月刊ポピュラーサイエンス/第3巻/1873年7月/海底の探査はどのようにして行われるか

科学と芸術の相互作用によって知識が拡大し、自然に対する人間の支配力が増大する最も最近の印象的な例のひとつは、海の深さと生命に関する最近の驚くべき調査によってもたらされたものである。探査は、もちろん航海と同じくらい古くから行われており、船乗りの技術として欠くことのできないものである。この探査の記録は、未知の海域で船乗りを導くための海図に具現化された。その結果、水深、潮流、磁力、水温、潮汐、風などを考慮した体系的な沿岸調査が行われるようになり、その知識が蓄積されて、ついに海の物理地理学という一大科学が誕生した。25年ほど前、海底の知識を広げるための新たな一歩が踏み出された。科学は電信を世に送り出し、商業は電信を海上に敷設することを要求した。この目的のために、北大西洋の海底を注意深く調査し、地図を作成し、海底の形とその物質の性質を決定する必要があった。このことが、海底音波探査の技術に新たな刺激を与えることになった。大西洋横断ケーブルが敷設され、切断された後、その端が2マイル近い深さから釣り上げられた。海底はもはや手の届かない場所ではなく、科学的な探査の可能性が確立されたのである。それまで、海洋観測は主に航海と商業のために行われていたが、このときから、科学的な興味だけで調査を進めることが考えられるようになった。王立協会の働きかけにより、1868年、英国提督庁は、ウィリアム・B・カーペンター博士とワイヴィル・トムソン教授に、海底の浚渫とその動物の調査に使用する小型政府船、砲艦ライトニングを供与した。この実験の結果は非常に有望であったため、1869年に2回目の探検が計画され、政府の測量船ポーキュパイン号が自然科学者に割り当てられ、作業が行われた。この探検も大成功を収め、現在、チャレンジャー号が深海観測の総合計画を遂行するために、4年間の世界一周航海に出発している。先月は、ワイヴィル・トムソン教授による「海の深さ」についての素晴らしい著作をごく簡単に紹介し、このテーマの調査において最近行われたことの歴史を述べた。今回は、読者のためにトムソン教授の著作を紹介し、特に海洋調査の機器と調査の方法について説明することにしたい。

深海の浚渫が可能であることが判明したとき、科学的に大きな関心と重要性を持つ問題が、それまではアクセス不可能と見なされていたが、突然、実用的な解決策の範囲に入ったことを、一応指摘しておく必要がある。海の底は暗く荒涼とした荒れ地で、あらゆる生命を不可能にするような大きな圧力がかかっているというのが、科学者にも共通する一般的な意見だったのである。トムソン教授はこう言っている。「このような深海の巨大な圧力は、一見したところ、生命というものを問題から排除するのに十分であるように思われた。不思議な通念があり、私も子供のころにそれを共有していた。海水は下に行くにつれて次第に重くなり、海の中のすべての緩いものは、その比重に応じて異なる高さに浮いているというのだ。人の骨格、錨、銃弾、大砲、そして最後に、スペイン本島の多くのガレオン船の難破で失われた幅広い金貨が、全体として海の偽底を形成し、その下には溶けた金よりも重い、澄んだ水がずっと深く存在していたのである。確かに圧力は尋常ではない。標高1万2千メートルでは、人間がその体に、機関車のエンジン20台分、銑鉄を積んだ長い貨物列車1両分の重さを負担することになる。しかし、水はほとんど圧縮できないので、水深1万2千フィートでは海水の密度はほとんど増加しないことを忘れている。

予想に反して、このような高圧の条件下で、すべての無脊椎動物の高度に組織化された代表的な生物が生きていることが判明したのである。したがって、海の底は居住可能であると考えられ、実際に数多くの動物が生息していることが証明された。こうして自然主義者に新しい世界が開かれ、アクセスは困難であっても、アクセス可能であり、調査されなければならないものとなった。もちろん、探査の先駆者たちは非常に手ごわい障害に遭遇したが、この分野はあまりにも広大で、有望であるため、無視することはできなかった。研究の信奉者たちがこれをどう見ていたかは、トムソン博士の次の言葉からうかがい知ることができる。

