Udforske vores foranderlige jord, i realtid

På tværs af Lamont-Doherty Earth Observatory campus, forskere udforsker undersøiske vulkaner, overvågning af kysterosion langs svært tilgængelige kyster, og studere havisens bevægelse – alt sammen i realtid. Ved at indlæse droner med højteknologiske instrumenter og bruge satellitter og undersøiske kabler, der interagerer med sensorer på nogle af de mest fjerntliggende steder på Jorden, de afslører vores planets hemmeligheder.

"Jordobservation i realtid vil ændre den måde, videnskaben udføres på i løbet af de næste 10 til 20 år, " sagde Tim Crone, en marin geofysiker, der er med til at lede et Lamont-Doherty Earth Observatory-initiativ for at skubbe grænsen for realtidsdata om planeten. "Vi er på afgrunden af ​​en ny form for videnskab, og teknologien giver os en mulighed for at gøre fantastiske ting."

Lamont er en af ​​de få forskningsfaciliteter i verden, hvor forskere sætter alle typer videnskabelige platforme, fra havbunden til rummet, til brug for dataanalyse i realtid. Data kommer ind fra kabelforbundne arrays, der krydser havbunden, undervandsfartøjer, og luftlaboratorier så store som flyvemaskiner og så små som droner. Satellitter sender data tilbage fra søgående sensorer, der overvåger havets kemi og strømme rundt om i verden.

Disse realtidsmålinger giver næring til gennembrud på tværs af videnskaberne, da de verificerer computermodeller og afslører uventede ændringer.

Dronelaboratorium åbner nye landskaber for videnskaben

I Arktis, Oceanograf Christopher Zappa har redesignet instrumenter, der typisk findes ombord på forskningsskibe eller fly, og tilpasset dem i droner, som han flyver lavt over havisen. Dronernes rækkevidde giver ham mulighed for at udvide sit studieområde og undgå interferens fra et skibs varme og bevægelse, samtidig med at omkostningerne reduceres betydeligt. Resultatet er uovertruffen data om havisens topografi og bevægelse og ny indsigt i, hvordan havisen bryder op, og hvordan atmosfæren og havet påvirker hinanden.

"UAS'er (ubemandede luftsystemer) er, hvor autonome og fjernbetjente undervandsfartøjer var for 20 år siden. I havde disse fantastiske platforme, men videnskabsmænd var lige begyndt at forstå, hvordan man bruger dem, " sagde Zappa. "I dag, der er undervandsfartøjer overalt i verdenshavene. Hvad der har manglet for UAS er evnen til at sætte instrumentering af videnskabelig kvalitet ind i nyttelasten. At gøre noget virkelig videnskabeligt kræver betydelig ingeniørkunst."

Zappa, en medleder af Real-Time Earth-initiativet med Crone og den fysiske oceanograf Ryan Abernathey, udvider denne ingeniørkapacitet hos Lamont gennem sit UAS-laboratorium, som designer højteknologiske nyttelaster med hyperspektral billeddannelse, lidar, termiske infrarøde kameraer, og andre sensorer til videnskabelige missioner.

Videnskabelige droner kommer i alle størrelser, fra lette helikoptere, du kan affyre fra din hånd til fastvingede droner på størrelse med små flyvemaskiner. Små quadcoptere kan ikke bære meget mere end et kamera, men de giver vulkanologerne Einat Lev og Elise Rumpf muligheden for at kortlægge lavastrømme og kigge ind i calderaer. Alessio Rovere sætter små droner i gang med at overvåge kysterosion og koralblegning. Mens satellitter kan give nærbilleder, deres forbiflyvningsfrekvens, dækning, og dataindsamling er begrænset, og skyer hindrer ofte udsynet. Med droner, Rovere, en geolog, kan komme tæt på svært tilgængelige kyststrækninger uden at forstyrre jorden.

