C'è molta attività sotto il vasto, solitarie distese di ghiaccio e neve nell'Artico. Il cambiamento climatico ha drasticamente alterato lo strato di ghiaccio che copre gran parte dell'Oceano Artico. Aree d'acqua che un tempo erano coperte da una banchisa solida sono ora ricoperte da strati sottili profondi solo 3 piedi. Sotto il ghiaccio, uno strato d'acqua calda, parte della lente Beaufort, ha cambiato la composizione dell'ambiente acquatico.

Affinché gli scienziati comprendano il ruolo che questo ambiente mutevole nell'Oceano Artico gioca nel cambiamento climatico globale, c'è bisogno di mappare l'oceano sotto la coltre di ghiaccio.

Un team di ingegneri e ufficiali navali del MIT guidati da Henrik Schmidt, professore di ingegneria meccanica e oceanica, sta cercando di capire i cambiamenti ambientali, il loro impatto sulla trasmissione acustica sotto la superficie, e come questi cambiamenti influenzano la navigazione e la comunicazione per i veicoli che viaggiano sotto il ghiaccio.

"Fondamentalmente, quello che vogliamo capire è come questo nuovo ambiente artico causato dal cambiamento climatico globale influenzi l'uso del suono subacqueo per la comunicazione, navigazione, e percependo?" spiega Schmidt.

Per rispondere a questa domanda, Schmidt si è recato nell'Artico con i membri del Laboratorio per i sistemi di rilevamento marino autonomi (LAMSS) tra cui Daniel Goodwin e Bradli Howard, studenti laureati nel programma congiunto MIT-Woods Hole Oceanographic Institution in ingegneria oceanografica.

Con il finanziamento dell'Ufficio di ricerca navale, il team ha partecipato a ICEX—o Ice Exercise—2020, un programma di tre settimane ospitato dalla Marina degli Stati Uniti, dove il personale militare, scienziati, e gli ingegneri lavorano fianco a fianco eseguendo una varietà di progetti di ricerca e missioni.

Una via d'acqua strategica

L'ambiente in rapida evoluzione nell'Artico ha impatti di vasta portata. Oltre a fornire ai ricercatori maggiori informazioni sull'impatto del riscaldamento globale e sugli effetti che ha sui mammiferi marini, il diradamento del ghiaccio potrebbe potenzialmente aprire nuove rotte marittime e rotte commerciali in aree che prima non erano attraversabili.

Forse la cosa più cruciale per la Marina degli Stati Uniti, comprendere l'ambiente alterato ha anche un'importanza geopolitica.

"Se l'ambiente artico sta cambiando e non lo capiamo, che potrebbe avere implicazioni in termini di sicurezza nazionale, "dice Goodwin.

Diversi anni fa, Schmidt e il suo collega Arthur Baggeroer, professore di ingegneria meccanica e oceanica, furono tra i primi a riconoscere che le acque più calde, parte della lente Beaufort, insieme alla mutevole composizione del ghiaccio, influenzato il modo in cui il suono viaggiava nell'acqua.

Per navigare con successo in tutto l'Artico, la Marina degli Stati Uniti e altre entità nella regione devono capire come questi cambiamenti nella propagazione del suono influenzino la capacità di un veicolo di comunicare e navigare attraverso l'acqua.

Utilizzando un non pilotato, veicolo subacqueo autonomo (AUV) costruito da General Dynamics-Mission Systems (GD-MS), e un sistema di sensori montati su boe sviluppato dalla Woods Hole Oceanographic Institution, Schmidt e il suo team, insieme a Dan McDonald e Josiah DeLange di GD-MS, si proponeva di dimostrare un nuovo concetto integrato di comunicazione acustica e navigazione.

Il quadro, che è stato anche supportato e sviluppato dai membri LAMSS Supun Randeni, Ee Shan Bhatt, Rui Chen, e Oscar Viquez, così come l'alunno LAMSS Toby Schneider di GobySoft LLC, consentirebbe ai veicoli di viaggiare attraverso l'acqua con una precisione a livello di GPS utilizzando sensori oceanografici per la raccolta dei dati.

