Океаны - самая большая, самая дикая и наименее изученная часть планеты. Но мы узнаем их лучше с каждым днем, благодаря множеству технологий, которые проникают в глубины новыми и все более изобретательными способами.
Некоторые исследователи захватывают предметы из моря и транспортируют их в лабораторию для детального изучения; другие оснащают океаны новыми датчиками и устройствами или зондируют их с помощью алгоритмов. Вместе эти подходы предлагают совершенно новые взгляды на подводный мир, в то время как еще никогда не было так важно расшифровать внутреннюю работу океанов.
От коралловых рифов до глубоководных медуз, живые обитатели океанов сталкиваются с большими угрозами от человеческой деятельности, чем когда-либо прежде. Моря загрязняются, морские среды обитания разрушаются, и новые последствия – такие как глубоководная добыча – быстро приближаются.
Кроме того, становится все более ясно, насколько важны океаны для остальной жизни на земле. Эти огромные, постоянно меняющиеся воды играют жизненно важную роль в погодных и климатических системах, обеспечивают продовольствие и средства к существованию для человеческого населения во всем мире и являются домом для огромных участков неизвестного биологического разнообразия. Чтобы понять и защитить жизнь на этой планете, мы должны обратиться к океанам.
Виртуальные строители электронных рифов
Не так давно основным способом изучения коралловых рифов морскими биологами было погружение с аквалангом в течение часа или около того и запись того, что они видели на водонепроницаемых сланцах. Теперь, во время одного погружения, они могут делать фотографии, которые могут быть сшиты вместе в сложный трехмерный вид рифа.
“Это подводная виртуальная реальность", - говорит профессор Стюарт Сандин, морской биолог из института океанографии в Калифорнийском университете в Сан-Диего. “Это заставляет вас чувствовать, что вы погружены под воду.”
Используя систему с двумя камерами, установленными под разными углами, дайвер плавает вверх и вниз по рифу, как будто он "косит газон". Около 3000 изображений, снятых со стандартного участка размером 10 х 10 м, затем анализируются компьютером с использованием специального метода.
В результате для участка размером 10 х 10 м получилась трехмерная цифровая модель рифа, состоящая из миллиарда цветных точек.
Эта методика, на разработку которой Сандин потратил годы в сотрудничестве с командами ученых-компьютерщиков и инженеров, в настоящее время распространяется по всему миру.
До сих пор было нанесено на карту 30 гектаров рифов, что эквивалентно десяткам городских кварталов, с разрешением в один миллиметр. Помимо создания потрясающих подводных пейзажей, из этих электронных рифов можно извлечь всевозможную ценную информацию.
В Бостонском университете студентка-исследователь Коретта Гранберри скрупулезно прослеживает на цифровом планшете очертания отдельных кораллов, поэтому она может рассчитать их площади и сделать сравнения с течением времени. “Вы получаете очень детальное, интимное изображение рифа и того, как все связано”, - говорит она.
Кораллы, которые она изучает, растут за тысячи миль отсюда, на островах Феникс в середине Тихого океана. Ее профессор, доктор Рэнди Ротьян, каждые три-пять лет возглавляет экспедиции к этим чрезвычайно отдаленным рифам.
Эти изолированные, защищенные острова помогают показать, как рифы реагируют на повышение температуры моря.
Вооружившись снимками, сделанными с одних и тех же участков в 2012 и 2015 годах, Гранберри и ее коллеги будут отслеживать, как меняются отдельные кораллы на островах Феникс, чтобы увидеть, уменьшаются ли они, растут или зарастают чем-то другим.
Как капсулы времени, электронные рифы позволят ученым в будущем повернуть время вспять и ответить на новые вопросы, которые никто не может предвидеть. "Вы, по сути, исследуете четыре измерения", - говорит Сандин.
Виртуальные рифы также являются мощным инструментом для демонстрации того, на что рифы похожи прямо сейчас. "Вы видите, как светятся глаза у всех - от самых опытных ученых, до политика, до лидера сообщества, до ребенка", - говорит Сандин.
