Sandia går i gang med arktisk havbundsdataprojekt ved hjælp af ny undervandsteknik

Sandia National Laboratories forskere begynder at analysere det første havbundsdatasæt fra under arktisk havis ved hjælp af en ny metode. De var i stand til at fange isskælv og transportaktiviteter på Alaskas nordlige skråning, mens de også overvågede for andre klimasignaler og livet i havet.

Holdet, ledet af Sandia geofysiker Rob Abbott, tilsluttet en iDAS, et distribueret akustisk sensing interrogator-system fremstillet af Silixa, til et eksisterende fiberoptisk kabel ejet af Quintillion, et Alaska-baseret telekommunikationsselskab. Kablet når havbunden fra Oliktok Point. I syv dage, 24 timer i døgnet, kabelvibrationer blev fanget og optaget, hjælper forskere med bedre at forstå, hvilken naturlig og menneskeskabt aktivitet, der finder sted i det data-sultede hav.

Dette er første gang et distribueret akustisk sensing interrogator-system er blevet brugt til at fange data på havbunden i de arktiske eller antarktiske oceaner, og teamet ser mange fordele til fremtidig brug.

"Dette er en første af sin slags dataindsamling, og hvad de nationale laboratorier gør, dette er præcis den type højrisiko, forskning med høj belønning, der kan gøre en enorm forskel i, hvordan vi er i stand til at overvåge det arktiske hav, " sagde Sandia-manager Kyle Jones. "Dette er virkelig på forkant med seismologi og geofysik, sammen med klimaændringer og andre discipliner."

Holdet forventer at optage klimasignaler som timingen og fordelingen af ​​havisbrud, havets bølgehøjde, havis tykkelse, fejlzoner og stormens sværhedsgrad. Forsendelse, hvalsange og brud kan også optages. Denne nye måde at overvåge på rummer potentialet til vedvarende at fange en lang række arktiske fænomener på en omkostningseffektiv og sikker måde, så forskerne bedre kan forstå virkningerne af klimaændringer på dette skrøbelige miljø, sagde Abbott.

Interrogatoren ligner en elektronisk boks, der kan tilsluttes fiberoptiske kabel på land, og den bruger en laser til at sende tusindvis af korte lysimpulser langs kablet hvert sekund. En lille del af dette lys reflekteres tilbage - eller tilbagespredt - langs kablet, mens havbunden, det er knyttet til, bevæger sig på grund af jorden, havisen, havstrøm og dyreaktiviteter. Det tilbagespredte lys gør det muligt for spørgeren at opdage, overvåge og spore hændelser langs fiberen, og data gemmes på harddiske.

"Quintillions fiberoptiske kabel er et gunstigt sted på Alaskas nordlige skråning, " sagde Abbott. "Denne teknologi fungerer for dette projekt af flere grunde. Vi sender ikke en båd ud for at plante monitorer; vi trasker ikke hen over havisen og prøver at installere sensorer. Dette kabel vil eksistere i årtier, og vi kan tage gode data om det. Det er en meget sikker måde at tage denne måling på i et farligt miljø."

Finansieret af Laboratory Directed Research and Development-programmet, dette var den første af otte ugers dataindsamling, der vil ske i løbet af de næste to år under projektet. Holdet vil besøge Alaska i hver af de fire arktiske årstider defineret som isbundet, isfri, frysning og optøning. Et tredje år vil blive brugt på yderligere at analysere data.

Abbott sagde, at resultaterne vil blive kommunikeret med det bredere videnskabelige samfund og vil blive leveret til klimamodelleringssamfundet til inklusion i algoritmer. Derudover holdet håber, at resultaterne af projektet vil vise behovet for vedvarende distribueret akustisk sensing-overvågning i Arktis.

"Vi vil gerne levere data til high-fidelity klimamodeller og rådataanalyse, " sagde Abbott. "Jeg håber også at kunne foretage en direkte måling af havisens tykkelse, hvilket er svært i øjeblikket. Lige nu, du har brug for et fly, der flyver over, eller du skal ud på isen. Det kan være meget farligt og dyrt, og du kan kun gøre det en eller to gange om året. Ved hjælp af et fiberoptisk kabel, det distribuerede akustiske sensorsystem kunne være derude 24/7/365, og du kan potentielt tage en måling af havisens tykkelse én gang om dagen."

Opmuntrende data fanget i de første 168 timer

Sandia-forskere er lige begyndt at analysere de første 168 timers data indsamlet i februar, og de bliver opmuntret af det, de ser, sagde Abbott.

"Vi ser ting, der er tegn på isskælv. Vi ser begivenheder så langt ude som 33 kilometer i havet, hvor der ikke burde være nogen menneskeskabt aktivitet, " han sagde, med henvisning til de første to timers data, han havde set på. "Vi ser helt sikkert en naturlig begivenhed af en slags. Det kunne være et isskælv, eller det kan være en mikro-seismisk begivenhed i jorden som et jordskælv. Vi er ikke sikre endnu."

