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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

2021-11-12 13:53 性质:转载 作者:Lv 来源:无人系统网
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深海的辽阔和在极端环境中工作的技术挑战使得这些深海难以进入和研究。科学家对月球表面的了解比对深海海底的了解要多。MBARI 正在利用机器人技术的进步来解决...

深海的辽阔和在极端环境中工作的技术挑战使得这些深海难以进入和研究。科学家对月球表面的了解比对深海海底的了解要多。MBARI 正在利用机器人技术的进步来解决这一差异。

自主机器人漫游车Benthic Rover II为深海海底(海洋表面下方4000米(13,100英尺)处的生命提供了新的见解。今天发表在《科学机器人》杂志上的一项研究详细介绍了这种漫游车的发展和长期运行。这个创新的移动实验室进一步揭示了深海在循环碳中的作用。这艘漫游车收集的数据对了解气候变化对海洋的影响至关重要。

"这种深渊漫游车的成功现在允许长期监测水柱和海底之间的耦合。了解这些相互关联的过程对于预测被气候变化吞没的地球的健康和生产力至关重要,"MBARI高级科学家肯·史密斯说。

尽管深海海底与阳光普照的浅水区相距遥远,但与上述水域相连,对碳循环和封存至关重要。一些有机物——包括枯死的植物和动物、粘液和排泄的废物——慢慢地从水柱沉入海底。动物和微生物群落在泥浆中消化了部分碳,而其余的可能被锁定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起着重要作用,然而我们仍然对在地表以下数千米处发生的过程知之甚少。极端压力和海水的腐蚀性等工程障碍使得将设备送到深渊海底研究和监测碳的起伏变得困难。

过去,史密斯和其他科学家依靠固定仪器研究深海底社区的碳消耗。他们一次只能部署几天的这些仪器。通过 25 年的工程创新,MBARI 开发了用于监控深渊海底的长期解决方案。

电气工程组组长阿拉娜·谢尔曼解释道:"深海的激动人心的事件通常会短暂而不可预知地发生,这就是为什么对本迪奇·罗孚II进行持续监测如此重要的原因。"如果你不是一直在看, 你可能会错过主要动作。

本特式罗孚II是由史密斯和谢尔曼领导的MBARI工程师和科学家合作团队辛勤工作的结果。

MBARI 的工程师设计了本特式罗孚 II 来处理深海的寒冷、腐蚀性和高压条件。这种漫游车由耐腐蚀钛、塑料和耐压句法泡沫制成,可承受高达 6,000 米(约 19,700 英尺)深的部署。

MBARI电气工程师保罗·麦吉尔(Paul McGill)解释道:"除了在这些极端条件下操作的物理挑战外,我们还必须设计一个足够可靠的计算机控制系统和软件,以便运行一年而不发生碰撞——没有人能够按下重置按钮。"电子产品也必须消耗很少的电力,这样我们才能携带足够的电池来维持一年。尽管如此,漫游车的平均耗电量只有两瓦,与iPhone差不多。

本蒂奇罗孚II大约是一辆小型车的大小——2.6米(8.5英尺)长,1.7米(5.6英尺)宽,1.5米(4.9英尺)高——在一对宽的橡胶轨道上轻轻踩在泥泞的底部。

研究人员从MBARI的船,R/V西飞车部署本特式漫游者II。船上的船员小心翼翼地将漫游车放入水中,并释放到自由落体到海底。漫游车大约需要两个小时才能到达底部。一旦它降落在海底,火星车就可以开始其使命。

首先,传感器检查沿着海底流动的水流。当他们探测到有利的电流时,漫游车向上移动或穿过电流到达不受干扰的站点开始收集数据。

漫游车前部的摄像头拍摄海底并测量荧光。蓝光下叶绿素的独特光芒揭示了有多少"新鲜"的浮游植物和其他植物碎片降落在海底。传感器记录底部上方水域的温度和氧气浓度。

接下来,漫游车将一对透明呼吸仪室降低,测量泥浆中生命社区的氧气消耗48小时。当动物和微生物消化有机物时,它们会使用氧气并按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——将有机物分解成更简单的成分,包括二氧化碳。

48 小时后,漫游车抬起呼吸仪室,向前移动 10 米(32 英尺),小心不要穿过以前的路径,并选择另一个站点进行采样。在部署期间(通常为一整年)中,它会反复重复此采样模式。

每次部署结束时,R/V西部飞行者返回以恢复漫游车、下载数据、更换电池,并将其返回深海底一年。在每年的部署中,MBARI 团队都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,以检查本特式漫游者 II 的进度。"漫游车不能直接与我们沟通,告诉我们它的位置或状况,所以我们派机器人去寻找我们的机器人,"麦吉尔解释道。波浪滑翔机上的声学发射器与下面海底的漫游车平起平去。然后,漫游车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送给岸上的研究人员。

MBARI高级研究专家克里斯蒂·赫法德说:"本特式罗孚II的数据帮助我们量化了碳源何时、多少以及哪些来源可能被封存或储存在深海海底。

在过去的七年里,本西克漫游者二号一直在M站持续运行,M站是一个MBARI研究基地,位于加州中部海岸225公里(140英里)处。M站位于海洋表面以下4000米(13,100英尺)处,与海洋的平均深度一样深,是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号站建造了一个独特的水下观测站,并且一套其他仪器每周7天、每天24小时在那里运行,一整年没有维修。

谢尔曼说:"火星车在七年的可靠性能,在海底花费了99%的生命,是多年的测试,故障排除和开发最好的技术来维护车辆的结果。"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可能采取的一个很好的例子。

在M站收集的数据表明,深海远非静止。物理、化学和生物条件可能会随着时间范围从小时到几十年而发生巨大变化。

加州洋流在M站的地表水在春天和夏天充满了浮游植物。这些生产力的季节性脉冲从水柱级联到海底。这种正在下沉的有机物——被称为"海洋雪"——大部分起源于大气中的二氧化碳。

在过去的十年里,MBARI的研究人员观察到M站海底的海洋积雪大脉冲急剧增加。这些偶发性事件占本站每年食品供应的一小部分。在M站的七年运行中,本特式罗孚II记录了重要的每周、季节性、年度和偶发性事件,所有这些都提供了数据,帮助MBARI研究人员了解深海碳循环。

2015年11月至2020年11月,本特奇·罗孚II号记录了从头顶水域降落在深海海底的死浮游植物和其他植物丰富的碎片(植物德米特里图斯)的雨量大幅增加。在深海海底上方的水域中溶解氧浓度的降低伴随着有机物的暴利。

传统的短期监测工具不会检测到推动长期变化和趋势的波动。本特式罗孚II揭示了碳如何从表面移动到海底的更完整的画面。

赫法德强调:"本特式罗孚II提醒我们注意全球车型中正在错过的深海重大短期和长期变化。

本特式漫游者二号和MBARI在M站正在进行的工作的成功,突显了持久的平台和长期观测如何能够进一步加深我们对地球上最大生存空间的理解。随着越来越多的公司希望从深海海底开采矿产资源,这些数据也为考虑工业发展或深海开采地区的基线条件提供了有价值的见解。

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,了解碳在海洋阳光照射的表面和黑暗深处之间的流动比以往任何时候都更加重要。

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