図1. ブルック式深海探査装置

「しかし、それは可能であり、年月が経つにつれて、改良された機械と増え続ける知識で働くあらゆる国の博物学者によって、何度も何度も行われるに違いない。深海の底、140,000,000平方マイルは、現在、私たちが合法的に追加したものです。深海の底は、現在では自然史研究の正当な分野に加えられている1億4千万マイルであるが、不毛の地というわけではない。深海には、その広大な面積のために、より豊かで多様な動物相が生息しており、多くの場合、陸地に縁取られた無数の無脊椎動物で溢れる、よく知られた浅海の動物相よりもさらに精巧で繊細に形成され、その柔らかい色調と素晴らしい燐光の虹色でより絶妙に美しい生物たちがいるようである。そして、これらの今まで知られていない生物の形態、その生活様式、他の生物との関係、生きているか絶滅しているか、地理的分布の現象や法則を解明しなければならない。"

海底探査には2つの主要な作業がある。第1に、深さを確認するための探査、第2に、物質を掘り起こすための浚渫である。探査装置で海底のサンプルを採取する装置には多くの工夫が凝らされているが、現在では浚渫装置がその目的のために主に頼りにされている。探査機で水深を測るには、色の違う布や革の切れ端を貼り付けて区切り、錘がどこまで沈んだかを判断するのが通例である。また、水深を測定する別の方法は、糸に取り付けた錘を流し、錘が底に着いたと思われる時点で、錘の流出速度が急変したため水面で切断し、リールに残った紐の長さで水深を計算するものであった。

図2. ブル・ドッグ観測器

通常の探査方式は大深度では失敗し、6,000フィート以上では頼りにならない。錘は糸を速く垂直に底まで運ぶのに十分ではなく、より重い錘を用いると糸が切れる危険性がある。鉛が海底に落ちても何の衝撃も感じず、釣り糸はどんどん伸びていき、止まると切れてしまう。また、海底流に流され、ループやバ イトを形成し、オモリの真上に絡みついた塊となって流出し続けることもある。これらの誤差の原因は、非常に深い探査を無効にしてしまうので、大西洋で行われた、底に到達しない39,000、46,000、50,000フィートの探査の報告は、今では誇張であると見なされています。リチャーズ少将の権威による北大西洋の最後の海図には、24,000フィート以上の探査は記載されておらず、18,000フィート以上の探査はほとんど記載されていません。

通常の深海鉛は、長さ約2フィート、重さ80から120ポンドの角柱状のブロックですが、底から物質を持ち上げるための「アーミング」と呼ばれる簡単な設備があり、わずかにカップ状になった下端は柔らかい獣脂の厚いコーティングで覆われています。泥、貝殻、砂利、滲出物、砂などが付着しているため、これを引き上げると地面の状態を知ることができる。海底への関心が高まるにつれ、こうして採取された粒子を化学的、顕微鏡的に精査することへの好奇心が高まり、より大量の物質を採取するための手段を考案することが望まれるようになった。この目的のために、多くの工夫がなされた。1818年、ジョン・ロス卿は、この目的のために「深海クラム」と呼ばれる機械を発明した。大きな一対の鉗子がボルトで隔てられており、ボルトが地面に当たると、重い鉄の重りがスピンドルを滑り落ちて鉗子を閉じ、その中に砂、泥、小石など、かなりの量の底質を保持するように工夫されている。この工夫によって、ロス卿は6,300フィートの深さから6ポンドの柔らかい泥を引き上げている。

図3. マッシーの観測器

1854年、米国海軍の海軍士官だったJ.M.ブルックは、「ブルックの深海探査装置」として知られる装置を考案しました。錘は64ポンドのショット（E、図1）で、穴を開けて鋳造したものである。この穴には鉄の棒（A B）が通っており、下端には獣脂で「武装」した開口部または室がある。打撃すると、棒の先端が底の材料に打ち込まれ、その材料が部屋を満たす。同時に、上部にある一対のヒンジ付きアーム(D)は、下降時には直立していたが、落下して紐(C)を放出し、下の革製のカラーでボールを支える。スリングの輪がアームの歯から外れると、ロッドはショットの穴から滑り落ち、同封の沈殿物のサンプルと一緒に単独で上がってくる。この機械の難点は、上昇中に材料が洗い流されてしまうことだった。これはデイマン司令官によって、ロッドの終端室に内側に開く弁を取り付けることで改善された。

