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深海的廣闊和在極端環(huán)境下工作的技術(shù)挑戰(zhàn)使這些深度難以進(jìn)入和研究?？茖W(xué)家對(duì)月球表面的了解比對(duì)深海海底的了解還要多。MBARI正在利用機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步來解決這一差距。自主機(jī)器人漫游車Benthic Rover II已經(jīng)為深海海底的生命提供了新的見解，即在海洋表面下4000米的地方。
周三發(fā)表在《科學(xué)機(jī)器人》上的一項(xiàng)研究詳細(xì)介紹了這個(gè)漫游車的開發(fā)和經(jīng)過驗(yàn)證的長(zhǎng)期運(yùn)行。這個(gè)創(chuàng)新的移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步揭示了深海在碳循環(huán)中的作用。這個(gè)漫游車收集的數(shù)據(jù)對(duì)于理解氣候變化對(duì)海洋的影響具有根本意義。
“這個(gè)深海漫游車的成功現(xiàn)在允許對(duì)水柱和海底之間的耦合進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。”MBARI高級(jí)科學(xué)家Ken Smith說：“了解這些相互關(guān)聯(lián)的過程對(duì)于預(yù)測(cè)我們這個(gè)被變化的氣候所吞噬的星球的健康和生產(chǎn)力至關(guān)重要。”
盡管深海海底遠(yuǎn)離陽光下的淺灘，但它與上面的水域相連，對(duì)碳循環(huán)和封存至關(guān)重要。一些有機(jī)物--包括死去的植物和動(dòng)物、粘液和排泄物--通過水柱緩慢地下沉到海底。淤泥上和淤泥中的動(dòng)物和微生物群落消化了其中的一些碳，而其余的則可能被鎖在深海沉積物中長(zhǎng)達(dá)數(shù)千年之久。
深海在地球的碳循環(huán)和氣候中發(fā)揮著重要作用，然而我們對(duì)發(fā)生在地表以下數(shù)千米的過程仍然知之甚少。工程上的障礙，如極端的壓力和海水的腐蝕性，使研究人員很難將設(shè)備送到深海海底去研究和監(jiān)測(cè)碳的退潮。
在過去，Smith和其他科學(xué)家依靠固定的儀器來研究深海海底群落的碳消耗。他們每次只能部署這些儀器數(shù)天。通過建立在25年的工程創(chuàng)新上，MBARI已經(jīng)開發(fā)了一個(gè)監(jiān)測(cè)深海海底的長(zhǎng)期解決方案。
“深海中的激動(dòng)人心的事件通常發(fā)生得既短暫又無法預(yù)測(cè)，這就是用Benthic Rover II進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)是如此關(guān)鍵的原因，”電氣工程組負(fù)責(zé)人Alana Sherman解釋說。“如果你不是一直在觀察，你很可能會(huì)錯(cuò)過主要的行動(dòng)。”
Benthic Rover II是由Smith和Sherman領(lǐng)導(dǎo)的MBARI工程師和科學(xué)家合作團(tuán)隊(duì)努力工作的結(jié)果。
MBARI的工程師們?cè)O(shè)計(jì)了Benthic Rover II，以處理深海的寒冷、腐蝕和高壓條件。該漫游車由抗腐蝕的鈦、塑料和抗壓的合成泡沫構(gòu)成，可以承受高達(dá)6000米深的部署。
MBARI電氣工程師Paul McGill解釋說：“除了在這些極端條件下操作的物理挑戰(zhàn)外，我們還必須設(shè)計(jì)一個(gè)足夠可靠的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和軟件，以運(yùn)行一年而不崩潰--沒有人在那里按復(fù)位按鈕。電子系統(tǒng)還必須消耗很少的電力，以便我們可以攜帶足夠的電池來維持一年。盡管它所做的一切，漫游車平均只消耗兩瓦特--大約相當(dāng)于一部iPhone。”
Benthic Rover II的大小與一輛小汽車差不多，長(zhǎng)2.6米，寬1.7米，高1.5米。研究人員從MBARI的船只--R/V Western Flyer--上部署B(yǎng)enthic Rover II。船上的工作人員小心翼翼地把漫游車放進(jìn)水里，然后釋放它，讓它自由落體到洋底。漫游車需要大約兩個(gè)小時(shí)才能到達(dá)底部。一旦它降落在海底，漫游車就可以開始它的任務(wù)。
首先，傳感器檢查沿著海底流動(dòng)的水流。當(dāng)它們檢測(cè)到有利的水流時(shí)，漫游車就會(huì)向上或越過水流，到達(dá)一個(gè)不受干擾的地方，開始收集數(shù)據(jù)。
漫游車前面的相機(jī)拍攝海底，并測(cè)量熒光。這種葉綠素在藍(lán)光下的獨(dú)特光芒揭示了有多少“新鮮”的浮游植物和其他植物碎片落在了海底。傳感器記錄了剛剛超過底部的水域的溫度和氧氣濃度。
接下來，漫游車放下兩個(gè)透明的呼吸儀室，測(cè)量泥土中生命群落48小時(shí)的氧氣消耗。當(dāng)動(dòng)物和微生物消化有機(jī)物時(shí)，它們以特定的比例使用氧氣和釋放二氧化碳。知道這些動(dòng)物和微生物使用多少氧氣對(duì)于理解碳的再礦化至關(guān)重要--將有機(jī)物分解成更簡(jiǎn)單的成分，包括二氧化碳。
