科學(xué)家準(zhǔn)備從研究船的后甲板部署正在進(jìn)行中的CTD。圖片提供：Amala Mahadevan

人們通常從水平的角度來考慮海洋的運(yùn)動(dòng)，例如繞著地球掃掠的強(qiáng)大水流，或沿著海岸線進(jìn)出的海浪。但是也有很多垂直運(yùn)動(dòng)，特別是在公海中，深海中的水會(huì)上升，將營養(yǎng)帶到上層海洋，而地表水則下沉，將死亡的生物以及氧氣和碳一起輸送到深部內(nèi)部。

海洋學(xué)家使用儀器來表征海洋水域和生活在其中的生物群落的垂直混合。但是這些工具捕獲小規(guī)模特征的能力受到限制，例如在小而寬的海洋區(qū)域中水和生物的上升和下降。這些功能對于理解給定海洋中（例如，漁業(yè)中）存在的海洋生物的構(gòu)成以及海洋可以吸收和隔離的碳量至關(guān)重要。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院和伍茲霍爾海洋學(xué)研究所（WHOI）的研究人員設(shè)計(jì)出了一種輕巧的儀器，可以測量一公里，小范圍的垂直海洋的物理和生物學(xué)特征。名為EcoCTD的“海洋廓線儀”大約具有腰高模型火箭的大小，可以從移動(dòng)中的艦船上掉下來。當(dāng)它從水中自由落下時(shí)，其傳感器可測量物理特征，例如溫度和鹽度，以及生物學(xué)特性，例如葉綠素（浮游植物的綠色色素）的光學(xué)散射。

“通過EcoCTD，我們可以看到小范圍的快速垂直運(yùn)動(dòng)，可以向表面提供養(yǎng)分，而葉綠素則可以向下傳遞，這告訴您這也可能是碳通路。否則，您可能會(huì)錯(cuò)過這一點(diǎn)。現(xiàn)有技術(shù)”，麻省理工學(xué)院地球，大氣與行星科學(xué)系研究生，以及MIT-WHOI海洋學(xué)/應(yīng)用海洋科學(xué)與工程聯(lián)合計(jì)劃的研究生Mara Freilich說。

Freilich和她的同事今天在《大氣與海洋技術(shù)雜志》上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。該論文的共同作者是WHOI的J. Thomas Farrar，Benjamin Hodges，Tom Lanagan和Amala Mahadevan，以及新斯科舍省的Dynamic System Analysis的Andrew Baron。主要作者是WHOI和RBR的Mathieu Dever，RBR是位于渥太華的海洋傳感器開發(fā)商。

海洋學(xué)家使用多種方法來測量海洋的物理性質(zhì)。一些使用的更強(qiáng)大的高分辨率儀器被稱為CTD，因?yàn)樗鼈兙哂袦y量海洋電導(dǎo)率，溫度和深度的能力。CTD通常很笨重，因?yàn)樗鼈儼�含多個(gè)傳感器以及收集水和生物樣品的組件。傳統(tǒng)的CTD要求船只停下來，因?yàn)榭茖W(xué)家有時(shí)會(huì)通過起重機(jī)系統(tǒng)將儀器降低到水中。當(dāng)儀器收集測量值和水樣時(shí)，船舶必須保持原狀，并且只能在將儀器拖回船上后才能返回航行。

物理海洋學(xué)家無需研究海洋生物學(xué)，因此不需要收集水樣本，有時(shí)可以使用“ UCTD”（CTTD的進(jìn)行中版本），而無需笨重的水采樣組件，可以在航行中將其拖走。這些儀器可以快速取樣，因?yàn)樗鼈儾恍枰�起重機(jī)或輪船就可以停下來。

Freilich和她的團(tuán)隊(duì)希望設(shè)計(jì)一種UCTD版本，該版本還可以將生物傳感器集成在一個(gè)小巧，輕巧，可牽引的包裝中，這也將在船舶收集垂直測量值的同時(shí)使它繼續(xù)前進(jìn)。

