چرا ناسا اعماق اقیانوس‌های روی زمین را مورد کاوش قرار می‌دهد؟

اقیانوس‌ها بیش از ۷۰ درصد از سطح زمین را پوشانده‌اند، اما بیش از ۸۰ درصد آن‌ها ناشناخته باقی مانده است. در‌ واقع، اغلب ادعا می‌شود که در‌ مورد سطح مریخ و ماه بیشتر از کف اقیانوس‌های سیاره خودمان می‌دانیم.

ناسا مشغول مأموریتی برای تغییر این وضعیت است. آژانس فضایی ایالات متحده در‌ حال کاوش اعماق اقیانوس به‌دنبال پیدا کردن سرنخ‌هایی در این مورد است که اقیانوس‌ها در سیاره‌های دیگر چگونه می‌توانند باشند و قصد دارد مرزهای علم و فناوری را در یکی از نامساعدترین محیط‌های روی زمین فراتر ببرد. این مأموریت پر از شگفتی، خطر و احتمال انفجار است.

پژوهشگران امیدوار هستند کشفیات زیر آبی آن‌ها، به آشکار کردن برخی از اسرار فضای بیرونی کمک کند و در‌ عین‌حال برخی از تجهیزات و آزمایش‌های موردنیاز برای مأموریت‌ در نقاط دیگر منظومه‌ی شمسی را آزمایش کند.

اعماق اقیانوس به‌طرز شگفت‌آوری شبیه برخی از شرایطی است که ناسا انتظار دارد در جهان‌های دیگر منظومه شمسی ببیند. آن‌ها حتی می‌توانند سرنخ‌هایی در‌ مورد مکان‌هایی که دانشمندان در آن‌ها باید به‌دنبال حیات بیگانه بگردند، ارائه دهند.

عمیق‌ترین بخش‌های اقیانوس‌های زمین ناحیه‌ی فراژرف (hadal zone) نامیده می‌شود. این نام برگرفته از نام هادس، خدای یونانی جهان زیرین است. این ناحیه که متشکل از فرورفتگی‌ و گودال‌ است، ۱۱ کیلومتر پایین‌تر از سطح اقیانوس‌های جهان قرار دارد و در‌ مجموع مساحتی از بستر اقیانوس را دربرمی‌گیرد که به اندازه‌ی استرالیا است؛ بااین‌‌حال، وسایل نقلیه‌ی معدودی می‌توانند از فرورفتن در این ژرفای تاریک جان سالم به در‌ ببرند.

اینجا است که دانشمندان ناسا با همکاری مؤسسه‌ی اقیانوس‌شناسی وودز هول (WHOI) در ماساچوست، در تلاش برای کاوش و بررسی محدودیت‌های حیات روی زمین هستند. حتی زبانی که دانشمندان برای مأموریت‌های خود در این منطقه به‌‌ کار می‌برند، دارای اصطلاح‌های مشترکی با اکتشافات فضایی است. در سال‌های اخیر، زیست‌شناسان دریا چندین «سطح‌نشین» مجهز به حسگر و دوربین‌ را برای فرود در ناحیه فراژرف ارسال کرده‌اند که در آنجا اندازه‌گیری‌هایی را انجام می‌دهند.

چاه‌های گرمابی اعماق اقیانوس که زمانی تصور می‌شد فاقد حیات باشند، مملو از موجودات زنده هستند.

مهندسان آزمایشگاه پیش‌رانش جت ناسا در کالیفرنیای جنوبی در‌ حال ساخت وسیله نقلیه‌ی زیردریایی خودمختار جدیدی هستند که «اورفئوس» نامیده می‌شود. نام آن برگرفته از قهرمان یونانی است که به جهان زیرین سفر کرد.

اورفئوس که از فناوری ناوبری بصری مشابه با «مریخ‌نورد پرسویرنس» استفاده می‌کند، از دوربین‌های بسیار حساس برای شناسایی صخره‌ها، پوسته‌ها و سایر ویژگی‌های کف اقیانوس بهره می‌گیرد تا نقشه‌های سه‌بعدی از کف اقیانوس ایجاد کند. این فناوری به ربات اجازه می‌دهد تا راه خود را پیدا کند و مکان‌هایی را که قبلاً در آن حضور داشته است، شناسایی کند، اما همچنین به افزایش دانش ما از تنوع زیستی موجود در این محیط خشن کمک می‌کند. تیم شَنک، زیست‌شناس دریا که رهبری برنامه‌ی اکتشاف ناحیه‌ی فراژرف WHOI را برعهده دارد، می‌گوید اگر اورفئوس در انجام مأموریت موفق شود، جایی در اقیانوس وجود ندارد که نتوانید به آنجا بروید.

