冷战后期，美国海军决定对全球海面高度进行几英寸范围内的测量。目的不是测量海浪。即使在平静的地方，海洋也不是平坦的：它有山丘和山谷，与我们所说的海平面相差数百英尺。这些特征的坡度非常平缓——它们绵延数十甚至数百英里——以至于船只从未感受到它们。然而，海军决定，潜艇指挥官，尤其是他们，将受益于这种难以察觉的地形的精确测量。
为什么？因为研究海面上的凸起是一种可靠的颅相学：它揭示了海洋更深层次的真相。水团之间——比如温暖的墨西哥湾流和寒冷的大西洋之间——的移动锋面会产生微小、移动的凸起，而这些锋面会散射声波，从而形成声纳阴影，可以隐藏“红色十月”号。更大、更永久的山丘和山谷则完全是由其他因素造成的：地球的重力场，它在不同地方略有不同。了解这些变化有助于潜艇在水下盲航时保持航向。而当发射导弹袭击明斯克时，了解发射地点重力的精确方向——它并不总是指向地心——至关重要。如果导弹一开始方向略有偏差，它将偏离数千英里外的目标。
因此，在1985年，海军发射了Geosat，一颗通过雷达波束测量海面高度的卫星。Geosat在500英里高的近极轨道上绕着旋转的地球运行，用紧密的雷达轨道网格覆盖了地球。这颗卫星运行完美，提供了有史以来最全面的重力测量数据。对于海军来说，回报是导弹误差范围的显著缩小——这意味着击中明斯克的几率更大。海军对绘制一张美丽的地球重力场地图兴趣不大；更不用说利用这样一张地图来绘制地球最遥远的边界——看不见的海底地形。但大卫·桑德威尔和沃尔特·史密斯对此非常感兴趣。去年夏天，当海军最终解密Geosat数据时，桑德威尔和史密斯毫不迟疑地创建了你在这里看到的地图。
让我们明确一点：这是一张重力图，而不是海底地形图。在地图的蓝绿色区域，地球重力加速自由落体物体（物理学方程中的小g）的速率或多或少是其平均值9.8米/秒²——或者物理学家为了纪念伽利略（第一个测量加速度的人）而称之为980伽。在地图的亮橙色区域，重力至少比平均值强60毫伽——约百万分之60。在最深的紫色区域，重力至少弱60毫伽。
这张地图显示了重力的微小变化，然而对于任何见过海底地形图的人来说，它的大致轮廓都会显得熟悉。这并不奇怪：就山脉往往比山谷质量更大而言，地形会产生重力。就有人可以说发明了卫星探测到的海面上的小凸起可以揭示海底存在大山脉这一想法而言，功劳可能应该归于拉蒙特-多尔蒂地球观测站的地球物理学家威廉·哈克斯比。在20世纪80年代早期，哈克斯比利用Geosat的前身——NASA的Seasat卫星数据，制作了比这里所示地图粗糙得多的版本。桑德威尔回忆说，人们看了数据，说：“哦，哇，我们可以看到海底的海山、断裂带和各种特征。”那时人们才真正意识到这个想法。
桑德威尔，现在是斯克里普斯海洋研究所的海洋地球物理学家，在1978年Seasat飞行时还是个研究生。那是一个很好的开始时期：Seasat为全新的研究领域打开了大门，但它从未完成任务。它的地面轨迹间隔从未少于50英里，这就是为什么哈克斯比的地图相对粗糙的原因。Geosat的轨迹间隔在2到4英里之间，它可以分辨出大约6英里宽的特征。桑德威尔的职业生涯，实际上，一直在为像Geosat这样的卫星做准备，而一旦Geosat升空，他就一直在等待海军公布数据。史密斯于1990年作为博士后开始与他合作，后来搬到了位于马里兰州银泉的国家海洋和大气管理局地球科学实验室。
自 Seasat 以来，卫星测量海面高度的方法没有改变。卫星向地球发射雷达脉冲，并计时脉冲返回所需的时间。由于已知脉冲以光速传播，因此该测量结果揭示了卫星到海面的距离。
