Er is veel bedrijvigheid onder de uitgestrekte, eenzame vlakten van ijs en sneeuw in het noordpoolgebied. Klimaatverandering heeft de ijslaag die een groot deel van de Noordelijke IJszee bedekt, drastisch veranderd. Watergebieden die vroeger werden bedekt door een stevig pak ijs, zijn nu bedekt met dunne lagen van slechts 3 voet diep. Onder het ijs, een warme laag water, onderdeel van de Beaufort-lens, heeft de samenstelling van het aquatisch milieu veranderd.

Voor wetenschappers om de rol te begrijpen die deze veranderende omgeving in de Noordelijke IJszee speelt in de wereldwijde klimaatverandering, er is behoefte aan het in kaart brengen van de oceaan onder de ijslaag.

Een team van MIT-ingenieurs en marineofficieren onder leiding van Henrik Schmidt, hoogleraar werktuigbouwkunde en oceaantechniek, probeert veranderingen in het milieu te begrijpen, hun impact op akoestische transmissie onder het oppervlak, en hoe deze veranderingen de navigatie en communicatie beïnvloeden voor voertuigen die onder het ijs rijden.

"In principe, wat we willen begrijpen, is hoe deze nieuwe Arctische omgeving, veroorzaakt door de wereldwijde klimaatverandering, het gebruik van onderwatergeluid voor communicatie beïnvloedt, navigatie, en voelen?" legt Schmidt uit.

Om deze vraag te beantwoorden, Schmidt reisde naar het noordpoolgebied met leden van het Laboratory for Autonomous Marine Sensing Systems (LAMSS), waaronder Daniel Goodwin en Bradli Howard, afgestudeerde studenten in het MIT-Woods Hole Oceanographic Institution Joint Program in oceanografische engineering.

Met financiering van het Office of Naval Research, het team nam deel aan ICEX—of Ice Exercise—2020, een programma van drie weken georganiseerd door de Amerikaanse marine, waar militairen, wetenschappers, en ingenieurs werken zij aan zij bij het uitvoeren van een verscheidenheid aan onderzoeksprojecten en missies.

Een strategische waterweg

De snel veranderende omgeving in het noordpoolgebied heeft verstrekkende gevolgen. Naast het geven van meer informatie aan onderzoekers over de impact van de opwarming van de aarde en de effecten daarvan op zeezoogdieren, het dunner wordende ijs zou mogelijk nieuwe scheepvaartroutes en handelsroutes kunnen openen in gebieden die voorheen ondoordringbaar waren.

Misschien wel het meest cruciaal voor de Amerikaanse marine, het begrijpen van de veranderde omgeving is ook van geopolitiek belang.

"Als de Arctische omgeving aan het veranderen is en we begrijpen het niet, die gevolgen kunnen hebben voor de nationale veiligheid, ' zegt Goodwin.

Een aantal jaar geleden, Schmidt en zijn collega Arthur Baggeroer, hoogleraar werktuigbouwkunde en oceaantechniek, waren een van de eersten die inzagen dat de warmere wateren, onderdeel van de Beaufort-lens, in combinatie met de veranderende ijssamenstelling, invloed gehad op de manier waarop geluid door het water reisde.

Om succesvol door het noordpoolgebied te navigeren, de Amerikaanse marine en andere entiteiten in de regio moeten begrijpen hoe deze veranderingen in de geluidsvoortplanting van invloed zijn op het vermogen van een voertuig om te communiceren en door het water te navigeren.

Met behulp van een onbemande, autonoom onderwatervoertuig (AUV) gebouwd door General Dynamics-Mission Systems (GD-MS), en een systeem van sensoren gemonteerd op boeien, ontwikkeld door de Woods Hole Oceanographic Institution, Schmidt en zijn team, vergezeld door Dan McDonald en Josiah DeLange van GD-MS, uiteengezet om een ​​nieuw geïntegreerd akoestisch communicatie- en navigatieconcept te demonstreren.

Het frame, die ook werd ondersteund en ontwikkeld door LAMSS-leden Supun Randeni, EeShan Bhatt, Rui Chen, en Oscar Viquez, evenals LAMSS-alumnus Toby Schneider van GobySoft LLC, zou voertuigen in staat stellen om met GPS-nauwkeurigheid door het water te reizen, terwijl oceanografische sensoren worden gebruikt voor het verzamelen van gegevens.