Zappa, hvis havis arbejde er afhængig af mere sofistikerede instrumenter, bruger større fastvingede droner med autopiloteret GPS-navigation og 10-20 timers flyvetid. Med nyttelast på størrelse med en fodbold, Zappa kan flyve hyperspektrale billeddannelsessystemer, der bruger lysbølger til at udlede, hvad et objekt er lavet af, eller hvordan energi flyder. Han kan undersøge alger i vandet, og hvordan det påvirker overfladevarmebudgettet, for eksempel. En anden nyttelast falder bøjer, der profilerer atmosfæren og måler havets temperatur og saltholdighed.

"UAS'er gør det muligt for forskere at komme helt op ved siden af ​​en gletsjer, noget du normalt ikke ville gøre med et skib. Hvis du vil se på en kystregion, du kan rutinemæssigt flyve transekter hen over surfzonen, " sagde Zappa.

Når omkostningerne falder, droner kunne endda flyves ind i orkaner for at indsamle realtidsdata om bølgehøjde, momentum, og varme, han sagde.

Realtidsdata fra dybet

I havene, Lamont-forskere bruger fjerntliggende og autonome undervandsfartøjer til at udforske havbunden og måle havmiljøet.

Zappa er delvist til solcelledrevne driftere, der forbinder til sensorer på havbunden eller i vandsøjlen og kan telemetre data til satellitter til overvågning i realtid. Robin Bells Polar Geophysics Group, som byggede IcePod for at kortlægge Antarktis Ross Ice Shelf fra luften, udsætter bøjer til realtidsovervågning af vandtemperaturen, saltholdighed, og strømme rundt om kanterne af ishylderne.

Crone har brugt meget af sin karriere på at udvikle instrumentering til en anden slags fjernmålingssystem:et havbundsobservatorium med et fiberoptisk kabel, der løber 300 miles fra Oregons kyst til en række sensorer. Sensorerne sender nu realtidsobservationer tilbage fra Axial Seamount, en undersøisk vulkan ved en midt-ocean højderyg, hvor ny havbund bliver skabt. Marinegeofysiker Maya Tolstoy brugte realtidsdataene til at studere et udbrud i 2015 der, startende med en stigning i jordskælv forud for udbruddet og overvågning af, hvordan energien fra udbruddet bevægede sig gennem vandet.

Behandling af floder af data

Alle disse indgående data øger efterspørgslen efter computerkraft og smarte måder at behandle og arkivere dem på.

The Interdisciplinary Earth Data Alliance (IEDA), ledet af Kerstin Lehnert og Suzanne Carbotte hos Lamont, spiller en afgørende rolle ved at gemme videnskabelige data fra forskere over hele verden og gøre dataene bredt tilgængelige sammen med værktøjer til analyse. Abernathe, i mellemtiden, arbejder på måder at forbedre datasystemarkitekturen og etablere højtydende computerfunktioner skræddersyet til Lamonts databehov.

"Disse platforme vil blive brugt til eksperimenter i de kommende år, som vi ikke kan forestille os i dag, " sagde Crone. "Det samme gælder for internettet og satellitter, der kan forbinde os. Det handler om at have et problem at løse, bygge sensoren eller enheden, forbinder det til en platform eller et netværk, og bringe data ind for at begynde at løse det problem."

"Dette er fremtiden, " sagde Crone.

Dette er også Lamonts arv. Lamont blev bygget på grundlæggeren Maurice "Doc" Ewings vision om konstant dataindsamling og åben datadeling for at styrke global forskning og opdagelser. Hvis Ewings videnskabsmænd ikke havde den teknologi, de havde brug for, de byggede det selv.

Mens Lamonts videnskabsmand-ingeniører fortsætter med at skubbe videnskabens grænser, Real-Time Earth Initiative tager dataadgang til nye niveauer. "Alles videnskab vil blive bedre af dette, Crone sagde, "fordi alle vil være i stand til at bygge nye systemer til at observere Jorden."