Navy opnår en konkurrencefordel med forskning i biologiske havsværme

Små og skræmmende udseende væsner, der lurer i vores verdenshavene, kan skabe kaos på flådens taktiske beslutningstageres evne til at fornemme miljøet eller planlægge og kortlægge en navigationskurs.

Den simple tilstedeværelse af disse dyr, nogle på størrelse med en kuglepen, kan påvirke flådens operationer gennem dæmpning af akustiske signaler, bioluminescens, og omgivende støj.

For at hjælpe med at øge vores forståelse af disse mellemliggende trofisk niveau (ITL) organismer som små krebsdyr og vandmænd, forskere gennemførte en 14-dages feltkampagne sidste år ud for Delawares kyst. Kampagnen, ledet af US Naval Research Laboratory oceanograf Brad Penta, indsamlet information om dynamikken i ITL-økosystemer nær havfronter - områder, der har tendens til at være biologisk aktive.

Mellemliggende trofisk niveau organismer, lille, men mægtig

Alle organismer i et økosystem tilhører et bestemt trofisk niveau - i det væsentlige en etikette af, hvor de falder i fødekæden. ITL-dyr kan variere i størrelse fra små copepoder til store vandmænd. De bevæges af strømme i hele havet, og kan danne massive sværme.

Penta sagde, at sværme omkring undervands akustisk udstyr kan gøre udstyrets output upålideligt. Sværme kan være så tætte, at lyd reflekteres og genlyder fra dem, forårsager falske aflæsninger og øger den omgivende støj.

Ud over at påvirke lyden, ITL-organismer er kendt for at blinke.

"Mange af disse organismer udsender lys, kaldet bioluminescens, " sagde Penta. "De lyser ikke op hele tiden; normalt er det, når de bliver stimuleret eller forstyrret."

Hvordan de gjorde det

Kyststudiet inkorporerede en række instrumenter og værktøjer ombord.

En af undersøgelsens samarbejdspartnere, University of Mississippi, bragte et In Situ Ichthyoplankton Imaging System (ISIIS). ISIIS leverede flere billeder i høj opløsning hvert sekund, det blev bugseret bag skibet.

Under en af ​​slæberne, ISIIS passerede et område med havliv og troede fejlagtigt, at det havde ramt havets bund. Det viste sig at være en sværm af veligere, et larvestadium af bløddyr.

"Hvis du fik nok af dem [veligers], de kunne forstyrre sonar eller et optisk instrument, " sagde Penta. "Deres tilstedeværelse kan ændre den dybde, hvor flådens aktiver er indsat."

Forskere har også knyttet værktøjer til ISIIS til at måle temperatur, saltholdighed, klorofyl-a, ilt, og lysdæmpning. Parring af disse værktøjer med ITL-organismerne identificeret af ISIIS gjorde det muligt for forskere at bestemme en nøjagtig miljøprofil, hvor bestemte organismer levede.

Under hele krydstogtet, forskere brugte net til prøveudtagning, men også indsat en Wirewalker, en prøveudtagningsanordning drevet af bølger og strømme. Wirewalker var udstyret med en række instrumenter til at måle lys, ledningsevne, temperatur, dybde, let og akustisk tilbagespredning, og opløst oxygen i hele vandsøjlen.

Øjne i himlen

Som en del af feltkampagnen, oppe i himlen, et fly udstyret med billedkameraer og fjernmålingseksperter ombord undersøgte havmiljøet og gav præcise placeringer af havfronter til forskerne om bord. Den fløj med kameraer, der var følsomme over for synlige, lang og kort infrarød, og hyperspektrale bølgelængder.

Flyet havde også flere Light Detection and Ranging (LIDAR) kameraer. LIDAR'er udsender farvede lasere for at afsløre profiler af et emne. I dette tilfælde, LIDAR gav forskerne information om, hvad der foregik under vandet. Deric Gray, en oceanograf i NRL's Remote Sensing-afdeling, drev og testede et nyt NRL-udviklet værktøj kaldet multi wavelength LIDAR for the environment (MUWLE).

I modsætning til traditionelle oceaniske LIDAR'er, som normalt har en monokromatisk laser, Gray og hans team designede MUWLE med udskiftelige laserfarver. Fleksibiliteten gjorde det muligt for Gray og hans team at teste og optimere forskellige farver i flere havmiljøer.

"Blå fungerede bedre på dybt vand, " sagde Gray. "Grønt fungerede godt i algerige områder, og gul fungerede godt i grumsete bugter med meget mudder."

Forskere designet MUWLE til at opfange detaljer i vandet, vel vidende, at det ville opfange en lille mængde information om atmosfæren. Men forskere var overraskede over at lære, at MUWLE kunne indsamle detaljerede oplysninger om atmosfæren.

"Vi så aerosollag, der viste sig mere markant, end vi troede, de ville, " sagde Gray. "LIDAR så også tynd, knuste skyer under flyet, som vi ellers ikke kunne se."

Hvad er der i dataene?

Forskere gennemsøger nu deres data aktivt. Det ultimative mål med undersøgelsen er at udvikle en model, som kan forudsige tilstedeværelsen af ​​ITL-organismer.

Før modellerne kan bruge dataene, imidlertid, databeholdningen skal behandles.

Penta sagde, at han udtrak mere end 1,2 millioner billeder fra kun et slæb med ISIIS-instrumentet. Hans team bruger nye teknikker til at sortere gennem al information og etablere trends.

"Vi er begyndt at oprette maskinlærings dybe neurale netværk for at bruge kunstig intelligens til at klassificere organismerne, men har ikke resultater endnu, " sagde Penta.

Dybe neurale netværk (DNN) er sofistikerede matematiske modeller, der bruges til at behandle store mængder data. Christopher Wood, en NRL datamatiker, træner en slags DNN – et konvolutionelt neuralt netværk (CNN) – til at identificere organismer i ISIIS-billederne.

"CNN'er er rettet mod billedanalyse, " sagde Wood. "Et menneske kunne ikke behandle disse billeder i en menneskealder. Billedrullerne er massive, og nogle af organismerne er meget små."

Penta sagde, at han planlægger at bruge CNN til at identificere organismer, og matche den information til fronterne og vandmasserne. Dette vil vise, hvordan samfund i havet ændrede sig i løbet af den to uger lange kampagne.

Når den er fuldt syntetiseret, Penta sagde, at oplysningerne vil skabe et omfattende billede af miljøet, som vil hjælpe med udviklingen af ​​prædiktive økosystemmodeller.