Dự án tiêu biểu

Phá vỡ phép thuật nghiên cứu bị bắt bởi WIzARD của Duke

Sự bắt đầu của dây neo hải dương học của Đại học Duke không bắt đầu ở bề mặt của đại dương, mà là 500 mét bên dưới nó. Nổi trên đỉnh của hệ thống neo đậu là một quả cầu cú pháp 64 inch với sức nổi 2.500 Lbs. Nó phục vụ bộ đôi vai trò vừa là thiết bị nổi và nhà ở cho hai hệ thống giám sát âm thanh cao cấp.

Tiếp theo là 75 mét dây xích và dây trước khi đến với hai thiết bị định hình dòng hải lưu, một hướng lên và một hướng xuống. Bên cạnh thiết bị đó là hai dụng cụ đo nhiệt độ và độ mặn. 

Tiếp theo là vài trăm mét dây nữa trước khi đến vài quả cầu thủy tinh, nhiều quả cầu nổi hơn. Cuối cùng, ngay trước khi chiếc neo buộc tất cả xuống đất, là hai bản thả âm thanh đang chờ để tất cả chúng nổi trở lại bề mặt. 

Con vật khổng lồ theo dõi đại dương 500 mét này là mooRing tự động tích hợp băng rộng WoMBAT dành cho vùng nước sâu, gọi tắt là WIzARD. Thiết bị trị giá 400.000 USD này có thể không phải là thiết bị đắt tiền nhất được triển khai để giám sát đại dương, nhưng nó được đặt ở một trong những nơi hoạt động tích cực nhất của đại dương. 

Một thiết kế đồ họa của hệ thống WIzARD hoàn chỉnh, từ khối cầu cú pháp nổi 500 mét dưới bề mặt, đến mỏ neo dưới đáy đại dương. (Nhà cung cấp hình ảnh: Trường Môi trường Nicholas tại Phòng thí nghiệm Hàng hải của Đại học Duke)

Doug Nowacek , giáo sư công nghệ bảo tồn trong môi trường và kỹ thuật tại Duke cho biết: “Off Cape Hatteras là nơi tôi muốn gọi là Serengeti của Đại Tây Dương .

Nơi có dòng nước lạnh chảy từ bờ biển Labrador, gần Newfoundland, Canada, mang theo nhiều chất dinh dưỡng, va chạm với dòng nước ấm Gulf Stream sinh ra từ mũi Florida. Ở đó, cách bờ biển Bắc Carolina hàng dặm, nước ấm từ phía nam mang theo các chất dinh dưỡng từ phía bắc lên bề mặt, nơi mà quá trình quang hợp tạo ra một mức năng suất hiếm khi được nhìn thấy ở bất kỳ nơi nào khác.

Nowacek nói: “Nó chỉ tràn đầy sức sống,”. "Nơi này có mật độ và sự đa dạng của động vật giáp xác cao nhất ở Tây Bắc Đại Tây Dương và có lẽ là toàn bộ Đại Tây Dương."

Đó là loại năng suất “dẫn đến việc những thứ nhỏ bị ăn bởi những thứ lớn hơn bị ăn bởi những thứ lớn hơn, dẫn đến việc nuôi sống các loài động vật có vú ở biển,” Nowacek nói thêm. Điều đó có nghĩa là cá ngừ vây xanh, mahi-mahi, cá ngừ wahoo và cá mập đầu búa. Rùa biển làm tổ trên các bãi biển gần đó khi Bờ biển Quốc gia tổ chức các loài chim di cư và trú đông.

Nó cũng là một khu vực được nhìn qua lăng kính nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian nhiều tuần. Trước khi Duke's WIzARD được triển khai, đã có một vài chuyến hải dương học nghiên cứu khu vực này. Một số dự án tập trung vào sự hiện diện sinh học trong khu vực và một số vào các điều kiện vật chất xung quanh cuộc sống hưng thịnh của nó. 

Ngay cả Trường Môi trường & Trường Kỹ thuật Pratt của Đại học Duke cũng đã thực hiện một số công việc tìm kiếm cá voi và cá heo.

Nowacek nói: “Công việc của chúng tôi chủ yếu tập trung vào cá voi phi công và hành vi lặn của chúng là gì. “Chúng tôi sẽ gắn thẻ vào một cái, và họ sẽ lặn xuống 800 mét, bạn nghe thấy họ nhấp chuột, vo ve, nhưng chúng tôi không biết họ đang thực hiện nỗ lực đó để làm gì.

Nhưng với WIzARD, các nhà nghiên cứu hiện có khả năng không thực hiện đánh giá không gian của khu vực, mà là đánh giá tạm thời kéo dài chín tháng, thay vì khoảng hai ba tuần.

Và họ cũng có khả năng không chỉ đánh giá sự hiện diện sinh học xung quanh toàn bộ 900 mét cột nước mà họ đã chọn, mà còn cả các yếu tố vật lý. Việc thu thập dữ liệu bắt đầu từ trên cùng, nơi quả cầu cú pháp được thả nổi bởi lực nổi 2.500 pound được giữ lại trong một lớp bọt bên trong.

