Sur le campus de l'Observatoire de la Terre de Lamont-Doherty, les scientifiques explorent les volcans sous-marins, surveiller l'érosion côtière le long des rivages difficiles d'accès, et étudier le mouvement de la banquise – le tout en temps réel. En chargeant des drones avec des instruments de haute technologie et en utilisant des satellites et des câbles sous-marins qui interagissent avec des capteurs dans certains des endroits les plus reculés de la Terre, ils découvrent les secrets de notre planète.

"L'observation de la Terre en temps réel va changer la façon dont la science est faite au cours des 10 à 20 prochaines années, " a déclaré Tim Crone, un géophysicien marin qui co-dirige une initiative de l'observatoire de la Terre Lamont-Doherty pour repousser la frontière des données en temps réel sur la planète. "Nous sommes au bord du précipice d'un nouveau type de science, et la technologie nous donne l'opportunité de faire des choses incroyables."

Lamont est l'une des rares installations de recherche au monde où les scientifiques mettent en place tous types de plateformes scientifiques, du fond marin à l'espace, à utiliser pour l'analyse des données en temps réel. Les données proviennent de réseaux câblés traversant le fond marin, véhicules sous-marins, et des laboratoires aériens aussi grands que des avions et aussi petits que des drones. Les satellites renvoient des données de capteurs marins qui surveillent la chimie des océans et les courants dans le monde.

Ces mesures en temps réel alimentent des percées dans les sciences car elles vérifient les modèles informatiques et révèlent des changements inattendus.

Le laboratoire de drones ouvre de nouveaux paysages à la science

Dans l'Arctique, L'océanographe Christopher Zappa a redessiné des instruments généralement trouvés à bord de navires de recherche ou d'avions et les a installés dans des drones qu'il vole à basse altitude au-dessus de la banquise. La portée des drones lui permet d'étendre sa zone d'étude et d'éviter les interférences dues à la chaleur et aux mouvements d'un navire, tout en réduisant considérablement les coûts. Le résultat est des données inégalées sur la topographie et le mouvement de la glace de mer et de nouvelles informations sur la façon dont la glace de mer se brise et comment l'atmosphère et l'océan s'influencent mutuellement.

"Les UAS (systèmes aériens sans pilote) sont l'endroit où se trouvaient les véhicules sous-marins autonomes et télécommandés il y a 20 ans. Vous aviez ces superbes plates-formes, mais les scientifiques commençaient à peine à comprendre comment les utiliser, " dit Zappa. " Aujourd'hui, il y a des véhicules sous-marins partout dans les océans du monde. Ce qui manque aux UAS, c'est la capacité d'intégrer des instruments de qualité scientifique dans la charge utile. Faire quelque chose de vraiment scientifique nécessite une ingénierie importante."

Zappa, co-responsable de l'initiative Terre en temps réel avec Crone et l'océanographe physique Ryan Abernathey, étend cette capacité d'ingénierie à Lamont grâce à son laboratoire UAS, qui conçoit des charges utiles de haute technologie avec imagerie hyper-spectrale, lidar, caméras infrarouges thermiques, et d'autres capteurs pour des missions scientifiques.

Les drones scientifiques sont de toutes tailles, des hélicoptères légers que vous pouvez lancer de votre main aux drones à voilure fixe de la taille de petits avions. Les petits quadricoptères ne peuvent pas transporter beaucoup plus qu'un appareil photo, mais ils donnent aux vulcanologues Einat Lev et Elise Rumpf la capacité de cartographier les coulées de lave et de regarder à l'intérieur des caldeiras. Alessio Rovere met de petits drones au travail pour surveiller l'érosion côtière et le blanchissement des coraux. Alors que les satellites peuvent fournir des gros plans, leur fréquence de passage, couverture, et la collecte de données sont limitées, et les nuages ​​obstruent souvent la vue. Avec des drones, Rovere, un géologue, peut s'approcher des étendues de rivage difficiles d'accès sans déranger le sol.

