自主机器人漫游车帮助科学家长期监测深海碳循环和气候变化

导读 深海的广袤和在极端环境中工作的技术挑战使这些深度难以进入和研究。与深海海底相比,科学家们对月球表面的了解更多。MBARI 正在利用机器

深海的广袤和在极端环境中工作的技术挑战使这些深度难以进入和研究。与深海海底相比,科学家们对月球表面的了解更多。MBARI 正在利用机器人技术的进步来解决这种差异。

自主机器人漫游车Benthic Rover II 提供了对海洋表面以下 4,000 米(13,100 英尺)深海海底生命的新见解。今天发表在Science Robotics 上的一项研究详细介绍了这个漫游车的开发和经过验证的长期运行。这个创新的移动实验室进一步揭示了深海在碳循环中的作用。该漫游车收集的数据对于了解气候变化对海洋的影响至关重要。

“这个深海漫游车的成功现在允许对水柱和海底之间的耦合进行长期监测。了解这些相互关的过程对于预测我们地球在不断变化的气候中的健康和生产力至关重要,”MBARI 高级科学家肯说史密斯。

尽管距离阳光普照的浅水区很远,但深海底与上面的水域相连,对碳循环和封存至关重要。一些有机物质——包括死去的动植物、粘液和排泄的废物——慢慢地通过水柱沉入海底。泥上和泥中的动物和微生物群落消化了其中的一些碳,而其余的可能会被锁在深海沉积物中长达数千年。

深海在地球的碳循环和气候中发挥着重要作用,但我们对地表以下数千米处发生的过程仍然知之甚少。极压和海水的腐蚀性等工程障碍使得很难将设备送到深海海底来研究和监测碳的涨落。

过去,史密斯和其他科学家依靠固定仪器来研究深海底群落的碳消耗量。他们一次只能部署这些仪器几天。通过 25 年的工程创新,MBARI 开发了一种用于监测深海海底的长期解决方案。

“深海中令人兴奋的事件通常会以不可预测的时间间隔发生,这就是为什么使用 Benthic Rover II 进行持续监测如此重要,”电气工程组负责人 Alana Sherman 解释说。“如果你不是一直在看,你很可能会错过主要动作。”

Benthic Rover II 是由史密斯和谢尔曼领导的 MBARI 工程师和科学家协作团队辛勤工作的结果。

MBARI 的工程师设计了 Benthic Rover II 来处理深海的寒冷、腐蚀性和高压条件。这款漫游车由耐腐蚀的钛、塑料和耐压复合泡沫制成,可承受最深达 6,000 米(约 19,700 英尺)的部署。

MBARI 电气工程师 Paul 解释说:“除了在这些极端条件下运行的物理挑战之外,我们还必须设计一个足够可靠的计算机控制系统和软件,可以运行一年而不崩溃——没有人可以按下重置按钮。”麦吉尔。“电子设备也必须消耗很少的电量,这样我们才能携带足够使用一年的电池。尽管如此,漫游车的平均功耗仅为 2 瓦——与 iPhone 大致相同。”

Benthic Rover II 大约有一辆小型汽车的大小——长 2.6 米(8.5 英尺),宽 1.7 米(5.6 英尺),高 1.5 米(4.9 英尺)——并且在泥泞的底部轻轻踩在一对宽的、橡胶履带。

研究人员从 MBARI 的船只 R/V Western Flyer 上部署了 Benthic Rover II 。船员们小心翼翼地将火星车放入水中,然后将其释放到海底。火星车大约需要两个小时才能到达底部。一旦它降落在海底,漫游车就可以开始其任务。

首先,传感器检查沿海底流动的水流。当他们检测到有利的水流时,漫游车会向上移动或穿过水流到达一个不受干扰的地点,开始收集数据。

漫游车前部的相机拍摄海底并测量荧光。在蓝光下这种独特的叶绿素发光揭示了有多少“新鲜”浮游植物和其他植物残骸降落在海底。传感器记录底部上方水域的温度和氧气浓度。

接下来,火星车降低一对透明的呼吸计室,用于测量泥浆中生命群落 48 小时的耗氧量。当动物和微生物消化有机物时,它们会使用氧气并以特定比例释放二氧化碳。了解这些动物和微生物使用多少氧气对于理解碳再矿化至关重要 - 有机物分解成更简单的成分,包括二氧化碳。