接下来你需要知道的是卫星本身相对于地心的精确位置——这出乎意料地难以确定。Geosat的速度及其高度是通过跟踪站测量的，这些跟踪站监听卫星经过时其无线电信号的多普勒频移。（速度越慢意味着轨道越高。）但跟踪站只存在于陆地，在它漫长的海洋之旅中，卫星并没有保持完美的恒定轨道；例如，它总是受到大气层的拖拽，并受到太阳风的冲击。要知道卫星在视线之外的路径，你必须计算所有这些力。研究人员多年来在这方面做得越来越好，因为他们积累了跟踪各种卫星的经验。因此，桑德威尔和史密斯在1995年对Geosat在1985年的位置的确定比海军当时更精确。这是他们的重力图如此清晰的原因之一。
一旦你知道（a）从卫星到海面的距离和（b）从卫星到地心的距离，计算海面高度就很容易了：只需将（a）从（b）中减去。然后，任何给定位置的海面坡度会告诉你重力的方向：它必须垂直于坡度，而不是沿着坡度。否则水就会向下流。史密斯解释说，海面就像一个巨大的木匠水平仪。当某个东西是水平的时候，它的表面就没有向下的方向——向下是垂直于表面的。
因此，通过重力对水的作用，海面就像海底的一个减弱的视觉回声，在山脉上堆积，在海沟上凹陷。史密斯说，如果你在海底放置一座山，这座山岩石所代表的额外物质会将其自身的重力添加到整体场中。如果你正好在山的正上方，增加的重力会向同一个方向拉，从而增加重力的大小。但如果你在山的一侧，山的引力场会向山的方向拉，因此其效果是稍微改变重力的方向。
通过海面上各处的重力方向，史密斯和桑德威尔可以计算出各处的重力大小。然后，只需选择一个有吸引力的配色方案，并将数据放到地图上即可。
对于任何对海洋感兴趣的人来说，看到陆地一度被简化为无特征的黑色，而海洋却充满大胆的橙色、绿色和紫色，而不是平淡的碧蓝色，是令人耳目一新的。但这张地图到底显示了什么？它比以往任何地图都更好地显示了海底的基本构造以及它是如何由板块构造形成的。环太平洋地区所有深紫色阴影区域是深海海沟，板块在此处俯冲到地幔中而终结。新西兰东北部的景象几乎令人悲伤：人们看到一长串火山，它们作为个体清晰可辨，都向着汤加海沟行进。尽管这些火山，路易斯维尔海山，已经被勘测船发现，但在桑德威尔和史密斯的作品中，大约有一半尚未被发现。成千上万座如果位于陆地上会非常适合滑雪的山脉仍然不为人知；直到现在，我们才能说地球上任何高于约3000英尺的山峰都已被标注在地图上。
重力图一个更引人注目的特征是深邃的峡谷，称为断裂带，它们横跨大西洋、太平洋和印度洋盆地。与所有海底一样，它们形成于洋中脊，在那里两个板块分离，炽热的岩浆从下伏地幔涌出。当年轻的海底从洋脊向外扩散，进入海洋中无处不在的永恒沉积物之雪时，它的火山本质被掩埋，就像一个人随着年龄增长，被层层脂肪和烦恼所掩埋，失去了青春；海底的中年是无尽的泥浆平原。但是，断裂带以直角横切洋中脊，并将其解剖成不同的段落，它们是与曾经的存在相联系的。它们究竟如何形成仍是争论的主题。无论出于何种原因，在给定洋脊段的末端，岩浆涌出的量往往比中部少，结果就形成了一个峡谷——随着海底从洋脊向外扩散，这个峡谷不断延伸，并且因为它太深而无法被沉积物填满，所以仍然可见。
