麻省理工设计新型海洋传感器测量垂直海洋运动的物理和生物特征

　　通常来说，人们认为海洋的运动是水平的，例如环绕在地球的强大洋流中，或是沿着海岸线进出的波浪中。但海洋其实也有大量的垂直运动，特别是在公海，深海的水可以上升，把营养物质带到上层海洋，而地表水可以下沉，把死亡的生物体连同氧气和碳一起送到深海内部。

科学家准备从研究船的后甲板部署正在进行中的CTD。

　　一直以来，海洋学家使用仪器来描述海水和生活在那里的生物群落的垂直混合，但这些工具在捕捉小尺度特征方面能力有限，这些小尺度特征对于了解给定体积海洋（如渔业）中存在的海洋生物的组成以及海洋能够吸收和隔离的碳量是必不可少的。例如在一个小的、千米宽的海洋区域内，观测水和生物的上下涌流就变得有些困难。

　　现在，麻省理工学院和伍兹霍尔海洋研究所（WHOI）的研究人员已经设计出一种轻量级仪器，可以在一小块、一公里宽的区域内测量垂直海洋运动的物理和生物特征。“海洋廓线仪”名为EcoCTD，大约有一个齐腰高的火箭模型那么大，可以从一艘正在移动的飞船的后部落下。当它在水中自由下落时，它的传感器测量物理特征，如温度和盐度，以及生物特性，如叶绿素（浮游植物的绿色色素）的光散射。

　　麻省理工学院的研究人员Mara Freilich说：“通过EcoCTD，我们可以看到小范围的快速垂直运动区域，那里的营养物质可以供应到地表，叶绿素被向下携带，这说明这也可能是一个碳通道。”

　　海洋协同

　　海洋学家使用多种方法来测量海洋的物理性质，一些功能更强大、分辨率更高的仪器被称为CTD（Conductance Temperature Depth：温盐深仪），因为它们能够测量海洋的电导率、温度和深度。CTD通常体积庞大，因为它们包含多个传感器以及收集水和生物样本的组件。传统的CTD需要一艘船装载之后放入海洋，科学家将仪器放入水中，有时通过起重机系统。由于仪器收集测量数据和水样，船必须保持原位，只有在仪器被拖回船上后才能回到航行中。

　　物理海洋学家不学习海洋生物学，因此不需要收集水样本，有时可以使用“ UCTD”（CTCT的进行中版本），而无需笨重的水采样组件，可以在航行中拖曳。这些仪器可以快速取样，因为它们不需要起重机或轮船就可以停下来。

　　Freilich和她的团队希望设计出一种UCTD的版本，这种UCTD还可以集成生物传感器，所有这些传感器都装在一个小巧、轻便、可拖拽的包裹中，这样在收集垂直测量数据时，也可以使船继续前进。

　　Freilich说：“这些现有的仪器之间似乎可以直接协同作用，设计出一种能够捕捉物理和生物信息的仪器，而且还可以在进行中做到这一点。”

麻省理工学院设计的新型海洋传感器旨在从移动中的船舶后部自由下落。该仪器可进行低至500米的物理和生物测量，可以在数分钟内将其拉回，然后再次下降，而无需停止研究船。

　　到达黑暗的海洋

　　首先，EcoCTD的核心是RBR Concerto Logger，它是一种测量水温和电导率的传感器，电导率是海洋盐度的代表。剖面仪还包括一个铅环，它提供足够的重量，使仪器能够以大约每秒3米的速度自由落水，这种速度使仪器在大约两分钟内下降到水面以下约500米处。

　　Freilich说：“在500米处，我们到达了暮光带的上部，透光带是海洋中有足够的光进行光合作用的地方，在大多数地方大约在100到200米处。所以我们到达了黑暗的海洋。”

　　其次，EcoCTD中的另一种传感器EcoPuck是其他UCTD所独有的，它测量海洋的生物特性。具体地说，它是一个小的、圆盘状的生物光学传感器，发出红色和蓝色两种波长的光。当这些光散射回来时，含有叶绿素的浮游植物对光产生荧光，传感器捕捉到这些光中的任何变化。如果接收到的红光类似于叶绿素的某个波长特征，科学家们就可以推断出在给定深度存在浮游植物。散射回传感器的红光和蓝光的变化可以指示水中的其他物质，如沉淀物或死细胞，这是对不同深度碳含量的测量。

　　第三，EcoCTD还包括UCTDs独有的另一个传感器Rinko III Do，它测量水中的氧浓度，这可以让科学家估计在给定的深度和范围内生活的任何微生物群落吸收了多少氧。

　　最后，整个仪器被包裹在一个铝管中，设计成通过一根长线连接到船后部的绞盘上。当船在移动时，一个小组可以将仪器从船上放下，并使用绞盘以仪器直接下降的速度放出绳索，即使船在移动。大约两分钟后，一旦仪器到达大约500米的深度，研究小组就启动绞盘，将仪器拉上来，速度是仪器在12分钟内追上船。然后，机组人员可以再次放下仪器，这次是在距离他们最后一个落下点一定距离的地方。

　　Freilich说：“比较好的是，当我们进入下一个演员阵容时，我们距离第一次的位置有500米远，所以我们正是下一次想取样的地方。”

　　他们在2018年和2019年的两艘巡洋舰上测试了EcoCTD，一艘驶往地中海，另一艘驶往大西洋，在这两种情况下，他们都能够以比现有ctd更高的分辨率收集物理和生物数据。

　　Freilich说：“EcoCTD以金标准的质量捕获这些海洋特征，更加方便和多功能。”

　　研究小组将进一步完善他们的设计，并希望他们的高分辨率、易于部署和更有效的替代方案能够被两位科学家用于监测海洋对气候变化的小规模反应，以及希望跟踪某个区域生物生产力的渔业。