Это особенно важно в охраняемой зоне островов Феникс, где местные жители Кирибати, которые управляли усилиями по сохранению, живут слишком далеко, чтобы посетить рифы по всему огромному архипелагу. "Электронные рифы становятся механизмом, чтобы показать людям в стране, что они защищают и почему", - говорит Ротьян.
Предвестники изменения климата
Между Шотландией, Гренландией и восточным побережьем Канады, массив подводных датчиков тянется более чем на 3000 километров.
Профессор Холлидей является главным исследователем Великобритании OSNAP, которая установила 58 датчиков в 2014 году. Каждый датчик состоит из гигантского, наполненного воздухом шара.
Шар закрепляется на морском дне в тысячах метров ниже по швартовной линии. Плавучесть шара удерживает швартовную линию в вертикальном положении, а вдоль ее длины расположены различные приборы, измеряющие температуру и соленость воды, а также скорость и направление протекающих мимо течений.
Круговорот выделяет тепло в атмосферу, которая протекает над Великобританией и Европой. “Это то, что согревает нас", - говорит Холлидей. Мы можем увидеть этот эффект, сравнивая температуру Великобритании или Европы с той же широтой в Канаде. Разница вызвана жарой, принесенной нам этой крупномасштабной океанической циркуляцией.
Подполярный круговорот Атлантики является частью глобального процесса, называемого "опрокидывание циркуляции". Это процесс, в результате которого теплая, мелкая морская вода течет из тропиков к полюсам, где она постепенно охлаждается, становится плотнее и тонет, а затем снова течет обратно в тропики.
Он играет ключевую роль в климатических моделях, распределяя тепло и углерод по всей планете, но в Северной Атлантике он не очень хорошо изучен. До тех пор, пока не был установлен этот массив, ученые понятия не имели, насколько сильна опрокидывающая циркуляция на этой широте или как она меняется с течением времени.
С первых же лет работы с данными Холлидей и ее команда начали осваивать их. “Даже просто получение этих цифр кажется огромным шагом вперед”, - говорит она. - Самое интересное, что мы обнаружили, - это то, насколько она изменчива.”
“Один из самых больших вопросов в мире на данный момент-это вопрос о том, теряют ли океан и некоторые моря кислород”, - говорит она. “Мы можем построить этот массив, который был разработан для другой цели, чтобы получить дополнительную информацию, что действительно интересно.”
Глубоководные кураторы
В морских глубинах плавает множество сложных животных, которых чрезвычайно трудно изучать. Они прозрачные и такие тонкие, что легко разваливаются, когда их ловят сетями. Но теперь команда из калифорнийского Исследовательского института аквариумов Монтерей-Бей (MBARI) разработала новый взгляд на них.
Доктор Катия, главный инженер МБАРИ, разработала DeepPIV (Velocimetry Particle Imaging velocimetry). Прикрепленное к глубоководному роботу, устройство использует лист лазеров для создания 3D-сканирований прозрачных, сложных животных в их естественной среде.
Первыми мишенями были 10-сантиметровые головастикоподобные животные, называемые гигантскими личинками, которые создают сложные слизистые структуры для фильтрации морской воды для крошечных частиц пищи. Фильтр размером с кулак животного немного напоминает пару рифленых ангельских крыльев. “С инженерной точки зрения это одни из самых удивительных построек, с которыми я когда-либо сталкивалась”, - говорит ученая.
Ее команда в лаборатории Биоинспирации МБАРИ использовала DeepPIV для сканирования внутренней формы фильтра личинок, а также отслеживала частицы, когда животное било хвостом и втягивало воду. Эта информация поможет им понять, как работают фильтры и как животные их строят.
Уже сейчас DeepPIV обнаружил, что личинки фильтруют 80 литров воды в час и поглощают массу богатой углеродом пищи. Когда они засоряются, личинки выбрасывают за борт свои фильтры, которые затем тонут, помогая океанам забирать углерод в глубину. На самом деле личинок так много в океанах, что они играют важную роль в круговороте углерода.
