Исследователи Sandia National Laboratories начинают анализировать первый набор данных о морском дне из-под арктического морского льда, используя новый метод. Они смогли зафиксировать ледяные землетрясения и транспортную деятельность на Северном склоне Аляски, а также отслеживать другие климатические сигналы и морскую флору и фауну.

Команда, возглавляемая геофизиком из Сандии Робом Эбботтом, соединила iDAS, распределенную систему акустического зондирования, производимую Silixa, с существующим волоконно-оптическим кабелем, принадлежащим Quintillion, телекоммуникационной компании на Аляске. Кабель достигает морского дна от точки Оликток. В течение семи дней, 24 часа в сутки, колебания кабеля фиксировались и регистрировались, помогая исследователям лучше понять, какая естественная и вызванная человеком деятельность происходит в океане, испытывающем нехватку данных.

Это первый случай, когда распределенная система акустического зондирования была использована для сбора данных о морском дне Арктического или Антарктического океанов, и команда видит много преимуществ для будущего использования.

"Это первый в своем роде сбор данных, и что касается того, что делают национальные лаборатории, то это именно тот тип исследований с высоким риском и высоким вознаграждением, которые могут иметь огромное значение для того, как мы можем контролировать Северный Ледовитый океан",-сказал менеджер Sandia Кайл Джонс. "Это действительно находится на переднем крае сейсмологии и геофизики, наряду с изменением климата и другими дисциплинами."

Команда планирует записать климатические сигналы, такие как время и распределение разрушения морского льда, высота океанских волн, толщина морского льда, зоны разломов и сила штормов. Судоходство, песни китов и бреши также могут быть записаны. По словам Эбботта, этот новый способ мониторинга обладает потенциалом для того, чтобы постоянно фиксировать широкий спектр арктических явлений экономически эффективным и безопасным способом, чтобы ученые могли лучше понять последствия изменения климата для этой хрупкой окружающей среды.

Запросчик выглядит как электронная коробка, которую можно прикрепить к волоконно-оптическому кабелю на суше, и он использует лазер, чтобы посылать тысячи коротких импульсов света вдоль кабеля каждую секунду. Небольшая часть этого света отражается—или рассеивается—вдоль кабеля, поскольку морское дно, к которому он прикреплен, движется из-за земли, морского льда, океанского течения и деятельности животных. Рассеянный свет позволяет запросчику обнаруживать, отслеживать и отслеживать события по волокну, а данные хранятся на жестких дисках.

- Волоконно-оптический кабель Квинтиллиона находится в благоприятном месте на Северном склоне Аляски,- сказал Эббот. "Эта технология работает для этого проекта по нескольким причинам. Мы не посылаем лодку для установки мониторов; мы не бродим по морскому льду, пытаясь установить датчики. Этот кабель будет существовать десятилетиями, и мы сможем получить по нему хорошие данные. Это очень безопасный способ измерения в опасных условиях."

Финансируемая Лабораторией программа исследований и разработок, это был первый из восьми недельных сборов данных, которые будут происходить в течение следующих двух лет в рамках проекта. Команда посетит Аляску в каждый из четырех арктических сезонов, определяемых как скованный льдом, свободный ото льда, замерзающий и оттаивающий. Третий год будет потрачен на дальнейший анализ данных.

Эбботт сказал, что результаты будут доведены до сведения более широкого научного сообщества и будут предоставлены сообществу моделирования климата для включения в алгоритмы. Кроме того, команда надеется, что результаты проекта покажут необходимость постоянного распределенного мониторинга акустического зондирования в Арктике.

"Мы хотели бы предоставить данные для высокоточных климатических моделей и анализа необработанных данных",-сказал Эббот. "Я также надеюсь провести прямое измерение толщины морского льда, что в настоящее время затруднительно. Прямо сейчас вам нужен самолет, летящий над вами, или вам нужно выйти на лед. Это может быть очень опасно и дорого, и вы можете делать это только один или два раза в год. Используя волоконно-оптический кабель, распределенная акустическая сенсорная система может находиться там 24/7/365, и вы потенциально можете измерять толщину морского льда один раз в день."

Исследователи Sandia только начинают анализировать первые 168 часов данных, собранных в феврале, и они воодушевлены тем, что видят, сказал Эббот.

"Мы видим вещи, которые указывают на ледяные землетрясения. Мы видим события на глубине 33 километров в океане, где не должно быть никакой антропогенной активности", - сказал он, имея в виду первые два часа данных, которые он просмотрел. - Мы определенно наблюдаем какое-то естественное явление. Это может быть ледяное землетрясение, или это может быть микросейсмическое событие в земле, как землетрясение. Мы пока не уверены."

