Морская наука: ребенок в океанографии на миллиарды долларов

1. Телеком спин-офф
2. Снимок науки
3. Охват океана

Александра Витце

Корабль ROPOS с дистанционным управлением опускается в море краном на борту R / V Thomas G. Thompson .

Солнечным июльским днем ​​на автомобиле R / V Thomas G. Thompson требуется 90 минут, чтобы пересечь шлюзы, соединяющие внутренние воды Сиэтла с Пьюджет-Саунд. На палубе Джон Делани нетерпеливо смотрит в море. Будучи океанографом в Вашингтонском университете в Сиэтле, он много раз совершал эту поездку, чтобы исследовать волны Тихого океана. Но Делани надеется, что эта семинедельная экспедиция станет началом конца этих трудоемких путешествий. «Мы не хотим быть на корабле», - вздыхает он. Вместо этого он тратит деньги - много денег - чтобы открыть постоянное окно на морское дно.

Делани является архитектором сети 925-километрового оптоволоконного кабеля и приборов, устанавливаемых на морском дне у побережья Вашингтона и Орегона. Если все пойдет по плану, они будут передавать данные в реальном времени обратно на берег к 2015 году, предоставляя некоторые из первых видеоматериалов в реальном времени о извержении подводного вулкана, росте гидротермальных жерл и скоплениях микробов, поднимающихся со дна моря. Кабельная сеть является ключевой частью масштабной Инициативы по океанским обсерваториям США (OOI), которая направлена ​​на создание потока непрерывной информации из отдельных мест.

Океанографы долго полагались на краткие проблески данных из отдельных исследовательских круизов или отдельных буев или причалов. OOI и Делани стремятся обменять эти проблески прозрения на постоянное внимание. «Цель состоит в том, чтобы начать эпоху научных открытий», - говорит Делани, стуча кулаком по палубе корабля. «Это изменит правила игры».

ALLISON FUNDIS; Университет ВАШИНГТОН

Многие американские океанографы еще не подумали, как широкие возможности и потенциал OOI могут повлиять на их исследования. Но некоторые, кто внимательно следил за его развитием, предупреждают, что этот проект - дорогая игра. Затраты на строительство составят 386 миллионов долларов США, а затем программа будет расходовать около 55 миллионов долларов США в год на эксплуатацию и техническое обслуживание. К концу запланированного 25-летнего срока эксплуатации OOI будет стоить почти 1,8 миллиарда долларов - беспрецедентный ценник в океанографии.

Эксплуатационные расходы будут поглощать около одной шестой годового бюджета наук об океане в Национальном научном фонде США (NSF), и эта пропорция может увеличиться. «Эти деньги берутся прямо из того, что могло бы быть выделено на рецензируемую науку», - говорит Чарльз Эриксен, океанограф из Вашингтонского университета, который не связан с проектом. Критики также жалуются на то, что сайты OOI покрывают лишь небольшую часть мирового океана.

Такие возражения держат мало воды с Делани. «Люди говорят, что кабели дорогие, - говорит он. «Ну, корабли тоже дороги». Полтора часа, которые требуются для пересечения замков Сиэтла, обходятся Вашингтонскому университету примерно в 4000 долларов.

Телеком спин-офф

OOI возникла из зародыша идеи, заложенной Делани и Аланом Чейвом, ученым-океанологом, который сейчас работает в Океанографическом институте Вудс-Хоул (WHOI) в штате Массачусетс. Это было в начале 1990-х, и Делани был разочарован тем, что у него было достаточно времени, чтобы отправиться на морское дно на день или два каждые пару лет. Чейв работал в американском телекоммуникационном гиганте AT & T, и он предложил подключить кусок старого телефонного кабеля к приборам на морском дне. Волоконно-оптический кабель будет обеспечивать электричество и передавать данные обратно на берег. «Это трансформация», - подумал Делани.

Идея создания постоянной океанографической обсерватории медленно набирала обороты в NSF, и к 2007 году агентство решило инвестировать около 330 миллионов долларов в эту концепцию. Проблема заключалась в том, чтобы решить, что именно строить. Чтобы считаться национальным сооружением и обосновать стоимость, обсерватории необходимо было расширить кабели морского дна, чтобы включить в нее приборы, которые могли бы прокладывать всю глубину толщи воды. Сторонники OOI первоначально придумали обсерваторию на стероидах: множество кабельных массивов наряду с более чем дюжиной прибрежных и глубоководных участков. Не удивительно, что окончательный дизайн проекта урезан в большинстве областей. «Вы должны построить то, что можете себе позволить», - говорит Дебора Келли, морской геолог из Вашингтонского университета и ученый проекта OOI.

После участия сотен исследователей, команда проекта остановилась на трех основных компонентах (см. «Мега-океанская обсерватория» ). Первая и самая амбициозная - это волоконно-оптическая сеть к юго-западу от Сиэтла, большая часть которой уже проложена. Это соединит десятки инструментов морского дна через тектоническую плиту Хуан-де-Фука, которая скользит под Северной Америкой и стимулирует сейсмическую активность вдоль западного побережья от северной Калифорнии до острова Ванкувер в Канаде. Инструменты будут сосредоточены на действующем подводном вулкане, называемом Аксиальной подводной горой, и пласте под названием Гидратный хребет, где метан, выходящий из морского дна, питает уникальную экосистему.

