Trækbar sensor kan frit falde til måling af lodrette skiver af havforhold

Havets bevægelse tænkes ofte i horisontale termer, for eksempel i de kraftige strømme, der fejer rundt på planeten, eller bølgerne, der kører ind og ud langs en kystlinje. Men der er også masser af lodret bevægelse, især i det åbne hav, hvor vand fra dybet kan stige op, at bringe næringsstoffer til det øvre hav, mens overfladevand synker, sender døde organismer, sammen med ilt og kulstof, til det dybe indre.

Oceanografer bruger instrumenter til at karakterisere den lodrette blanding af havets farvande og de biologiske samfund, der bor der. Men disse værktøjer er begrænsede i deres evne til at fange småskala funktioner, såsom op- og nedgang af vand og organismer over en lille, kilometer bred havregion. Sådanne funktioner er essentielle for at forstå sammensætningen af ​​det marine liv, der eksisterer i en given mængde af havet (såsom i et fiskeri), samt mængden af ​​kulstof, som havet kan absorbere og opsuge væk.

Nu har forskere ved MIT og Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) konstrueret et letvægtsinstrument, der måler både fysiske og biologiske træk ved det lodrette hav over små, kilometer brede pletter. "Oceanprofilen, " kaldet EcoCTD, er på størrelse med en taljehøj model-raket og kan sænkes bag på et skib i bevægelse. Når det falder frit gennem vandet, dens sensorer måler fysiske egenskaber, såsom temperatur og saltindhold, samt biologiske egenskaber, såsom den optiske spredning af klorofyl, planteplanktons grønne pigment.

"Med EcoCTD, vi kan se små områder med hurtig lodret bevægelse, hvor næringsstoffer kunne tilføres overfladen, og hvor klorofyl føres nedad, som fortæller dig, at dette også kunne være en kulstofvej. Det er noget, du ellers ville savne med eksisterende teknologi, " siger Mara Freilich, en kandidatstuderende i MIT's Department of Earth, Atmosfærisk, og planetariske videnskaber og MIT-WHOI Joint Program in Oceanography/Applied Ocean Sciences and Engineering.

Freilich og hendes kolleger har offentliggjort deres resultater i dag i Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. Papirets medforfattere er J. Thomas Farrar, Benjamin Hodges, Tom Lanagan, og Amala Mahadevan fra WHOI, og Andrew Baron fra Dynamic System Analysis, i Nova Scotia. Hovedforfatteren er Mathieu Dever fra WHOI og RBR, en udvikler af havsensorer med base i Ottawa.

Havsynergi

Oceanografer bruger en række metoder til at måle havets fysiske egenskaber. Nogle af de mere kraftfulde, De anvendte højopløsningsinstrumenter er kendt som CTD'er, for deres evne til at måle havets ledningsevne, temperatur, og dybde. CTD'er er typisk omfangsrige, da de indeholder flere sensorer samt komponenter, der opsamler vand og biologiske prøver. Konventionelle CTD'er kræver, at et skib stopper, da forskere sænker instrumentet i vandet, nogle gange via et kransystem. Skibet skal blive siddende, da instrumentet indsamler målinger og vandprøver, og kan først komme i gang igen, når instrumentet er trukket tilbage ombord.

Fysiske oceanografer, der ikke studerer havbiologi, og derfor ikke behøver at indsamle vandprøver, kan nogle gange bruge "UCTD'er" - igangværende versioner af CTD'er, uden de voluminøse vandprøveudtagningskomponenter, der kan slæbes, mens et skib er i gang. Disse instrumenter kan prøve hurtigt, da de ikke kræver, at en kran eller et skib stopper, når de tabes.

Freilich og hendes team søgte at designe en version af en UCTD, der også kunne inkorporere biologiske sensorer, alt i en lille, letvægts, trækkelig pakke, det ville også holde skibet i gang, mens det samlede sine lodrette mål.

"Det så ud til, at der kunne være ligetil synergi mellem disse eksisterende instrumenter, at designe et instrument, der fanger fysiske og biologiske oplysninger, og kunne også gøre dette undervejs, " siger Freilich.

"Nå det mørke hav"

Kernen i EcoCTD er RBR Concerto Logger, en sensor, der måler temperaturen på vandet, samt ledningsevnen, som er en proxy for havets saltholdighed. Profilen indeholder også en blykrave, der giver tilstrækkelig vægt til, at instrumentet frit kan falde gennem vandet med cirka 3 meter i sekundet-en hastighed, der tager instrumentet ned til cirka 500 meter under overfladen på cirka to minutter.

"Ved 500 meter, vi når den øvre tusmørkezone, " siger Freilich. "Den eufotiske zone er, hvor der er lys nok i havet til fotosyntese, og det er på cirka 100 til 200 meter de fleste steder. Så vi når det mørke hav. "

En anden sensor, EcoPuck, er unik for andre UCTD'er, idet den måler havets biologiske egenskaber. Specifikt, det er en lille, puckformet bio-optisk sensor, der udsender to bølgelængder af lys - rødt og blåt. Sensoren fanger enhver ændring i disse lys, når de spredes tilbage, og når klorofylholdigt fytoplankton fluorescerer som reaktion på lyset. Hvis det modtagne røde lys ligner en bestemt bølgelængde karakteristisk for klorofyl, forskere kan udlede tilstedeværelsen af ​​planteplankton i en given dybde. Variationer i rødt og blåt lys spredt tilbage til sensoren kan indikere andet stof i vandet, såsom sedimenter eller døde celler - et mål for mængden af ​​kulstof i forskellige dybder.

EcoCTD'en inkluderer en anden sensor, der er unik for UCTD'er - Rinko III Do, som måler iltkoncentrationen i vand, som kan give forskerne et skøn over, hvor meget ilt der optages af mikrobielle samfund, der lever på en given dybde og en given vandpakke.

Endelig, hele instrumentet er indkapslet i et rør af aluminium og designet til at fastgøre via en lang line til et spil på bagsiden af ​​et skib. Mens skibet bevæger sig, et hold kan tabe instrumentet over bord og bruge spillet til at betale linen ud med en hastighed, så instrumentet falder lige ned, selvom skibet flytter væk. Efter cirka to minutter, når den har nået en dybde på omkring 500 meter, holdet vender spillet til at trække instrumentet tilbage, med en hastighed, som instrumentet indhenter skibet inden for 12 minutter. Besætningen kan derefter tabe instrumentet igen, denne gang i nogen afstand fra deres sidste afleveringssted.

"Det fine er, når vi går til næste cast, vi er 500 meter væk fra, hvor vi var første gang, så vi er præcis, hvor vi vil prøve det næste, " siger Freilich.

De testede EcoCTD på to krydstogter i 2018 og 2019, den ene til Middelhavet og den anden i Atlanterhavet, og i begge tilfælde var i stand til at indsamle både fysiske og biologiske data i en højere opløsning end eksisterende CTD'er.

"ecoCTD'en fanger disse havkarakteristika i en guldstandardkvalitet med meget mere bekvemmelighed og alsidighed, " siger Freilich.

Teamet vil yderligere forfine deres design, og håber, at deres høje opløsning, let at implementere, og et mere effektivt alternativ kan tilpasses af begge forskere til at overvåge havets små reaktioner på klimaændringer, samt fiskeri, der ønsker at holde styr på en bestemt regions biologiske produktivitet.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.