Az óceán felszíne egy mozgalmas tér: hajók haladnak át rajta, viharok tombolnak, és műholdak figyelik mindezt a magasból. Ám a felszín alatti első 1000 méteren túl egy rejtett flottilla robotikus eszköz dolgozik, amelyek az élet legnagyobb támaszának számító bolygónk belső stresszjeit kutatják. Ezek az autonóm biogeokémiai profilozó lebegők folyamatosan gyűjtik az adatokat, hogy feltárják az óceán szénkörforgásának titkait és annak változásait.
Az óceán mélyének rejtett megfigyelői: a biogeokémiai lebegők
A Global Ocean Biogeochemical (GO-BGC) Array program keretében, amelyet az Egyesült Államok vezényel és a kaliforniai Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI) irányít, több mint 330 ilyen robotot telepítettek világszerte. Ezek az alumíniumházas, nyomásálló hengeres eszközök biooptikai szenzorokat, GPS/Iridium antennát és lítium vagy hibrid akkumulátorokat tartalmaznak. Képesek mérni az oxigén-, pH-, nitrát-, lebegő részecske- és klorofillszinteket, valamint a hőmérsékletet, vezetőképességet és mélységet – innen ered biogeokémiai elnevezésük.
Az MBARI által fejlesztett flottilla része egy nemzetközi hálózatnak, amely több mint 4000 Argo lebegőt foglal magába, és már 26 éve működik folyamatosan. „Ezeket úgy jellemezném, mint az óceán anyagcseréjének mérőeszközeit” – mondja Ken Johnson, az MBARI vezető tudósa és a GO-BGC program fő kutatója. „Ahogy orvoshoz megyünk, nem azonnal MRI-t csinálnak, hanem először az életjeleinket mérik – ezek a lebegők is így működnek.”
Az óceáni szénciklus nyomon követése
A szénben gazdag részecskék mélybe süllyedésének mértéke kulcsfontosságú az óceán szénciklusának megértésében. A BGC-Argo lebegők képesek mélyen mérni az oxigénszintet, így segítenek meghatározni, hol és hogyan bontják le a baktériumok a süllyedő szerves anyagokat.
Például az alaszkai-öbölben a szén ritkán jut túl nagy mélységbe mielőtt visszakerülne a légkörbe, míg a Déli-óceánban sokkal mélyebbre hatol, így ez a régió erősebb szénelnyelőként működik.
Korábban gyakorlatilag lehetetlen volt folyamatosan monitorozni az óceán teljes mélységében zajló szénszállítási folyamatokat. A műholdak csak a felszínt és annak napfényes rétegét látják, míg a hajós expedíciók részletes adatokat szolgáltatnak ugyan, de időben korlátozottak és költségesek.
„A kulcs abban rejlik, hogy ezek a kémiai és biológiai szenzorok folyamatosan működnek háttérben, megmutatva, hogyan változik egy év egy másikhoz képest” – magyarázza Johnson. „Nem lehet megérteni az óceán reakcióját többszörös hőhullámokra egy-két hetes hajós expedícióval. A lebegők viszont egész évben dolgoznak, még karácsonykor vagy rossz időben is.”
A biogeokémiai robotok működése
Egy tipikus ciklus során a BGC-Argo lebegők körülbelül 1000 méterre merülnek le, majd tíz napig sodródnak egy adott víztömegben. Központi processzoruk összehangolja az érzékelők adatait. Egy felhajtóerő-szivattyú segítségével egy külső olajzsákot fújnak fel vagy engednek összehúzódni, így képesek akár 2000 méterig is lemerülni majd ismét felemelkedni, miközben folyamatosan mérik az adatokat.
Amikor antennajuk eléri a felszínt, adatokat továbbítanak az Iridium műholdas hálózaton keresztül, majd újra merülnek. Az adatok nemzetközi egyezmények alapján egy napon belül nyilvánosan elérhetővé válnak még más országok gazdasági övezeteiben is.