1860年、H.M.S. Bulldogの機関士補は、ロスのクラムの原理とブルックの離脱錘を組み合わせた浚渫用リードを考案した。これは独創的でよく知られた機械だが、望んだほど単純なものではなかった。トムソン教授はこのように説明している。

図4. 1750年頃のオト・フリードリヒ・ミュラーの浚渫浚渫籠

「一対のスクープ(A)はヒンジではさみのように互いに閉じており、はさみのハンドルの関係でスクープの開閉のために立つ2対の付属品(B)を持っています。この装置は、図では緩くぶら下がっているように見えるロープ(F)によってサウンディングラインに恒久的に取り付けられており、このロープはカップが回転するスピンドルに固定されている。同じスピンドルにはロープ(D)が取り付けられており，その先は鉄のリングの上になっている。Eは一対のタンブラー・フックを表し、同様にサウンディング・ラインの端に固定されている。Cは重い鉛製または鉄製の重りで、輪とリングの付いたロープ（D）が自由に通過できるように十分な広さの穴が開いている。図では、錘が下降し、底に到達する前の状態を示している。おもり(C)とスコップ(A)は、ロープ(D)で吊るされ、そのリングはタンブラーフック(E)に引っかかっています。しかし、錘(C)が拮抗し、錘が掬い手の間に入り込み、掬い手を引き離さない。錘によって掬い手が地面に打ち込まれた瞬間、縄（D）の張力が緩み、タンブラーが落下して輪を離し、錘が落下してゴムバンドが掬い手を閉じ、掬い手の中に入っているものを閉じ込めておく。錘の中を縄（D）がすり抜け、閉じた掬い手が縄（F）によって引き上げられる。」とある。

垂直降下の量を自己登録式の機械で測定する試みは、しばしば行われてきた。マッセイのサウンディングマシンはこの目的に最も適しており、水中を落下する際のスクリュー運動の原理に基づいて作動する。図3に示すように、重い楕円形の真鍮の盾（A A）の両端に2つのシンブル（F F）が通っている。これらのうち上側には発音線が、下側には機械から1ヤードほど離れたところにある錘が取り付けられている。このリングは、機械が下降するときに、水の圧力でリングが回転するような位置で軸に斜めにはんだ付けされている。Cはスライド(D)が引き出されたときの文字盤を表している。回転する軸はその動きをインデックスに伝え、右側のダイヤルのインデックスは、早いか遅いかにかかわらず、垂直降下1ファゾムごとに1分割を通過し、15ファゾムで1回転し、左側のインデックスは15ファゾムで円上の分割を通過し、225ファゾムの降下の間に1回転するよう調整されている。この測定器は、中程度の深さの水域で正確な作業を行うには非常に適しているが、極限の深さでは、金属製の車輪を使用するすべての機器に共通するような不確実性がある。

探査作業の主な舞台は大西洋で、主要な商業国との関係や大陸間電信の目的から、他のどの大水域よりも慎重に調査されてきた。極から極まで開き、あらゆる気候条件に対応し、他の海と自由に交流し、30,000,000平方マイルに及ぶこの海は、一般的な海洋状況を表しており、他の海洋とまったく同じではないにしても、ほぼ同等の深さを含んでいると考えられている。

この海は、主要な商業国との関係や大陸間電信の目的から、他のどの海域よりも慎重に調査されてきた。極から極まで開き、あらゆる気候条件に対応し、他の海と自由に交流し、30,000,000平方マイルに及ぶこの海は、世界の他の海域と同じように、一般的な海洋状況を表し、深さはほとんど変わらないと信じられている。その探査の一般的な結果は、大西洋の海底の平均深度は1,200フィート以上ではなく、モンブランの高さを少し上回る15,000または20,000フィートより深い窪みはほとんどないようであることを示している。トムソン博士は、大西洋の観測結果を次のようにまとめている。「北極海には深海があり、スピッツベルゲンの西と南西で9,000フィートに達する。ノルウェー沿岸からアイスランド、フェロー諸島、シェトランド、オークニー、イギリス、アイルランド、北海の底を経てフランス沿岸まで、広い台地が広がっており、その水深はほとんど3,000フィートには達しない。しかしアイスランドの西に、間違いなくスピッツベルゲン海の深海と通じている、幅500マイルの谷があり、ある場所では深さがほぼ1万2000フィートで、グリーンランドの東岸に沿ってカーブを描いている。これは北極圏の大きな還流の一つである。緯度52のアイルランド海岸の西方で深さ3,000フィートまで徐々に傾斜した後、底は突然10,000フィートまで100分の15から19フィートの割合で傾斜し、この地点からニューファンドランド海岸の約200マイル以内で再び浅くなり始めると、地表から平均して約12,000フィートの深さの、広大で起伏に富んだ海底平原「テレグラフプラトー」があるのである。