البته این اولین‌ ‌باری نیست که شنک تلاش می‌کند به اعماق تاریک ناحیه‌ی فراژرف دست پیدا کند. در سال ۲۰۱۴، نرئوس، همتای پیشین اورفئوس، به درازگودال کرمادک فرستاده شد که در شمال شرقی نیوزیلند واقع شده است. این وسیله نقلیه حدود ده کیلومتر پایین‌‌تر، احتمالاً به علت فشار زیاد منفجر شد. شنک می‌گوید: «پس از ۱۲ ساعت، آن را دیدم که به شکل قطعات کوچکی بالا می‌آید.» نرئوس موجب شد آن‌ها دوباره به این موضوع فکر کنند که چگونه عمق اقیانوس را کاوش کنند.

اورفئوس که اندازه‌اش به حد یک خودروی همه‌جارو (چهار چرخه) می‌رسد و حدود ۲۵۰ کیلوگرم وزن دارد، به گونه‌ای طراحی شده است که نسبت‌‌ به وسایل نقلیه‌ی زیردریایی گذشته بسیار سبک‌تر، کوچک‌‌تر و ارزان‌تر باشد. این ویژگی‌ها باید همچنین آن را چابک‌تر کند و اجازه دهد که وارد گودال‌ها و چاه‌های کف دریا شود که قبلاً هرگز کاوش نشده‌اند.

برای مدت طولانی، زیست‌شناسان دریا فکر می‌کردند زندگی در ناحیه‌ی فراژرف غیرممکن است، اما وقتی از نیمه‌ی نخست قرن بیستم، زیردریایی‌ها به این منطقه سفر کردند، مشخص شد که حیات می‌تواند در آنجا دوام بیاورد.

البته هنوز این باور وجود داشت که همه‌ی موجودات زنده توسط زنجیره‌ی غذایی حفظ می‌شوند که در‌ نهایت از فتوسنتز انرژی می‌گیرد. گیاهان، جلبک‌ها و برخی از باکتری‌های دریایی در آب‌های سطحی انرژی خورشید را به قند تبدیل می‌کنند و در مواد آلی خود ذخیره می‌کنند. این موجودات سپس توسط گیاهخواران خورده می‌شوند و بعد به‌ ‌نوبه‌ی خود توسط جانوران گوشتخوار خورده می‌شوند.

دانشمندان متقاعد شده بودند که ارگانیسم‌های موجود در کف دریا با تغذیه از مواد آلی مرده یعنی لاشه‌ی جانوران، مدفوع و بارش مداوم سایر بقایای ارگانیک یا «برف دریایی» که از بالا به پایین جریان پیدا می‌کند، زنده می‌مانند؛ اما تصور می‌شد در عمق اقیانوس غذای کافی برای حفظ موجودات دریایی وجود ندارد و عمیق‌ترین مناطق برای زندگی خیلی تاریک و سرد است.

این تصور که عمق اقیانوس قادر به حمایت از زندگی نیست، در سال ۱۹۷۷ تغییر کرد. در آن زمان، گروه پژوهشی از ایالات متحده وسیله‌ی نقلیه هدایت‌پذیر از راه دوری را به عمق ۲۴۴۰ متری اقیانوس آرام فرستادند. وسیله نقلیه برای گرفتن تصاویری از چاه‌های گرمابی ارسال شده بود. در این نقاط، گرمای حاصل از فعالیت آتشفشانی به‌طور فعال از کف اقیانوس نشت می‌کند.

دانشمندان در کمال شگفتی اکوسیستم‌های پر جنب‌و‌جوشی را در اطرف چاه‌ها کشف کردند که پر از موجودات دریایی مانند حلزون‌ماهی شفاف و دوجورپایان (سخت‌پوستان کوچک کک‌مانند) بود که قبلاً هرگز دیده نشده بودند. شنک می‌گوید:

با این کشف، با روش کاملاً جدیدی برای زندگی روی زمین برخورد کردیم. این‌ها جانورانی هستند که به نور مستقیم خورشید نیازی ندارند. آن‌ها برای زندگی به مواد شیمیایی‌ای که از کف دریا خارج می‌شود، وابسته‌اند.