"Om te bewijzen dat je dit navigatieconcept in het noordpoolgebied kunt gebruiken, we moeten er eerst voor zorgen dat we de omgeving waarin we opereren volledig begrijpen, ", voegt Goodwin toe.

De onderstaande omgeving begrijpen

Na aankomst in het ijskamp van het Arctic Submarine Lab afgelopen voorjaar, het onderzoeksteam zette een aantal geleidbaarheid-temperatuur-dieptesondes in om gegevens te verzamelen over het aquatisch milieu in het noordpoolgebied.

"Door temperatuur en zoutgehalte te gebruiken als een functie van diepte, we berekenen het geluidssnelheidsprofiel. Dit helpt ons te begrijpen of de locatie van de AUV goed is voor communicatie of slecht, " zegt Howard, die verantwoordelijk was voor het monitoren van veranderingen in de waterkolom in het hele ICEX.

Door de manier waarop geluid buigt in water, door middel van een concept dat bekend staat als de wet van Snell, sinusachtige drukgolven verzamelen zich in sommige delen van de waterkolom en verspreiden zich in andere. Het begrijpen van de voortplantingstrajecten is de sleutel tot het voorspellen van goede en slechte locaties voor de AUV om te opereren.

Om de watergebieden met optimale akoestische eigenschappen in kaart te brengen, Howard wijzigde de traditionele signaal-ruisverhouding (SNR) door een metriek te gebruiken die bekend staat als de multi-path penalty (MPP), die gebieden bestraft waar de AUV echo's van de berichten ontvangt. Als resultaat, het voertuig geeft prioriteit aan werkzaamheden in gebieden met minder galm.

Met deze gegevens kon het team precies bepalen waar het voertuig in de waterkolom moest worden geplaatst voor optimale communicatie, wat resulteert in nauwkeurige navigatie.

Terwijl Howard gegevens verzamelde over hoe de kenmerken van het water de akoestiek beïnvloeden, Goodwin concentreerde zich op hoe geluid wordt geprojecteerd en gereflecteerd door het steeds veranderende ijs op het oppervlak.

Om deze gegevens te krijgen, de AUV was uitgerust met een apparaat dat de beweging van het voertuig ten opzichte van het ijs erboven meet. Dat geluid werd opgepikt door verschillende ontvangers die waren bevestigd aan ligplaatsen die aan het ijs hingen.

De gegevens van het voertuig en de ontvangers werden vervolgens door de onderzoekers gebruikt om precies te berekenen waar het voertuig zich op een bepaald moment bevond. Deze locatiegegevens, samen met de gegevens die Howard verzamelde over de akoestische omgeving in het water, bieden een nieuw navigatieconcept voor voertuigen die in de Noordelijke IJszee reizen.

Bescherming van het noordpoolgebied

Na een reeks tegenslagen en uitdagingen als gevolg van de meedogenloze omstandigheden in het noordpoolgebied, het team kon met succes bewijzen dat hun navigatieconcept werkte. Dankzij de inspanningen van het team, marineoperaties en toekomstige handelsvaartuigen kunnen mogelijk profiteren van de veranderende omstandigheden in het noordpoolgebied om de navigatienauwkeurigheid te maximaliseren en de onderwatercommunicatie te verbeteren.

"Ons werk zou het vermogen van de Amerikaanse marine kunnen verbeteren om onderzeeërs gedurende langere perioden veilig en effectief onder het ijs te laten werken. ' zegt Howard.

Howard erkent dat naast de veranderingen in het fysieke klimaat, het geopolitieke klimaat blijft veranderen. Dit versterkt alleen maar de behoefte aan verbeterde navigatie in het noordpoolgebied.

"Het doel van de Amerikaanse marine is om de vrede te bewaren en de wereldhandel te beschermen door te zorgen voor vrijheid van navigatie over de oceanen van de wereld, " voegt ze eraan toe. "Het navigatieconcept dat we tijdens ICEX hebben bewezen, zal de marine bij die missie helpen."

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.