De beweging van de oceaan wordt vaak gezien in horizontale termen, bijvoorbeeld in de krachtige stromingen die rond de planeet razen, of de golven die langs een kustlijn in- en uitgaan. Maar er is ook veel verticale beweging, vooral op open zee, waar water uit de diepte omhoog kan komen, voedingsstoffen naar de bovenste oceaan brengen, terwijl het oppervlaktewater zinkt, dode organismen sturen, samen met zuurstof en koolstof, naar het diepe interieur.

Oceanografen gebruiken instrumenten om de verticale vermenging van de oceaanwateren en de biologische gemeenschappen die daar leven te karakteriseren. Maar deze tools zijn beperkt in hun vermogen om kleinschalige functies vast te leggen, zoals het op- en neerstromen van water en organismen over een kleine, kilometer breed oceaangebied. Dergelijke kenmerken zijn essentieel voor het begrijpen van de samenstelling van het zeeleven dat bestaat in een bepaald volume van de oceaan (zoals in een visserij), evenals de hoeveelheid koolstof die de oceaan kan absorberen en vasthouden.

Nu hebben onderzoekers van MIT en de Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) een lichtgewicht instrument ontwikkeld dat zowel fysieke als biologische kenmerken van de verticale oceaan meet over kleine, kilometer brede lappen. De "oceanprofiler, " genaamd EcoCTD, is ongeveer zo groot als een middelhoge modelraket en kan van de achterkant van een bewegend schip worden gedropt. Terwijl het een vrije val door het water maakt, zijn sensoren meten fysieke kenmerken, zoals temperatuur en zoutgehalte, evenals biologische eigenschappen, zoals de optische verstrooiing van chlorofyl, het groene pigment van fytoplankton.

"Met EcoCTD, we kunnen kleinschalige gebieden met snelle verticale beweging zien, waar voedingsstoffen aan de oppervlakte kunnen worden geleverd, en waar chlorofyl naar beneden wordt gedragen, wat je vertelt dat dit ook een koolstofpad kan zijn. Dat is iets wat je anders zou missen met bestaande technologie, " zegt Mara Freilich, een afgestudeerde student aan het MIT's Department of Earth, Sfeervol, en Planetaire Wetenschappen en het MIT-WHOI Joint Program in Oceanography/Applied Ocean Sciences and Engineering.

Freilich en haar collega's hebben hun resultaten vandaag gepubliceerd in de Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. De co-auteurs van het artikel zijn J. Thomas Farrar, Benjamin Hodges, Tom Lanagan, en Amala Mahadevan van de WHOI, en Andrew Baron van dynamische systeemanalyse, in Nova Scotia. De hoofdauteur is Mathieu Dever van WHOI en RBR, een ontwikkelaar van oceaansensoren gevestigd in Ottawa.

Oceaan synergie

Oceanografen gebruiken een aantal methoden om de fysieke eigenschappen van de oceaan te meten. Sommige van de krachtiger, gebruikte instrumenten met hoge resolutie staan ​​bekend als CTD's, voor hun vermogen om de geleidbaarheid van de oceaan te meten, temperatuur, en diepte. CTD's zijn doorgaans omvangrijk, omdat ze meerdere sensoren bevatten, evenals componenten die water en biologische monsters verzamelen. Conventionele CTD's vereisen dat een schip stopt als wetenschappers het instrument in het water laten zakken, soms via een kraansysteem. Het schip moet blijven liggen omdat het instrument metingen en watermonsters verzamelt, en kan pas weer aan de slag nadat het instrument weer aan boord is gehaald.

Fysische oceanografen die geen oceaanbiologie bestuderen, en daarom geen watermonsters hoeven te verzamelen, kunnen soms "UCTD's" gebruiken - lopende versies van CTD's, zonder de omvangrijke componenten voor waterbemonstering, die kan worden gesleept als een schip onderweg is. Deze instrumenten kunnen snel worden bemonsterd, omdat er geen kraan of schip voor nodig is om te stoppen als ze vallen.

Freilich en haar team wilden een versie van een UCTD ontwerpen die ook biologische sensoren zou kunnen bevatten, alles in een kleine lichtgewicht, trekbaar pakket, dat zou het schip ook op koers houden terwijl het zijn verticale metingen verzamelde.