弗雷里希說：“在現(xiàn)有的儀器之間似乎可以直接產(chǎn)生協(xié)同作用，從而設(shè)計(jì)出一種可以捕獲物理和生物信息的儀器，并且也可以進(jìn)行�！�

麻省理工學(xué)院設(shè)計(jì)的新型海洋傳感器旨在從移動(dòng)中的船舶后部自由下落。該儀器可進(jìn)行低至500米的物理和生物測量，可以在數(shù)分鐘內(nèi)將其拉回，然后再次下降，而無需停止研究船。信用：Mathieu Dever

“到達(dá)黑暗的海洋”

EcoCTD的核心是RBR Concerto Logger，它是一種測量水溫以及電導(dǎo)率的傳感器，可以代替海洋的鹽分。探查器還包括一個(gè)引線環(huán)，該引線環(huán)提供了足夠的重量，以使儀器能夠以每秒約3米的速度從水中自由落下-這種速率使儀器在約兩分鐘的時(shí)間內(nèi)下降到地表以下約500米。

弗賴?yán)�希說：“在500米處，我們正在到達(dá)暮光區(qū)的上部�！� “富營養(yǎng)區(qū)是海洋中有足夠的光用于光合作用的區(qū)域，大多數(shù)地方大約在100到200米之間。因此，我們到達(dá)了黑暗的海洋�！�

另一個(gè)傳感器EcoPuck是其他UCTD所獨(dú)有的，因?yàn)樗�可以測量海洋的生物特性。特別是，它是一個(gè)小型的圓盤狀生物光學(xué)傳感器，它發(fā)出紅色和藍(lán)色兩種波長的光。傳感器捕獲這些光的任何變化，因?yàn)樗鼈儠?huì)向后散射，并且隨著光的響應(yīng)而含葉綠素的浮游植物發(fā)出熒光。如果接收到的紅光類似于葉綠素的特定波長特征，則科學(xué)家可以推斷出給定深度的浮游植物的存在。散射回傳感器的紅色和藍(lán)色光的變化可以指示水中的其他物質(zhì)，例如沉積物或死細(xì)胞，這是對不同深度的碳含量的度量。

EcoCTD包括UCTD特有的另一種傳感器-Rinko III Do，它可以測量水中的氧氣濃度，這可以為科學(xué)家提供一個(gè)估算，即生活在給定深度和水域中的任何微生物群落正在吸收多少氧氣。

最后，整個(gè)儀器都裝在一個(gè)鋁管中，設(shè)計(jì)成可通過一條長線連接到船尾的絞盤上。隨著船舶的移動(dòng)，團(tuán)隊(duì)可以將儀器掉落到舷外，并使用絞車以即使儀器移開時(shí)儀器也能直接下降的速度來支付管線費(fèi)用。大約兩分鐘后，一旦到達(dá)約500米的深度，團(tuán)隊(duì)便搖動(dòng)絞盤將儀器拉回原位，以使儀器在12分鐘內(nèi)趕上船。然后機(jī)組人員可以再次放下儀器，這次離他們的最后一個(gè)放下點(diǎn)一定距離。

“很好的是，當(dāng)我們進(jìn)行下一次演出時(shí)，距離我們第一次去的地方只有500米，因此我們正好是下一個(gè)要采樣的地方，” Freilich說。

他們在2018年和2019年的兩次航行中對EcoCTD進(jìn)行了測試，一次航行到地中海，另一次航行在大西洋，在兩種情況下都能夠以比現(xiàn)有CTD更高的分辨率收集物理和生物數(shù)據(jù)。

Freilich說：“ ecoCTD以黃金標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量捕獲了這些海洋特征，提供了更多的便利性和多功能性�！�

該小組將進(jìn)一步完善他們的設(shè)計(jì)，并希望科學(xué)家，科學(xué)家和科學(xué)家們可以對他們的高分辨率，易于部署和更高效的替代方案進(jìn)行修改，以監(jiān)測海洋對氣候變化的小規(guī)模響應(yīng)。跟蹤某個(gè)地區(qū)的生物生產(chǎn)力。