Attraverso il campus dell'Osservatorio della Terra di Lamont-Doherty, gli scienziati stanno esplorando i vulcani sottomarini, monitoraggio dell'erosione costiera lungo le coste difficili da raggiungere, e studiando il movimento del ghiaccio marino, tutto in tempo reale. Caricando droni con strumenti ad alta tecnologia e utilizzando satelliti e cavi sottomarini che interagiscono con i sensori in alcune delle località più remote della Terra, stanno scoprendo i segreti del nostro pianeta.

"L'osservazione della Terra in tempo reale cambierà il modo in cui viene condotta la scienza nei prossimi 10-20 anni, " ha detto Tim Crone, un geofisico marino che sta co-conducendo un'iniziativa del Lamont-Doherty Earth Observatory per spingere la frontiera dei dati in tempo reale sul pianeta. "Siamo sull'orlo di un nuovo tipo di scienza, e la tecnologia ci sta dando l'opportunità di fare cose incredibili".

Lamont è una delle poche strutture di ricerca al mondo in cui gli scienziati stanno mettendo tutti i tipi di piattaforme scientifiche, dal fondale allo spazio, da utilizzare per l'analisi dei dati in tempo reale. I dati arrivano da array cablati che attraversano il fondo del mare, veicoli subacquei, e laboratori aerei grandi come aeroplani e piccoli come droni. I satelliti trasmettono dati da sensori marittimi che monitorano la chimica degli oceani e le correnti in tutto il mondo.

Queste misurazioni in tempo reale stanno alimentando scoperte scientifiche in quanto verificano modelli informatici e rivelano cambiamenti imprevisti.

Il laboratorio di droni apre nuovi paesaggi alla scienza

Nell'Artico, l'oceanografo Christopher Zappa ha ridisegnato gli strumenti che si trovano tipicamente a bordo di navi da ricerca o aerei e li ha inseriti in droni che vola a bassa quota sul ghiaccio marino. Il raggio d'azione dei droni gli consente di espandere la sua area di studio ed evitare interferenze dal calore e dal movimento di una nave, riducendo anche notevolmente i costi. Il risultato sono dati ineguagliabili sulla topografia e sul movimento del ghiaccio marino e nuove intuizioni su come si rompe il ghiaccio marino e su come l'atmosfera e l'oceano si influenzano a vicenda.

"Gli UAS (sistemi aerei senza pilota) sono dove 20 anni fa si trovavano i veicoli subacquei autonomi e telecomandati. Avevi queste grandi piattaforme, ma gli scienziati stavano appena iniziando a capire come usarli, " disse Zappa. "Oggi, ci sono veicoli sottomarini ovunque negli oceani del mondo. Ciò che è mancato all'UAS è la capacità di inserire nel carico utile una strumentazione di qualità scientifica. Fare qualcosa di veramente scientifico richiede un'ingegneria significativa."

Zappa, un co-leader dell'iniziativa Real-Time Earth con Crone e l'oceanografo fisico Ryan Abernathey, sta espandendo quella capacità ingegneristica a Lamont attraverso il suo laboratorio UAS, che progetta payload ad alta tecnologia con immagini iperspettrali, lidar, termocamere a infrarossi, e altri sensori per missioni scientifiche.

I droni scientifici sono disponibili in tutte le dimensioni, dagli elicotteri leggeri che puoi lanciare dalla tua mano ai droni ad ala fissa delle dimensioni di piccoli aeroplani. I piccoli quadricotteri non possono trasportare molto più di una macchina fotografica, ma stanno dando ai vulcanologi Einat Lev ed Elise Rumpf la possibilità di mappare i flussi di lava e scrutare all'interno delle caldere. Alessio Rovere mette al lavoro piccoli droni per monitorare l'erosione costiera e lo sbiancamento dei coralli. Mentre i satelliti possono fornire primi piani, la loro frequenza di passaggio, copertura, e la raccolta dei dati sono limitate, e le nuvole spesso ostruiscono la vista. Con i droni, Rovere, un geologo, può avvicinarsi a tratti di costa difficili da raggiungere senza disturbare il terreno.

