El vehículo robótico está ayudando a los científicos a monitorear a largo plazo el ciclo del carbono de las profundidades marinas y el cambio climático.

La vasta extensión de las profundidades marinas y los desafíos tecnológicos de operar en un entorno hostil dificultan el acceso y el estudio en estas profundidades. Los científicos saben más sobre la superficie de la luna que sobre el fondo del mar. MBARI aprovecha los avances en tecnologías robóticas para abordar esta disparidad.

Un vehículo robótico autónomo, el Benthic Rover II, ha proporcionado una nueva visión de la vida en el fondo marino abisal, 4.000 metros (13.100 pies) por debajo de la superficie del océano. Un estudio fue publicado hoy en ciencia robótica Detalles del desarrollo y funcionamiento a largo plazo de este rover. Este innovador laboratorio móvil ha revelado el papel de las profundidades marinas en el ciclo del carbono. Los datos recopilados por este rover son fundamentales para comprender los efectos del cambio climático en el océano.

“El éxito de este rover abisal ahora permite el monitoreo a largo plazo del acoplamiento entre la columna de agua y el fondo marino. Comprender estos procesos conectados es fundamental para predecir la salud y la productividad de nuestro planeta envuelto en un clima cambiante”, dijo Ken Smith. , Científico jefe de MBARI.

A pesar de su distancia del sol poco profundo, el fondo del mar profundo está conectado con el agua de arriba y es vital para el ciclo y el secuestro del carbono. Pedazos de materia orgánica, que incluyen plantas y animales muertos, moco y desechos desechados, se hunden lentamente a través de la columna de agua hasta el fondo del mar. Parte de este carbono es digerido por la comunidad animal y microbiana dentro y dentro del lodo, mientras que el resto puede quedar atrapado en sedimentos de aguas profundas durante miles de años.

Las profundidades marinas juegan un papel importante en el ciclo del carbono y el clima de la Tierra, sin embargo, todavía sabemos poco sobre los procesos que ocurren a miles de metros debajo de la superficie. Los obstáculos de ingeniería, como la presión extrema y la naturaleza corrosiva del agua de mar, dificultan el envío de equipos al fondo marino abisal para estudiar y monitorear las mareas y los flujos de carbono.

En el pasado, Smith y otros científicos se han basado en herramientas establecidas para estudiar el consumo de carbono en las comunidades de los fondos marinos profundos. Solo pueden implementar estas herramientas durante unos días a la vez. Sobre la base de 25 años de innovación en ingeniería, MBARI ha desarrollado una solución a largo plazo para el monitoreo del fondo marino abisal.

“Los eventos emocionantes en las profundidades del mar generalmente ocurren brevemente ya intervalos inesperados, por lo que el monitoreo continuo con el Benthic Rover II es fundamental”, explicó Alana Sherman, directora del Grupo de Ingeniería Eléctrica. “Si no estás mirando todo el tiempo, probablemente te pierdas el evento principal”.

Benthic Rover II es el resultado del arduo trabajo de un equipo colaborativo de ingenieros y científicos de MBARI, dirigido por Smith y Sherman.

Los ingenieros de MBARI diseñaron el Benthic Rover II para manejar las condiciones frías, corrosivas y de alta presión de las profundidades marinas. Hecho de titanio, plástico y espuma sintética que es resistente a la corrosión y la presión, este carro puede soportar despliegues de hasta 6000 metros (aproximadamente 19,700 pies) de profundidad.

“Además de los desafíos físicos de operar en estas condiciones extremas, también tuvimos que diseñar un sistema de control de computadora y un software que fueran lo suficientemente confiables para funcionar durante un año sin tiempo de inactividad; no había nadie para presionar el botón de reinicio”, explicó MBARI ingeniero eléctrico Paul McGill. “Los dispositivos electrónicos también tienen que usar muy poca energía para poder transportar las baterías de un año. A pesar de todo, el rover solo consume un promedio de 2 vatios, aproximadamente lo mismo que un iPhone”.

El Benthic Rover II es aproximadamente del tamaño de un automóvil pequeño: 2,6 m (8,5 pies) de largo, 1,7 m (5,6 pies) de ancho y 1,5 m (4,9 pies) de alto, y pisa suavemente sobre el fondo fangoso en un par de anchos, pistas de goma.

Investigadores despliegan Benthic Rover II desde el barco de MBARI, R / V Folleto occidental. La tripulación del barco baja con cuidado el rover al agua y luego lo lanza al fondo del océano. El rover tarda unas dos horas en llegar al fondo. Una vez que aterriza en el fondo del mar, la nave puede comenzar su misión.

Primero, los sensores verifican las corrientes que fluyen a lo largo del fondo del mar. Cuando detectan corrientes favorables, la sonda se mueve hacia arriba oa través de la corriente para llegar a una ubicación no turbulenta para comenzar a recopilar datos.

Las cámaras en la parte delantera del rover fotografían el fondo del mar y miden la luminosidad. Este resplandor característico de la clorofila bajo la luz azul revela cuánto fitoplancton “fresco” y otros restos de plantas han caído en el fondo del mar. Los sensores registran la temperatura y la concentración de oxígeno en el agua justo por encima del fondo.

A continuación, el rover baja un par de cámaras espirométricas transparentes que miden el consumo de oxígeno de una comunidad de vida en el lodo durante 48 horas. Cuando los animales y los microbios digieren materia orgánica, utilizan oxígeno y liberan dióxido de carbono en cierta proporción. Saber cuánto oxígeno usan esos animales y microbios es fundamental para comprender la remineralización del carbono: la descomposición de la materia orgánica en componentes más simples, incluido el dióxido de carbono.

