El movimiento del océano a menudo se piensa en términos horizontales, por ejemplo en las poderosas corrientes que barren el planeta, o las olas que entran y salen a lo largo de la costa. Pero también hay mucho movimiento vertical, particularmente en mar abierto, donde el agua de lo profundo puede subir, trayendo nutrientes a la parte superior del océano, mientras las aguas superficiales se hunden, enviando organismos muertos, junto con el oxígeno y el carbono, al interior profundo.

Los oceanógrafos utilizan instrumentos para caracterizar la mezcla vertical de las aguas del océano y las comunidades biológicas que viven allí. Pero estas herramientas tienen una capacidad limitada para capturar características a pequeña escala, como el flujo ascendente y descendente de agua y organismos en un pequeño, región oceánica de un kilómetro de ancho. Tales características son esenciales para comprender la composición de la vida marina que existe en un volumen determinado del océano (como en una pesquería). así como la cantidad de carbono que el océano puede absorber y secuestrar.

Ahora, los investigadores del MIT y la Institución Oceanográfica Woods Hole (WHOI) han diseñado un instrumento liviano que mide las características físicas y biológicas del océano vertical sobre pequeños, parches de un kilómetro de ancho. El "perfilador del océano, "llamado EcoCTD, es aproximadamente del tamaño de un modelo de cohete a la altura de la cintura y se puede dejar caer desde la parte trasera de un barco en movimiento. Mientras cae libremente a través del agua, sus sensores miden características físicas, como la temperatura y la salinidad, así como propiedades biológicas, como la dispersión óptica de clorofila, el pigmento verde del fitoplancton.

"Con EcoCTD, podemos ver áreas a pequeña escala de movimiento vertical rápido, donde los nutrientes podrían suministrarse a la superficie, y donde la clorofila se lleva hacia abajo, lo que le dice que esto también podría ser una vía de carbono. Eso es algo que de otra manera extrañaría con la tecnología existente, "dice Mara Freilich, estudiante de posgrado en el Departamento de Tierra del MIT, Atmosférico, y Ciencias Planetarias y el Programa Conjunto MIT-WHOI en Oceanografía / Ciencias e Ingeniería Oceánicas Aplicadas.

Freilich y sus colegas han publicado sus resultados hoy en el Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. Los coautores del artículo son J. Thomas Farrar, Benjamin Hodges, Tom Lanagan, y Amala Mahadevan de WHOI, y Andrew Baron de Dynamic System Analysis, en Nueva Escocia. El autor principal es Mathieu Dever de WHOI y RBR, un desarrollador de sensores oceánicos con sede en Ottawa.

Sinergia oceánica

Los oceanógrafos utilizan varios métodos para medir las propiedades físicas del océano. Algunos de los más poderosos Los instrumentos de alta resolución utilizados se conocen como CTD, por su capacidad para medir la conductividad del océano, temperatura, y profundidad. Los CTD suelen ser voluminosos, ya que contienen múltiples sensores, así como componentes que recolectan agua y muestras biológicas. Los CTD convencionales requieren que un barco se detenga mientras los científicos bajan el instrumento al agua, a veces a través de un sistema de grúa. El barco debe quedarse quieto mientras el instrumento recolecta mediciones y muestras de agua. y solo puede volver a ponerse en marcha después de que el instrumento se haya vuelto a subir a bordo.

Oceanógrafos físicos que no estudian biología oceánica, y por lo tanto no es necesario recolectar muestras de agua, a veces puede utilizar "UCTD":versiones en curso de CTD, sin los voluminosos componentes de muestreo de agua, que se puede remolcar mientras un barco está navegando. Estos instrumentos pueden tomar muestras rápidamente, ya que no requieren una grúa o un barco para detenerse cuando se dejan caer.

Freilich y su equipo buscaron diseñar una versión de un UCTD que también pudiera incorporar sensores biológicos, todo en un pequeño, ligero, paquete remolcable, eso también mantendría al barco en movimiento mientras tomaba sus medidas verticales.

"Parecía que podía haber una sinergia sencilla entre estos instrumentos existentes, diseñar un instrumento que capture información física y biológica, y también podría hacer esto en curso, "Dice Freilich.

"Alcanzando el océano oscuro"

El núcleo del EcoCTD es el RBR Concerto Logger, un sensor que mide la temperatura del agua, así como la conductividad, que es un proxy de la salinidad del océano. El perfilador también incluye un collar de plomo que proporciona suficiente peso para permitir que el instrumento caiga libremente a través del agua a unos 3 metros por segundo, una velocidad que lleva al instrumento hasta unos 500 metros por debajo de la superficie en unos dos minutos.

"A 500 metros, estamos llegando a la zona del crepúsculo superior, "Dice Freilich." La zona eufótica es donde hay suficiente luz en el océano para la fotosíntesis, y eso es aproximadamente de 100 a 200 metros en la mayoría de los lugares. Así que estamos llegando al océano oscuro ".

Otro sensor, el EcoPuck, es exclusivo de otras UCTD porque mide las propiedades biológicas del océano. Específicamente, Es un pequeño, Sensor bioóptico en forma de disco que emite dos longitudes de onda de luz:roja y azul. El sensor captura cualquier cambio en estas luces a medida que se dispersan y el fitoplancton que contiene clorofila presenta fluorescencia en respuesta a la luz. Si la luz roja recibida se asemeja a una determinada longitud de onda característica de la clorofila, los científicos pueden deducir la presencia de fitoplancton a una profundidad determinada. Las variaciones en la luz roja y azul que se dispersan hacia el sensor pueden indicar otra materia en el agua, como sedimentos o células muertas, una medida de la cantidad de carbono a distintas profundidades.

El EcoCTD incluye otro sensor exclusivo de los UCTD:el Rinko III Do, que mide la concentración de oxígeno en el agua, lo que puede dar a los científicos una estimación de la cantidad de oxígeno que absorben las comunidades microbianas que viven a una profundidad y parcela de agua determinadas.

Finalmente, todo el instrumento está encerrado en un tubo de aluminio y diseñado para sujetarlo mediante un cable largo a un cabrestante en la parte trasera de un barco. Mientras el barco se mueve, un equipo puede dejar caer el instrumento por la borda y usar el cabrestante para pagar la línea a una velocidad en la que el instrumento cae directamente hacia abajo, incluso cuando el barco se aleja. Después de unos dos minutos, una vez que ha alcanzado una profundidad de unos 500 metros, el equipo gira el cabrestante para tirar del instrumento hacia arriba, a una velocidad que el instrumento alcanza al barco en 12 minutos. La tripulación puede volver a dejar caer el instrumento, esta vez a cierta distancia de su último punto de partida.

"Lo bueno es que para cuando pasemos al próximo elenco, estamos a 500 metros de donde estábamos la primera vez, así que estamos exactamente donde queremos probar a continuación, "Dice Freilich.

Probaron el EcoCTD en dos cruceros en 2018 y 2019, uno al Mediterráneo y otro al Atlántico, y en ambos casos pudieron recopilar datos físicos y biológicos con una resolución más alta que los CTD existentes.

"El ecoCTD captura estas características del océano con una calidad estándar de oro con mucha más conveniencia y versatilidad, "Dice Freilich.

El equipo perfeccionará aún más su diseño, y espera que su alta resolución, fácilmente desplegable, y ambos científicos pueden adaptar una alternativa más eficiente para monitorear las respuestas a pequeña escala del océano al cambio climático, así como las pesquerías que desean realizar un seguimiento de la productividad biológica de una determinada región.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.