Sandia National Laboratories forskare börjar analysera det första havsbottendataset från under arktisk havsis med en ny metod. De kunde fånga isbävningar och transportaktiviteter på Alaskas norra sluttning samtidigt som de övervakade andra klimatsignaler och marint liv.

Laget, ledd av Sandia geofysiker Rob Abbott, anslutit en iDAS, ett distribuerat akustiskt avkännande förhörssystem tillverkat av Silixa, till en befintlig fiberoptisk kabel som ägs av Quintillion, ett Alaska-baserat telekommunikationsföretag. Kabeln når havsbotten från Oliktok Point. I sju dagar, 24 timmar per dygn, kabelvibrationer fångades och registrerades, hjälpa forskare att bättre förstå vilken naturlig och mänsklig aktivitet som äger rum i det data-svältade havet.

Detta är första gången ett distribuerat akustiskt avkännande förhörssystem har använts för att fånga data på havsbotten i de arktiska eller antarktiska haven, och teamet ser många fördelar för framtida användning.

"Detta är en första i sitt slag datainsamling, och vad nationella laboratorier gör, detta är precis den typen av högrisk, högbelönad forskning som kan göra en enorm skillnad i hur vi kan övervaka Ishavet, ", sa Sandia manager Kyle Jones. "Detta är verkligen i framkanten av seismologi och geofysik, tillsammans med klimatförändringar och andra discipliner."

Teamet förväntar sig att spela in klimatsignaler som tidpunkten och distributionen av havsisbrott, havets våghöjd, havsis tjocklek, förkastningszoner och stormens svårighetsgrad. Frakt, valsånger och inbrott kan också spelas in. Detta nya sätt att övervaka har potentialen att ihärdigt fånga en mängd olika arktiska fenomen på ett kostnadseffektivt och säkert sätt så att forskare bättre kan förstå effekterna av klimatförändringar på denna ömtåliga miljö, sa Abbott.

Förhörsledaren ser ut som en elektronisk låda som kan fästas på fiberkabeln på land, och den använder en laser för att skicka tusentals korta ljuspulser längs kabeln varje sekund. En liten del av det ljuset reflekteras tillbaka – eller sprids tillbaka – längs kabeln när havsbotten den är fäst vid rör sig på grund av jorden, havs is, havsströmmar och djuraktiviteter. Det bakåtspridda ljuset gör det möjligt för förhörsledaren att upptäcka, övervaka och spåra händelser längs fibern, och data lagras på hårddiskar.

"Quintillions fiberoptiska kabel är på en gynnsam plats på Alaskas norra sluttning, " Abbott sa. "Denna teknik fungerar för detta projekt av flera skäl. Vi skickar inte ut en båt för att plantera övervakare; vi slingrar inte över havsisen och försöker installera sensorer. Den här kabeln kommer att finnas i årtionden och vi kan ta bra data om den. Det är ett mycket säkert sätt att göra den här mätningen i en farlig miljö."

Finansieras av Laboratory Directed Research and Development-programmet, detta var den första av åtta veckor långa datainsamling som kommer att ske under de kommande två åren under projektet. Teamet kommer att besöka Alaska under var och en av de fyra arktiska årstider som definieras som isbundna, isfri, frysning och upptining. Ett tredje år kommer att ägnas åt att ytterligare analysera data.

Abbott sa att resultaten kommer att kommuniceras med det bredare forskarsamhället och kommer att tillhandahållas klimatmodelleringsgemenskapen för inkludering i algoritmer. Dessutom, Teamet hoppas att resultaten av projektet kommer att visa behovet av ihållande distribuerad akustisk avkänningsövervakning i Arktis.

"Vi skulle vilja tillhandahålla data till högtrogna klimatmodeller och rådataanalys, " sa Abbott. "Jag hoppas också kunna genomföra en direkt mätning av havsisens tjocklek, vilket är svårt just nu. Just nu, du behöver ett flygplan som flyger över eller så behöver du gå ut på isen. Det kan vara mycket farligt och dyrt, och du kan bara göra det en eller två gånger om året. Med hjälp av en fiberoptisk kabel, det distribuerade akustiska avkänningssystemet kan finnas där 24/7/365 och du kan potentiellt göra en mätning av havsisens tjocklek en gång om dagen."

Uppmuntrande data som samlats in under de första 168 timmarna

Sandia-forskare har precis börjat analysera de första 168 timmarna av data som samlades in i februari, och de uppmuntras av vad de ser, sa Abbott.

"Vi ser saker som tyder på isbävningar. Vi ser händelser så långt ut som 33 kilometer i havet där det inte borde finnas någon antropogen aktivitet, " han sa, hänvisar till de första två timmarna av data han hade tittat på. "Vi ser verkligen en naturlig händelse av något slag. Det kan vara en isbävning, eller det kan vara en mikroseismisk händelse i marken som en jordbävning. Vi är inte säkra än."

