Havets rörelse är ofta tänkt i horisontella termer, till exempel i de kraftfulla strömmarna som sveper runt planeten, eller vågorna som rider in och ut längs en kustlinje. Men det finns också gott om vertikala rörelser, särskilt på öppet hav, där vatten från djupet kan stiga upp, föra näringsämnen till det övre havet, medan ytvatten sjunker, skicka döda organismer, tillsammans med syre och kol, till det djupa inlandet.

Oceanografer använder instrument för att karakterisera den vertikala blandningen av havets vatten och de biologiska samhällen som lever där. Men dessa verktyg är begränsade i sin förmåga att fånga småskaliga funktioner, såsom upp- och nedströmning av vatten och organismer över en liten, kilometer bred havsregion. Sådana egenskaper är avgörande för att förstå hur det marina livet består i en viss volym av havet (t.ex. i ett fiske), samt mängden kol som havet kan absorbera och binda bort.

Nu har forskare vid MIT och Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) konstruerat ett lättviktsinstrument som mäter både fysiska och biologiska egenskaper hos det vertikala havet över små, kilometer breda fläckar. Den "havprofiler, " heter EcoCTD, är ungefär lika stor som en midjehög modellraket och kan släppas av baksidan av ett fartyg i rörelse. När det faller fritt genom vattnet, dess sensorer mäter fysiska egenskaper, såsom temperatur och salthalt, samt biologiska egenskaper, såsom den optiska spridningen av klorofyll, växtplanktonets gröna pigment.

"Med EcoCTD, vi kan se småskaliga områden med snabb vertikal rörelse, där näringsämnen kan tillföras ytan, och där klorofyll förs nedåt, som talar om för dig att detta också kan vara en koldioxidväg. Det är något du annars skulle missa med befintlig teknik, säger Mara Freilich, en doktorand vid MIT:s Department of Earth, Atmosfärisk, och Planetary Sciences och MIT-WHOI Joint Program in Oceanography/Applied Ocean Sciences and Engineering.

Freilich och hennes kollegor har publicerat sina resultat idag i Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. Tidningens medförfattare är J. Thomas Farrar, Benjamin Hodges, Tom Lanagan, och Amala Mahadevan från WHOI, och Andrew Baron från Dynamic System Analysis, i Nova Scotia. Huvudförfattare är Mathieu Dever från WHOI och RBR, en utvecklare av havssensorer baserad i Ottawa.

Havssynergi

Oceanografer använder ett antal metoder för att mäta havets fysiska egenskaper. Några av de mer kraftfulla, högupplösta instrument som används är kända som CTD, för deras förmåga att mäta havets konduktivitet, temperatur, och djup. CTD är vanligtvis skrymmande, eftersom de innehåller flera sensorer samt komponenter som samlar in vatten och biologiska prover. Konventionella CTD:er kräver att ett fartyg stannar när forskare sänker instrumentet i vattnet, ibland via ett kransystem. Fartyget måste stanna kvar när instrumentet samlar in mätningar och vattenprover, och kan bara komma igång igen efter att instrumentet halas ombord igen.

Fysiska oceanografer som inte studerar havsbiologi, och behöver därför inte samla in vattenprover, kan ibland använda "UCTDs" - pågående versioner av CTDs, utan de skrymmande vattenprovtagningskomponenterna, som kan bogseras när ett fartyg är på väg. Dessa instrument kan ta prov snabbt eftersom de inte kräver en kran eller ett fartyg för att stanna när de tappas.

Freilich och hennes team försökte designa en version av en UCTD som också kunde inkludera biologiska sensorer, allt i en liten, lättvikt, släpvagnspaket, som också skulle hålla fartyget i rörelse när det samlade sina vertikala mått.

"Det verkade som att det kunde finnas enkel synergi mellan dessa befintliga instrument, att designa ett instrument som fångar fysisk och biologisk information, och skulle kunna göra detta på gång också, " säger Freilich.

"Nå det mörka havet"

Kärnan i EcoCTD är RBR Concerto Logger, en sensor som mäter temperaturen på vattnet, såväl som konduktiviteten, som är en proxy för havets salthalt. Profilern inkluderar också en blykrage som ger tillräckligt med vikt för att instrumentet ska kunna falla fritt genom vattnet med cirka 3 meter per sekund – en hastighet som tar ner instrumentet till cirka 500 meter under ytan på cirka två minuter.

"Vid 500 meter, vi når den övre skymningszonen, " säger Freilich. "Den eufotiska zonen är där det finns tillräckligt med ljus i havet för fotosyntes, och det är ungefär 100 till 200 meter på de flesta ställen. Så vi når det mörka havet."

En annan sensor, EcoPuck, är unik för andra UCTD genom att den mäter havets biologiska egenskaper. Specifikt, det är en liten, puckformad biooptisk sensor som avger två våglängder av ljus – rött och blått. Sensorn fångar alla förändringar i dessa ljus när de sprider sig tillbaka och som klorofyllinnehållande växtplankton fluorescerar som svar på ljuset. Om det mottagna röda ljuset liknar en viss våglängd som är karakteristisk för klorofyll, forskare kan härleda förekomsten av växtplankton på ett givet djup. Variationer i rött och blått ljus som sprids tillbaka till sensorn kan indikera annat i vattnet, såsom sediment eller döda celler – ett mått på mängden kol på olika djup.

EcoCTD inkluderar en annan sensor som är unik för UCTD:er - Rinko III Do, som mäter syrekoncentrationen i vatten, vilket kan ge forskare en uppskattning av hur mycket syre som tas upp av mikrobiella samhällen som lever på ett givet djup och en viss mängd vatten.

Till sist, hela instrumentet är inkapslat i ett aluminiumrör och utformat för att fästas via en lång lina i en vinsch på baksidan av ett fartyg. När fartyget rör sig, ett team kan släppa instrumentet överbord och använda vinschen för att betala ut linan i en takt som instrumentet faller rakt ner, även när fartyget flyttar iväg. Efter cirka två minuter, när den har nått ett djup av cirka 500 meter, teamet vevar vinschen för att dra upp instrumentet igen, i en takt som instrumentet hinner med fartyget inom 12 minuter. Besättningen kan sedan tappa instrumentet igen, denna gång på något avstånd från deras sista avlämningsställe.

"Det fina är att när vi går till nästa skådespelare, vi är 500 meter från där vi var första gången, så vi är precis där vi vill prova nästa, " säger Freilich.

De testade EcoCTD på två kryssningar 2018 och 2019, den ena till Medelhavet och den andra i Atlanten, och kunde i båda fallen samla in både fysiska och biologiska data med en högre upplösning än befintliga CTD.

"ecoCTD fångar dessa havsegenskaper med en guldstandardkvalitet med mycket mer bekvämlighet och mångsidighet, " säger Freilich.

Teamet kommer att förfina sin design ytterligare, och hoppas att deras högupplösta, lätt att distribuera, och mer effektiva alternativ kan anpassas av båda forskarna för att övervaka havets småskaliga reaktioner på klimatförändringar, samt fiske som vill hålla koll på en viss regions biologiska produktivitet.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.