I ricercatori dei Sandia National Laboratories stanno iniziando ad analizzare il primo set di dati sui fondali marini da sotto il ghiaccio marino artico utilizzando un nuovo metodo. Sono stati in grado di catturare i terremoti di ghiaccio e le attività di trasporto sul versante nord dell'Alaska, monitorando anche altri segnali climatici e la vita marina.

Il gruppo, guidato dal geofisico di Sandia Rob Abbott, collegato un iDAS, un sistema di interrogazione a rilevamento acustico distribuito prodotto da Silixa, a un cavo in fibra ottica esistente di proprietà di Quintillion, una società di telecomunicazioni con sede in Alaska. Il cavo raggiunge il fondo marino da Oliktok Point. Per sette giorni, 24 ore al giorno, le vibrazioni del cavo sono state catturate e registrate, aiutando i ricercatori a capire meglio quale attività naturale e causata dall'uomo si svolge all'interno dell'oceano affamato di dati.

Questa è la prima volta che un sistema di interrogazione a rilevamento acustico distribuito è stato utilizzato per acquisire dati sul fondo marino dell'Oceano Artico o Antartico, e il team vede molti vantaggi per un uso futuro.

"Si tratta di una raccolta di dati unica nel suo genere, e per quanto fanno i laboratori nazionali, questo è esattamente il tipo di rischio elevato, ricerca ad alto rendimento che potrebbe fare un'enorme differenza nel modo in cui siamo in grado di monitorare l'Oceano Artico, " ha detto il manager di Sandia Kyle Jones. "Questo è davvero all'avanguardia della sismologia e della geofisica, insieme al cambiamento climatico e ad altre discipline".

Il team si aspetta di registrare segnali climatici come i tempi e la distribuzione della rottura del ghiaccio marino, altezza delle onde oceaniche, spessore del ghiaccio marino, zone di faglia e gravità della tempesta. Spedizione, si possono anche registrare canti di balene e violazioni. Questo nuovo modo di monitoraggio ha il potenziale per catturare in modo persistente un'ampia varietà di fenomeni artici in modo economico e sicuro in modo che gli scienziati possano comprendere meglio gli effetti del cambiamento climatico su questo fragile ambiente, ha detto Abbott.

L'interrogatore sembra una scatola elettronica che può essere collegata al cavo in fibra ottica a terra, e utilizza un laser per inviare migliaia di brevi impulsi di luce lungo il cavo ogni secondo. Una piccola parte di quella luce viene riflessa indietro, o retrodiffusa, lungo il cavo mentre il fondo marino a cui è attaccato si muove a causa della terra, mare ghiacciato, correnti oceaniche e attività animali. La luce retrodiffusa consente all'interrogatore di rilevare, monitorare e tenere traccia degli eventi lungo la fibra, e i dati vengono archiviati su dischi rigidi.

"Il cavo in fibra ottica di Quintillion si trova in una posizione favorevole sul versante nord dell'Alaska, " Abbott ha detto. "Questa tecnologia funziona per questo progetto per diversi motivi. Non stiamo inviando una barca ai monitor dell'impianto; non stiamo vagando sul ghiaccio marino cercando di installare sensori. Questo cavo esisterà per decenni e possiamo prendere buoni dati su di esso. È un modo molto sicuro di eseguire questa misurazione in un ambiente pericoloso".

Finanziato dal programma di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio, questa è stata la prima delle otto settimane di raccolta dati che avverrà nei prossimi due anni durante il progetto. Il team visiterà l'Alaska in ciascuna delle quattro stagioni artiche definite come legate al ghiaccio, senza ghiaccio, congelamento e scongelamento. Un terzo anno sarà dedicato all'ulteriore analisi dei dati.

Abbott ha affermato che i risultati saranno comunicati alla più ampia comunità scientifica e saranno forniti alla comunità dei modelli climatici per l'inclusione negli algoritmi. Inoltre, il team spera che i risultati del progetto mostreranno la necessità di un monitoraggio persistente e distribuito del rilevamento acustico nell'Artico.

"Vorremmo fornire dati a modelli climatici ad alta fedeltà e analisi dei dati grezzi, " ha detto Abbott. "Spero anche di condurre una misurazione diretta dello spessore del ghiaccio marino, che attualmente è difficile. Proprio adesso, hai bisogno di un aereo che sorvola o devi uscire sul ghiaccio. Può essere molto pericoloso e costoso, e puoi farlo solo una o due volte all'anno. Utilizzando un cavo in fibra ottica, il sistema di rilevamento acustico distribuito potrebbe essere disponibile 24 ore su 24, 7 giorni su 7, 365 giorni all'anno e potresti potenzialmente effettuare una misurazione dello spessore del ghiaccio marino una volta al giorno."

Dati incoraggianti acquisiti nelle prime 168 ore

I ricercatori di Sandia stanno appena iniziando ad analizzare le prime 168 ore di dati raccolti a febbraio, e sono incoraggiati da ciò che vedono, ha detto Abbott.

"Vediamo cose che sono indicative di terremoti di ghiaccio. Vediamo eventi fino a 33 chilometri nell'oceano dove non dovrebbe esserci attività antropica, " Egli ha detto, riferendosi alle prime due ore di dati che aveva guardato. "Stiamo certamente assistendo a un evento naturale di qualche tipo. Potrebbe essere un terremoto di ghiaccio, oppure potrebbe essere un evento microsismico nel terreno come un terremoto. Non siamo ancora sicuri".

