Merentutkimuksessa käytetään useita kaikuluotausmenetelmiä: monikeilaluotausta, viistokaikuluotausta ja sedimenttikaikuluotausta. Niillä kullakin on omat erityiset käyttötarkoituksensa. Eri menetelmillä saatuja tuloksia voidaan yhdistää vieläkin kattavamman kuvan saamiseksi.
Monikeilaluotaus tuottaa kuvan merenpohjan maisemasta
Monikeilaluotausta käytetään veden syvyyden ja merenpohjan muotojen kartoitukseen. Luotauksen tuottamasta aineistosta saadaan tarkka kolmiulotteinen kuva pohjan maisemasta sekä tietoja merenpohjan laadusta ja kovuudesta. Luotaustietojen perusteella pystytään arvioimaan esimerkiksi merenpohjan kivisyyttä ja karkeutta tai alueen luontotyyppejä.
Monikeilaluotain koostuu anturista, keskusyksiköstä ja liiketunnistimesta. Anturi lähettää viuhkamaisen äänisignaalikeilan kohti merenpohjaa ja rekisteröi pohjasta takaisin heijastuvat paluusignaalit. Aluksen liikkeestä ja heilumisesta syntyvät virheet korjataan liiketunnistimen avulla.
Luotauksen tarkkuuteen vaikuttaa suuresti se, millä nopeudella ääni etenee meren eri lämpöisissä vesikerroksissa. Äänen etenemisnopeutta pitääkin mitata usein luotauksen aikana. Osa laitteista mittaa jatkuvasti äänennopeutta ja ottaa paikalliset nopeuserot huomioon automaattisesti.
Monikeilaluotaus antaa tietoa leveältä kaistaleelta merenpohjaa
Monikeilaluotauksen avulla on mahdollista kartoittaa laajoja alueita. Luotauksessa saadaan erittäin tarkka syvyystieto sekä aluksen kulkemalta linjalta että myös leveältä kaistaleelta linjan molemmin puolin.
Luodattavan kaistaleen leveyttä voidaan muuttaa, kun säädetään anturin avauskulmaa. Luotausalueen leveys voi olla enimmillään kaksitoistakertainen veden syvyyteen nähden. Silloin mittaustarkkuus jää kuitenkin kaistan reuna-alueilla heikoksi.
Ihmisen jättämät jäljet näkyvät monikeilaluotauksen kuvissa
Monikeilaluotausta voidaan käyttää myös ihmisen aiheuttamien jälkien tutkimiseen. Luotauskuvissa näkyy, millaista jälkeä ruoppaus, ruoppausmassojen läjitys tai vaikkapa pohjatroolaus jättävät merenpohjaan. Kuvista erottuvat myös erilaiset rakenteet, kuten kaapelit ja vesi- ja viemäriputket.
Kuvassa merenpohjan topografiaa soranoton jälkeen Soratontun alueella Helsingin edustalla. Kuvassa näkyvän alueen koko on noin 1,5 x 1,5 km2. Soranotossa on käytetty imuruoppaajaa, jonka imuletkun jäljet näkyvät pohjasedimentissä teräväpiirteisinä kuoppina. Kuvasuhteessa syvyyttä on liioiteltu noin kuusinkertaisesti.
Monikeilaluotauksella voidaan etsiä mereen uponneita kohteita, esimerkiksi lentokoneita, moottorikelkkoja tai autoja. Sitä voidaan käyttää myös laivahylkyjen ja muiden meriarkeologisten kohteiden kartoitukseen.
Menetelmä ei kuitenkaan ole yhtä tarkka kuin viistokaikuluotaus. Nykyaikaisissa monikeilaluotaimissa onkin myös viistokaikuominaisuus, jolla päästään suurempaan tarkkuuteen.
Viistokaikuluotaus tuottaa akustisen varjokuvan merenpohjasta
Viistokaikuluotauksella saadaan akustinen varjokuva merenpohjan pinnasta. Pohjasta palaava signaali rekisteröityy vahvana, kun se heijastuu kovasta pinnasta, kuten kalliosta tai lohkareesta. Heikompi kaiku saadaan pehmeistä maalajeista, esimerkiksi savesta tai liejusta.
Pohjan muodot vaikuttavat paluusignaalin kulkuun. Lohkareet tai vaikkapa laiturirakenteet jättävät taakseen akustisen varjon. Varjon pituudesta voidaan laskea rakenteiden korkeus merenpohjasta. Lopputuloksena syntyy kuva, joka muistuttaa paljolti ilmakuvaa.