Zappa, il cui lavoro sul ghiaccio marino si basa su strumenti più sofisticati, utilizza droni ad ala fissa più grandi con navigazione GPS pilotata automaticamente e 10-20 ore di volo. Con carichi delle dimensioni di un pallone da calcio, Zappa può pilotare sistemi di imaging iperspettrale che utilizzano onde luminose per dedurre di cosa è fatto un oggetto o come scorre l'energia. Può esaminare le alghe nell'acqua e come influisce sul bilancio termico superficiale, Per esempio. Un altro carico utile fa cadere boe che profilano l'atmosfera e misurano la temperatura e la salinità dell'oceano.

"Gli UAS consentono agli scienziati di avvicinarsi a un ghiacciaio, qualcosa che normalmente non faresti con una nave. Se vuoi guardare una regione costiera, puoi volare regolarmente transetti attraverso la zona di surf, " disse Zappa.

Man mano che i costi diminuiscono, i droni potrebbero persino essere fatti volare negli uragani per raccogliere dati in tempo reale sull'altezza delle onde, quantità di moto, e calore, Egli ha detto.

Dati in tempo reale dal profondo

Negli oceani, Gli scienziati di Lamont stanno utilizzando veicoli sottomarini remoti e autonomi per esplorare il fondo marino e misurare l'ambiente marino.

Zappa è parziale ai drifter a energia solare che si collegano ai sensori sul fondo del mare o nella colonna d'acqua e possono telemetrare i dati ai satelliti per il monitoraggio in tempo reale. Gruppo di geofisica polare di Robin Bell, che ha costruito l'IcePod per mappare il Ross Ice Shelf in Antartide dall'alto, distribuisce boe per il monitoraggio in tempo reale della temperatura dell'acqua, salinità, e correnti intorno ai bordi delle banchise.

Crone ha trascorso gran parte della sua carriera sviluppando strumentazione per un diverso tipo di sistema di telerilevamento:un osservatorio sul fondale marino con un cavo in fibra ottica che corre a 300 miglia dalla costa dell'Oregon a una serie di sensori. I sensori stanno ora inviando osservazioni in tempo reale da Axial Seamount, un vulcano sottomarino su una dorsale oceanica dove si sta creando un nuovo fondale oceanico. La geofisica marina Maya Tolstoy ha utilizzato i dati in tempo reale per studiare un'eruzione del 2015 lì, iniziando con un aumento dei terremoti prima dell'eruzione e monitorando come l'energia dell'eruzione si è mossa attraverso l'acqua.

Elaborazione fiumi di dati

Tutti questi dati in entrata aumentano la domanda di potenza del computer e di modi intelligenti per elaborarli e archiviarli.

L'alleanza interdisciplinare per i dati della Terra (IEDA), guidata da Kerstin Lehnert e Suzanne Carbotte a Lamont, svolge un ruolo cruciale archiviando i dati scientifici degli scienziati di tutto il mondo e rendendo i dati ampiamente disponibili insieme agli strumenti per l'analisi. Abernathey, nel frattempo, sta lavorando a modi per migliorare l'architettura del sistema di dati e stabilire capacità di elaborazione ad alte prestazioni su misura per le esigenze di dati di Lamont.

"Queste piattaforme saranno utilizzate nei prossimi anni per esperimenti che oggi non possiamo immaginare, " Crone ha detto. "La stessa cosa vale per Internet e i satelliti che possono collegarci. Si tratta di avere un problema da risolvere, costruire il sensore o il dispositivo, collegandolo ad una piattaforma o ad una rete, e portando i dati per iniziare a risolvere quel problema."

"Questo è il futuro, " disse Crona.

Questa è anche l'eredità di Lamont. Lamont è stata costruita sulla visione del fondatore Maurice "Doc" Ewing di raccolta dati costante e condivisione di dati aperti per potenziare la ricerca e le scoperte globali. Se gli scienziati di Ewing non avessero la tecnologia di cui avevano bisogno, l'hanno costruito loro stessi.

Mentre gli scienziati-ingegneri di Lamont continuano a spingere le frontiere della scienza, la Real-Time Earth Initiative sta portando l'accesso ai dati a nuovi livelli. "La scienza di tutti migliorerà da questo, " Crona ha detto, "perché tutti saranno in grado di attingere alla costruzione di nuovi sistemi per osservare la Terra".