دانشمندان حیرت‌زده بودند که چگونه گونه‌های موجود در ناحیه‌ی فراژرف می‌توانند از چنین فشار خردکننده‌ای جان سالم به در‌ ببرند؟ شنک می‌گوید در این منطقه، فشار ۱۵ هزار پوند بر اینچ مربع است و فشار زیادی بر سلول‌ها وارد می‌شود.

از زمان اولین مشاهده در سال ۱۹۷۷، دانشمندان کشف کرده‌اند موجوداتی که در چنین اعماقی زندگی می‌کنند، سازگاری‌هایی در سطح سلولی به دست آورده‌اند تا بتوانند در آنجا زنده بمانند.

موجودات در ناحیه‌ی فراژرف مانند سخت‌پوستان راسته‌ی دوجورپایان و حلزون‌ماهی، آنزیم‌هایی به نام پیزولیت دارند (از واژه‌ی یونانی piezin به‌معنای فشار گرفته شده است) که مانع از خرد‌‌ شدن غشاهای سلولی و پروتئین‌های آن‌ها تحت فشار بسیار بالا می‌شود. پیزولیت‌ها با افزایش فضایی که پروتئین درون سلول‌های ارگانیسم می‌گیرد، با فشار مقابله می‌کنند تا وزن آب اطراف را خنثی کنند. این رویکرد مانند قرار دادن تیرک‌ها درون چادر برای حفظ آن است.

اورفئوس با استفاده از مقداری فوم باقی‌مانده از زیردریایی دیپ‌سی چلنجر جیمز کامرون ساخته شد.

کشف موجوداتی که نه‌تنها در چنین شرایط سختی می‌توانند زنده بمانند، بلکه در چنین محیطی رشد می‌کنند، سؤالات مهمی را برای زیست‌شناسانی ایجاد می‌کند که فراتر از زمین را بررسی می‌کنند. این نمونه‌ها ممکن است در جهان‌های اقیانوسی دیگر نیز دیده شود.

زیر سطح یخی اروپا (قمر مشتری)، اقیانوسی از آب شور قرار دارد که تصور می‌شود عمق آن ۴۰ تا ۱۵۰ کیلومتر باشد و دو برابر مجموع تمام اقیانوس‌های زمین آب دارد. نور خورشید زیر صفحه‌ی یخی ضخیم اروپا که پر از شکاف‌ و شکستگی‌ است، نفوذ نمی‌کند. فشاری که زیر پوسته‌ی یخی وجود دارد، با فشار ناحیه‌ی فراژرف قابل‌مقایسه است.

رباتی که بتواند ناحیه‌ی فراژرف زمین را مورد کاوش قرار دهد، می‌تواند همین کار را در قمری یخ‌زده در فاصله‌ی ۶۲۸٫۳ میلیون کیلومتری زمین انجام دهد. راسل اسمیت، مهندس آزمایشگاه پیش‌رانش جت ناسا که بخشی از تیم سازنده اورفئوس است، می‌گوید: «کف اقیانوس بستر آزمایشی عالی برای توسعه‌ی فناوری موردنیاز برای انجام مأموریتی موفقیت‌آمیز به این جهان‌های اقیانوسی است.»

اگرچه، رباتی که در فضای بیرون یا اعماق اقیانوس کار می‌کند، باید کاملاً مستقل باشد. اسمیت با اشاره به این موضوع که هدف اورفئوس این است که مواد شیمیایی و DNA محیطی موجود درون آب را شناسایی و طبقه‌بندی کند و نیز نمونه‌ها را را از کف اقیانوس برگرداند، می‌گوید: «ربات باید بتواند تصمیم‌گیری کند.»

اسمیت می‌گوید ساخت رباتی برای ناحیه‌ی فراژرف بسیار چالش‌برانگیز است. اورفئوس باید در‌ برابر فشار و دمای شدید مقاومت کند. آب در ناحیه‌ی فراژرف اندکی بالاتر از دمای انجماد است اما دمای چاه‌های گرمابی می‌تواند به ۳۷۰ درجه سانتیگراد برسد. اسمیت می‌گوید: «ساخت وسیله نقلیه‌ای که قرار است این شرایط را تحمل کند، واقعاً سخت است. برای پیشگیری از خیس شدن یا خرد شدن قطعات الکترونیکی باید دیواره‌های بسیار ضخیمی داشته باشد.»