Второй компонент включает в себя создание множества причалов для поддержки контрольно-измерительных приборов у восточного и западного побережья Соединенных Штатов. В каждом массиве автоматизированные профилировщики будут перемещать вверх и вниз кабели, измеряющие хлорофилл, кислород и другие факторы, от морского дна до поверхности. Шесть планеров будут путешествовать между причалами, чтобы сделать аналогичные измерения. Третья часть проекта будет использовать причалы и планеры для мониторинга четырех глубоководных участков на крайнем севере и юге. Эти шесть сайтов будут находиться в ведении WHOI, Института океанографии им. Скриппса в Ла-Холье, Калифорния, и Университета штата Орегон в Корваллисе.

Вместе эти станции будут собирать силы около 760 датчиков, 47 различных конструкций, для сбора данных о переменных в диапазоне от температуры воды, солености и плотности до кислотности, уровней углекислого газа и кислорода. «Одна из самых трансформационных вещей - насколько это будет междисциплинарно», - говорит Келли.

В других местах аналогичные амбициозные океанографические обсерватории уже используются. В Японии есть две плотные обсерватории морского дна - DONET и DONET2 - с упором на исследования землетрясений и цунами. И многие страны эксплуатируют сети буев: международный проект Argo насчитывает более 3000 поплавков. OOI будет собирать более широкий выбор данных, чем эти усилия. В Канаде двоюродный брат OOI работает с конца 2009 года. Этот проект, называемый NEPTUNE Canada, включает в себя 800 километров волоконно-оптического кабеля, проложенного в северной части плиты Хуан-де-Фука. Канадское правительство потратило 200 миллионов канадских долларов (194 миллиона долларов США) на обсерватории морского дна. Кабельная обсерватория OOI будет очень похожа, но, поскольку она будет запущена позднее, она будет иметь более новые конструкции датчиков и причалов, говорит Кейт Моран, президент Ocean Networks Canada, которая курирует NEPTUNE Canada.

Именно об этих датчиках мечтает Делани, когда в июле R / V Thompson достигает осевого вулкана. Когда капитан останавливает корабль над подводной горой, инженеры маневрируют в воду квадратно-желтым погружным аппаратом под названием ROPOS. С 1500 метров ниже поверхности океана, он посылает обратно мутную видеопоток о восьмиметровой минеральной трубе, ее стороны украшены микробами, его верхняя часть извергается мерцающей горячей водой.

Снимок науки

Такое посещение Аксиала стоит почти 70 000 долларов в день и дает лишь краткий обзор поведения вулкана. Океанографы в прошлом сбрасывали сейсмометры и гидрофоны в Аксиале, а затем извлекали их, позволяя им изучать извержение после свершившегося факта. А в 2011 году экспедиция, возглавляемая Национальным управлением США по океану и атмосфере, прибыла через несколько месяцев после извержения вулкана, предоставив ученым удачную возможность изучить потоки свежей лавы. Но наблюдения подводных извержений редки, хотя это самый распространенный тип вулканизма на Земле.

Ожидается, что Axial снова вспыхнет в течение десятилетия, и исследователи OOI планируют поймать его в действии. Датчик наклона нижнего давления будет измерять постепенные изменения, которые могут указывать на то, что вулкан раздувается, а ультрасовременный масс-спектрометр будет нюхать воду для намеков на магмы, поднимающиеся снизу. Когда извержение кажется неизбежным, флот планеров может быть развернут для изучения химических веществ в толще воды. Видеокамера высокого разрешения, установленная этим летом, будет наблюдать за гидротермальным вентиляционным отверстием по бокам Axial. Все это должно дать подробную информацию о том, как магма достигает вершины вулкана, как это связано с сейсмической активностью и как организмы, живущие в этой экстремальной среде, справляются с извержением. «Есть так много вопросов, на которые у нас нет ответов», - говорит Келли.

Делани говорит, что кабельная обсерватория стоимостью 126 миллионов долларов является единственным способом шпионить за Аксиалом. По словам Тима Коулза, директора программы Консорциума по лидерству в океане, организации в Вашингтоне, которая контролирует OOI, инвестиции OOI в другие части океана также позволят собрать данные, которые невозможно получить с помощью существующего оборудования.

Например, четыре высокоширотных глубоководных причала помогут изучить обмен между воздухом и водой, когда мощные ветры превращают морскую поверхность в пену. Синоптики и моделисты климата нуждаются в лучшей информации о том, как энергия и газ перемещаются между глубоким океаном, морской поверхностью и атмосферой. Но поскольку океанографическое оборудование имеет тенденцию терпеть поражения в условиях жесткой погоды, измерения в высоких широтах очень малы. В июле команда во главе с Уве Сендом из Scripps развернула 57 приборов на площадке в заливе Аляска, что сделало ее первой глубоководной площадкой OOI, которая будет завершена.

