麻省理工設(shè)計新型海洋傳感器測量垂直海洋運(yùn)動的物理和生物特征

　　通常來說，人們認(rèn)為海洋的運(yùn)動是水平的，例如環(huán)繞在地球的強(qiáng)大洋流中，或是沿著海岸線進(jìn)出的波浪中。但海洋其實也有大量的垂直運(yùn)動，特別是在公海，深海的水可以上升，把營養(yǎng)物質(zhì)帶到上層海洋，而地表水可以下沉，把死亡的生物體連同氧氣和碳一起送到深海內(nèi)部。

科學(xué)家準(zhǔn)備從研究船的后甲板部署正在進(jìn)行中的CTD。

　　一直以來，海洋學(xué)家使用儀器來描述海水和生活在那里的生物群落的垂直混合，但這些工具在捕捉小尺度特征方面能力有限，這些小尺度特征對于了解給定體積海洋（如漁業(yè)）中存在的海洋生物的組成以及海洋能夠吸收和隔離的碳量是必不可少的。例如在一個小的、千米寬的海洋區(qū)域內(nèi)，觀測水和生物的上下涌流就變得有些困難。

　　現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院和伍茲霍爾海洋研究所（WHOI）的研究人員已經(jīng)設(shè)計出一種輕量級儀器，可以在一小塊、一公里寬的區(qū)域內(nèi)測量垂直海洋運(yùn)動的物理和生物特征?！昂Ｑ罄€儀”名為EcoCTD，大約有一個齊腰高的火箭模型那么大，可以從一艘正在移動的飛船的后部落下。當(dāng)它在水中自由下落時，它的傳感器測量物理特征，如溫度和鹽度，以及生物特性，如葉綠素（浮游植物的綠色色素）的光散射。

　　麻省理工學(xué)院的研究人員Mara Freilich說：“通過EcoCTD，我們可以看到小范圍的快速垂直運(yùn)動區(qū)域，那里的營養(yǎng)物質(zhì)可以供應(yīng)到地表，葉綠素被向下攜帶，這說明這也可能是一個碳通道?！?/p>

　　海洋協(xié)同

　　海洋學(xué)家使用多種方法來測量海洋的物理性質(zhì)，一些功能更強(qiáng)大、分辨率更高的儀器被稱為CTD（Conductance Temperature Depth：溫鹽深儀），因為它們能夠測量海洋的電導(dǎo)率、溫度和深度。CTD通常體積龐大，因為它們包含多個傳感器以及收集水和生物樣本的組件。傳統(tǒng)的CTD需要一艘船裝載之后放入海洋，科學(xué)家將儀器放入水中，有時通過起重機(jī)系統(tǒng)。由于儀器收集測量數(shù)據(jù)和水樣，船必須保持原位，只有在儀器被拖回船上后才能回到航行中。

　　物理海洋學(xué)家不學(xué)習(xí)海洋生物學(xué)，因此不需要收集水樣本，有時可以使用“ UCTD”（CTCT的進(jìn)行中版本），而無需笨重的水采樣組件，可以在航行中拖曳。這些儀器可以快速取樣，因為它們不需要起重機(jī)或輪船就可以停下來。

　　Freilich和她的團(tuán)隊希望設(shè)計出一種UCTD的版本，這種UCTD還可以集成生物傳感器，所有這些傳感器都裝在一個小巧、輕便、可拖拽的包裹中，這樣在收集垂直測量數(shù)據(jù)時，也可以使船繼續(xù)前進(jìn)。

　　Freilich說：“這些現(xiàn)有的儀器之間似乎可以直接協(xié)同作用，設(shè)計出一種能夠捕捉物理和生物信息的儀器，而且還可以在進(jìn)行中做到這一點?！?/p>

麻省理工學(xué)院設(shè)計的新型海洋傳感器旨在從移動中的船舶后部自由下落。該儀器可進(jìn)行低至500米的物理和生物測量，可以在數(shù)分鐘內(nèi)將其拉回，然后再次下降，而無需停止研究船。

　　到達(dá)黑暗的海洋

　　首先，EcoCTD的核心是RBR Concerto Logger，它是一種測量水溫和電導(dǎo)率的傳感器，電導(dǎo)率是海洋鹽度的代表。剖面儀還包括一個鉛環(huán)，它提供足夠的重量，使儀器能夠以大約每秒3米的速度自由落水，這種速度使儀器在大約兩分鐘內(nèi)下降到水面以下約500米處。

　　Freilich說：“在500米處，我們到達(dá)了暮光帶的上部，透光帶是海洋中有足夠的光進(jìn)行光合作用的地方，在大多數(shù)地方大約在100到200米處。所以我們到達(dá)了黑暗的海洋?！?/p>

　　其次，EcoCTD中的另一種傳感器EcoPuck是其他UCTD所獨有的，它測量海洋的生物特性。具體地說，它是一個小的、圓盤狀的生物光學(xué)傳感器，發(fā)出紅色和藍(lán)色兩種波長的光。當(dāng)這些光散射回來時，含有葉綠素的浮游植物對光產(chǎn)生熒光，傳感器捕捉到這些光中的任何變化。如果接收到的紅光類似于葉綠素的某個波長特征，科學(xué)家們就可以推斷出在給定深度存在浮游植物。散射回傳感器的紅光和藍(lán)光的變化可以指示水中的其他物質(zhì)，如沉淀物或死細(xì)胞，這是對不同深度碳含量的測量。

　　第三，EcoCTD還包括UCTDs獨有的另一個傳感器Rinko III Do，它測量水中的氧濃度，這可以讓科學(xué)家估計在給定的深度和范圍內(nèi)生活的任何微生物群落吸收了多少氧。

　　最后，整個儀器被包裹在一個鋁管中，設(shè)計成通過一根長線連接到船后部的絞盤上。當(dāng)船在移動時，一個小組可以將儀器從船上放下，并使用絞盤以儀器直接下降的速度放出繩索，即使船在移動。大約兩分鐘后，一旦儀器到達(dá)大約500米的深度，研究小組就啟動絞盤，將儀器拉上來，速度是儀器在12分鐘內(nèi)追上船。然后，機(jī)組人員可以再次放下儀器，這次是在距離他們最后一個落下點一定距離的地方。

　　Freilich說：“比較好的是，當(dāng)我們進(jìn)入下一個演員陣容時，我們距離第一次的位置有500米遠(yuǎn)，所以我們正是下一次想取樣的地方。”

　　他們在2018年和2019年的兩艘巡洋艦上測試了EcoCTD，一艘駛往地中海，另一艘駛往大西洋，在這兩種情況下，他們都能夠以比現(xiàn)有ctd更高的分辨率收集物理和生物數(shù)據(jù)。

　　Freilich說：“EcoCTD以金標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量捕獲這些海洋特征，更加方便和多功能?！?/p>

　　研究小組將進(jìn)一步完善他們的設(shè)計，并希望他們的高分辨率、易于部署和更有效的替代方案能夠被兩位科學(xué)家用于監(jiān)測海洋對氣候變化的小規(guī)模反應(yīng)，以及希望跟蹤某個區(qū)域生物生產(chǎn)力的漁業(yè)。