Des créatures minuscules et effrayantes qui se cachent dans les océans de notre monde peuvent faire des ravages sur la capacité des décideurs tactiques de la Marine à détecter l'environnement ou à planifier et tracer un parcours de navigation.

La simple présence de ces animaux, certains de la taille d'une pointe de stylo, peut affecter les opérations de la Marine par l'atténuation des signaux acoustiques, bioluminescence, et le bruit ambiant.

Pour nous aider à mieux comprendre ces organismes de niveau trophique intermédiaire (ITL) comme les minuscules crustacés et méduses, les chercheurs ont mené une campagne de terrain de 14 jours l'année dernière au large des côtes du Delaware. La campagne, dirigé par l'océanographe du Laboratoire de recherche naval des États-Unis, Brad Penta, ont collecté des informations sur la dynamique des écosystèmes ITL près des fronts océaniques, des zones qui ont tendance à être biologiquement actives.

Organismes de niveau trophique intermédiaire, petit mais puissant

Tous les organismes d'un écosystème appartiennent à un niveau trophique particulier, essentiellement une étiquette indiquant où ils se situent dans la chaîne alimentaire. La taille des animaux ITL peut aller de minuscules copépodes à de grandes méduses. Ils sont déplacés par les courants dans tout l'océan, et peut former des essaims massifs.

Penta a déclaré que les essaims autour des équipements acoustiques sous-marins peuvent rendre la sortie de l'équipement peu fiable. Les essaims peuvent être si denses que le son se reflète et se répercute sur eux, provoquant de fausses lectures et ajoutant au bruit ambiant.

En plus d'affecter le son, Les organismes ITL sont connus pour flasher.

"Beaucoup de ces organismes émettent de la lumière, appelé bioluminescence, " Penta a dit. "Ils ne s'allument pas tout le temps; c'est généralement quand ils sont stimulés ou dérangés."

Comment ils ont fait

L'étude côtière comportait un certain nombre d'instruments et d'outils embarqués.

L'un des collaborateurs de l'étude, l'Université du Mississippi, a apporté un système d'imagerie in situ de l'ichtyoplancton (ISIIS). ISIIS a fourni plusieurs images haute résolution à chaque seconde où il était remorqué derrière le navire.

Au cours d'un des remorquages, ISIIS a traversé une zone de vie marine et a faussement pensé qu'elle avait touché le fond de l'océan. Il s'est avéré être un essaim de véligères, un stade larvaire de mollusques.

"Si vous en aviez assez d'eux [véligères], ils pourraient interférer avec un sonar ou un instrument optique, " a déclaré Penta. " Leur présence peut changer la profondeur à laquelle les moyens de la Marine sont déployés. "

Les chercheurs ont également attaché des outils à l'ISIIS pour mesurer la température, salinité, chlorophylle-a, oxygène, et l'atténuation de la lumière. L'association de ces outils avec les organismes ITL identifiés par l'ISIIS a permis aux chercheurs de déterminer un profil environnemental exact où vivaient des organismes particuliers.

Tout au long de la croisière, les chercheurs ont utilisé des filets pour l'échantillonnage, mais aussi déployé un Wirewalker, un dispositif d'échantillonnage entraîné par les vagues et les courants. Le Wirewalker était équipé d'une variété d'instruments pour mesurer la lumière, conductivité, Température, profondeur, rétrodiffusion lumineuse et acoustique, et l'oxygène dissous dans toute la colonne d'eau.

Les yeux dans le ciel

Dans le cadre de la campagne de terrain, dans les cieux, un avion équipé d'imageurs et d'experts en télédétection à bord a étudié l'environnement océanique et fourni des emplacements précis des fronts océaniques aux chercheurs à bord du navire. Il volait avec des caméras sensibles au visible, infrarouge long et court, et les longueurs d'onde hyperspectrales.

L'avion était également équipé de plusieurs caméras LIDAR (Light Detection and Ranging). Les LIDAR émettent des lasers colorés pour révéler les profils d'un sujet. Dans ce cas, Le LIDAR a fourni aux chercheurs des informations sur ce qui se passait sous l'eau. Deric Gray, un océanographe à la division Télédétection du LNR, exploité et testé un nouvel outil développé par le LNR appelé LIDAR multi-longueur d'onde pour l'environnement (MUWLE).

Contrairement aux LIDAR océaniques traditionnels qui ont normalement un laser monochromatique, Gray et son équipe ont conçu MUWLE avec des couleurs laser interchangeables. La flexibilité a permis à Gray et à son équipe de tester et d'optimiser différentes couleurs dans plusieurs environnements marins.

"Le bleu fonctionnait mieux en eau profonde, " Gray a dit. " Le vert a bien fonctionné dans les zones riches en algues, et le jaune a bien fonctionné dans les baies troubles avec beaucoup de boue."

Les chercheurs ont conçu MUWLE pour capter les détails dans l'eau, sachant qu'il recueillerait une petite quantité d'informations sur l'atmosphère. Mais les chercheurs ont été surpris d'apprendre que MUWLE pouvait collecter des informations détaillées sur l'atmosphère.

« Nous avons vu des couches d'aérosols qui se sont manifestées de manière plus importante que nous ne le pensions, " dit Gray. " Le LIDAR a également vu mince, nuages ​​brisés sous l'avion que nous ne pouvions pas voir autrement."

Qu'y a-t-il dans les données ?

Les chercheurs passent maintenant activement au crible leurs données. L'objectif ultime de l'étude est de développer un modèle qui peut prédire la présence d'organismes ITL.

Avant que les modèles puissent utiliser les données, cependant, le trésor de données doit être traité.

Penta a déclaré avoir extrait plus de 1,2 million d'images d'un seul trait avec l'instrument ISIIS. Son équipe utilise de nouvelles techniques pour trier toutes les informations et établir des tendances.

"Nous avons commencé à mettre en place des réseaux de neurones profonds d'apprentissage automatique pour utiliser l'intelligence artificielle pour classer les organismes, mais n'ont pas encore de résultats, " dit Penta.

Les réseaux de neurones profonds (DNN) sont des modèles mathématiques sophistiqués utilisés pour traiter de grandes quantités de données. Christophe Bois, un informaticien du LNR, forme une sorte de DNN - un réseau de neurones convolutifs (CNN) - pour identifier les organismes dans les images ISIIS.

"Les CNN sont orientés vers l'analyse d'images, " a déclaré Wood. "Un être humain ne pourrait pas traiter ces images dans une vie. Les bobines d'images sont massives et certains organismes sont très petits."

Penta a déclaré qu'il prévoyait d'utiliser le CNN pour identifier les organismes, et faire correspondre ces informations aux fronts et aux masses d'eau. Cela montrera comment les communautés de l'océan ont changé au cours de la campagne de deux semaines.

Une fois entièrement synthétisé, Penta a déclaré que les informations créeront une image complète de l'environnement, qui facilitera le développement de modèles écosystémiques prédictifs.