Tættere på kysten, Abbott sagde, at holdet højst sandsynligt har registreret produktions- og reinjektionsbrønde, der genbruger spildevand og frekvenser, der er tegn på havvande og -strømme. Et overraskende resultat var, at systemet opfangede frekvenser fra et lavtflyvende hoverfartøj.

Interrogatoren kan optage hændelser med en rumlig tæthed på tre til fire størrelsesordener større end traditionelle hydrofon- eller havbundsseismometerudsættelser, sagde Abbott.

"I denne første dataindsamling, vi havde ikke forventet at se en masse strømme og isskælv, fordi der var stabilt isdække over hele området, og alligevel ser vi nogle af de ting, hvilket er spændende, " sagde Abbott.

Abbott sagde, at han ser frem til at indfange data om hvaler og sæler i løbet af træksæsonen. Arktis er hjemsted for grønlandshval og hvidhvaler, hver har individuelle sange. Systemet burde være i stand til at optage disse sange på samme måde som ved optagelse af jordskælv, fordi vibrationer i havet overføres til jorden, som derefter overføres til kablet. med hvaler, et karakteristisk mønster udvikler sig, når sangen skifter tonehøjde.

"Det kaldes svæveflyvning, hvor over tid, frekvenserne starter lavt og går højt og ned igen, " sagde Abbott. "Sådne frekvenser er karakteristiske for biologiske kilder og kan let skelnes fra andre kilder, såsom jordskælv. Hvaler synger ofte i over 30 minutter med individuelle gentagne toner, der varer et par sekunder lang, og som glider op og ned."

North Slope-vejret tilføjede intensitet til eksperimentets kritiske første uge

Det forventede, men voldsomme North Slope-klima var en udfordring. I februar, området er mørkt omkring 18 timer om dagen, og fordi der blæser sne meget af tiden, og vejene ikke er godt afmærkede, alt bliver ved med at se nyt ud, sagde Abbott. Holdet havde også at gøre med bitter kulde, og mens de var forberedte, temperaturerne var omkring 10 grader koldere end forventet, på et tidspunkt faldet til minus 45 Fahrenheit (minus 77 inklusive vindafkøling). Selv de mennesker, der arbejder der for at leve, lukker ned for alle udendørs aktiviteter, sagde Abbott.

"Det amerikanske Arktis er formidabelt, 30 grader under nul er en almindelig begivenhed i vintermånederne, " sagde Michael McHale, Quintillions Chief Revenue Officer. "Meget af regionen er tundra og svær at krydse i det bedste vejr. At arbejde her kræver betydelig erfaring og hårdt tilkæmpet ekspertise. De tekniske implikationer er enorme. De fleste netværk og satellitjordstationer opererer ikke i regioner, hvor de skal være i stand til at tolerere 70 grader under nul."

På grund af barske forhold, Quintillions fiberoptiske kabel er dobbeltarmeret med kobber- og stålkappe for at beskytte mod skæring, knusnings- eller slidskader, sagde McHale.

"Alle virksomhedens netværkskomponenter, inklusive kabler, er konstrueret til at modstå det ekstreme arktiske miljø og beskytte mod netværksafbrydelser, " tilføjede han. "De undersøiske dele af kablet er primært begravet under havbunden."

Nerverne varede hele ugen, da en vellykket dataindsamling var usikker

Dagen efter holdet ankom, forskere mødtes ved Quintillion kabellandingsanlægget, hvor det distribuerede akustiske sensorsystem blev installeret med hjælp fra virksomheden. Et teammedlem fra Silixa, virksomheden Sandia købte det distribuerede akustiske sensorsystem fra, var der også for at hjælpe.

Sandia-forskere var i stand til at bruge omkring 30 miles af de undersøiske fiberoptiske kabler, McHale sagde, og opsætningen gik glat. Han tilføjede, at projektet har været en stor oplevelse indtil videre.

"Muligheden for at arbejde med nogle af de mest vidende geofysikere og dataforskere i landet er spændende og en ære, " sagde han. "At støtte arbejdet i det videnskabelige samfund har længe været et mål for Quintillions. At nå dette mål med en klient så højt anset som Sandia Labs overgik vores forventninger."

I løbet af de første par dage af den første indsamling, der var forventet nervøsitet blandt holdet, fordi dette var noget, der ikke var blevet gjort før. Mens Abbott har brugt fiberoptiske kabler til at optage eksplosioner for Sandia, han havde ikke brugt dem på en havbund og heller ikke til noget så stort.

Forhørslederen indsamler 2 gigabyte information i minuttet, og fordi det kommer så hurtigt, det er svært at vide, om dataene er gode, sagde Abbott. Efter tre eller fire dage, holdet havde indikationer på, at systemet fungerede godt, og det tog hele ugen, før de følte sig sikre på eksperimentet.

"Det, jeg er spændt på, er, at vi ser en masse interessante fænomener i denne dataindsamling, som sandsynligvis vil være det mest støjsvage datasæt med færrest mængder isskælv eller bølgepåvirkning, " sagde Abbott. "Når vi begynder at se isen bryde op og isbjerge styrte ind i hinanden i andre årstider, hvor der slet ikke er is deroppe, vi vil se ting bedre som tidevand, strømme og storme."