Между тем прибрежные массивы должны быть полезны для изучения цветения водорослей. Постепенные изменения в приповерхностных температурах могут существенно повлиять на то, как весной цветет фитопланктон, но поймать такие изменения в акте сложно, говорит Кендра Дейли, биологический океанограф и исследователь проекта OOI в университете Южной Флориды в Санкт-Петербурге. «У нас нет возможности точно предсказать, когда это произойдет, поэтому трудно найти время на корабле, чтобы быть там, когда начинается и заканчивается цветение», - говорит она. Измерение концентраций питательных веществ и первичной продуктивности на месте позволит исследователям лучше определить, сколько диоксида углерода поглощается цветками, что имеет значение для понимания того, как биологические системы взаимодействуют с климатом, говорит Дейли.

Чтобы даже приступить к решению этих научных вопросов, команде OOI нужно будет вывести свои инструменты в воду до истечения крайнего срока, установленного на февраль 2015 года. После этого деньги, доступные для завершения работы, иссякнут. «Все, что должно произойти за последние шесть месяцев проекта, заставляет всех нас нервничать», - говорит Коулз. График проекта был безумным с 2009 года, когда OOI получила первоначальный вклад в размере почти 106 миллионов долларов из правительственного законопроекта о стимулировании экономики, принятого после экономического спада. Это вливание средств можно только приветствовать, но это заставило команду бороться за все. «Это выкинуло нас из ворот раньше срока, и с тех пор мы пытаемся наверстать упущенное», - говорит Коулз.

По крайней мере, одно препятствие стоит на пути своевременного завершения. На данный момент команда во главе с Вашингтонским университетом не может подключить развернутые инструменты к магистральным кабелям электропитания и передачи данных, ведущим к берегу. NSF требует, чтобы компания, которая произвела кабели, L-3 MariPro из Голета, штат Калифорния, перед их передачей удостоверилась, что они находятся в надлежащем рабочем состоянии, а L-3 MariPro отстает. Команде Делани пришлось сократить полевой сезон этим летом и оплатить некоторые дни кораблей на 2014 год, намереваясь подключить инструменты.

И есть другие, более серьезные проблемы. Одним из них является огромная стоимость обслуживания. Предполагается, что объекты OOI будут обслуживаться каждые один, три или пять лет - в зависимости от оборудования - что приведет к значительному счету за время доставки. И непредвиденные глюки обязательно бьют. НЕПТУН Канада столкнулась с серьезными техническими проблемами, включая выход из строя сегментов кабеля и приборов длиной в километры, которые прекратили работу после всего года на морском дне.

Обеспечение качества данных также является проблемой. «Это большое беспокойство, на мой взгляд, - говорит Дуглас Лютер, океанограф из Гавайского университета в Маноа и ученый проекта OOI. Команда OOI по киберинфраструктуре разрабатывает автоматизированные алгоритмы для выявления любых очевидных проблем - таких как датчики, которые регистрируют температуры на сотни градусов выше, чем у соседних устройств - но в настоящее время нет денег для финансирования большой команды по контролю качества.

Другой вопрос, насколько спрос будет на данные. Не каждый сможет отказаться от экскурсий в пользу использования инструментов ООИ. Микробный океанограф Джули Хубер из Морской биологической лаборатории в Вудс-Хоул изучает микробы, живущие на Аксиальном вулкане и в нем. Кабельная сеть OOI не очень ей полезна - пока нет никакого инструмента, который она могла бы подключить для своего микробного мониторинга. «Это не заменяет мне необходимость идти туда», - говорит она.

Охват океана

Лидеры OOI могли последовать примеру своих северных коллег. Канадские подводные кабельные сети, эксплуатация которых обходится в 16 миллионов долларов в год, имеют около 8000 активных пользователей данных в год, что соответствует уровню, который хотели видеть их спонсоры. Во многом это связано с тем, что в Ocean Networks Canada работают шесть штатных ученых, чтобы предложить исследователям и преподавателям предлагаемые способы использования данных. «Пользователи просто не приходят - над этим надо работать», - говорит Моран. До сих пор у OOI нет официального плана работы с населением.

Существуют также опасения, что руководители программ NSF будут испытывать давление с целью финансирования проектов, использующих данные OOI, с целью подтверждения их стоимости. «В основном мы будем платить много денег, пытаясь сделать это оборудование успешным», - говорит Расс Дэвис, океанограф, ушедший в отставку из Scripps, который помог разработать ключевые поплавки для массива Argo. «Если это не очень хорошо, это будет плохо выглядеть для ННФ и плохо для науки».

Для Делани потенциал OOI перевешивает такие опасения. Когда Томпсон пробирается через Тихий океан, оставляя подводный вулкан позади, он размышляет о взаимосвязанности океанов. «Один корабль может находиться только в одном месте одновременно», - говорит он. «Мы должны присутствовать в нескольких местах в несколько раз».

Эта вездесущая способность - вот что такое OOI. И если это стоит больших денег, Делани хочет, чтобы исследовательское сообщество держало суммы, связанные с перспективой: для сравнения, НАСА тратит миллиарды в год. «Наши инвестиции в океан намного ниже наших инвестиций в космос», - говорит он. «Но отдача намного больше».

Похожие