Navigerer under den arktiske is

Der er masser af aktivitet under det store, ensomme is- og snevidder i Arktis. Klimaforandringerne har dramatisk ændret det islag, der dækker store dele af det arktiske hav. Områder med vand, der plejede at være dækket af en solid ispose, er nu dækket af tynde lag kun 3 fod dybe. Under isen, et varmt lag vand, del af Beaufort Lens, har ændret sammensætningen af ​​vandmiljøet.

For at forskerne skal forstå, hvilken rolle dette skiftende miljø i det arktiske hav spiller i de globale klimaændringer, der er behov for at kortlægge havet under isdækket.

Et team af MIT-ingeniører og søofficerer ledet af Henrik Schmidt, professor i maskin- og havteknik, forsøger at forstå miljøændringer, deres indvirkning på akustisk transmission under overfladen, og hvordan disse ændringer påvirker navigation og kommunikation for køretøjer, der kører under isen.

"I bund og grund, det, vi ønsker at forstå, er, hvordan dette nye arktiske miljø forårsaget af globale klimaændringer påvirker brugen af ​​undervandslyd til kommunikation, navigation, og sansning?" forklarer Schmidt.

For at besvare dette spørgsmål, Schmidt rejste til Arktis med medlemmer af Laboratory for Autonomous Marine Sensing Systems (LAMSS), inklusive Daniel Goodwin og Bradli Howard, kandidatstuderende i MIT-Woods Hole Oceanographic Institution Joint Program i oceanografisk teknik.

Med midler fra Office of Naval Research, holdet deltog i ICEX—eller Ice Exercise—2020, et tre ugers program afholdt af den amerikanske flåde, hvor militært personel, videnskabsmænd, og ingeniører arbejder side om side med at udføre en række forskningsprojekter og missioner.

En strategisk vandvej

Det hurtigt skiftende miljø i Arktis har vidtrækkende konsekvenser. Ud over at give forskerne mere information om virkningen af ​​global opvarmning og dens virkninger på havpattedyr, den tyndere is kan potentielt åbne op for nye sejlruter og handelsruter i områder, der tidligere var uoverkommelige.

Måske mest afgørende for den amerikanske flåde, forståelse af det ændrede miljø har også geopolitisk betydning.

"Hvis det arktiske miljø ændrer sig, og vi ikke forstår det, som kan have konsekvenser i forhold til national sikkerhed, " siger Goodwin.

For flere år siden, Schmidt og hans kollega Arthur Baggeroer, professor i mekanik og havteknik, var blandt de første til at erkende, at det varmere vand, del af Beaufort Lens, kombineret med den skiftende issammensætning, påvirket, hvordan lyd rejste i vandet.

For at kunne navigere i hele Arktis, den amerikanske flåde og andre enheder i regionen skal forstå, hvordan disse ændringer i lydudbredelsen påvirker et køretøjs evne til at kommunikere og navigere gennem vandet.

Ved hjælp af en upilotet, autonome undervandsfartøjer (AUV) bygget af General Dynamics-Mission Systems (GD-MS), og et system af sensorer rigget på bøjer udviklet af Woods Hole Oceanographic Institution, Schmidt og hans team, sammen med Dan McDonald og Josiah DeLange fra GD-MS, satte sig for at demonstrere et nyt integreret akustisk kommunikations- og navigationskoncept.

Rammen, som også blev støttet og udviklet af LAMSS medlemmer Supun Randeni, EeShan Bhatt, Rui Chen, og Oscar Viquez, samt LAMSS-alumnen Toby Schneider fra GobySoft LLC, ville tillade køretøjer at rejse gennem vandet med GPS-nøjagtighed, mens de anvender oceanografiske sensorer til dataindsamling.

"For at bevise, at du kan bruge dette navigationskoncept i Arktis, vi skal først sikre, at vi fuldt ud forstår det miljø, vi opererer i, " tilføjer Goodwin.

Forstå miljøet nedenfor

Efter ankomsten til Arctic Submarine Labs islejr sidste forår, forskerholdet indsatte en række ledningsevne-temperatur-dybde-sonder for at indsamle data om vandmiljøet i Arktis.

"Ved at bruge temperatur og saltholdighed som funktion af dybde, vi beregner lydhastighedsprofilen. Dette hjælper os med at forstå, om AUV'ens placering er god til kommunikation eller dårlig, " siger Howard, der var ansvarlig for at overvåge miljøændringer i vandsøjlen i hele ICEX.

På grund af den måde, lyden bøjer i vand, gennem et koncept kendt som Snells lov, sinuslignende trykbølger samles i nogle dele af vandsøjlen og spredes i andre. At forstå udbredelsesbanerne er nøglen til at forudsige gode og dårlige placeringer, hvor AUV'en kan fungere.

For at kortlægge de områder af vandet med optimale akustiske egenskaber, Howard modificerede det traditionelle signal-til-støj-forhold (SNR) ved at bruge en metrik kendt som multi-path penalty (MPP), som straffer områder, hvor AUV'en modtager ekkoer af beskederne. Som resultat, køretøjet prioriterer operationer i områder med mindre rumklang.

Disse data gjorde det muligt for teamet at identificere præcis, hvor køretøjet skulle placeres i vandsøjlen for optimal kommunikation, hvilket resulterer i nøjagtig navigation.

Mens Howard indsamlede data om, hvordan vandets egenskaber påvirker akustikken, Goodwin fokuserede på, hvordan lyd projiceres og reflekteres fra den evigt skiftende is på overfladen.

For at få disse data, AUV'en var udstyret med en enhed, der målte køretøjets bevægelse i forhold til isen ovenover. Den lyd blev opfanget af flere modtagere, der var fastgjort til fortøjninger, der hang fra isen.

Dataene fra køretøjet og modtagerne blev derefter brugt af forskerne til at beregne præcis, hvor køretøjet var på et givet tidspunkt. Denne placeringsinformation, sammen med de data, Howard indsamlede om det akustiske miljø i vandet, tilbyde et nyt navigationskoncept til køretøjer, der rejser i det arktiske hav.

Beskyttelse af Arktis

Efter en række tilbageslag og udfordringer på grund af de utilgivelige forhold i Arktis, holdet var i stand til at bevise, at deres navigationskoncept fungerede. Takket være holdets indsats, flådeoperationer og fremtidige handelsfartøjer kan muligvis drage fordel af de skiftende forhold i Arktis for at maksimere navigationsnøjagtigheden og forbedre undervandskommunikationen.

"Vores arbejde kunne forbedre den amerikanske flådes evne til sikkert og effektivt at betjene ubåde under isen i længere perioder, " siger Howard.

Howard erkender, at ud over ændringerne i det fysiske klima, det geopolitiske klima fortsætter med at ændre sig. Dette styrker kun behovet for forbedret sejlads i Arktis.

"Den amerikanske flådes mål er at bevare freden og beskytte den globale handel ved at sikre frihed til at sejle i hele verdenshavene, " tilføjer hun. "Det navigationskoncept, vi beviste under ICEX, vil tjene til at hjælpe flåden i den mission."

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.