Più vicino alla riva, Abbott ha affermato che il team molto probabilmente ha registrato pozzi di produzione e reiniezione che riciclano le acque reflue e le frequenze che sono indicative delle maree e delle correnti oceaniche. Un risultato sorprendente è stato il sistema che rileva le frequenze di un hovercraft a bassa quota.

L'interrogatore può registrare eventi a una densità spaziale da tre a quattro ordini di grandezza maggiore rispetto alle tradizionali installazioni di idrofoni o sismometri del fondo dell'oceano, ha detto Abbott.

"In questa prima raccolta di dati, non ci aspettavamo di vedere molte correnti e terremoti di ghiaccio perché c'era una copertura di ghiaccio stabile su tutta l'area, eppure vediamo alcune di quelle cose, che è emozionante, " ha detto Abbott.

Abbott ha detto che non vede l'ora di acquisire dati su balene e foche durante la stagione migratoria. L'Artico è la patria di balene e balene beluga, ognuno con canzoni individuali. Il sistema dovrebbe essere in grado di registrare queste canzoni nello stesso modo in cui registra i terremoti perché le vibrazioni nell'oceano vengono trasmesse alla terra, che viene poi trasmesso al cavo. Con le balene, un pattern caratteristico si sviluppa man mano che la canzone cambia tonalità.

"Si chiama volo a vela, dove nel tempo, le frequenze iniziano basse e vanno alte e poi scendono, " ha detto Abbott. "Frequenze del genere sono caratteristiche delle fonti biologiche e sono facilmente discriminabili da altre fonti, come i terremoti. Le balene spesso cantano per oltre 30 minuti con note ripetute individuali che durano pochi secondi e che scivolano su e giù".

Il meteo del North Slope ha aggiunto intensità alla prima settimana critica dell'esperimento

Il clima previsto ma feroce del North Slope è stato una sfida. A febbraio, la zona è buia per circa 18 ore al giorno e poiché la maggior parte delle volte nevica e le strade non sono ben segnalate, tutto continua a sembrare nuovo, ha detto Abbott. La squadra stava anche facendo i conti con il freddo pungente, e mentre si preparavano, le temperature erano di circa 10 gradi più fredde del previsto, a un certo punto scendendo a meno 45 Fahrenheit (meno 77 incluso il vento freddo). Anche le persone che ci lavorano per vivere chiudono tutte le attività all'aperto, ha detto Abbott.

"L'Artico americano è formidabile, 30 gradi sotto zero sono un evento comune nei mesi invernali, " ha detto Michael McHale, Chief Revenue Officer di Quintilion. "Gran parte della regione è costituita da tundra ed è difficile da attraversare con il tempo migliore. Lavorare qui richiede un'esperienza significativa e una competenza acquisita con fatica. Le implicazioni ingegneristiche sono enormi. La maggior parte delle reti e delle stazioni di terra satellitari non operano nelle regioni in cui devono essere in grado di tollerare 70 gradi sotto zero."

A causa delle dure condizioni, Il cavo in fibra ottica di Quintilion è a doppia armatura con guaina in rame e acciaio per proteggerlo dal taglio, danni da schiacciamento o abrasione, ha detto McHale.

"Tutti i componenti di rete dell'azienda, compreso il cablaggio, sono progettati per resistere all'estremo ambiente artico e proteggere dalle interruzioni della rete, " ha aggiunto. "Le porzioni sottomarine del cavo sono principalmente sepolte sotto il fondo del mare".

I nervi sono durati per tutta la settimana poiché la raccolta dei dati di successo era incerta

Il giorno dopo l'arrivo della squadra, i ricercatori si sono incontrati presso la struttura di atterraggio dei cavi di Quintillion, dove è stato installato il sistema di rilevamento acustico distribuito con l'aiuto dell'azienda. Un membro del team di Silixa, la società Sandia ha acquistato il sistema di rilevamento acustico distribuito da, era anche lì per aiutare.

I ricercatori di Sandia sono stati in grado di utilizzare circa 30 miglia di cablaggio in fibra ottica sottomarino, McHale ha detto, e l'installazione è andata a buon fine. Ha aggiunto che il progetto è stata finora una grande esperienza.

"L'opportunità di lavorare con alcuni dei geofisici e dei data scientist più esperti del paese è entusiasmante e un onore, " ha detto. "Sostenere il lavoro della comunità scientifica è stato a lungo un obiettivo di Quintillion. Raggiungere questo obiettivo con un cliente molto apprezzato come Sandia Labs ha superato le nostre aspettative."

Durante i primi giorni della raccolta iniziale, c'era nervosismo previsto tra la squadra perché questo era qualcosa che non era stato fatto prima. Mentre Abbott ha utilizzato cavi in ​​fibra ottica per registrare esplosioni per Sandia, non li aveva usati su un fondale marino né per qualcosa di così grande.

L'interrogatore raccoglie 2 gigabyte di informazioni al minuto, e poiché sta arrivando così velocemente, è difficile sapere se i dati sono buoni, ha detto Abbott. Dopo tre o quattro giorni, il team aveva indicazioni che il sistema funzionava bene, e ci volle l'intera settimana prima che si sentissero sicuri dell'esperimento.

"Quello di cui sono entusiasta è che vediamo molti fenomeni interessanti in questa raccolta di dati, che sarà probabilmente il set di dati più silenzioso con il minor numero di terremoti di ghiaccio o azione delle onde, " Ha detto Abbott. "Una volta che iniziamo a vedere il ghiaccio rompersi e gli iceberg che si schiantano l'uno contro l'altro in altre stagioni quando non c'è affatto ghiaccio lassù, vedremo meglio le cose come le maree, correnti e tempeste».