Bár ezek az eszközök autonóm módon végzik előre programozott méréseiket, távolról is beállíthatók bizonyos paraméterek – például ciklusidők –, ami különösen hasznos lehet célzott megfigyelésekhez hurrikánok vagy vulkánkitörések idején.
A fejlesztések háttere és kihívásai
A programot 2020-ban egy 53 millió dolláros támogatás segítette elő a National Science Foundation-től (NSF). Az MBARI fejlesztette ki és kalibrálta a kulcsfontosságú BGC szenzorokat, köztük a világszerte használt SeaFET Ocean pH technológiát. A lebegőket a Washingtoni Egyetem készíti együttműködésben a Teledyne Webb Research céggel.
Mielőtt bármilyen frissítés élesbe kerülne, szimulációkkal tesztelik őket gyorsított időskálákon keresztül annak érdekében, hogy feltárják az esetleges meghibásodási módokat.
Egy lebegő élettartama körülbelül 250 merülési ciklusra elegendő (merülés-sodródás-emelkedés), ami akár hét évig is tarthat. Évente körülbelül 5%-uk vész el korrózió vagy mechanikai sérülések miatt – például hajók ütközésekor vagy ha beszorulnak a tengerfenéken.
Milyen eredményeket hoznak ezek a robotok?
Az MBARI legújabb tanulmánya a Nature Communications folyóiratban bemutatta, hogyan figyelték meg ezeken keresztül két jelentős Észak-Csendes-óceáni tengeri hőhullám (2013–2015 „The Blob” és 2019–2020 utódja) hatásait az alaszkai-öbölben.
A kutatók összevetették a lebegők adatait hajós expedíciók során gyűjtött plankton pigment- és környezeti DNS-mintákkal (a Fisheries and Oceans Canada Line P programjából). A plankton életciklusa alapvetően befolyásolja azt, hogy mennyi szén-dioxidot képes tárolni bolygónk.
- A plankton növekedése után elpusztulva vagy elfogyasztva apró részecskék formájában süllyed le.
- Ha ez csak sekély vízrétegig jut (kb. 100 méter), akkor baktériumok bontják le újra CO2-vé alakítva.
- Ha azonban akár 2000 méter mélységbe süllyednek ezek az anyagok, akkor hosszú időre kivonódnak a légkörből.
Johnson szerint: „A hőhullámok változásokat idéznek elő az ökoszisztéma szerkezetében és működésében – különösen a planktonpopulációban –, amelyek befolyásolják az óceán szénexportját és ezzel együtt azt is, hogy mennyire képes hosszú távon elnyelni ezt a szenet.”
„Az óceán szolgáltatásai – mint például élelmiszerforrásként való szerepe vagy az antropogén hő elnyelése – nem magától értetődők; egy-egy hőhullám jelentős változásokat hozhat.”
A jövő kihívásai és lehetőségei
Az MBARI csapata gépi tanulási módszereket alkalmaz további biogeokémiai összefüggések feltárására. Egy augusztusi tanulmányukban például neurális hálózat segítségével kimutatták, hogy több mint két évtizede folyamatosan nőtt a nitráttermelés a Déli-óceánban – amely kulcsfontosságú szerepet játszik globális tápanyag-eloszlásban és szénelnyelésben.
Sajnos azonban e fontos program jövője bizonytalan: az NSF által biztosított 53 millió dolláros támogatás idén lejár, és jelenleg nincs biztosított folytatásra forrás.
Összegzés
A biogeokémiai profilozó lebegők forradalmi eszközöknek bizonyultak az óceán egészségének monitorozásában. Ezek az autonóm robotok lehetővé teszik számunkra, hogy valós időben kövessük nyomon az óceán szénciklusát és annak változásait olyan környezetekben is, ahol korábban csak korlátozott információ állt rendelkezésre.
Ezekkel az adatokkal jobban megérthetjük tengeri ökoszisztémáink reakcióját a klímaváltozásra és tengeri hőhullámokra – így hatékonyabban tudunk stratégiákat kidolgozni bolygónk legnagyobb életfenntartó rendszerének védelmére.
Forrás: https://spectrum.ieee.org/ocean-robots-mbari-bgc-argo