図5. ボールの浚渫装置

"幅約500マイル、平均深度15,000フィートの谷が、アイルランド南西沖からヨーロッパの海岸に沿って、ビスケー湾に落ち込み、ジブラルタル海峡を過ぎ、アフリカ西岸に沿って延びている。ベルデ岬の反対側で、南大西洋の軸を占めるやや深い谷に合流し、南極海へ抜ける。ほぼ同じような谷が北米の海岸を回り、ニューファンドランドとラブラドールの沖で深さ約12,000フィート、南方に向かってかなり深くなり、州の海岸、バハマとウィンドワード諸島の輪郭に沿って、最後にブラジル沿岸で南大西洋の中央トラフに合流して、深さは15,000フィートとなる。"とある。

100年以内までは、深海の生物についてほとんど知られていなかった。鉛の糸に付着したわずかな物体や、漁師がトロール網やカキ浚いで偶然に採取したものを除いては、市場価値のない奇妙なものは一般に捨てられたので、この情報源からの知識はゆっくりとしか増えなかった。自然科学者が海底の標本を集めるために使った最初の浚渫船は、オト・フリードリヒ・ミュラーで、彼は1779年にそれに関する風変わりな本を出版している。彼の浚渫船は四角い口の袋で（図4）、水深180フィート以上では使わなかったようである。現在、自然科学者が使用している浚渫船は、カキ浚渫船を改良したもので、長さ約5フィート、口の部分の幅が1フィートほどの鉄の軽い枠で、片側に細い鍬のようなスクレーパーがあり、もう片側にロープに取り付けられた吊り具があると記載されています。フレームからは、幅の広い網か麻紐でできた深さ2フィートほどの袋が吊り下げられている。自然主義者の浚渫船は両側にスクレーパーを持ち、袋はより深く、網は水だけを通過させるように非常に細かい。

図6. ヘンプンタングルを用いた浚渫装置

図5は、ダブリンのボール博士が考案した浚渫船で、表面を完璧に削り取るので、客間の床に沿って引くと、前に散らばったペンスを拾い上げることができる。トムソン博士によれば、水深600フィート以下の小舟からの浚渫に最も便利な大きさは、長さ18インチ、幅5インチの枠であるという。スクレーパーは幅3インチで、端と端の間の距離が7½インチになるようにセットされている。

深海作業に使われる浚渫船はより大きく、枠の長さは4フィート6インチ、喉元や最も狭い部分の幅は6インチである。枠の重さは225ポンドであったが、トムソン博士は大きすぎ、重すぎると考えている。浚渫袋は二重で、外側は丈夫な麻ひもの網で、内側は「ブレッドバッグ」と呼ばれる軽くて開いた種類の帆布で覆われている。

浚渫袋は二重で、外側は丈夫な麻ひも網、内側は「ブレッドバッグ」と呼ばれる軽い帆布で覆われていた。

浚渫船の中に何も興味深いものがないとき、多くの棘皮動物、珊瑚、海綿が表面に出てきて、袋の外側や浚渫ロープの最初の数ファゾムにさえ付着していることが経験上わかった。これは、甲板を洗うための綿棒が浚渫船に付着していることを示唆している。絡まった麻は非常に効率的で、他の方法では確保できないようなものを大量に拾い上げることができることが判明した。棘皮動物、珊瑚、海綿など、袋に入りにくいかさのあるものは、綿棒を使うと簡単に捕獲できたが、残念ながら切断され、破片となって上がってきた。この方法は非常に重要で、図6に示すように、浚渫袋の底に長い鉄棒を取り付け、そこに麻の束を吊り下げました。

