Aan de overkant van de Lamont-Doherty Earth Observatory-campus, wetenschappers onderzoeken onderzeese vulkanen, monitoring van kusterosie langs moeilijk bereikbare kusten, en het bestuderen van de beweging van zee-ijs - allemaal in realtime. Door drones te laden met hightech instrumenten en satellieten en onderzeese kabels te gebruiken die in wisselwerking staan ​​met sensoren op enkele van de meest afgelegen locaties op aarde, ze onthullen de geheimen van onze planeet.

"Realtime aardobservatie zal de manier waarop wetenschap wordt bedreven in de komende 10 tot 20 jaar veranderen, " zei Tim Crone, een mariene geofysicus die mede-leider is van een Lamont-Doherty Earth Observatory-initiatief om de grenzen van realtime gegevens over de planeet te verleggen. "We staan ​​aan de vooravond van een nieuw soort wetenschap, en technologie geeft ons de kans om geweldige dingen te doen."

Lamont is een van de weinige onderzoeksfaciliteiten ter wereld waar wetenschappers allerlei soorten wetenschappelijke platforms plaatsen, van zeebodem tot ruimte, te gebruiken voor realtime gegevensanalyse. Er komen gegevens binnen van bekabelde arrays die de zeebodem oversteken, onderwater voertuigen, en luchtlaboratoria zo groot als vliegtuigen en zo klein als drones. Satellieten zenden gegevens terug van zeegaande sensoren die de oceaanchemie en stromingen over de hele wereld volgen.

Die realtime metingen zorgen voor doorbraken in de wetenschap, omdat ze computermodellen verifiëren en onverwachte veranderingen aan het licht brengen.

Dronelab opent nieuwe landschappen voor de wetenschap

In het Noordpoolgebied, oceanograaf Christopher Zappa heeft instrumenten die gewoonlijk aan boord van onderzoeksschepen of vliegtuigen worden aangetroffen, opnieuw ontworpen en in drones ingebouwd die hij laag over het zee-ijs vliegt. Het bereik van de drones stelt hem in staat om zijn studiegebied uit te breiden en interferentie door de hitte en beweging van een schip te vermijden, terwijl ook de kosten aanzienlijk worden verlaagd. Het resultaat is ongeëvenaarde gegevens over de topografie en beweging van zee-ijs en nieuwe inzichten in hoe zee-ijs uiteenvalt en hoe de atmosfeer en de oceaan elkaar beïnvloeden.

"UAS's (onbemande luchtsystemen) zijn waar autonome en op afstand bediende onderwatervoertuigen 20 jaar geleden waren. Je had deze geweldige platforms, maar wetenschappers begonnen net te begrijpen hoe ze te gebruiken, "Zei Zappa. "Vandaag, er zijn overal onderwatervoertuigen in de oceanen van de wereld. Wat UAS ontbrak, is het vermogen om instrumenten van wetenschappelijke kwaliteit in de nuttige lading te stoppen. Om iets echt wetenschappelijks te doen, is veel techniek vereist."

Zappa, een co-leider van het Real-Time Earth-initiatief met Crone en fysiek oceanograaf Ryan Abernathey, breidt die technische capaciteit bij Lamont uit via zijn UAS-lab, die hightech payloads ontwerpt met hyperspectrale beeldvorming, lidar, thermische infrarode camera's, en andere sensoren voor wetenschappelijke missies.

Wetenschappelijke drones zijn er in alle maten, van lichte helikopters die je vanuit je hand kunt lanceren tot drones met vaste vleugels ter grootte van kleine vliegtuigen. Kleine quadcopters kunnen niet veel meer dragen dan een camera, maar ze geven vulkanologen Einat Lev en Elise Rumpf de mogelijkheid om lavastromen in kaart te brengen en in caldera's te kijken. Alessio Rovere zet kleine drones in om kusterosie en koraalverbleking te monitoren. Hoewel satellieten close-ups kunnen bieden, hun doorvliegfrequentie, Dekking, en gegevensverzameling zijn beperkt, en wolken belemmeren vaak het uitzicht. Met drones, Rovere, een geoloog, kan dicht bij moeilijk bereikbare stukken kustlijn komen zonder het land te verstoren.

