Арктика является отдаленной, часто с суровыми условиями, и ее климат быстро меняется: потепление происходит в четыре раза быстрее, чем на остальной части Земли. Это делает изучение арктического климата одновременно сложной и жизненно важной задачей для понимания глобального изменения климата.

Ученые из Национальной лаборатории Сандии используют существующий оптоволоконный кабель у мыса Оликток на северном склоне Аляски для изучения условий арктического морского дна на расстоянии до 20 миль от берега. Кристиан Станчу, руководитель проекта, представит свои последние результаты в пятницу, 15 декабря, на осеннем собрании AGU в Сан-Франциско.

Их цель — определить сейсмическую структуру морского дна Арктики на многие километры. Используя новую технику, они могут обнаружить участки морского дна, где звук распространяется быстрее, чем на остальной части 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 участке морского дна и мониторинга изменений температуры в зависимости от сезона. Эти данные, в отличие от всех собранных ранее, были вставлены в компьютерную модель, чтобы сделать вывод о распределении подводной вечной мерзлоты, говорит 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, используя одну нить оптоволокна. Мы получаем некоторые интересные результаты».

Вечная мерзлота и отражающийся свет

Подобно жареной индейке, оставшейся в морозильной камере со Дня Благодарения, вечная мерзлота в Арктике — это пир, который только и ждет, чтобы его оттаивали. В частности, по словам Фредерика, когда некогда живое вещество, замороженное во время последнего ледникового периода, тает, микробы начинают его переваривать и производить отходящие газы, такие как метан и углекислый газ. Ученые изучают, насколько велик микробный банкет, замерзший в Арктике, и какое влияние эти газы могут оказать на глобальный климат.

Для изучения вечной мерзлоты на арктическом морском дне исследователи использовали импульсы лазерного света, сбитые с подводного телекоммуникационного оптоволоконного кабеля, проложенного у побережья Аляски, идущего к северу от мыса Оликток. Крошечные дефекты кабеля приводили к тому, что свет отражался обратно на сенсорную систему.

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

Глядя на свет другой длины волны, исследователи смогли определить, когда кабель был натянут проходящей звуковой волной. По словам Станчу, это так называемое распределенное акустическое зондирование предоставило информацию о структуре морского дна на глубине от одной до трех миль.

Используя этот метод, ученые полагают, что они определили дно вечной мерзлоты на глубине около четверти мили. Они также обнаружили еще одну область с необычно большим количеством льда, возможно, напоминающую пинго или «ледяной прыщ», куполообразный холм, образовавшийся в результате движения льда вверх, добавил он. Анализ данных для измерений проводился главным образом стажером в Сандии Брэндоном Херром.

«Тот факт, что мы можем постоянно контролировать температуру, теперь мы можем улавливать изменения от года к году и от сезона к сезону», — сказал Фредерик. «Мы специально ищем необъяснимые теплые точки. Мы думаем, что сможем увидеть участки просачиваний на морском дне — что-то вроде родников, выходящих из-под земли, за исключением морского дна. Мы заинтересованы в них, потому что они являются носителями более глубоких, богатых углеродом флюидов и являются признаком потепления и перемен».

История и инновации

Сандия собирает климатические данные с северной Аляски более 25 лет. Текущий исследовательский проект начался около года назад и основывается на предыдущих работах геофизиков из Сандии Роба Эбботта и Майкла Бейкера над тем же оптоволоконным кабелем.

Одной из недавних инноваций команды Станчу является полностью работоспособная система, позволяющая осуществлять удаленный сбор данных 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 не могут собираться одновременно, но те или иные данные теперь можно собирать непрерывно.

По словам Фредерика, одной из задач, которую команда решила в течение первого года проекта, было определение того, как калибровать данные о температуре, передаваемые по оптоволоконному кабелю. Обычно распределенные системы измерения температуры состоят из систем самопроверки, таких как оптоволокно, которое дублируется само по себе 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 проводил в основном стажер Sandia Итан Конли.

Фредерик использует данные распределенного измерения температуры и результаты моделирования распределенного акустического зондирования, чтобы задать ограничения для кода геофизического моделирования, разработанного Сандиа. Код моделирует жидкости и газы, текущие через подземные почвы. 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. Результатом работы модели являются карты современного распределения подводной вечной мерзлоты.

По словам Фредерика, ограничения системы опроса, которую использует команда, в том числе мощность лазера и чувствительность датчиков, не позволяют ученым собирать данные на расстоянии более 18–25 миль от берега. С усовершенствованием системы она надеется увеличить дистанцию.

«В этом проекте много разных частей», — сказал Фредерик. «Я смотрю на температуру, а Кристиан смотрит на акустику, чтобы получить модель недр. На самом деле вам нужны все эти фрагменты, чтобы что-то сказать о более широкой картине текущего распределения вечной мерзлоты и о том, наблюдаем ли мы изменения, такие как просачивание, и как это происходит. играет на более широкую картину выбросов парниковых газов. Возможность использовать новые инструменты и доводить их до крайности, чтобы увидеть, чему мы можем научиться, — это действительно здорово».