48小時(shí)后，漫游車收回呼吸儀室，向前移動(dòng)10米(32英尺)，小心翼翼地不要越過之前的路徑，并選擇另一個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行采樣。在部署期間(通常是一整年)，它不斷地重復(fù)這種采樣模式。
在每次部署結(jié)束時(shí)， R/V Western Flyer考察船返回，回收漫游器，下載其數(shù)據(jù)，更換其電池，并將其送回深海海底，再過一年。在每一年的部署中，MBARI團(tuán)隊(duì)從岸上發(fā)射另一個(gè)自主機(jī)器人--Wave Glider，每季度返回一次，檢查Benthic Rover II的進(jìn)展。McGill解釋說：“漫游車不能直接與我們溝通，告訴我們它的位置或狀況，所以我們派一個(gè)機(jī)器人來尋找我們的機(jī)器人。Wave Glider上的聲學(xué)發(fā)射器與Benthic Rover II進(jìn)行通信。然后，漫游器將狀態(tài)更新和樣本數(shù)據(jù)發(fā)送到頭頂?shù)腤ave Glider。然后，Wave Glider通過衛(wèi)星將這些信息傳送給岸上的研究人員。”
MBARI高級(jí)研究專家Crissy Huffard說：“來自Benthic Rover II的數(shù)據(jù)幫助我們量化了何時(shí)、多少以及哪些碳源可能被封存或儲(chǔ)存在深海海底。”
在過去的七年里，Benthic Rover II一直在M站持續(xù)工作，該站是MBARI的一個(gè)研究點(diǎn)，位于加州中部海岸225公里外。M站位于海洋表面以下4000米(13,100英尺)，與海洋的平均深度一樣深，使其成為研究深海生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)良好的模型系統(tǒng)。
在過去的32年里，Smith和他的團(tuán)隊(duì)在M站建造了一個(gè)獨(dú)特的水下觀測(cè)站。Benthic Rover II和一套其他儀器在那里每天24小時(shí)、每周7天運(yùn)行，整整一年都沒有維修。
Sherman說：“該漫游車在七年中性能可靠，99%的時(shí)間是在海底度過的，這是多年來測(cè)試、排除故障和開發(fā)維護(hù)該車輛的最佳技術(shù)的結(jié)果。這是一個(gè)很好的例子，說明當(dāng)把技術(shù)應(yīng)用于科學(xué)中的挑戰(zhàn)性問題時(shí)，什么是可能的。”
在M站收集的數(shù)據(jù)表明，深海遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是靜止的。物理、化學(xué)和生物條件可以在幾小時(shí)到幾十年的時(shí)間范圍內(nèi)發(fā)生巨大的變化。
在春季和夏季，M站上方的加州海流表層水域充斥著浮游植物。這些季節(jié)性的生產(chǎn)力脈沖從水體到海底層層遞增。這些下沉的有機(jī)物大部分被稱為“海洋雪”，起源于大氣中的二氧化碳。
在過去的十年中，MBARI的研究人員已經(jīng)觀察到，在M站落入海底的大型“海洋雪”脈沖急劇增加。這些偶發(fā)事件占該站點(diǎn)每年食物供應(yīng)的比例越來越大。在M站運(yùn)行的七年中，Benthic Rover II記錄了重要的每周、季節(jié)性、年度和偶發(fā)事件--所有這些都提供了數(shù)據(jù)，幫助MBARI研究人員了解深海碳循環(huán)。
在2015年11月至2020年11月期間，Benthic Rover II記錄到從頭頂水域降落到深海海底的死亡浮游植物和其他富含植物的碎片(phytodetritus)的雨水大幅增加。就在深海海底上方的水域中，溶解氧的濃度下降伴隨著這種有機(jī)物的暴雨。
傳統(tǒng)的短期監(jiān)測(cè)工具不會(huì)檢測(cè)到推動(dòng)長(zhǎng)期變化和趨勢(shì)的波動(dòng)。Benthic Rover II揭示了一個(gè)更完整的關(guān)于碳如何從表面移動(dòng)到海底的畫面。
Huffard強(qiáng)調(diào)說：“Benthic Rover II已經(jīng)提醒我們注意到全球模型所遺漏的深海中重要的短期和長(zhǎng)期變化。”
Benthic Rover II的成功和MBARI正在M站進(jìn)行的工作強(qiáng)調(diào)了持久的平臺(tái)和長(zhǎng)期的觀察可以進(jìn)一步促進(jìn)我們對(duì)地球上大的生存空間的了解。隨著越來越多的公司希望從深海海底開采礦產(chǎn)資源，這些數(shù)據(jù)也為正在考慮進(jìn)行工業(yè)開發(fā)或深海采礦的地區(qū)的基準(zhǔn)條件提供了寶貴的見解。
海洋也是地球碳循環(huán)和氣候的一個(gè)重要組成部分。燃燒化石燃料、飼養(yǎng)牲畜和砍伐森林每年向我們的大氣層釋放數(shù)十億噸的二氧化碳。海洋吸收了超過25%的過量二氧化碳，使我們免受最嚴(yán)重的影響。面對(duì)不斷變化的氣候，了解碳如何在海洋的陽光下的表面和黑暗的深處流動(dòng)，比以往任何時(shí)候都更重要。
(原標(biāo)題：自主機(jī)器人漫游車為了解深海海底的生命提供了新視角)
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