Другие исследователи заинтересованы в использовании DeepPIV, в том числе люди, которые переосмысливают способы исследования океана. “Эти методы 3D-визуализации в сочетании с извлечением ДНК могут быть достаточными для описания и каталогизации жизни”, - говорит Катия.
В будущем, вместо того чтобы собирать и сохранять образцы мертвых животных — что особенно сложно для нежных, студенистых форм жизни — музеи могли бы использовать 3D-сканирование в качестве цифровых архивов, чтобы помочь описать ранее неизвестные виды и документировать жизнь в обширных глубоких океанах.
Поисково-спасательные работы
Когда кто-то пропадает без вести в море, планы поиска и спасения обычно составляются с использованием данных о погоде, течениях и состоянии воды, чтобы предсказать их вероятную траекторию. Проблема в том, что ошибки могут быстро накапливаться, пока предсказанный путь не окажется далеко от того, что на самом деле происходит в море.
Новый алгоритм может повысить шансы обнаружения людей, предсказывая не их траекторию, а то, где они окажутся. Алгоритм анализирует силу и направление океанских течений, волн и поверхностных ветров, а также определяет в режиме реального времени области океана, называемые ловушками (переходные притягивающие профили), где плавающие объекты могут сходиться.
Доктор Маттиа Серра, ныне научный сотрудник Шмидта в Гарварде, разработал этот алгоритм во время своей докторской диссертации вместе с профессором Джорджем Халлером в ETH Zurich. Он уподобляет ловушки столу, на котором постоянно появляются, исчезают и перемещаются магниты.
"Тогда бросьте монетку на стол, - говорит он. - Траектория монеты очень хаотична, потому что она будет чувствовать влияние всех этих магнитов." Стол - это поверхность океана, магниты-ловушки, а монета-дрейфующий человек.
В ходе испытаний было установлено, что алгоритм хорошо работает в бурном море у побережья Массачусетса. Команда ученых, возглавляемая профессором Массачусетского технологического института Томасом Пикоком, использовала моментальный снимок местных условий для моделирования поведения океана и определения того, где, вероятно, формируются ловушки.
Затем они смоделировали поисково-спасательную операцию, бросая в море буи и манекены, каждый из которых нес GPS-трекер. Как и было предсказано, объекты дрейфовали к обнаруженным ловушкам.
Серра и его коллеги сейчас обсуждают возможность американской береговой охраной с использованием алгоритма в поисково-спасательных операциях. Алгоритм также может быть использована для более точного прогнозирования движения нефтяных пятен.
Детекторы пластика
Чтобы справиться с нарастающей проблемой пластиковых загрязнений в Мировом океане, очень важно знать, где пластик, где они движутся и чего они сделаны. Это могут быть крошечные частицы пластика размером менее 5 мм в размере, и их может быть трудно найти.
“На данный момент, если вы хотите знать распределение частиц в глубоком море, вы должны взять их образцы”,- говорит доктор Томоко Такахаси, исследователь Японского агентства морских наук и технологий земли (JAMSTEC).
Для этого нужно время, либо использовать сети, либо бутылки с водой, которые нужно затащить на корабль и отправить на лабораторный анализ. Исследователи из Университета Саутгемптона, Университета Абердина, JAMSTEC и Токийского университета разрабатывают прототип детектора частиц, который вскоре сможет автоматизировать этот процесс и помочь отслеживать пластик, а также другие крошечные частицы – природные или созданные человеком- в глубоководных водах.
Их устройство состоит из 20-сантиметровой камеры, по которой течет морская вода. Камера содержит один лазер, и когда частица присутствует, она рассеивает лазерный свет, создавая голографическое изображение высокого разрешения. Это может помочь идентифицировать частицу, будь то пластик или планктон.
Этот же лазер также анализирует химический состав частицы, используя метод, называемый рамановской спектроскопией. В ходе испытаний прибор успешно различил 3-миллиметровые гранулы полистирола и акрила.
Конечной целью команды является создание полностью автоматизированного устройства, которые могут непрерывно контролировать океаны.
А Вам понравилась статья? Делитесь мнением в комментариях