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牵引式传感器自由落体测量海洋状况的垂直切片
来源:赛斯维传感器网 发表于 2020/9/16

科学家准备从研究船的后甲板部署正在进行中的ctd。图片提供:amala mahadevan

人们通常从水平的角度来考虑海洋的运动,例如绕着地球扫掠的强大水流,或沿着海岸线进出的海浪。但是也有很多垂直运动,特别是在公海中,深海中的水会上升,将营养带到上层海洋,而地表水则下沉,将死亡的生物以及氧气和碳一起输送到深部内部。


海洋学家使用仪器来表征海洋水域和生活在其中的生物群落的垂直混合。但是这些工具捕获小规模特征的能力受到限制,例如在小而宽的海洋区域中水和生物的上升和下降。这些功能对于理解给定海洋中(例如,渔业中)存在的海洋生物的构成以及海洋可以吸收和隔离的碳量至关重要。


现在,麻省理工学院和伍兹霍尔海洋学研究所(whoi)的研究人员设计出了一种轻巧的仪器,可以测量一公里,小范围的垂直海洋的物理和生物学特征。名为ecoctd的“海洋廓线仪”大约具有腰高模型火箭的大小,可以从移动中的舰船上掉下来。当它从水中自由落下时,其传感器可测量物理特征,例如温度和盐度,以及生物学特性,例如叶绿素(浮游植物的绿色色素)的光学散射。


“通过ecoctd,我们可以看到小范围的快速垂直运动,可以向表面提供养分,而叶绿素则可以向下传递,这告诉您这也可能是碳通路。否则,您可能会错过这一点。现有技术”,麻省理工学院地球,大气与行星科学系研究生,以及mit-whoi海洋学/应用海洋科学与工程联合计划的研究生mara freilich说。


freilich和她的同事今天在《大气与海洋技术杂志》上发表了他们的研究结果。该论文的共同作者是whoi的j. thomas farrar,benjamin hodges,tom lanagan和amala mahadevan,以及新斯科舍省的dynamic system analysis的andrew baron。主要作者是whoi和rbr的mathieu dever,rbr是位于渥太华的海洋传感器开发商。



海洋学家使用多种方法来测量海洋的物理性质。一些使用的更强大的高分辨率仪器被称为ctd,因为它们具有测量海洋电导率,温度和深度的能力。ctd通常很笨重,因为它们包含多个传感器以及收集水和生物样品的组件。传统的ctd要求船只停下来,因为科学家有时会通过起重机系统将仪器降低到水中。当仪器收集测量值和水样时,船舶必须保持原状,并且只能在将仪器拖回船上后才能返回航行。


物理海洋学家无需研究海洋生物学,因此不需要收集水样本,有时可以使用“ uctd”(cttd的进行中版本),而无需笨重的水采样组件,可以在航行中将其拖走。这些仪器可以快速取样,因为它们不需要起重机或轮船就可以停下来。


freilich和她的团队希望设计一种uctd版本,该版本还可以将生物传感器集成在一个小巧,轻巧,可牵引的包装中,这也将在船舶收集垂直测量值的同时使它继续前进。


弗雷里希说:“在现有的仪器之间似乎可以直接产生协同作用,从而设计出一种可以捕获物理和生物信息的仪器,并且也可以进行。”


麻省理工学院设计的新型海洋传感器旨在从移动中的船舶后部自由下落。该仪器可进行低至500米的物理和生物测量,可以在数分钟内将其拉回,然后再次下降,而无需停止研究船。信用:mathieu dever

“到达黑暗的海洋”


ecoctd的核心是rbr concerto logger,它是一种测量水温以及电导率的传感器,可以代替海洋的盐分。探查器还包括一个引线环,该引线环提供了足够的重量,以使仪器能够以每秒约3米的速度从水中自由落下-这种速率使仪器在约两分钟的时间内下降到地表以下约500米。


弗赖利希说:“在500米处,我们正在到达暮光区的上部。” “富营养区是海洋中有足够的光用于光合作用的区域,大多数地方大约在100到200米之间。因此,我们到达了黑暗的海洋。”


另一个传感器ecopuck是其他uctd所独有的,因为它可以测量海洋的生物特性。特别是,它是一个小型的圆盘状生物光学传感器,它发出红色和蓝色两种波长的光。传感器捕获这些光的任何变化,因为它们会向后散射,并且随着光的响应而含叶绿素的浮游植物发出荧光。如果接收到的红光类似于叶绿素的特定波长特征,则科学家可以推断出给定深度的浮游植物的存在。散射回传感器的红色和蓝色光的变化可以指示水中的其他物质,例如沉积物或死细胞,这是对不同深度的碳含量的度量。


ecoctd包括uctd特有的另一种传感器-rinko iii do,它可以测量水中的氧气浓度,这可以为科学家提供一个估算,即生活在给定深度和水域中的任何微生物群落正在吸收多少氧气。


最后,整个仪器都装在一个铝管中,设计成可通过一条长线连接到船尾的绞盘上。随着船舶的移动,团队可以将仪器掉落到舷外,并使用绞车以即使仪器移开时仪器也能直接下降的速度来支付管线费用。大约两分钟后,一旦到达约500米的深度,团队便摇动绞盘将仪器拉回原位,以使仪器在12分钟内赶上船。然后机组人员可以再次放下仪器,这次离他们的最后一个放下点一定距离。


“很好的是,当我们进行下一次演出时,距离我们第一次去的地方只有500米,因此我们正好是下一个要采样的地方,” freilich说。


他们在2018年和2019年的两次航行中对ecoctd进行了测试,一次航行到地中海,另一次航行在大西洋,在两种情况下都能够以比现有ctd更高的分辨率收集物理和生物数据。


freilich说:“ ecoctd以黄金标准的质量捕获了这些海洋特征,提供了更多的便利性和多功能性。”


该小组将进一步完善他们的设计,并希望科学家,科学家和科学家们可以对他们的高分辨率,易于部署和更高效的替代方案进行修改,以监测海洋对气候变化的小规模响应。跟踪某个地区的生物生产力。


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