重力图上，断裂带纵横交错，如同凝固的嗖嗖声线，它们形象地展示了海洋的扩张和大陆的漂移。看看西非的隆起下方，你就能立刻明白这片大陆在过去1.1亿年中是如何从南美洲漂移开来的——也就是说，以每年一两英寸的速度漂移（参见第60页的放大地图）。看看南印度洋，你就能看到澳大利亚从南极洲独立的历史；它周围的断裂带似乎几乎将其抛入西太平洋的混乱之中。再往西北，阿拉伯海的条纹状海底显示了印度撞击亚洲并隆起喜马拉雅山脉所留下的痕迹。断裂带展示了重力图的真实面貌——一幅持续了数亿年、没有尽头迹象的动作大片的静止画面。
海中脊本身，即海底地质学开始的地方，在地图上也清晰可见。大西洋中脊从格陵兰岛附近的扬马延岛蜿蜒穿过大西洋中部，一直延伸到合恩角纬度；在冰岛附近，其火山喷发如此剧烈以至于形成陆地，它与最炽热的重力高点重合。在南非下方，西南印度洋脊像一枚熄火的火箭，或者更像某种巨大而卡通化的深海鼹鼠的轨迹，射入印度洋。
桑德威尔和史密斯自然被地图中更精细的特征所吸引。例如，在新西兰和澳大利亚南部，他们可以指出几个地方，其中一个洋脊段，大概是从地幔中获得更丰富的熔融岩石供应，正在以牺牲邻近洋脊段为代价而变得更长，并在此过程中形成了像摩托艇尾迹一样拖在其身后的扰动地貌的幽灵V形（参见第61页的放大地图）。在同一区域，这些地图制作者还发现了崎岖的大西洋式洋脊段，其山脊被深邃的峡谷劈开，紧邻着具有太平洋主要洋脊——东太平洋隆起——特有的平缓、圆形山脊的洋脊段。由于这两种截然不同的海底地形已被归因于扩张速率的差异——东太平洋隆起通常以每年六英寸的速度扩张，大约是大西洋中脊的六倍——所以它们如何在必须以相同速率扩张的相邻洋脊段共存，这一点根本不清楚。
史密斯说：“这张地图将把我们的注意力集中在一些我们通常不会用船去的地方，因为它们位于南大洋的偏远地区，离港口很远，那里的天气也不舒服。”“这些地区可能掌握着板块扩张系统实际运作的关键。拥有这种全球视野才真正令人兴奋。我们必须重新思考所有基于对大西洋和太平洋少数易达地区有限了解的假设。”
尽管重力图揭示了洋中脊的微小细节，但洋中脊也突显了其作为海底地形指南的局限性。东太平洋隆起从下加利福尼亚半岛向南大致蜿蜒经过复活节岛，是当今海底研究最密集的区域之一——然而它在重力图上几乎不可见。原因在于其快速的扩张速率，这使得新形成的板块在仍然炙热和薄弱时就能从洋脊顶部延伸很远的距离。炙热而薄弱的板块是脆弱的板块，无法支撑其上所有山脉的重量：结果它会向下弯曲，这样做会用轻质地壳岩石取代重质地幔岩石。桑德威尔解释说，你会有一个隆起的洋脊轴，它就像一个质量过剩，通常会产生正重力异常。但地球深处存在一个质量亏损，它正好抵消了质量过剩。它们完美匹配，因为地球内部是流体，所以所有这些物质都在漂浮。这就是阿基米德原理：如果你有一块软木塞漂浮在水中，一部分会浮起来，一部分会沉下去。如果你计算那块漂浮软木塞的引力效应，你会得到几乎为零，因为抵消作用。
一般来说，重力图只能在相对较短的水平距离上（大约一百英里）与地形相匹配。单个火山清晰可见，因为板块足够坚硬，可以支撑其相对较小的质量而不发生太多弯曲，因此质量过剩不会被质量亏损所补偿。但是，分布在很长距离上的巨大质量过剩则根本不明显——例如，地图没有清楚地显示洋中脊比周围的深海平原高出大约10000英尺。此外，在深海平原中，地图显示出第二个弱点：它往往显示出过多的地形。在海底真正平坦的地方，卫星地图反而显示出由埋藏在轻质沉积物层下的山丘和山脉造成的重力高点。