اورفئوس تا‌ حدودی از فوم ترکیبی ساخته شده که ماده سبکی است که از کُره‌های شیشه‌ای میکروسکوپی تشکیل شده و درون رزین اپوکسی قرار گرفته است. فوم مورد استفاده در اورفئوس از مواد باقی‌مانده‌ی تولیدشده برای زیردریایی Deepsea Challenger جیمز کامرون (کارگردان فیلم) می‌آید که در سال ۲۰۱۲ به درازگودال ماریانا در غرب آقیانوس آرام سفر کرد.

آلوین اولین وسیله نقلیه‌ی هدایت‌پذیر از دور بود که از رویدادهای گرمابی بازدید کرد. آلوین در سال ۱۹۷۷ به عمق دریا رفت.

از‌ آنجا‌ که عمق اقیانوس بسیار تاریک است، اورفئوس به چراغ قوه‌ی بزرگی مجهز شده است. اگر این چراغ در تمام مدت روشن بماند، به سرعت باتری ربات را خالی می‌کند و آن را در اعماق رها می‌کند. اورفئوس برای حفظ انرژی در زمانی که عکس‌برداری یا نمونه‌برداری انجام نمی‌دهد، به حالت کم‌مصرف درمی‌آید.

در سال ۲۰۱۷، ناسا پروژه‌ی SUBSEA را راه‌اندازی کرد تا حوزه‌های اکتشاف فضایی و اقیانوسی را در کنار هم جمع کند. تا به امروز، آن‌ها دو مأموریت را با وسایل نقلیه‌ی هدایت‌پذیر از راه دور به چاه‌های گرمابی اقیانوس آرام انجام داده‌اند.

تصور می‌شود فعالیت آتشفشانی در اطراف دریاکوه لوئیهی، در‌ حدود ۳۰ کیلومتری ساحل هاوایی و گوردا ریج در ۱۲۰ کیلومتری سواحل ایالات متحده (جایی که کالیفرنیا و اورگن به هم می‌رسند)، شبیه چیزی باشد که ممکن است در دنیاهای اقیانوسی دیگر روی اروپا و انسلادوس (قمر زحل) یافت شود.

دانشمندان از دو مأموریت SUBSEA برای به دست آوردن درک بهتری از زمین‌شناسی و شیمی این چاه‌ها و حیات پیرامون آن‌ها استفاده کردند. لیم می‌گوید: «این چاه‌ها بسیار آرام هستند. باید با دقت زیادی به‌دنبال تغییر درجه‌ی حرارت در آبی که از زمین بیرون می‌آید و با آب بسیار سرد دریا تعامل برقرار می‌کند، باشید. حتی همین عمل به‌تنهایی از‌‌ این‌‌ نظر که چگونه ممکن است مجبور به اکتشاف در برخی از جهان‌های اقیانوسی در منظومه شمسی باشیم، بسیار ارزشمند است.»

در‌ حالی‌که هنوز ممکن است چند دهه تا ارسال ربات‌ به اروپا و انسلادوس فاصله داشته باشیم، دانشمندان ناسا در‌ حال‌‌ حاضر آنچه را که از اکتشافات اعماق اقیانوس آموخته‌اند، در مأموریت‌های فضایی خود به کار می‌برند.

در سال ۲۰۲۳، ناسا ماه‌‌نورد رباتیکی را برای جست‌وجوی یخ و آب در قطب جنوبی ماه ارسال خواهد کرد. این مأموریت که وایپر نام دارد، یخ نزدیک دهانه‌ی برخوردی نبیل روی ماه را با این امید مطالعه خواهد کرد که بتواند به‌عنوان منبعی برای سوخت موشک یا آب آشامیدنی استخراج شود. اگرچه ماه‌نورد مذکور زیر آب کار نخواهد کرد (در‌ حالی‌که روی ماه پرسه می‌زند) و با بسیاری از چالش‌های فنی مشابه رو‌به‌رو خواهد شد. لیم می‌گوید ما دانش حاصل از پروژه‌ی SUBSEA را در VIPER به کار می‌گیریم.