"Per dimostrare che puoi usare questo concetto di navigazione nell'Artico, dobbiamo prima assicurarci di comprendere appieno l'ambiente in cui operiamo, "aggiunge Goodwin.

Comprendere l'ambiente sottostante

Dopo essere arrivato al campo di ghiaccio dell'Arctic Submarine Lab la scorsa primavera, il team di ricerca ha utilizzato una serie di sonde conducibilità-temperatura-profondità per raccogliere dati sull'ambiente acquatico nell'Artico.

"Utilizzando la temperatura e la salinità in funzione della profondità, calcoliamo il profilo di velocità del suono. Questo ci aiuta a capire se la posizione dell'AUV è buona per la comunicazione o cattiva, "dice Howard, che era responsabile del monitoraggio dei cambiamenti ambientali nella colonna d'acqua in tutto l'ICEX.

A causa del modo in cui il suono si piega nell'acqua, attraverso un concetto noto come legge di Snell, onde di pressione sinusoidali si raccolgono in alcune parti della colonna d'acqua e si disperdono in altre. Comprendere le traiettorie di propagazione è la chiave per prevedere le posizioni buone e cattive per il funzionamento dell'AUV.

Per mappare le aree dell'acqua con proprietà acustiche ottimali, Howard ha modificato il tradizionale rapporto segnale-rumore (SNR) utilizzando una metrica nota come penalità multi-percorso (MPP), che penalizza le aree dove l'AUV riceve echi dei messaggi. Di conseguenza, il veicolo dà la priorità alle operazioni in aree con meno riverbero.

Questi dati hanno permesso al team di identificare esattamente dove posizionare il veicolo nella colonna d'acqua per comunicazioni ottimali che si traducano in una navigazione accurata.

Mentre Howard raccoglieva dati su come le caratteristiche dell'acqua influissero sull'acustica, Goodwin si è concentrato su come il suono viene proiettato e riflesso dal ghiaccio in continua evoluzione sulla superficie.

Per ottenere questi dati, l'AUV era dotato di un dispositivo che misurava il movimento del veicolo rispetto al ghiaccio soprastante. Quel suono è stato captato da diversi ricevitori attaccati agli ormeggi appesi al ghiaccio.

I dati del veicolo e dei ricevitori sono stati quindi utilizzati dai ricercatori per calcolare esattamente dove si trovava il veicolo in un dato momento. Queste informazioni sulla posizione, insieme ai dati raccolti da Howard sull'ambiente acustico in acqua, offrire un nuovo concetto di navigazione per i veicoli che viaggiano nel Mare Artico.

Proteggere l'Artico

Dopo una serie di battute d'arresto e sfide dovute alle condizioni implacabili nell'Artico, il team è stato in grado di dimostrare con successo che il loro concetto di navigazione ha funzionato. Grazie agli sforzi della squadra, le operazioni navali e le future navi commerciali potrebbero essere in grado di sfruttare le mutevoli condizioni nell'Artico per massimizzare l'accuratezza della navigazione e migliorare le comunicazioni sottomarine.

"Il nostro lavoro potrebbe migliorare la capacità della Marina degli Stati Uniti di far funzionare in modo sicuro ed efficace i sottomarini sotto il ghiaccio per lunghi periodi, " dice Howard.

Howard riconosce che oltre ai cambiamenti del clima fisico, il clima geopolitico continua a cambiare. Ciò non fa che rafforzare la necessità di una migliore navigazione nell'Artico.

"L'obiettivo della Marina degli Stati Uniti è preservare la pace e proteggere il commercio globale garantendo la libertà di navigazione in tutti gli oceani del mondo, " aggiunge. "Il concetto di navigazione che abbiamo dimostrato durante ICEX servirà ad aiutare la Marina in quella missione".

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.