桑德威尔和史密斯现在正在制作一幅真实的海底地形图，以修正重力图的这些局限性。他们的基本方法是利用船载声纳的实际深度测量来校准卫星重力数据——并在重力作为海底深度指南不可靠的地方完全替换这些数据（参见第62页和第63页的地图）。这项工作涉及比较全球200英里方格内的两种数据类型。两位研究人员预计该项目需要一年时间：尽管它已计算机化，但与所有制图工作一样，它既费力又耗时。
然而，桑德威尔和史密斯并不认为自己是制图师。史密斯说：“我从来没有把制图作为目的本身。地图只是研究的工具。有很多地质学家靠专门研究地球的某个特定区域为生——他们成为夏威夷群岛或其他类似地区地质学的专家。但我的态度一直是，你不应该通过研究一个区域来对整体做出概括。所以，全球制图实际上只是寻找普遍现象的附带效应。如果你想在地质学方面具有普遍性，你就必须研究海底——因为它们占地球的70%。”
桑德威尔说：“我想我只是喜欢以这种方式探索海洋。这有点像向另一个星球发射卫星任务。”
然而，尽管桑德威尔和史密斯的地图很好，但它对地球的描绘仍然不如我们对金星的描绘好。几年前，一艘宇宙飞船对金星进行了雷达勘测，这与地球的Geosat勘测不无相似之处。那艘名为麦哲伦号的宇宙飞船有一个巨大的优势：金星是干燥的。因此，麦哲伦号可以直接将雷达束反射到金星表面，并拍摄出能够揭示小至几百英尺的特征的图片，这与桑德威尔和史密斯地图上六英里的分辨率形成对比。
未来的海底卫星地图也不太可能得到大幅改进。除了 Geosat 数据，Sandwell 和 Smith 在他们的地图中还包含了欧洲雷达卫星 ERS-1 收集的数据；尽可能多地测量同一区域，使他们能够更好地平均掉海浪的随机噪声。Sandwell 说，要制作一幅更清晰的地图，你需要将一颗卫星送入轨道十年，目前还没有这样的计划。即使如此，你也会遇到一个更根本的限制：当你试图透过两到三英里的水（海洋的平均深度）来观察海底重力时，你的视野不可避免地会模糊。如果两座山丘只相距两到三英里，它们的重力在海面产生的凸起就会融合，使它们无法区分。Sandwell 说，你无法克服这个限制，除非你抽干海洋。
除非使用声波，声波与无线电波不同，可以穿透水。当今最好的声纳仪器可以在勘测船一次通过时，绘制出六英里宽的海底区域，分辨率达到几百英尺——可与麦哲伦号对金星的数据相媲美。换句话说，它们正好从重力图的空白处开始：重力图显示了整个地球，但没有显示宽度小于六英里的细节。海洋地质学家已经在使用重力图来指导他们的声纳勘测，以寻找海底有趣的特征。
然而，勘测船的问题在于它们速度慢，而海洋却很大。只有百分之几的海底以这种方式被测绘——至少是民用船只。海军船只则是另一回事。在密西西比州圣路易斯湾的美国海军海洋学办公室，有一大批声纳数据。这些数据是由8到12艘海军勘测船在过去四十年中收集的，这就是海军不需要用Geosat数据做桑德威尔和史密斯所做的事情的原因。海军海洋学家办公室技术总监爱德华·惠特曼说：“我们拥有大量声纳数据，覆盖了世界海洋的很大一部分。海军从未打算将Geosat用作测绘工具。它提供了有用的信息，但其分辨率不足以用于战术测绘。”
海军也从未打算公布 Geosat 数据。它是在副总统阿尔·戈尔以及戈尔为评估海军数据潜在科学价值而设立的专家委员会的敦促下才这样做的。该委员会还敦促海军至少公布部分声纳数据。海军目前正在考虑这一请求。一方面，其潜艇兵们自然不愿意向未来的对手——无论对方是谁——泄露宝贵信息。另一方面，海军自己现在认为其未来在于浅海，应对波斯湾式的战争。其勘测船现在正在波斯湾和地中海等地区作业。鉴于世界已经发生了变化，也许海军会明确地将深海海底移交给我们其他人。
