Små och skrämmande varelser som lurar i våra världshav kan orsaka förödelse för marinens taktiska beslutsfattares förmåga att känna av miljön eller planera och kartlägga en navigeringskurs.

Den enkla närvaron av dessa djur, vissa storleken på en pennspets, kan påverka marinens verksamhet genom dämpning av akustiska signaler, bioluminescens, och omgivningsljud.

För att hjälpa till att öka vår förståelse för dessa mellanliggande trofisk nivå (ITL) organismer som små kräftdjur och maneter, forskare genomförde en 14-dagars fältkampanj förra året utanför Delawares kust. Kampanjen, ledd av oceanografen Brad Penta från U.S. Naval Research Laboratory, samlat in information om dynamiken i ITL-ekosystem nära havsfronter – områden som tenderar att vara biologiskt aktiva.

Mellanliggande trofisk nivå organismer, liten men mäktig

Alla organismer inom ett ekosystem tillhör en viss trofisk nivå - i huvudsak en märkning av var de hamnar i näringskedjan. ITL-djur kan variera i storlek från små copepoder till stora maneter. De förflyttas av strömmar i hela havet, och kan bilda massiva svärmar.

Penta sa att svärmar runt akustisk undervattensutrustning kan göra utrustningen opålitlig. Svärmar kan vara så täta att ljud reflekteras och ekar från dem, orsakar falska avläsningar och ökar omgivande brus.

Förutom att påverka ljudet, ITL-organismer är kända för att blinka.

"Många av dessa organismer sänder ut ljus, kallas bioluminescens, " sade Penta. "De lyser inte upp hela tiden; vanligtvis är det när de blir stimulerade eller störda."

Hur de gjorde det

Kuststudien inkluderade ett antal instrument och verktyg ombord.

En av studiens medarbetare, University of Mississippi, tog med sig ett In Situ Ichthyoplankton Imaging System (ISIIS). ISIIS gav flera högupplösta bilder varje sekund det bogserades bakom fartyget.

Under en av släpningarna, ISIIS passerade en del av marint liv och trodde felaktigt att det hade träffat havets botten. Det visade sig vara en svärm av veliger, ett larvstadium av blötdjur.

"Om du fick nog av dem [veligers], de kan störa ekolodet eller ett optiskt instrument, ", sade Penta. "Deras närvaro kan ändra djupet vid vilket marinens tillgångar är utplacerade."

Forskare bifogade också verktyg till ISIIS för att mäta temperatur, salthalt, klorofyll-a, syre, och ljusdämpning. Att para ihop dessa verktyg med ITL-organismerna som identifierats av ISIIS gjorde det möjligt för forskare att fastställa en exakt miljöprofil där specifika organismer levde.

Under hela kryssningen, forskare använde nät för provtagning, men också utplacerade en Wirewalker, en provtagningsanordning som drivs av vågor och strömmar. Wirewalkern var utrustad med en mängd olika instrument för att mäta ljus, ledningsförmåga, temperatur, djup, lätt och akustisk backscatter, och löst syre i hela vattenpelaren.

Ögon i himlen

Som en del av fältkampanjen, uppe i himlen, ett flygplan utrustat med bildapparater och fjärranalysexperter ombord undersökte havsmiljön och gav exakta placeringar av havsfronterna till forskarna ombord. Den flög med kameror som var känsliga för synliga, lång och kort infraröd, och hyperspektrala våglängder.

Flygplanet hade också flera ljusdetektions- och avståndskameror (LIDAR). LIDAR:er avger färgade lasrar för att avslöja profiler av ett motiv. I detta fall, LIDAR gav forskarna information om vad som pågick under vattnet. Deric Gray, en oceanograf i NRL:s fjärranalysavdelning, körde och testade ett nytt NRL-utvecklat verktyg kallat multi wavelength LIDAR for the environment (MUWLE).

Till skillnad från traditionella oceaniska LIDAR som normalt har en monokromatisk laser, Gray och hans team designade MUWLE med utbytbara laserfärger. Flexibiliteten gjorde det möjligt för Gray och hans team att testa och optimera olika färger i flera marina miljöer.

"Blå fungerade bättre på djupt vatten, Gray sa. "Grönt fungerade bra i algerrika områden, och gult fungerade bra i grumliga vikar med mycket lera."

Forskare designade MUWLE för att fånga upp detaljer i vattnet, att veta att det skulle fånga upp en liten mängd information om atmosfären. Men forskarna blev förvånade över att lära sig att MUWLE kunde samla in detaljerad information om atmosfären.

"Vi såg aerosollager som visade sig mer signifikant än vi trodde att de skulle göra, " sa Gray. "LIDAR såg också tunt, trasiga moln under flygplanet som vi annars inte kunde se."

Vad finns i datan?

Forskare sållar nu aktivt igenom sina data. Det slutliga målet med studien är att utveckla en modell som kan förutsäga närvaron av ITL-organismer.

Innan modellerna kan använda data, dock, dataförrådet måste bearbetas.

Penta sa att han extraherade mer än 1,2 miljoner bilder från bara en släpa med ISIIS-instrumentet. Hans team använder nya tekniker för att sortera igenom all information och etablera trender.

"Vi har börjat sätta upp maskininlärning djupa neurala nätverk för att använda artificiell intelligens för att klassificera organismerna, men har inga resultat än, sa Penta.

Djupa neurala nätverk (DNN) är sofistikerade matematiska modeller som används för att bearbeta stora mängder data. Christopher Wood, en NRL datavetare, tränar ett slags DNN – ett konvolutionellt neuralt nätverk (CNN) – för att identifiera organismer i ISIIS-bilderna.

"CNN är inriktade på bildanalys, " sa Wood. "En människa kunde inte bearbeta dessa bilder under en livstid. Bildrullarna är massiva och några av organismerna är mycket små."

Penta sa att han planerar att använda CNN för att identifiera organismer, och matcha den informationen till fronterna och vattenmassorna. Detta kommer att visa hur samhällen i havet förändrades under den två veckor långa kampanjen.

När den väl är färdigsyntetiserad, Penta sa att informationen kommer att skapa en heltäckande bild av miljön, som kommer att underlätta utvecklingen av prediktiva ekosystemmodeller.