使用光缆研究北极海底永久冻土

北极地处偏远，条件常常恶劣，而且气候变化迅速，变暖速度是地球其他地区的四倍。这使得研究北极气候对于理解全球气候变化既具有挑战性又至关重要。

桑迪亚国家实验室的科学家们正在利用阿拉斯加北坡奥利克托克角附近现有的光缆来研究距海岸 20 英里的北极海底的状况。项目负责人 Christian Stanciu 将于 12 月 15 日星期五在旧金山举行的 AGU 秋季会议上展示他们的最新发现。

他们的目标是确定北极海底数英里的结构。利用一种新兴技术，他们可以发现海底区域的声音传播速度比海底其他区域快，通常是因为有更多的冰。桑迪亚地球物理学家斯坦丘说，他们已经确定了几个有大量冰的区域。

科学家们还使用电缆来确定整个海底的温度并监测季节的温度变化。计算地球科学家詹妮弗·弗雷德里克(Jennifer Frederick)说，这些数据与以前收集的任何数据不同，被插入计算机模型中以推断海底永久冻土的分布。

“这个项目的创新之一是我们现在可以使用单根光纤来获取声学和温度数据，”斯坦丘说。 “我们开发了一种新系统，可以使用一根光纤远程收集两种类型的数据。我们得到了一些有趣的结果。”

永久冻土和反射光

就像感恩节以来冰箱里剩下的烤火鸡一样，北极永久冻土是一场等待解冻的盛宴。具体来说，当上一个冰河时代冻结的曾经有生命的物质解冻时，微生物开始消化它并产生废气，例如甲烷和碳弗雷德里克说。科学家们正在研究北极冰冻的微生物盛宴有多大以及这些气体可能对全球气候产生多大的影响。

为了研究北极海底的永久冻土，研究人员使用了激光灯光射击，从阿拉斯加沿海沿海沿着Oliktok Point向北延伸的海底电信光纤电缆。电缆中的微小缺陷导致光反弹回传感器系统。弗雷德里克说，通过在两种波长或颜色的情况下捕获这种光，研究人员可以确定电缆的温度每个院子。这称为分布式温度传感。

通过查看不同波长的光，研究人员可以检测到电缆何时被传递的声波紧张。斯坦丘说，这种所谓的分布式声学传感可以提供一到三英里深度的海底结构信息。

使用这种方法，科学家认为他们已经确定了长期深约四分之一英里深的海底。他补充说，他们还发现了另一个区域，有异常大量的冰，可能与pingo或“冰疙瘩”一致，这是一个由冰向上推形成的圆顶山。测量数据分析主要由桑迪亚实习生布兰登·赫尔完成。

弗雷德里克说：“事实上，我们可以连续监测温度，我们现在可以了解逐年和逐季的变化。” “我们专门寻找无法解释的温暖点。我们认为我们将能够看到海底渗漏的区域——有点像从地下涌出的泉水，除了海底。我们对它们感兴趣，因为它们是更深的、富含碳的流体的载体，并且是变暖和变化的迹象。”

历史和创新

桑迪亚一直在收集阿拉斯加北部的气候数据超过 25 年。当前的研究项目大约一年前开始，以桑迪亚地球物理学家 Rob Abbott 和 Michael Baker 的之前在同一光纤电缆上的工作为基础。该项目由桑迪亚的 实验室定向研究与开发 计划资助。

Stanciu 团队最近的一项创新是一个完全可操作的系统，可以实现近乎实时的远程数据收集。 Stanciu 表示，这可以最大限度地减少前往 Oliktok 的时间和成本，以及系统无人值守时丢失数据的风险。声学和温度数据无法同时收集，但现在可以连续收集其中之一。

Frederick 说，该团队在项目第一年解决的一个挑战是确定如何校准光纤电缆的温度数据。通常，分布式温度传感系统采用自检系统构建，例如光纤，可自行加倍以实现冗余或内置温度计。然而，由于该团队使用的是电信暗光纤，因此他们需要计算模型来验证他们检测到的季节性温度变化。此数据分析主要由桑迪亚实习生伊森·康利 (Ethan Conley) 完成。

Frederick 使用分布式温度传感数据和分布式声学传感建模结果为开发的地球物理建模代码提供约束由桑迪亚.该代码模拟了流经地下土壤的液体和气体。 Frederick 使用此代码对所研究的北极海底区域 10 万年的地质历史进行建模，包括最近冰河时期的平均温度以及海平面上升的程度。模型的结果是海底永久冻土的当前分布图。

弗雷德里克说，该团队使用的询问器系统的局限性，包括激光的功率和传感器的灵敏度，使科学家们无法在离岸超过 18-25 英里的地方收集数据。通过系统的改进，她希望将距离拉得更远。

“这个项目有很多不同的部分，”弗雷德里克说。 “我正在研究温度，克里斯蒂安正在研究声学以获得地下模型。实际上，您需要所有这些内容来说明当前永久冻土分布的更大情况，以及我们是否看到渗漏等变化以及它如何影响更大的温室气体排放情况。能够使用新工具并将其发挥到极致，看看我们能学到什么，这真的很酷。”

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