Después de 48 horas, el rover levanta las cámaras del espirómetro y se mueve 10 m (32 pies) hacia adelante, teniendo cuidado de no cruzar la ruta anterior, eligiendo otro sitio para tomar muestras. Este patrón de muestreo se repite una y otra vez durante la publicación, generalmente un año entero.

Al final de cada publicación, R / V. Es Folleto occidental Regresa para recuperar el rover, descargar sus datos, reemplazar su batería y devolverlo al fondo del mar durante un año más. Durante cada despliegue de un año, el equipo de MBARI lanza otro robot autónomo, el Wave Glider, desde la costa hacia atrás cada trimestre para verificar el progreso del Benthic Rover II. “El vehículo no puede comunicarse con nosotros directamente para decirnos su ubicación o condición, por lo que enviamos un bot para encontrar nuestro bot”, explicó McGill. Un transmisor acústico en el Wave Glider emite un pitido para el vehículo en el fondo del mar. Luego, el rover envía actualizaciones de estado y datos de muestra al planeador. El planeador luego transmite esta información a los investigadores en la playa vía satélite.

“Los datos de Benthic Rover II nos han ayudado a determinar cuándo, cuánto y qué fuentes de carbono se pueden secuestrar o almacenar en el fondo del mar abisal”, dijo Chrissy Havard, especialista senior en investigación de MBARI.

Durante los últimos siete años, Benthic Rover II ha estado continuamente en el negocio Estación M., el sitio de investigación de MBARI está ubicado a 225 kilómetros (140 millas) de la costa del centro de California. La estación M está ubicada a 4,000 metros (13,100 pies) debajo de la superficie del océano, a una profundidad promedio de la profundidad del océano, lo que la convierte en un buen sistema modelo para estudiar ecosistemas abisales.

Durante los últimos 32 años, Smith y su equipo han construido un observatorio submarino único en la estación M.

“El rendimiento confiable de siete años del rover, que pasa el 99 por ciento de su vida en el fondo del mar, es el resultado de muchos años de pruebas, resolución de problemas y desarrollo de las mejores tecnologías para mantener el vehículo en marcha”, dijo Sherman. “Es un gran ejemplo de lo que se puede lograr cuando la tecnología se aplica a problemas difíciles de la ciencia”.

Los datos recopilados en la estación M muestran que las profundidades marinas están lejos de ser constantes. Las condiciones físicas, químicas y biológicas pueden cambiar drásticamente en períodos de tiempo que van desde horas hasta décadas.

Las aguas superficiales del arroyo California sobre la estación M están llenas de fitoplancton en primavera y verano. Estos pulsos estacionales de productividad viajan desde la columna de agua hasta el fondo del mar. Gran parte de esta materia orgánica que se hunde, conocida como “hielo marino”, se formó como dióxido de carbono en la atmósfera.

Durante la última década, los investigadores del MBARI han observado un aumento significativo en grandes pulsos de nieve marina que caen al fondo del mar en la Estación M. Estos eventos episódicos representan una parte creciente del suministro anual de alimentos en este sitio. Durante siete años de operación en la Estación M, el Benthic Rover II ha registrado importantes eventos semanales, estacionales, anuales y episódicos, todos proporcionando datos que ayudan a los investigadores de MBARI a comprender el ciclo del carbono de las profundidades marinas.

Entre noviembre de 2015 y noviembre de 2020, Benthic Rover II registró un aumento significativo en la precipitación de fitoplancton muerto y otros desechos ricos en plantas (fitodetritos) que aterrizaron en el fondo del mar abisal desde las aguas de arriba. La disminución de la concentración de oxígeno disuelto en las aguas sobre el fondo del mar profundo estuvo acompañada de este repentino aumento de materia orgánica.

Las herramientas tradicionales de monitoreo a corto plazo no habrían detectado las fluctuaciones que impulsan los cambios y tendencias a largo plazo. Benthic Rover II reveló una imagen más completa de cómo se mueve el carbono desde la superficie hasta el fondo del mar.

“El Benthic Rover II nos alertó sobre cambios importantes a corto y largo plazo en las profundidades marinas que no se observaron en los modelos globales”, enfatizó Havard.

El éxito continuo de Benthic Rover II y el trabajo de MBARI en la Estación M destaca cómo las plataformas estables y las observaciones a largo plazo pueden mejorar nuestra comprensión del espacio vital más grande de la Tierra. Con más empresas que buscan extraer recursos minerales del fondo del mar profundo, estos datos también brindan información valiosa sobre las condiciones subyacentes en las áreas bajo consideración para el desarrollo industrial o la minería en aguas profundas.

El océano también es un componente crítico del ciclo del carbono y el clima de la Tierra. El océano y sus comunidades biológicas son un sumidero de dióxido de carbono. La quema de combustibles fósiles, la cría de ganado y la deforestación liberan miles de millones de toneladas de dióxido de carbono a nuestra atmósfera cada año. El océano reforzó los peores impactos al absorber más del 25 por ciento del dióxido de carbono adicional. Frente al cambio climático, comprender cómo fluye el carbono entre la superficie del océano iluminado por el sol y sus profundidades oscuras es más importante que nunca.

Referencia: “Abyssal Benthic Rover: Autocontrol a largo plazo de las operaciones en el océano profundo” 3 de noviembre de 2021, disponible aquí. ciencia robótica.
DOI: 10.1126 / scirobotics.abl4925

Sobre MBARI

MBARI (El Instituto de Investigación del Acuario de la Bahía de Monterey) es un centro de investigación oceanográfico privado sin fines de lucro fundado por David Packard en 1987 que se enfoca en el desarrollo de tecnologías innovadoras para la exploración y comprensión de los océanos. La misión de MBARI es promover la ciencia y la tecnología marinas para comprender el océano cambiante.