هدف برنامه‌ی SUBSEA اطمینان از دستیابی دانشمندان به اهداف پژوهشی خود در شرایط بسیار چالش‌برانگیز هم از منظر ارتباطات و هم از منظر فناوری بود.

از دیدگاه عملیات، اکتشاف اقیانوس و فضا اشتراکات زیادی دارند. در هر دو زمینه، ربات‌ها برای کاوش در محیط‌های خطرناک ارسال می‌شوند که انسان نمی‌تواند به‌طور مستقیم به آن‌ها دسترسی پیدا کند. این ربات‌ها به‌وسیله‌ی تیم‌های دانشمندان از دور حمایت می‌شوند؛ اما هچنین می‌تواند به آماده‌سازی فضانوردان برای کنترل تجهیزات رباتیک از پایگاهی روی ماه در آینده نیز کمک کند.

کمتر از ۱۰ دانشمند با مأموریت SUBSEA به دریا رفتند و با گروه بزرگ‌تری از همکارانشان در ساحل کار کردند. برای مأموریت VIPER، تیمی کاوشگر را روی زمین در زمان تقریباً واقعی هدایت می‌کند و باید داده‌ها را تجزیه‌و‌تحلیل کرده و به سرعت تصمیم‌گیری کند.

زارا میرملک، دانشمند علوم اجتماعی ناسا که به دانشمندان کمک می‌کند تا برای اکتشاف در محیط‌های سخت آماده شوند و روی هر دو برنامه SUBSEA و VIPER کار کرده است، می‌گوید ارتباط کارآمد در طول این مأموریت‌ها بسیار مهم است.

فوران بخار آب از سطح یخی انسلادوس (ششمین قمر بزرگ زحل)، نشانه‌ی وجود اقیانوس مایعی است که زیر آن پنهان شده است

برای اکتشاف در اعماق دریا، دانشمندان باید تصمیمات خود را بسته به شرایط اقیانوس، آب‌و‌هوا و شوری تغییر دهند. میرملک می‌گوید: «زمان کمتری نسبت‌‌ به آنچه برای آن برنامه‌ریزی کرده‌اید، خواهید داشت. کار در اعماق اقیانوس بسیار سخت‌تر است، زیرا شرایط برای فناوری بسیار چالش‌برانگیز است.»

میرملک می‌گوید در مأموریت‌های فضایی، ارتباط بسیار محدود است. او به‌منظور کسب آمادگی برای شرایط فضای بیرون، دانشمندان SUBSEA را به ایجاد ارتباط یک بار در روز محدود کرد. او می‌گوید، همه موفق عمل کردند. لیم می‌گوید: «آنچه طی همکاری با جامعه اقیانوس‌شناسی آموختیم، برای کمک به ما در اعتماد به فرایندی که از آن برای طراحی عملیات علمی خود برای VIPER استفاده می‌کنیم، بسیار ارزشمند و گران‌بها بوده است.»

اما دقیقاً مانند مأموریت‌های خارج از سیاره‌ی زمین، مأموریت‌هایی که کف اقیانوس‌ها انجام می‌شود نیز به بشر اجازه می‌دهد تا به روش‌های جدیدی به زمین نگاه کند. در‌ حالی‌که ناسا می‌گوید اکتشافات اقیانوس‌شناسی آن‌ها هزاران کشف علمی به همراه داشته است، آن‌ها همچنین اطلاعاتی ارائه می‌دهند که اگر امیدواریم به زندگی در جهانی با اقیانوس‌های سالم ادامه دهیم، می‌تواند برایمان حیاتی باشد.

لورا لورنزونی، دانشمند برنامه OBB ناسا می‌گوید اگر می‌خواهیم محیط‌های اقیانوسی زمین را نجات دهیم، باید آن‌ها را درک کنیم. او می‌گوید اندازه‌گیری‌های مستمر ناسا برای اطمینان از استفاده‌ی پایدار از منابع اقیانوسی بسیار مهم است.

بدین‌ترتیب‌، با هر قدمی که به سمت اکتشاف جهان‌های دیگر برمی‌داریم، دانش بیشتری در‌ مورد برخی از بخش‌های ناشناخته‌ی سیاره‌ی آبی خودمان کسب می‌کنیم.