Il moto dell'oceano è spesso pensato in termini orizzontali, per esempio nelle potenti correnti che spazzano il pianeta, o le onde che cavalcano dentro e fuori lungo una costa. Ma c'è anche molto movimento verticale, soprattutto in mare aperto, dove l'acqua dal profondo può salire, portando sostanze nutritive nell'oceano superiore, mentre le acque superficiali affondano, l'invio di organismi morti, insieme a ossigeno e carbonio, al profondo interiore.

Gli oceanografi utilizzano strumenti per caratterizzare la miscelazione verticale delle acque oceaniche e delle comunità biologiche che vi abitano. Ma questi strumenti sono limitati nella loro capacità di acquisire funzionalità su piccola scala, come il sollevamento e il deflusso dell'acqua e degli organismi su un piccolo, regione oceanica di un chilometro. Tali caratteristiche sono essenziali per comprendere la composizione della vita marina che esiste in un dato volume dell'oceano (come in un'area di pesca), così come la quantità di carbonio che l'oceano può assorbire e sequestrare.

Ora i ricercatori del MIT e della Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) hanno progettato uno strumento leggero che misura le caratteristiche fisiche e biologiche dell'oceano verticale su piccoli, toppe chilometriche. Il "profilo oceanico, " denominato EcoCTD, ha le dimensioni di un modello di razzo alto fino alla vita e può essere lasciato cadere dal retro di una nave in movimento. Mentre cade in caduta libera attraverso l'acqua, i suoi sensori misurano le caratteristiche fisiche, come temperatura e salinità, così come le proprietà biologiche, come la diffusione ottica della clorofilla, il pigmento verde del fitoplancton.

"Con EcoCTD, possiamo vedere aree su piccola scala di rapido movimento verticale, dove i nutrienti potrebbero essere forniti alla superficie, e dove la clorofilla viene portata verso il basso, il che ti dice che questo potrebbe anche essere un percorso del carbonio. È qualcosa che altrimenti ti mancherebbe con la tecnologia esistente, "dice Mara Freilich, uno studente laureato presso il Dipartimento della Terra del MIT, Atmosferico, e scienze planetarie e il programma congiunto MIT-WHOI in oceanografia/scienze oceaniche applicate e ingegneria.

Freilich e i suoi colleghi hanno pubblicato oggi i loro risultati sul Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. I coautori del documento sono J. Thomas Farrar, Benjamin Hodge, Tom Lanagan, e Amala Mahadevan di WHOI, e Andrew Baron di Dynamic System Analysis, in Nuova Scozia. L'autore principale è Mathieu Dever di WHOI e RBR, uno sviluppatore di sensori oceanici con sede a Ottawa.

Sinergia oceanica

Gli oceanografi utilizzano una serie di metodi per misurare le proprietà fisiche dell'oceano. Alcuni dei più potenti, gli strumenti ad alta risoluzione utilizzati sono noti come CTD, per la loro capacità di misurare la conduttività dell'oceano, temperatura, e profondità. I CTD sono in genere ingombranti, poiché contengono più sensori e componenti che raccolgono acqua e campioni biologici. I CTD convenzionali richiedono che una nave si fermi mentre gli scienziati abbassano lo strumento in acqua, a volte tramite un sistema di gru. La nave deve rimanere ferma mentre lo strumento raccoglie misurazioni e campioni d'acqua, e può riprendere la navigazione solo dopo che lo strumento è stato riportato a bordo.

Oceanografi fisici che non studiano biologia oceanica, e quindi non è necessario raccogliere campioni d'acqua, a volte può usare "UCTD" - versioni in corso di CTD, senza gli ingombranti componenti per il campionamento dell'acqua, che può essere rimorchiato mentre una nave è in corso. Questi strumenti possono campionare rapidamente poiché non richiedono l'arresto di una gru o di una nave durante la caduta.