ポーキュパイン号での探査と浚渫の方法は、トムソン教授の著作に詳しく説明され、図解されている。この船は382トンの砲艦で、12馬力の蒸気機関が船尾に設置され、大小さまざまなドラム缶があり、そこから船首または船尾で作業するためのラインが前方と後方につながれていた。2基の強力なデリックが、船尾と左舷船首に設置され、探査と浚渫のために使用されました。サウンディングラインや浚渫ロープが通るブロックは、デリックに直接取り付けられているのではなく、スパー先端のアイを通るロープに取り付けられており、甲板を貫通する木材の一部である「ビット」に固定されていた。ブロックと "ビット "の間のロープの束には、図7に示すような装置があり、"アキュムレータ "と呼ばれていました。これは30～40個の強力なインドゴムのバネが組み合わさってできており、船のピッチングなど何らかの原因でロープに異常な負荷がかかると、伸びて降伏する仕組みになっていた。ポーキュパイン号の浚渫ロープはロシア麻で、円周2.5インチ、破断強度2.5トン、長さは18,000フィート、約3.5マイルであった。長さ約2.5フィートの大きな鉄のピンが20本ほど、クォーターデッキの片側に突き出し、防波堤の上部から斜めに立ち上がっています。これには、図に示すように、ロープが常に巻かれており、これは浚渫船が降下する位置にあることも示している。

遠距離浚渫の方法は、1869年7月22日にビスケー湾で行われたトムソン教授によって、このように図式的に説明されている。水深はまず探査によって正確に把握され、14,610フィートであることが判明した。「午後4時45分に浚渫船は離岸し、船は北西からの穏やかな風の前をゆっくりと漂っていた。図8は、カルバート船長が採用した浚渫計画による浚渫船と船の様々な相対的位置関係を示すもので、見事に機能し、実際、大深度での唯一の方法であるように見える。これは浚渫船が放たれたときの船の位置を表し、点線（A B）はロープの張力によって斜めになった浚渫船の下降線である。浚渫船が下降している間、船は徐々に風下に流され、18,000フィートのロープがすべて切れたとき、C WとDはそれぞれ船、浚渫船から3,000フィートのところに取り付けられた錘、および浚渫船自体の相対位置を表すと思われる。船は今、風上に向かってゆっくり進み、E、F、G、Hの位置を順次占める。水はほとんど抵抗を与えず、錘はWからW'へ沈み、浚渫船とバッグはDからBへよりゆっくりと沈む。浚渫船はこうして静かに引っ張られ、その鉄のフレームとアームの重さの中心から想定される姿勢で、その唇が底をこすりながら進むのである。一方、錘が浚渫船の近くに吊るされ、浚渫船が船から直接引きずられた場合、ロープの大きな重量とバネのために、腕は絶えず持ち上げられ、浚渫船の縁が削られるのを防ぐことができる。非常に深い浚渫では、風下に向かって30分ほど漂流した後、浚渫ロープがほぼ垂直になるまで風上に向かって盗むというこの作業が、通常3、4回繰り返される。

図7.ポーキュピン号の船尾デリック。アキュムレータ、浚渫船、ロープの格納方法を示す

図8.深海での浚渫における船、錘、浚渫船の相対的な位置の模式図

「午後8時50分、私たちは引き揚げを開始した。ドンキーエンジンは、一度も確認することなく、1秒間に1フィート以上の速度でロープを送り出しました。午前1時数分前に錘が現れ、午前1時過ぎ、投錨から8時間後、浚渫船は無事に甲板に引き上げられ、その間に8立方マイル以上の距離を移動した。浚渫船には1.5cwtの特徴的な淡い灰色の大西洋の海水が含まれていた。エンジンによって引き上げられた総重量は、以下の通りであった。

水中で減少したロープの重さ 1,375 lbs.
浚渫物と鞄 275
Ooze brought up, 168
錘 224
---
2,042

無脊椎動物の豊富で特徴的な生物がこのような深海に存在することが明らかになったので、それはすべての深海に及ぶと推測され、将来的には海底全体が探究心の強い博物学者の領域となる。しかし、トムソン博士が言うように、これ以上語るべきことはない。「壮大な新分野が開かれたが、その開拓はひどく手間がかかる。浚渫船が引き揚げるたびに、新しい見慣れない形、地球の歴史の過去の時代の住民と奇妙に結びついた形が浮かび上がる。しかし、今のところ、深海の動物相を一般化し、その地質学と生物学の関係を推測するデータはない。"我々のあらゆる力と意志にもかかわらず、適切に浚われた深海の底面積は、いまだに平方ヤードで計算されているかもしれない。