Ближе к берегу Эбботт сказал, что команда, скорее всего, зафиксировала добычные и реинжекционные скважины, перерабатывающие сточные воды, а также частоты, которые указывают на океанские приливы и течения. Одним из неожиданных результатов стала система, улавливающая частоты низко летящего летательного аппарата.

По словам Эбботта, запросчик может регистрировать события с пространственной плотностью на три-четыре порядка большей, чем традиционные гидрофоны или сейсмометры океанского дна.

"В этом первом сборе данных мы не ожидали увидеть много течений и ледяных землетрясений, потому что на всей территории был стабильный ледяной покров, и все же мы видим некоторые из этих вещей, что очень интересно", - сказал Эббот.

Эббот сказал, что с нетерпением ждет возможности собрать данные о китах и тюленях во время миграционного сезона. Арктика является домом для гренландских и белух, у каждого из которых есть свои песни. Система должна быть способна записывать эти песни так же, как и записывать землетрясения, потому что колебания в океане передаются на землю, которая затем передается по кабелю. У китов характерный паттерн развивается по мере того, как песня меняет высоту.

-Это называется скольжением, когда со временем частоты начинают снижаться, поднимаются и снова снижаются, - сказал Эббот. - Такие частоты характерны для биологических источников и легко отличимы от других источников, таких как землетрясения. Киты часто поют более 30 минут с отдельными повторяющимися нотами, которые длятся несколько секунд и скользят вверх и вниз."

Погода на Северном склоне добавила интенсивности критической первой неделе эксперимента

Ожидаемый, но жестокий климат Северного склона был проблемой. В феврале в этом районе темно около 18 часов дня, и из-за того, что большую часть времени идет снег и дороги плохо обозначены, все продолжает выглядеть новым, сказал Эббот. Команда также имела дело с сильным холодом, и пока они были готовы, температура была примерно на 10 градусов холоднее, чем ожидалось, в какой-то момент упав до минус 45 по Фаренгейту (минус 77, включая уиндчилл). Даже люди, которые там зарабатывают на жизнь, закрывают все мероприятия на свежем воздухе, сказал Эббот.

"Американская Арктика грозна, 30 градусов ниже нуля-обычное явление в зимние месяцы", - сказал Майкл Макхейл, главный финансовый директор Quintillion. - Большая часть этого района-тундра, и ее трудно пересечь даже в хорошую погоду. Работа здесь требует значительного опыта и с трудом завоеванных знаний. Инженерные последствия огромны. Большинство сетей и спутниковых наземных станций не работают в регионах, где они должны быть в состоянии выдержать 70 градусов ниже нуля."

Из-за суровых условий волоконно-оптический кабель Quintillion имеет двойную броню с медной и стальной оболочкой для защиты от резки, дробления или истирания, сказал Макхейл.

"Все сетевые компоненты компании, включая кабели, спроектированы таким образом, чтобы выдерживать экстремальные условия Арктики и защищать от перебоев в работе сети", - добавил он. - Подводные части кабеля в основном погребены под морским дном."

Нервы продолжались всю неделю, так как успешный сбор данных был неопределенным

На следующий день после прибытия команды исследователи встретились на посадочной площадке Quintillion cable, где с помощью компании была установлена распределенная акустическая сенсорная система. Член команды из Silixa, компании, у которой Sandia приобрела распределенную акустическую сенсорную систему, также был там, чтобы помочь.

Исследователи Сандии смогли использовать около 30 миль подводных волоконно-оптических кабелей, сказал Макхейл, и установка прошла гладко. Он добавил, что до сих пор этот проект был большим опытом.

"Возможность работать с некоторыми из самых знающих геофизиков и специалистов по обработке данных в стране-это захватывающая и большая честь", - сказал он. "Поддержка работы научного сообщества уже давно является целью Квинтиллиона. Достижение этой цели с таким высоко ценимым клиентом, как Sandia Labs, превзошло наши ожидания."

В течение первых нескольких дней первоначального сбора среди команды ожидалась нервозность, потому что это было то, чего раньше не делали. Хотя Эбботт использовал волоконно-оптические кабели для записи взрывов для Сандии, он не использовал их ни на морском дне, ни для чего-то такого большого.

Следователь собирает 2 гигабайта информации в минуту, и из-за того, что она поступает так быстро, трудно понять, хороши ли данные, сказал Эббот. Через три или четыре дня у команды появились признаки того, что система работает хорошо, и прошла целая неделя, прежде чем они почувствовали уверенность в эксперименте.

"Что меня волнует, так это то, что мы видим много интересных явлений в этом сборе данных, который, вероятно, будет самым тихим набором данных с наименьшим количеством ледяных землетрясений или волнового воздействия", - сказал Эббот. "Как только мы начнем видеть, как лед ломается и айсберги врезаются друг в друга в другие сезоны, когда там вообще нет льда, мы увидим вещи лучше, такие как приливы, течения и штормы."

ИСТОЧНИК