"Het leek erop dat er een directe synergie zou kunnen zijn tussen deze bestaande instrumenten, een instrument ontwerpen dat fysieke en biologische informatie vastlegt, en zou dit ook onderweg kunnen doen, ' zegt Freilich.

"De donkere oceaan bereiken"

De kern van de EcoCTD is de RBR Concerto Logger, een sensor die de temperatuur van het water meet, evenals de geleidbaarheid, wat een proxy is voor het zoutgehalte van de oceaan. De profiler bevat ook een loden kraag die voldoende gewicht biedt om het instrument in staat te stellen een vrije val door het water te maken met ongeveer 3 meter per seconde - een snelheid die het instrument in ongeveer twee minuten naar ongeveer 500 meter onder het oppervlak brengt.

"Op 500 meter, we bereiken de bovenste schemerzone, Freilich zegt. "De eufotische zone is waar er genoeg licht in de oceaan is voor fotosynthese, en dat is op de meeste plaatsen op zo'n 100 tot 200 meter. Dus we bereiken de donkere oceaan."

Een andere sensor, de EcoPuck, is uniek voor andere richtlijn oneerlijke handelspraktijken omdat het de biologische eigenschappen van de oceaan meet. specifiek, het is een kleine, puck-vormige bio-optische sensor die twee golflengten van licht uitzendt:rood en blauw. De sensor registreert elke verandering in deze lichten als ze terugverstrooien en als chlorofylbevattend fytoplankton fluoresceren als reactie op het licht. Als het ontvangen rode licht lijkt op een bepaalde golflengte die kenmerkend is voor chlorofyl, wetenschappers kunnen de aanwezigheid van fytoplankton op een bepaalde diepte afleiden. Variaties in rood en blauw licht dat naar de sensor wordt verstrooid, kan wijzen op andere materie in het water, zoals sedimenten of dode cellen - een maat voor de hoeveelheid koolstof op verschillende diepten.

De EcoCTD bevat nog een sensor die uniek is voor UCTD's:de Rinko III Do, die de zuurstofconcentratie in water meet, die wetenschappers een schatting kan geven van hoeveel zuurstof wordt opgenomen door microbiële gemeenschappen die op een bepaalde diepte en per stuk water leven.

Eindelijk, het hele instrument is ingekapseld in een buis van aluminium en ontworpen om via een lange lijn aan een lier aan de achterkant van een schip te worden bevestigd. Terwijl het schip in beweging is, een team kan het instrument overboord laten vallen en de lier gebruiken om de lijn uit te betalen met een snelheid dat het instrument recht naar beneden valt, zelfs als het schip wegrijdt. Na ongeveer twee minuten, zodra het een diepte van ongeveer 500 meter heeft bereikt, het team draait de lier om het instrument weer omhoog te trekken, met een snelheid dat het instrument het schip binnen 12 minuten inhaalt. De bemanning kan het instrument dan weer laten vallen, dit keer op enige afstand van hun laatste afzetpunt.

"Het leuke is, tegen de tijd dat we naar de volgende cast gaan, we zijn 500 meter verwijderd van waar we de eerste keer waren, dus we zijn precies waar we de volgende keer willen proeven, ' zegt Freilich.

Ze hebben de EcoCTD getest op twee cruises in 2018 en 2019, de ene naar de Middellandse Zee en de andere naar de Atlantische Oceaan, en waren in beide gevallen in staat om zowel fysieke als biologische gegevens te verzamelen met een hogere resolutie dan bestaande CTD's.

"De ecoCTD legt deze oceaankenmerken vast met een gouden standaardkwaliteit met veel meer gemak en veelzijdigheid, ' zegt Freilich.

Het team zal hun ontwerp verder verfijnen, en hoopt dat hun hoge resolutie, gemakkelijk inzetbaar, en een efficiënter alternatief kan door beide wetenschappers worden aangepast om de kleinschalige reacties van de oceaan op klimaatverandering te volgen, evenals visserijen die de biologische productiviteit van een bepaalde regio willen bijhouden.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.