Viistokaikuluotauksella saadaan hyvin yksityiskohtainen ja tarkka kuva merenpohjan pintarakenteista ja pohjan koostumuksesta sekä pohjalla olevista esineistä. Menetelmää käytetäänkin paljon muun muassa hylkyjen paikantamiseen ja merenpohjan kartoitukseen.
Viistokaikuluotaus tehdään liikkuvasta aluksesta
Viistokaikuluotaimen laitteisto koostuu lähetin-vastaanottoyksiköstä ja keskusyksiköstä sekä syöttökaapelista ja siihen liittyvistä vinsseistä ja kaukosäätimistä. Lähetin-vastaanottoyksikköä kutsutaan kalaksi; se lasketaan veteen ja sitä hinataan aluksen perässä. Hinaussyvyys valitaan kohteen ja tilanteen mukaan.
Viistokaikuluotauksen tuottamaan kuvaan tulee mukaan alueita, jotka sijaitsevat aluksen kulkulinjan molemmilla puolilla. Suoraan aluksen alla sijaitseva pohjakaista ei sen sijaan näy kuvassa.
Viistokaikuluotaimen vetoa Metsähallituksen veneellä Jussarössä Raaseporissa.
Sedimenttikaikuluotaus vie pohjapinnan alapuolelle
Viistokaiutus antaa tietoja myös pohjasedimentin laadusta, mutta vain pintapuolisesti. Syvempien sedimenttikerrosten tutkimiseen tarvitaan sedimenttikaikuluotausta. Sillä saadaan selville eri sedimenttikerrostumien paksuus ja sisärakenteet.
Sedimenttikaikuluotaus toimii parhaiten pehmeillä pohjilla. Esimerkiksi savi- ja silttikerrostumissa sen läpäisykyky on jopa useita kymmeniä metrejä. Koviin pohjakerroksiin, kuten hiekkaan ja soraan, kaikuluotainsignaali ei tunkeudu. Kuvasta saadaan kuitenkin näkyviin kovan ja pehmeän pohjan välinen raja sekä tietoa esimerkiksi pohjan kivisyydestä.
Kaikuluotaus antaa jatkuvan kuvan tutkittavasta alueesta, toisin sanoen pohjan profiilin, jossa pystysuuntainen erotuskyky on nykytekniikalla jopa 5–10 senttimetriä.
Merenpohjasta heijastuvat äänipulssit muuttuvat kuvaksi
Sedimenttikaikuluotauksen anturi eli värähdin asennetaan tutkimusaluksen pohjaan. Sieltä se lähettää merenpohjaan lyhyitä äänisysäyksiä. Signaalit tunkeutuvat sedimenttiin sitä syvemmälle, mitä pienempi on signaalin taajuus – ja mitä pehmeämpi pohja on. Heijastuvat kaiut vastaanotetaan anturissa.
Ennen kuin äänipulssi lähetetään, se vahvistetaan vahvistimella. Myös pulssin kestoa ja muotoa voidaan säädellä.
Paluusignaalien jännite ja paluuaika vaihtelevat sen mukaan, millaiseen kerrostumaan ääni osuu. Lopullisen luotauskuvan tuottaa tietokoneohjelma. Se muuttaa paluusignaalien jännitteet tummuusasteiksi ja paluuajan millisekunnit syvyysmetreiksi. Näin saadaan merenpohjasta aluksen kulkureittiä vastaava jatkuva profiili.
Sedimenttikaikuluotauksella saatu kaikuprofiili. Syvyystieto metreinä (130-190 m) on esitetty kuvan oikean laidassa.
Kaikuluotaustietoa käytetään moneen tarkoitukseen
Kaikuluotauksista saatuja tietoja voidaan täydentää ottamalla merenpohjasta näytteitä. Kaikukuvista voidaan varmistaa, että näytteiden keruualue on tarkoitukseen sopiva tai sisältää juuri sellaista merenpohjaa, jota halutaan tutkia.
Kaikuluotauksen merkittävä etu näytteenottoon verrattuna on luotauksen kattavuus. Näytteitä ottamalla saadaan tietoa vain yhdestä pisteestä, kun taas kaikuluotausmenetelmät tuottavat alueellisesti katkeamatonta tietoa merenpohjan oloista. Tietojen avulla voidaan laatia esimerkiksi merenpohjan geologisia karttoja tai kartoittaa merenpohjan luontotyyppejä.
Kaikuluotaustieto on erityisen tarpeen, kun suunnitellaan meren hyötykäyttöä, kuten merihiekan nostoa, läjityksiä tai merenpohjaan tukeutuvia rakennelmia. Onpa kaikuluotausprofiileista selvitetty muinaisia maanjäristyksiäkin.