Las criaturas diminutas y de aspecto aterrador que acechan a lo largo de los océanos de nuestro mundo pueden causar estragos en la capacidad de los tomadores de decisiones tácticas de la Marina para detectar el medio ambiente o planificar y trazar un curso de navegación.

La simple presencia de estos animales, algunos del tamaño de la punta de un bolígrafo, puede afectar las operaciones de la Marina a través de la atenuación de las señales acústicas, bioluminiscencia, y ruido ambiental.

Para ayudar a aumentar nuestra comprensión de estos organismos de nivel trófico intermedio (ITL) como pequeños crustáceos y medusas, Los investigadores llevaron a cabo una campaña de campo de 14 días el año pasado frente a la costa de Delaware. La campaña, dirigido por el oceanógrafo del Laboratorio de Investigación Naval de los EE. UU. Brad Penta, recopiló información sobre la dinámica de los ecosistemas del DIT cerca de los frentes oceánicos, áreas que tienden a ser biológicamente activas.

Organismos de nivel trófico intermedio, pequeño pero poderoso

Todos los organismos dentro de un ecosistema pertenecen a un nivel trófico particular, esencialmente una etiqueta de dónde se encuentran en la cadena alimentaria. Los animales ITL pueden variar en tamaño desde pequeños copépodos hasta medusas grandes. Son movidos por corrientes a lo largo del océano, y puede formar enjambres masivos.

Penta dijo que los enjambres alrededor de los equipos acústicos subacuáticos pueden hacer que la salida del equipo no sea confiable. Los enjambres pueden ser tan densos que el sonido se refleja y reverbera en ellos, causando lecturas falsas y aumentando el ruido ambiental.

Además de afectar el sonido, Se sabe que los organismos ITL parpadean.

"Muchos de estos organismos emiten luz, llamado bioluminiscencia, "Dijo Penta." No se encienden todo el tiempo; por lo general es cuando son estimulados o perturbados ".

Como lo hicieron

El estudio costero incorporó varios instrumentos y herramientas a bordo.

Uno de los colaboradores del estudio, la Universidad de Mississippi, trajo un sistema de imágenes de ictioplancton in situ (ISIIS). ISIIS proporcionó múltiples imágenes de alta resolución cada segundo que fue remolcado detrás del barco.

Durante uno de los remolques, ISIIS pasó por un parche de vida marina y pensó falsamente que había tocado el fondo del océano. Resultó ser un enjambre de veligers, una etapa larvaria de moluscos.

"Si tuvieras suficientes de ellos [veligers], podrían interferir con el sonar o un instrumento óptico, ", dijo Penta." Su presencia puede cambiar la profundidad a la que se despliegan los activos de la Marina ".

Los investigadores también adjuntaron herramientas al ISIIS para medir la temperatura, salinidad, clorofila-a, oxígeno, y atenuación de la luz. Emparejar estas herramientas con los organismos ITL identificados por ISIIS permitió a los investigadores determinar un perfil ambiental exacto donde vivían organismos particulares.

Durante todo el crucero, los investigadores utilizaron redes para el muestreo, pero también desplegó un Wirewalker, un dispositivo de muestreo impulsado por olas y corrientes. El Wirewalker estaba equipado con una variedad de instrumentos para medir la luz, conductividad, temperatura, profundidad, retrodispersión luminosa y acústica, y oxígeno disuelto en toda la columna de agua.

Ojos en el cielo

Como parte de la campaña de campo, arriba en los cielos, una aeronave equipada con lectores de imágenes y expertos en teledetección a bordo examinó el entorno oceánico y proporcionó ubicaciones precisas de los frentes oceánicos a los investigadores a bordo. Volaba con cámaras sensibles a lo visible, infrarrojos largos y cortos, y longitudes de onda hiperespectrales.

La aeronave también tenía varias cámaras de detección de luz y rango (LIDAR). Los LIDAR emiten láseres de colores para revelar los perfiles de un sujeto. En este caso, LIDAR proporcionó a los investigadores información sobre lo que estaba sucediendo bajo el agua. Deric gris, un oceanógrafo en la división de teledetección de NRL, operó y probó una nueva herramienta desarrollada por NRL llamada LIDAR de longitud de onda múltiple para el medio ambiente (MUWLE).

A diferencia de los LIDAR oceánicos tradicionales que normalmente tienen un láser monocromático, Gray y su equipo diseñaron MUWLE con colores láser intercambiables. La flexibilidad permitió a Gray y su equipo probar y optimizar diferentes colores en múltiples entornos marinos.

"El azul funcionó mejor en aguas profundas, "Dijo Gray." Green funcionó bien en áreas ricas en algas, y el amarillo funcionó bien en bahías turbias con mucho barro ".

Los investigadores diseñaron MUWLE para captar detalles en el agua, sabiendo que recogería una pequeña cantidad de información sobre la atmósfera. Pero los investigadores se sorprendieron al saber que MUWLE podía recopilar información detallada sobre la atmósfera.

"Vimos capas de aerosol que se mostraban de manera más significativa de lo que pensábamos, "Gray dijo." El LIDAR también vio delgado, nubes rotas debajo del avión que de otra manera no podríamos ver ".

¿Qué hay en los datos?

Los investigadores ahora están examinando activamente sus datos. El objetivo final del estudio es desarrollar un modelo que pueda predecir la presencia de organismos ITL.

Antes de que los modelos puedan usar los datos, sin embargo, el tesoro de datos debe ser procesado.

Penta dijo que extrajo más de 1.2 millones de imágenes de un solo remolque con el instrumento ISIIS. Su equipo está utilizando nuevas técnicas para clasificar toda la información y establecer tendencias.

"Hemos comenzado a configurar redes neuronales profundas de aprendizaje automático para usar inteligencia artificial para clasificar los organismos, pero aún no tengo resultados, "Dijo Penta.

Las redes neuronales profundas (DNN) son modelos matemáticos sofisticados que se utilizan para procesar grandes cantidades de datos. Christopher Wood, un científico informático de NRL, está entrenando una especie de DNN, una red neuronal convolucional (CNN), para identificar organismos en las imágenes de ISIIS.

"Las CNN están orientadas al análisis de imágenes, "dijo Wood." Un ser humano no podría procesar estas imágenes en toda su vida. Los carretes de imágenes son enormes y algunos de los organismos son muy pequeños ".

Penta dijo que planea usar la CNN para identificar organismos, y relacionar esa información con los frentes y las masas de agua. Esto mostrará cómo las comunidades en el océano cambiaron durante la campaña de dos semanas.

Una vez completamente sintetizado, Penta dijo que la información creará una imagen completa del medio ambiente, lo que ayudará al desarrollo de modelos de ecosistemas predictivos.