48 小时后,火星车升起呼吸计室并向前移动 10 米(32 英尺),小心不要越过之前的路径,并选择另一个地点进行采样。它在部署期间一遍又一遍地重复这种采样模式,通常是一整年。

在每次部署结束时,R/V Western Flyer返回以恢复流动站、下载其数据、更换电池,并将其返回深海海底一年。在为期一年的部署中,MBARI 团队会从岸上发射另一个自主机器人——波浪滑翔机,每季度返回一次,以检查底栖漫游者 II 的进展情况。“火星车无法直接与我们交流以告诉我们它的位置或状况,所以我们派了一个机器人来寻找我们的机器人,”麦吉尔解释说。Wave Glider 上的声波发射器向下方海底的漫游车发出信号。然后流动站将状态更新和样本数据发送到滑翔机头顶。然后滑翔机通过卫星将这些信息传输给岸上的研究人员。

MBARI 高级研究专家 Crissy Huffard 说:“来自底栖漫游者 II 的数据帮助我们量化了可能在深海海底隔离或储存碳的时间、数量和来源。”

在过去的七年里,Benthic Rover II 一直在M 站运行,这是一个位于加利福尼亚中部海岸 225 公里(140 英里)的 MBARI 研究站点。M站位于海洋表面以下 4,000 米(13,100 英尺)处——与海洋的平均深度一样深——使其成为研究深海生态系统的良好模型系统。

在过去的 32 年里,史密斯和他的团队在 M. Benthic Rover II 站建造了一个独特的水下天文台,还有一套其他仪器在那里每周 7 天、每天 24 小时运行,一整年没有维修。

“火星车七年的可靠性能,其生命的 99% 都在海底度过,这是多年测试、故障排除和开发最佳技术来维护车辆的结果,”谢尔曼说。“这是一个很好的例子,说明了将技术应用于具有挑战性的科学问题时的可能性。”

M站收集的数据表明,深海远非静止。物理、化学和生物条件会在数小时到数十年的时间范围内发生巨大变化。

春季和夏季,M 站上空的加利福尼亚洋流的地表水域充满了浮游植物。这些生产力的季节性脉冲从水体到海底级。这种下沉的有机物质——被称为“海洋雪”——大部分起源于大气中的二氧化碳。

在过去十年中,MBARI 研究人员观察到大量海洋雪落到 M 站海底的情况急剧增加。这些偶发事件在该地点每年的食物供应中所占的比例越来越大。在 M 站运行的七年中,Benthic Rover II 记录了重要的每周、季节性、年度和偶发事件——所有这些都提供了帮助 MBARI 研究人员了解深海碳循环的数据。

2015 年 11 月至 2020 年 11 月期间,Bentthic Rover II 记录到从头顶水域降落到深海海底的死亡浮游植物和其他富含植物的碎片(植物碎屑)的降雨量大幅增加。伴随着有机物质的意外收获,深海海底上方水域中溶解氧浓度的降低。

传统的短期监测工具无法检测到推动长期变化和趋势的波动。Benthic Rover II 揭示了碳如何从表面移动到海底的更完整图景。

“Bentthic Rover II 提醒我们注意全球模型中遗漏的深海短期和长期的重要变化,”Huffard 强调说。

Benthic Rover II 的成功和 MBARI 在 Station M 正在进行的工作突显了持久性平台和长期观测如何进一步了解地球上最大的生存空间。随着越来越多的公司希望从深海海底开采矿产资源,这些数据也为正在考虑进行工业发展或深海采矿的地区的基线条件提供了宝贵的见解。

海洋也是地球碳循环和气候的重要组成部分。海洋及其生物群落是二氧化碳的汇。燃烧化石燃料、饲养牲畜和砍伐森林每年都会向大气中排放数十亿吨二氧化碳。海洋吸收了超过 25% 的过量二氧化碳,使我们免受最严重的影响。面对不断变化的气候,了解碳如何在海洋阳光照射的表面和黑暗的深处之间流动比以往任何时候都更加重要。

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