Freilich e il suo team hanno cercato di progettare una versione di un UCTD che potesse incorporare anche sensori biologici, tutto in un piccolo, leggero, pacchetto trainabile, ciò manterrebbe anche la nave in movimento mentre raccoglieva le sue misurazioni verticali.

"Sembrava che ci potesse essere una sinergia diretta tra questi strumenti esistenti, progettare uno strumento che acquisisca informazioni fisiche e biologiche, e potrebbe farlo anche in corso, "dice Freilich.

"Raggiungere l'oceano oscuro"

Il cuore dell'EcoCTD è l'RBR Concerto Logger, un sensore che misura la temperatura dell'acqua, così come la conducibilità, che è un proxy per la salinità dell'oceano. Il profiler include anche un collare di piombo che fornisce un peso sufficiente per consentire allo strumento di cadere liberamente nell'acqua a circa 3 metri al secondo, una velocità che porta lo strumento a circa 500 metri sotto la superficie in circa due minuti.

"A 500 metri, stiamo raggiungendo la zona crepuscolare superiore, " dice Freilich. "La zona eufotica è dove c'è abbastanza luce nell'oceano per la fotosintesi, e questo è a circa 100-200 metri nella maggior parte dei luoghi. Quindi stiamo raggiungendo l'oceano oscuro."

Un altro sensore, l'EcoPuck, è unico per altri UCTD in quanto misura le proprietà biologiche dell'oceano. Nello specifico, è un piccolo, sensore bio-ottico a forma di disco che emette due lunghezze d'onda di luce:rossa e blu. Il sensore cattura qualsiasi cambiamento in queste luci mentre si disperdono e il fitoplancton contenente clorofilla diventa fluorescente in risposta alla luce. Se la luce rossa ricevuta assomiglia a una certa lunghezza d'onda caratteristica della clorofilla, gli scienziati possono dedurre la presenza di fitoplancton a una data profondità. Le variazioni nella luce rossa e blu diffusa al sensore possono indicare altra materia nell'acqua, come sedimenti o cellule morte, una misura della quantità di carbonio a varie profondità.

L'EcoCTD include un altro sensore esclusivo degli UCTD:il Rinko III Do, che misura la concentrazione di ossigeno nell'acqua, che può fornire agli scienziati una stima della quantità di ossigeno assorbita da qualsiasi comunità microbica che vive a una data profondità e particella d'acqua.

Finalmente, l'intero strumento è racchiuso in un tubo di alluminio e progettato per essere collegato tramite una lunga linea a un argano sul retro di una nave. Mentre la nave si muove, una squadra può far cadere lo strumento fuori bordo e usare l'argano per pagare la lenza a una velocità con cui lo strumento cade verso il basso, anche se la nave si allontana. Dopo circa due minuti, una volta raggiunta una profondità di circa 500 metri, la squadra aziona l'argano per tirare su lo strumento, ad una velocità che lo strumento raggiunge la nave entro 12 minuti. L'equipaggio può quindi rilasciare di nuovo lo strumento, questa volta a una certa distanza dal loro ultimo punto di caduta.

"La cosa bella è che quando andremo al prossimo cast, siamo a 500 metri da dove eravamo la prima volta, quindi siamo esattamente dove vogliamo campionare dopo, "dice Freilich.

Hanno testato l'EcoCTD su due crociere nel 2018 e nel 2019, uno nel Mediterraneo e l'altro nell'Atlantico, e in entrambi i casi sono stati in grado di raccogliere dati fisici e biologici a una risoluzione più elevata rispetto ai CTD esistenti.

"L'ecoCTD sta catturando queste caratteristiche oceaniche con una qualità gold standard con molta più praticità e versatilità, "dice Freilich.

Il team perfezionerà ulteriormente il proprio design, e spera che la loro alta risoluzione, facilmente schierabile, e un'alternativa più efficiente può essere adattata da entrambi gli scienziati per monitorare le risposte su piccola scala dell'oceano ai cambiamenti climatici, così come le attività di pesca che vogliono tenere traccia della produttività biologica di una determinata regione.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.