Zappa, wiens zee-ijswerk afhankelijk is van meer geavanceerde instrumenten, maakt gebruik van grotere drones met vaste vleugels met automatisch bestuurde GPS-navigatie en 10-20 uur vliegtijd. Met ladingen ter grootte van een voetbal, Zappa kan vliegen met hyperspectrale beeldvormingssystemen die lichtgolven gebruiken om af te leiden waaruit een object is gemaakt of hoe energie stroomt. Hij kan algen in het water onderzoeken en hoe dit het oppervlaktewarmtebudget beïnvloedt, bijvoorbeeld. Een andere lading laat boeien vallen die de atmosfeer profileren en de oceaantemperatuur en het zoutgehalte meten.

"UAS's laten wetenschappers toe om naast een gletsjer te komen, iets wat je normaal niet zou doen met een schip. Als je naar een kustgebied wilt kijken, je kunt routinematig transecten over de brandingszone vliegen, ' zei Zappa.

Naarmate de kosten dalen, drones kunnen zelfs in orkanen worden gevlogen om realtime gegevens over golfhoogte te verzamelen, momentum, en warmte, hij zei.

Realtime gegevens uit de diepte

In de oceanen, Wetenschappers van Lamont gebruiken afgelegen en autonome onderwatervoertuigen om de zeebodem te verkennen en het mariene milieu te meten.

Zappa is een voorliefde voor drifters op zonne-energie die verbinding maken met sensoren op de zeebodem of in de waterkolom en gegevens naar satellieten kunnen telemeteren voor realtime monitoring. Robin Bell's Polar Geophysics Group, die de IcePod bouwde om de Ross Ice Shelf van Antarctica vanuit de lucht in kaart te brengen, zet boeien in voor realtime monitoring van de watertemperatuur, zoutgehalte, en stromingen langs de randen van de ijsplaten.

Crone heeft een groot deel van zijn carrière besteed aan het ontwikkelen van instrumenten voor een ander soort teledetectiesysteem:een observatorium op de zeebodem met een glasvezelkabel die 300 mijl van de kust van Oregon naar een reeks sensoren loopt. De sensoren sturen nu realtime waarnemingen terug van Axial Seamount, een onderzeese vulkaan op een mid-oceanische rug waar nieuwe oceaanbodem wordt gecreëerd. Mariene geofysicus Maya Tolstoy gebruikte de realtime gegevens om daar een uitbarsting van 2015 te bestuderen, te beginnen met een toename van aardbevingen voorafgaand aan de uitbarsting en het volgen van hoe energie van de uitbarsting door het water bewoog.

Rivieren van gegevens verwerken

Al deze binnenkomende data verhoogt de vraag naar computerkracht en naar slimme manieren om deze te verwerken en te archiveren.

De Interdisciplinaire Earth Data Alliance (IEDA), onder leiding van Kerstin Lehnert en Suzanne Carbotte in Lamont, speelt een cruciale rol door wetenschappelijke gegevens van wetenschappers over de hele wereld op te slaan en deze gegevens op grote schaal beschikbaar te maken, samen met analysehulpmiddelen. Abernathey, In de tussentijd, werkt aan manieren om de datasysteemarchitectuur te verbeteren en krachtige rekencapaciteiten te ontwikkelen die zijn afgestemd op de databehoeften van Lamont.

"Deze platforms zullen de komende jaren worden gebruikt voor experimenten die we ons vandaag niet kunnen voorstellen, Crone zei. "Hetzelfde geldt voor internet en satellieten die ons kunnen verbinden. Het gaat erom een ​​probleem op te lossen, het bouwen van de sensor of het apparaat, het verbinden met een platform of een netwerk, en het binnenhalen van gegevens om dat probleem op te lossen."

"Dit is de toekomst, ' zei Croon.

Dit is ook het erfgoed van Lamont. Lamont is gebouwd op de visie van oprichter Maurice "Doc" Ewing van constante gegevensverzameling en open gegevensuitwisseling om wereldwijd onderzoek en ontdekkingen mogelijk te maken. Als de wetenschappers van Ewing niet de technologie hadden die ze nodig hadden, ze hebben het zelf gebouwd.

Terwijl de wetenschapper-ingenieurs van Lamont de grenzen van de wetenschap blijven verleggen, het Real-Time Earth Initiative tilt gegevenstoegang naar een nieuw niveau. "De wetenschap van iedereen zal hier beter van worden, "Kron zei, "omdat iedereen zal kunnen profiteren van het bouwen van nieuwe systemen om de aarde te observeren."