Khối cầu cú pháp lớn là đỉnh của neo, cung cấp một lượng lớn lực nổi để giữ cho việc neo được triển khai chính xác. Hình cầu cũng là nơi các WBAT được triển khai. (Nhà cung cấp hình ảnh: Zach Swaim, Phòng thí nghiệm Hàng hải Đại học Duke, Trường Nicholas)

Gắn bên ngoài quả cầu là hai trung tâm ghi âm được gọi là Bộ thu phát tự động băng rộng - hay WoMBAT. Mỗi thiết bị đều có khả năng phát ra xung âm thanh đi 400 mét theo chùm hình nón từ các đầu dò, cả hai đều được đặt một cách chiến lược ở độ sâu giữa của cột nước để có thể bao phủ nhiều nhất có thể. 

“(Đó là) một hệ thống âm thanh cao cấp cung cấp cho chúng tôi cường độ mục tiêu của những thứ trong cột nước ở tần số đó, khoảng 75 kHz. Và họ ngồi đó và họ ping mỗi phút một lần. Và họ sử dụng những ping đó và lợi nhuận từ những ping đó để cho chúng ta biết có gì trong nước, ”Nowacek nói.

Thông tin trả về từ các ping đó dưới dạng dữ liệu âm thanh được lưu trữ trong "bộ não" của khối cú pháp, nằm bên trong vỏ bọc áp suất được xây dựng để chịu được trọng lượng của nước bên trên.

May mắn thay, đủ nghiên cứu về các loài khác nhau trong nước đã cung cấp một số dữ liệu hữu ích để hệ thống neo đậu tận dụng. Các nhà khoa học đã xem xét các dấu hiệu âm thanh của các loài cá và động vật giáp xác khác nhau và có thể thực hiện một công việc khá tốt khi xác định chúng dựa trên loại phản ứng mà chúng nhận được. 

Nowacek nói: “Chúng tôi không biết chính xác, nhưng chúng tôi biết nó không phải là cá voi, biết nó không phải là rùa - đó là một số loại cá.

Ở độ cao 525 mét dưới mực nước biển, nửa còn lại của khả năng neo đậu của Duke sẽ phát huy tác dụng. Hai thiết bị định hình dòng điện doppler âm thanh (ADCP) bắn ra bốn chùm tia từ mỗi thiết bị với ping âm thanh. Các thiết bị này áp dụng nguyên lý dịch chuyển Doppler để đo hướng và cường độ của dòng điện dựa trên các tín hiệu âm thanh trả về. 

Hai đơn vị ADCP Tầm xa, được hiển thị ở đây trong lồng triển khai của chúng. Các đĩa màu đỏ là đầu bộ chuyển đổi và bộ ADCP đo hướng và vận tốc của dòng nước với ping âm thanh ngắn được bốn đầu dò truyền và nhận. (Nhà cung cấp hình ảnh: Zach Swaim, Phòng thí nghiệm Hàng hải Đại học Duke, Trường Nicholas)

Được gắn nhãn là một “bước tiến lớn” cho những người muốn đo các đại dương, ADCP có thể đo tốc độ nước trong khoảng thời gian 10 mét.Động lực của tốc độ và hướng nước trong "Serengeti" của Nowacek là chìa khóa để giải thích vai trò của nó trong việc thúc đẩy năng suất trong khu vực.NHẤP ĐỂ TWEET

“Hiểu được cách nước di chuyển là một phần rất quan trọng. Điều gì ở khu vực này đã tạo nên sự pha trộn và sản xuất tuyệt vời này? ”

Nhưng lợi ích thu thập dữ liệu không chỉ dừng lại ở mét 525 cho; được gắn vào mỗi ADCP là một MicroCAT có thể lấy mẫu độ dẫn điện, nhiệt độ và độ sâu (CTD) của một khu vực. Đo lượng ion muối phong phú trong một vị trí, MicroCAT có thể giúp nhập dữ liệu cơ bản mà các nhà khoa học sử dụng để mô tả khối lượng nước. 

Nowacek nói: “Bằng cách đo nhiệt độ của nước và độ mặn, bạn có thể tìm hiểu về khối lượng nước là gì và nó đến từ đâu. "Vì vậy, các phép đo CTD cực kỳ hướng dẫn và minh họa về khối lượng nước mà bạn đang xử lý."

Ngoài phần còn lại của hệ thống dây điện là một phần cứng cuối cùng hoạt động thông qua âm học. Tuân theo quy tắc hai, các bản phát hành âm thanh của ORE nằm ngay phía trên mỏ neo của neo, chờ tín hiệu được mã hóa từ một nhà nghiên cứu rất có thể đang tìm cách gửi một lệnh giống như “thả ra”.

Mỏ neo, phần cuối cùng được triển khai, được thiết lập để đi quá đà. (Nhà cung cấp hình ảnh: Zach Swaim, Phòng thí nghiệm Hàng hải Đại học Duke, Trường Nicholas)

Cái thứ hai được bao gồm như một dự phòng nếu cái đầu tiên không phát hành theo lệnh. Một khi neo không bị xích, nó sẽ nổi lên trên và được thu lại trên bề mặt khoảng tám phút sau đó. 

Hệ thống đa năng của Đại học Duke lần đầu tiên hoạt động vào năm 2016 khi nó được triển khai. Các nhà nghiên cứu đã thu thập nó vào năm 2018, nơi một loạt các nhóm nghiên cứu sinh viên tại Đại học bang Savannah đang nghiên cứu những phát hiện của nó.

Trong khi mỏ neo của nó sẽ được tặng cho đáy đại dương sau khi được thả, được xây dựng để trở thành nền tảng cho một rạn san hô mới, phần còn lại của dây neo sẽ được tái sử dụng cho những chuyến đi tới khu vực Trung Đại Tây Dương trong tương lai.