resolution. That means one data point for every 500-meter-square grid of the seafloor. Even that rough picture is valuable, Carbotte said. “The coarse data does a beautiful job revealing the detailed boundaries of earth’s tectonic plates and other large-scale seafloor structures, and the map covers the entire ocean,” she said.

Those measurements allowed researchers to discover a new “microplate” in the Indian Ocean—a remnant from the crustal shifts that sent the Indian subcontinent crashing into Eurasia, creating (and still forming) the Himalaya mountains. Researchers studying that plate have come up with a more precise date for when that collision began, 47.3 million years ago.

But the finer resolution mapping processed by Lamont opens up other avenues for scientists. “It allows you to study the active modern processes that shape the seafloor,” Carbotte said, like earthquakes and undersea landslides that can flush sediments across long distances.

Scientists can dive into the maps and data and use various tools at the Marine Geoscience Data System site, created to provide free public access to marine geoscience data. Lamont-Doherty serves as the host laboratory funding comes from the National Science Foundation, and from Google. The mapping page, here, has a “masking” tool (at the upper right) that allows the viewer to see the tracks of research vessels and contrast the sonar data results with the broader ocean map. Some of the more interesting features include the deep ocean trenches, the zigs and zags of fault lines where earth’s crust is forming and deforming, and massive oceanic plateaus and undersea volcanoes that reflect volcanic outpourings away from the mid-ocean ridges. There are “fabulous canyons that carve the continental margins and channels that extend out into the deeper oceans,” Carbotte said.

A section from the Marine Geoscience Data System map shows details along the mid-Atlantic ridge.

Scientists expect to see plenty of activity along the edges of tectonic plates including at the mid-oceanic ridges, where new crust is formed from upwelling and melting of the mantle below, and at subduction zones, where enormous slabs of earth’s crust collide and one plate sinks beneath another. But the new mapping has helped scientists see that there’s also geologic activity in the broad interior spaces of the oceanic plates, Carbotte says, such as fields of volcanic seamounts of many sizes, and far-reaching channels of sediments transported into the deep ocean.

The finer resolution helps scientists study how the crust forms at mid-ocean ridges and then deforms before descending into earth’s mantle, bending and faulting along subduction zones. “With the new detailed data from many subduction zones, we can conduct comparative studies of this bend faulting and relationships to the rate of subduction, the age of the plate and sediment cover, and [that] helps us in … understanding the subduction process,” Carbotte says.

The process of mapping the ocean floor in detail continues there’s enough data already available to keep Carbotte, Ferrini and the staff busy for a long time. Covering just 8 percent of the oceans has involved hundreds of cruises over millions of miles. The oceans are so large that a thorough mapping would involve an estimated 125 to 200 ship-years of cruises (mapping on land, even on distant planets, can happen far more quickly using satellites). The Lamont crew updates their maps every six months.

Lamont has been collecting measurements and other data about the oceans for more than half a century. The first comprehensive map of the global ocean floor was created by Lamont oceanographers Marie Tharp and Bruce Heezen and published in 1977. In the 1980s, another Lamont scientist, William Haxby, used satellite measurements to compose the first “gravity field” map of the oceans. Now, the same database contributing to Google Earth feeds Lamont’s EarthObserver, a global scientific mapping application for iPads and other mobile devices.

When we step onto an airliner, “We have map displays at our seats that show the flight paths, and it used to be the ocean was just a single flat, featureless blue,” Carbotte said. “Now they make use of these new ocean floor maps, so when you’re flying across the middle of the Atlantic, you can see the mid-ocean ridge right from your airplane seat.”

Multibeam sonar readings from the R/V Falkor opened up the details of Scott Reef, off the west coast of Australia, to view at about a 10 m resolution, shown here from the GeoMapApp.


Pozri si video: HIRBSecConf 2008 - Day1-Track1-Jim Geovedi u0026 Raditya Iryandi - Hacking a Bird in the Sky