Det finns mycket aktivitet under det stora, ensamma vidder av is och snö i Arktis. Klimatförändringarna har dramatiskt förändrat isskiktet som täcker stora delar av Ishavet. Vattenområden som tidigare täcktes av ett fast ispaket täcks nu av tunna skikt som bara är 3 fot djupa. Under isen, ett varmt lager vatten, del av Beaufort -objektivet, har ändrat sammansättningen av vattenmiljön.

För att forskare ska förstå vilken roll denna föränderliga miljö i Ishavet spelar i den globala klimatförändringen, det finns ett behov av att kartlägga havet under isskyddet.

Ett team av MIT-ingenjörer och sjöofficerare ledda av Henrik Schmidt, professor i maskin- och havsteknik, försöker förstå miljöförändringar, deras inverkan på akustisk transmission under ytan, och hur dessa förändringar påverkar navigering och kommunikation för fordon som färdas under isen.

"I grund och botten, vad vi vill förstå är hur den nya arktiska miljön till följd av globala klimatförändringar påverkar användningen av undervattensljud för kommunikation, navigering, och känner?" förklarar Schmidt.

För att svara på denna fråga, Schmidt reste till Arktis med medlemmar av Laboratory for Autonomous Marine Sensing Systems (LAMSS) inklusive Daniel Goodwin och Bradli Howard, doktorander i MIT-Woods Hole Oceanographic Institution Joint Program i oceanografisk teknik.

Med finansiering från Office of Naval Research, laget deltog i ICEX — eller Ice Exercise — 2020, ett treveckors program som arrangeras av den amerikanska flottan, där militär personal, vetenskapsmän, och ingenjörer arbetar sida vid sida för att genomföra en mängd olika forskningsprojekt och uppdrag.

En strategisk vattenväg

Den snabbt föränderliga miljön i Arktis har omfattande effekter. Förutom att ge forskare mer information om effekterna av global uppvärmning och effekterna på havsdäggdjur, den tunnare isen skulle potentiellt kunna öppna upp nya farleder och handelsvägar i områden som tidigare var omöjliga.

Kanske mest avgörande för den amerikanska flottan, Att förstå den förändrade miljön har också geopolitisk betydelse.

"Om den arktiska miljön förändras och vi inte förstår det, som kan få konsekvenser för nationell säkerhet, säger Goodwin.

Många år sedan, Schmidt och hans kollega Arthur Baggeroer, professor i maskin- och havsteknik, var bland de första att inse att de varmare vattnen, del av Beaufort Lens, tillsammans med den förändrade issammansättningen, påverkade hur ljudet färdades i vattnet.

För att framgångsrikt navigera genom hela Arktis, den amerikanska flottan och andra enheter i regionen måste förstå hur dessa förändringar i ljudutbredning påverkar ett fordons förmåga att kommunicera och navigera genom vattnet.

Med en opilot, autonomt undervattensfordon (AUV) byggt av General Dynamics-Mission Systems (GD-MS), och ett system av sensorer riggade på bojar utvecklade av Woods Hole Oceanographic Institution, Schmidt och hans team, tillsammans med Dan McDonald och Josiah DeLange från GD-MS, för att demonstrera ett nytt integrerat akustisk kommunikations- och navigeringskoncept.

Ramverket, som också stöddes och utvecklades av LAMSS-medlemmarna Supun Randeni, EeShan Bhatt, Rui Chen, och Oscar Viquez, samt LAMSS alumn Toby Schneider från GobySoft LLC, skulle tillåta fordon att färdas genom vattnet med noggrannhet på GPS-nivå samtidigt som de använder oceanografiska sensorer för datainsamling.

"För att bevisa att du kan använda detta navigeringskoncept i Arktis, vi måste först se till att vi till fullo förstår den miljö vi verkar i, ", tillägger Goodwin.

Förstå miljön nedan

Efter att ha anlänt till Arctic Submarine Labs isläger i våras, forskargruppen använde ett antal konduktivitet-temperatur-djupsonder för att samla in data om vattenmiljön i Arktis.

"Genom att använda temperatur och salthalt som en funktion av djupet, vi beräknar ljudhastighetsprofilen. Detta hjälper oss att förstå om AUV:ns plats är bra för kommunikation eller dålig, säger Howard, som ansvarade för att övervaka miljöförändringar i vattenpelaren i hela ICEX.

På grund av hur ljud böjer sig i vatten, genom ett koncept som kallas Snells lag, sinusliknande tryckvågor samlas i vissa delar av vattenpelaren och sprids i andra. Att förstå utbredningsbanorna är nyckeln till att förutsäga bra och dåliga platser för AUV:n att fungera.

För att kartlägga de områden av vattnet med optimala akustiska egenskaper, Howard modifierade det traditionella signal-till-brus-förhållandet (SNR) genom att använda ett mått som kallas multi-path penalty (MPP), vilket straffar områden där AUV:n tar emot ekon av meddelandena. Som ett resultat, fordonet prioriterar operationer i områden med mindre efterklang.

Dessa data gjorde att laget kunde identifiera exakt var fordonet skulle placeras i vattenpelaren för optimal kommunikation som resulterar i korrekt navigering.

Medan Howard samlade in data om hur vattnets egenskaper påverkar akustiken, Goodwin fokuserade på hur ljud projiceras och reflekteras från den ständigt föränderliga isen på ytan.

För att få dessa data, AUV:n var utrustad med en anordning som mätte fordonets rörelse i förhållande till isen ovanför. Det ljudet fångades upp av flera mottagare fästa vid förtöjningar som hängde från isen.

Data från fordonet och mottagarna användes sedan av forskarna för att beräkna exakt var fordonet befann sig vid en given tidpunkt. Denna platsinformation, tillsammans med data Howard samlade in om den akustiska miljön i vattnet, erbjuda ett nytt navigationskoncept för fordon som färdas i Ishavet.

Skyddar Arktis

Efter en rad motgångar och utmaningar på grund av de oförlåtliga förhållandena i Arktis, teamet kunde framgångsrikt bevisa att deras navigationskoncept fungerade. Tack vare lagets insatser, marina operationer och framtida handelsfartyg kanske kan dra fördel av de förändrade förhållandena i Arktis för att maximera navigeringsnoggrannheten och förbättra undervattenskommunikationen.

"Vårt arbete kan förbättra förmågan för den amerikanska flottan att säkert och effektivt använda ubåtar under isen under längre perioder, " säger Howard.

Howard erkänner att förutom förändringarna i det fysiska klimatet, det geopolitiska klimatet fortsätter att förändras. Detta stärker bara behovet av förbättrad navigering i Arktis.

"Den amerikanska flottans mål är att bevara freden och skydda den globala handeln genom att säkerställa navigeringsfrihet över hela världens hav, "tillägger hon." Det navigeringskoncept som vi bevisade under ICEX kommer att tjäna till att hjälpa marinen i det uppdraget. "

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.