Nye kystprofileringsflydere til diagnosticering af havsundhed

Når en læge tjekker en patient, de lytter måske til patientens vejrtrækning, tage deres temperatur, og diskutere ernæring. Når du tjekker op på havet, forskere tager også ilt, temperatur, og næringsstofmålinger. Men på grund af dens størrelse og variation, at læse havets vitale tegn er meget mere udfordrende end at skændes med den gennemsnitlige patient.

Selvom fortøjninger og autonome undervandsrobotter kan hjælpe med at overvåge havets sundhed, MBARI-ingeniører og videnskabsmænd har arbejdet på et nyt diagnostisk værktøj - en kystprofileringsflyder - der kan forblive på havet i længere tid uden at kræve et anker på havbunden.

I to årtier, flåde, der profilerer åbent hav, har med succes sporet temperatur og saltholdighed. Argo-netværket kan prale af omkring 3, 800 drivende flydere på verdensplan, og projektet Southern Ocean Carbon and Climate Observations and Modeling (SOCCOM) har omkring 200 flydere i det sydlige Ocean. Alle disse flydere indsamler data og sender dem tilbage til kysten inden for få timer.

I modsætning til hvad navnet antyder, profileringsflydere flyder ikke bare passivt i havet – de bevæger sig op og ned. Åbent hav flydere bruger det meste af deres tid på 1, 000 til 2, 000 meter (3, 280 til 6, 560 fod) dybder, stiger til overfladen hver 10. dag takket være en konstrueret svømmeblære.

"Den ydre blære kan forlænges, og alt, hvad vi gør, er at flytte olie frem og tilbage indefra og ud, " sagde Gene Masion, MBARIs ledende ingeniør på projektet. Flytning af olie uden for flyderen og ind i den ydre blære øger dens volumen uden at ændre flyderens masse, får det til at stige gennem vandet. Flytning af olie tilbage inde i flyderen mindsker volumen, og derfor opdriften, lader flyderen synke.

"Disse flydere er et system, der virker, " sagde Ken Johnson, seniorforsker ved MBARI. "De er også meget billigere end forskningsfartøjer, og behøver ikke nær så meget personale til at drive eller vedligeholde."

Men der er en vital del af havet, hvor disse flåder er mindre effektive - kystområder. Som en drivende tangstreng, flåd er prisgivet strømmene. I det åbne hav er lidt frem og tilbage bevægelse ikke bekymrende. Men langs kysten, flydere kan nemt strande på stranden, gør dem ubrugelige. Som resultat, forskere mangler flydedata fra kystområder, de mest produktive dele af havet.

"For at forstå havets sundhed, du skal arbejde i kystzonerne, hvor det mikroskopiske planteplankton og alger i bunden af ​​fødekæden lever, " forklarede Masion. Efter at have arbejdet på både SOCCOM og Argo arrays, Johnson og hans team er nu ved at udvikle en ny flyder designet til kysten.

En flyder, der parkerer på havbunden

MBARI-forskere designede kystprofileringsflyderen specifikt for at overvinde udfordringerne ved at arbejde i kystmiljøet. Deres vigtigste trick er at have float-parken på havbunden mellem perioder med dataindsamling. Flyderen bruger så mindre tid på at blive skubbet rundt i vandsøjlen og potentielt mod kysten.

En større, modificeret blære giver kystprofileringsflyderen en bredere vifte af opdrift. Større negativ opdrift gør det muligt for flyderen at parkere sikkert på den mudrede bund. Større positiv opdrift gør det muligt for flyderen at springe ud af det klæbrige havbundsmudder.

I stedet for at tage én måling hver 10. dag, ligesom Argo flydere, de kystnære profileringsflydere kan bevæge sig op og ned i vandsøjlen fire gange om dagen eller mere. På grund af den hurtige variation i kystmiljøet, målinger skal tages hyppigere nær kysten end i det åbne hav.