Närmare stranden, Abbott sa att teamet med största sannolikhet registrerade produktions- och återinjiceringsbrunnar som återvinner avloppsvatten och frekvenser som indikerar havsvatten och strömmar. Ett överraskande resultat var att systemet plockade upp frekvenser för en lågflygande svävare.

Förhörsledaren kan spela in händelser med en rumslig täthet av tre till fyra storleksordningar större än traditionella hydrofoner eller havsbottenseismometer, sa Abbott.

"I denna första datainsamling, vi förväntade oss inte att se en massa strömmar och isbävningar eftersom det var stabilt istäcke över hela området, och ändå ser vi några av dessa saker, vilket är spännande, " sa Abbott.

Abbott sa att han ser fram emot att fånga data om valar och sälar under migreringssäsongen. Arktis är hem för grønlandvalar och vitvalar, var och en har individuella låtar. Systemet borde kunna spela in dessa låtar på samma sätt som att spela in jordbävningar eftersom vibrationer i havet överförs till jorden, som sedan överförs till kabeln. Med valar, ett karakteristiskt mönster utvecklas när låten ändrar tonhöjd.

"Det kallas glidning, var med tiden, frekvenserna börjar lågt och går högt och ner igen, "Sådana frekvenser är karakteristiska för biologiska källor och kan lätt särskiljas från andra källor", sa Abbott. som jordbävningar. Valar sjunger ofta i över 30 minuter med individuella upprepade toner som varar några sekunder långa som glider upp och ner."

North Slope-vädret lade till intensitet till experimentets kritiska första vecka

Det förväntade men hårda North Slope-klimatet var en utmaning. I februari, området är mörkt cirka 18 timmar på dygnet och eftersom det blåser snö mycket av tiden och vägarna inte är väl markerade, allt fortsätter att se nytt ut, sa Abbott. Teamet hade också att göra med bitter kyla, och medan de förbereddes, temperaturen var cirka 10 grader kallare än väntat, vid ett tillfälle sjunkit till minus 45 Fahrenheit (minus 77 inklusive vindavkylning). Till och med de som jobbar där för sitt uppehälle stänger ner alla utomhusaktiviteter, sa Abbott.

"Det amerikanska Arktis är formidabelt, 30 minusgrader är en vanlig företeelse under vintermånaderna, sa Michael McHale, Quintillions chief revenue officer. "En stor del av regionen är tundra och svår att passera i det bästa vädret. Att arbeta här kräver betydande erfarenhet och svårvunnen expertis. De tekniska implikationerna är enorma. De flesta nätverk och satellitmarkstationer fungerar inte i regioner där de behöver vara kan tolerera 70 minusgrader."

På grund av svåra förhållanden, Quintillions fiberoptiska kabel är dubbelbepansrad med koppar- och stålmantel för att skydda mot skärning, kläm- eller nötningsskador, sa McHale.

"Alla företagets nätverkskomponenter, inklusive kablar, är konstruerade för att motstå den extrema arktiska miljön och skydda mot nätverksavbrott, ", tillade han. "De undervattensdelarna av kabeln är i första hand nedgrävda under havsbotten."

Nerverna varade hela veckan eftersom framgångsrik datainsamling var osäker

Dagen efter att laget kom, forskare träffades vid Quintillions kabellandningsanläggning där det distribuerade akustiska avkänningssystemet installerades med hjälp av företaget. En teammedlem från Silixa, företaget Sandia köpte det distribuerade akustiska avkänningssystemet från, var också där för att hjälpa till.

Sandia-forskare kunde använda cirka 30 miles av undervattens fiberoptiska kablar, McHale sa, och installationen gick smidigt. Han tillade att projektet har varit en stor upplevelse hittills.

"Möjligheten att arbeta med några av de mest kunniga geofysikerna och dataforskarna i landet är spännande och en ära, ", sa han. "Att stödja det vetenskapliga samfundets arbete har länge varit ett mål för Quintillions. Att uppnå det målet med en så högt ansedd kund som Sandia Labs överträffade våra förväntningar."

Under de första dagarna av den första insamlingen, det fanns en förväntad nervositet bland laget eftersom detta var något som inte hade gjorts tidigare. Medan Abbott har använt fiberoptiska kablar för att spela in explosioner för Sandia, han hade inte använt dem på en havsbotten och inte heller till något så stort.

Förhörsledaren samlar in 2 gigabyte information per minut, och eftersom det kommer in så snabbt, det är svårt att veta om data är bra, sa Abbott. Efter tre eller fyra dagar, teamet hade indikationer på att systemet fungerade bra, och det tog hela veckan innan de kände sig säkra på experimentet.

"Vad jag är exalterad över är att vi ser många intressanta fenomen i denna datainsamling, som förmodligen kommer att vara den tystaste datamängden med minst mängd isbävningar eller vågor, " Sa Abbott. "När vi börjar se isen bryta upp och isberg krascha in i varandra under andra årstider när det inte finns någon is där uppe alls, vi kommer att se saker bättre som tidvatten, strömmar och stormar."