Ученые используют оптоволоконный кабель для изучения вечной мерзлоты арктического морского дна

Арктика — отдаленное место, часто с суровыми условиями, и ее климат быстро меняется: нагревается в четыре раза быстрее, чем на остальной части Земли. Это делает изучение арктического климата сложной задачей и жизненно важным для понимания глобального изменения климата.

Ученые из Национальной лаборатории Сандии используют существующее волокно оптический кабель у мыса Оликток на северном склоне Аляски для изучения арктических условий морское дно до 20 миль от берега. Кристиан Станчу, руководитель проекта, представит свои последние результаты в пятницу, 15 декабря, на Осенняя встреча AGU в Сан-Франциско.

Его цель — определить сейсмическую структуру километров морского дна Арктики. Используя новую технику, они могут обнаружить участки морского дна, где звук распространяется быстрее, чем остальная часть морского дна, обычно из-за большего количества льда. По словам Станчу, геофизика из Сандии, они выявили несколько областей с большим количеством льда.

Ученые также использовали кабель для определения температуры на морском дне и мониторинга изменений температуры в зависимости от сезона. Эти данные, в отличие от любых других собранных ранее, были вставлены в компьютерная модель Чтобы сделать вывод о распределении подводной вечной мерзлоты, сказала Дженнифер Фредерик, специалист по вычислительной геологии.

«Одним из нововведений этого проекта является то, что теперь мы можем использовать одно волокно для получения акустических и температурных данных», — сказал Станчу. «Мы разработали новую систему для удаленного сбора обоих типов данных с помощью оптоволокна. «Мы получаем некоторые интересные результаты».

Вечная мерзлота и отражающийся свет

Подобно жареной индейке, оставшейся в морозильной камере со Дня Благодарения, вечная мерзлота Арктики — это праздник, ожидающий, чтобы его оттаивали. В частности, когда некогда живая материя, замороженная во время последнего ледникового периода, оттаивает, микробы начинают ее переваривать и производить. отходящие газы такие как метан и углекислый газ, сказал Фредерик. Ученые изучают размер микробного праздника замерзший в Арктике и какое влияние эти газы могут оказать на глобальный климат.

Для изучения вечной мерзлоты на морском дне Арктики исследователи использовали импульсы лазерного света, излучаемые из подводного оптоволоконного телекоммуникационного кабеля, проложенного у побережья Аляски, идущего к северу от мыса Оликток. Небольшие дефекты кабеля привели к тому, что свет отражался от сенсорная система.

По словам Фредерика, улавливая этот свет в двух длинах волн или цветах и ​​сравнивая их, исследователи смогли определить температуру кабеля на каждом метре. Это называется распределенным измерением температуры.

Наблюдая за светом другой длины волны, исследователи смогли обнаружить, что кабель был растянут проходящей звуковой волной. По словам Станчу, это так называемое распределенное акустическое зондирование позволило получить информацию о структуре морского дна на глубинах от одной до трех миль.

Используя этот метод, ученые полагают, что они определили дно вечной мерзлоты глубиной около четверти мили. Они также обнаружили еще одну область с необычно большим количеством льда, возможно, напоминающую пинго или «ледяное зерно», куполообразный холм, образовавшийся в результате движения льда вверх, добавил он. Анализ данных для измерений в основном проводил стажер Sandia Брэндон Херр.

«Тот факт, что мы можем постоянно контролировать температуру, теперь мы можем обнаруживать изменения от года к году и от сезона к сезону», — сказал Фредерик. «Мы специально ищем необъяснимые горячие точки. Мы думаем, что сможем увидеть участки просачивания на морском дне, что-то вроде родников, выходящих из-под земли, за исключением морского дна. «Мы заинтересованы в них, потому что они несут более глубокие, богатые углеродом флюиды и являются индикатором потепления и перемен».

История и инновации

Арбуз был сбор климатических данных северной Аляски более 25 лет. Текущий исследовательский проект начался около года назад и основан на приоритетная работа по тому же оптоволоконному кабелю геофизики из Сандии Роб Эбботт и Майкл Бейкер.

Недавняя инновация команды Станчу — это полностью работоспособная система, позволяющая удаленно собирать данные практически в реальном времени. По словам Станчу, это сводит к минимуму время и стоимость поездки в Оликток, а также риск потери данных, когда система находится без присмотра. Акустические и температурные данные нельзя собирать одновременно, но теперь можно собирать те или иные данные непрерывно.

Одной из задач, которую команда решила в течение первого года проекта, было определение того, как калибровать данные о температуре волоконно-оптического кабеля, сказал Фредерик. Обычно распределенные системы измерения температуры состоят из систем самоконтроля, таких как оптоволокно, которое складывается для резервирования, или со встроенными термометрами. Однако, поскольку команда использует темное телекоммуникационное волокно, им потребовались вычислительные модели для проверки обнаруженных ими сезонных изменений температуры. Анализ данных для этого в первую очередь провел стажер Sandia Итан Конли.

Фредерик использует данные распределенного измерения температуры и результаты моделирования распределенного акустического зондирования, чтобы определить ограничения для код геофизического моделирования разработанный Sandia. Код моделирует жидкости и газы, текущие через подземный грунт. Фредерик использует этот код для моделирования 100 000-летней геологической истории изучаемого участка морского дна Арктики, включая среднюю температуру последнего ледникового периода и степень повышения уровня моря. Результаты модели представляют собой карты текущего распределения подводной вечной мерзлоты.

По словам Фредерика, ограничения системы опроса, которую использует команда, включая мощность лазера и чувствительность датчиков, не позволяют ученым собирать данные на расстоянии более 18–25 миль от берега. С усовершенствованием системы он надеется еще больше увеличить расстояние.

«В этом проекте много разных частей», — сказал Фредерик. “Я ищу температура а Кристиан изучает акустику, чтобы получить подземную модель. На самом деле все эти фрагменты нужны, чтобы что-то сказать об общей картине нынешнего распределения вечной мерзлоты и о том, наблюдаем ли мы такие изменения, как просачивание, и как это влияет на общую картину выбросов парниковых газов. Возможность использовать новые инструменты и доводить их до крайности, чтобы увидеть, чему мы можем научиться, — это действительно здорово».

Цитирование: Ученые используют оптоволоконный кабель для изучения вечной мерзлоты морского дна Арктики (2023 г., 15 декабря), получено 15 декабря 2023 г. с https://phys.org/news/2023-12-scientists-fiber-optic-cable-arctic.html.

Этот документ защищен авторским правом. За исключением любых добросовестных сделок для частного изучения или исследовательских целей, никакая часть не может быть воспроизведена без письменного разрешения. Содержимое предоставлено исключительно в информационных целях.