Indtil nu, MBARI-forskere har bygget to forskellige modeller af kystflydere med de samme kernekomponenter. Ingeniører byggede den første prototype med en opdriftsblære i bunden af ​​cylinderen, meget ligesom eksisterende Argo float-design. Deres andet design har blærer på siderne af kroppen for at reducere chancerne for at sidde fast i havbundens mudder. "Dette er irriterende små problemer, når du arbejder i det rigtige hav, som du skal håndtere som ingeniør, " sagde Masion, "men begge tilgange er meget levedygtige."

Til sidst håber ingeniørerne, at flyderne vil være i stand til at bekæmpe strøm med strøm. Hvis en strøm i en dybde, eller på overfladen, skubber flyderen faretruende tæt på stranden, der er ofte en strøm på en anden dybde, der flyder offshore. I teorien, flyderen behøver kun finde den dybde, hvor offshore-strømmen løber. At finde den strøm er en stor udfordring - en som Masion og hans team stadig tackler.

Massion tester også inertimålenheder (IMU'er), som dem der bruges i nogle af MBARIs robotter, for at bestemme, hvilken retning flyderen bevæger sig. Denne teknologi er meget dyr, men bliver stadig billigere og bedre.

Test i vandet

I løbet af de sidste år eller to, Masion og hans andre ingeniører har løst de fleste af fejlene og testet de mekaniske aspekter af flyderen. "Tingen fungerede fantastisk; den gik op og ned; vi kontrollerede hastigheden, vi holdt dybden; Det var fedt, " sagde Masion. Nu ønsker holdets videnskabsmænd at demonstrere dets funktionalitet ved at køre videnskabelige missioner. I videnskabelige applikationer, data gør alt.

En gruppe MBARI-forskere har allerede udført foreløbige eksperimenter med en kystprofileringsflyder i Monterey Bay. Prototypen flyder, udstyret med en sedimentfælde til at opsamle synkende partikler af organisk materiale (føde til dybhavsdyr), brugte en dag på at svæve omkring 130 meter (426 fod) under overfladen, prøveudtagning med seks timers mellemrum. MBARI-forskere analyserer stadig dataene fra dette eksperiment.

Senere på året, holdet planlægger at placere tre prototyper af kystprofileringsflydere i et trekantet array i Monterey Bay. Hvert forår og sommer, store algeopblomstringer opstår ud for bugtens nordlige kyst. Forskerne forventer, at disse flydere vil hjælpe med at identificere kilden til de næringsstoffer, der giver næring til disse blomster. Disse flydere vil blive indsat i en måned eller mere. Hvis det er nødvendigt, forskerne kan samle dem, genoplade deres batterier, og send dem ud igen.

Forskerne håber, at kystprofileringsflydere også kan bruges til at studere "døde zoner" med lavt iltindhold - områder af havet, hvor det meste havliv dør eller forlader på grund af lavt iltniveau. Uden for kystområder, flyderen kan vise sig nyttig ved at studere arktiske og ferskvandssystemer. Den store blære vil fungere godt i sådanne områder, hvor smeltende is eller kystnære floder resulterer i ferskvand med lav tæthed ved overfladen og stigende tæthed med dybden.

Flyderne bærer i øjeblikket instrumenter, der måler ilt, nitrat, pH, temperatur, saltindhold, partikler, sollys, og klorofyl (en indikator for alger). Sensorer kan udskiftes eller tilføjes efter forskernes behov. "Lige nu, flyderen er mere som en pickup truck end, Lad os sige, en Ferrari, " sagde Johnson. Mens forskerne fortsætter med at forfine flydedesignet, han forudser, at både flyderne og instrumenterne bliver mere strømlinede og kompakte.

"Med disse instrumenter, vi kan måle havets grundlæggende puls, sagde Johnson, "Hvis der er problemer i et område, vi kan så henvise skibe til at udføre mere detaljerede undersøgelser." Foreløbig, disse flydere vil give forskerne nok data til at få en læsning om patientens helbred.