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動，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動，特別是在公海中，深海中的水會上升，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，可以從移動中的艦船上掉下來。當(dāng)它從水中自由落下時，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動，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，您可能會錯過這一點�，F(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，因為它們具有測量海洋電導(dǎo)率，溫度和深度的能力。CTD通常很笨重，因為它們包含多個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，因為科學(xué)家有時會通過起重機(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，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，因為它們不需要起重機(jī)或輪船就可以停下來。

Freilich和她的團(tuán)隊希望設(shè)計一種UCTD版本，該版本還可以將生物傳感器集成在一個小巧，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)計的新型海洋傳感器旨在從移動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�！�

另一個傳感器EcoPuck是其他UCTD所獨有的，因為它可以測量海洋的生物特性。特別是，它是一個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，因為它們會向后散射，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，整個儀器都裝在一個鋁管中，設(shè)計成可通過一條長線連接到船尾的絞盤上。隨著船舶的移動，團(tuán)隊可以將儀器掉落到舷外，并使用絞車以即使儀器移開時儀器也能直接下降的速度來支付管線費用。大約兩分鐘后，一旦到達(dá)約500米的深度，團(tuán)隊便搖動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放下點一定距離。

“很好的是，當(dāng)我們進(jìn)行下一次演出時，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，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)。跟蹤某個地區(qū)的生物生產(chǎn)力。