Zappa, dont le travail sur la banquise repose sur des instruments plus sophistiqués, utilise de plus gros drones à voilure fixe avec navigation GPS à pilotage automatique et 10 à 20 heures de vol. Avec des charges utiles de la taille d'un ballon de football, Zappa peut piloter des systèmes d'imagerie hyperspectrale qui utilisent des ondes lumineuses pour déduire de quoi est fait un objet ou comment l'énergie circule. Il peut examiner les algues dans l'eau et comment elles affectent le bilan thermique de surface, par exemple. Une autre charge utile laisse tomber des bouées qui profilent l'atmosphère et mesurent la température et la salinité des océans.

"Les UAS permettent aux scientifiques de s'approcher d'un glacier, quelque chose que vous ne feriez pas normalement avec un navire. Si vous voulez regarder une région côtière, vous pouvez régulièrement survoler des transects à travers la zone de surf, " dit Zappa.

Au fur et à mesure que les coûts baissent, des drones pourraient même être pilotés dans des ouragans pour collecter des données en temps réel sur la hauteur des vagues, élan, et la chaleur, il a dit.

Des données en temps réel des profondeurs

Dans les océans, Les scientifiques de Lamont utilisent des véhicules sous-marins autonomes et distants pour explorer le fond marin et mesurer l'environnement marin.

Zappa aime les bouées dérivantes à énergie solaire qui se connectent à des capteurs sur le fond marin ou dans la colonne d'eau et peuvent télémesurer les données vers des satellites pour une surveillance en temps réel. Groupe de géophysique polaire de Robin Bell, qui a construit l'IcePod pour cartographier la plate-forme de glace de Ross en Antarctique depuis les airs, déploie des bouées pour la surveillance en temps réel de la température de l'eau, salinité, et les courants sur les bords des plates-formes glaciaires.

Crone a passé une grande partie de sa carrière à développer des instruments pour un autre type de système de télédétection :un observatoire des fonds marins avec un câble à fibre optique s'étendant sur 300 milles de la côte de l'Oregon à un ensemble de capteurs. Les capteurs renvoient maintenant des observations en temps réel depuis Axial Seamount, un volcan sous-marin sur une dorsale médio-océanique où un nouveau fond océanique est en train de se créer. La géophysicienne marine Maya Tolstoï a utilisé les données en temps réel pour y étudier une éruption de 2015, en commençant par une légère augmentation des tremblements de terre avant l'éruption et en surveillant la façon dont l'énergie de l'éruption s'est déplacée dans l'eau.

Traitement des fleuves de données

Toutes ces données entrantes augmentent la demande de puissance informatique et de moyens intelligents de les traiter et de les archiver.

L'Alliance interdisciplinaire des données de la Terre (IEDA), dirigé par Kerstin Lehnert et Suzanne Carbotte à Lamont, joue un rôle crucial en stockant les données scientifiques des scientifiques du monde entier et en les rendant largement disponibles ainsi que des outils d'analyse. Abernathey, pendant ce temps, travaille sur des moyens d'améliorer l'architecture du système de données et d'établir des capacités de calcul haute performance adaptées aux besoins de données de Lamont.

« Ces plateformes seront utilisées pour des expérimentations dans les années à venir que nous ne pouvons imaginer aujourd'hui, " a déclaré Crone. " La même chose vaut pour Internet et les satellites qui peuvent nous connecter. Il s'agit d'avoir un problème à résoudre, construire le capteur ou l'appareil, le connecter à une plateforme ou à un réseau, et apporter des données pour commencer à résoudre ce problème."

"C'est l'avenir, " dit Crone.

C'est aussi l'héritage de Lamont. Lamont a été construit sur la vision du fondateur Maurice "Doc" Ewing de collecte constante de données et de partage ouvert de données pour permettre la recherche et les découvertes mondiales. Si les scientifiques d'Ewing n'avaient pas la technologie dont ils avaient besoin, ils l'ont construit eux-mêmes.

Alors que les scientifiques-ingénieurs de Lamont continuent de repousser les frontières de la science, la Real-Time Earth Initiative porte l'accès aux données à de nouveaux niveaux. "La science de tout le monde s'améliorera grâce à cela, " Crone a dit, "parce que tout le monde pourra puiser dans la construction de nouveaux systèmes pour observer la Terre."