Les chercheurs du Sandia National Laboratories commencent à analyser le premier ensemble de données du fond marin sous la glace de mer de l'Arctique à l'aide d'une nouvelle méthode. Ils ont pu capturer les tremblements de glace et les activités de transport sur le versant nord de l'Alaska tout en surveillant d'autres signaux climatiques et la vie marine.

L'équipe, dirigé par le géophysicien de Sandia Rob Abbott, connecté un iDAS, un système d'interrogateur à détection acoustique distribué fabriqué par Silixa, à un câble à fibre optique existant appartenant à Quintillion, une entreprise de télécommunications basée en Alaska. Le câble atteint le fond marin depuis Oliktok Point. Pendant sept jours, 24 heures par jour, les vibrations du câble ont été capturées et enregistrées, aider les chercheurs à mieux comprendre quelles activités naturelles et d'origine humaine se déroulent dans l'océan en manque de données.

C'est la première fois qu'un système d'interrogateur à détection acoustique distribuée était utilisé pour capturer des données sur le fond marin des océans Arctique ou Antarctique, et l'équipe voit de nombreux avantages pour une utilisation future.

"Il s'agit d'une collecte de données unique en son genre, et en ce qui concerne ce que font les laboratoires nationaux, c'est exactement le type de risque élevé, des recherches très lucratives qui pourraient faire une énorme différence dans la façon dont nous sommes en mesure de surveiller l'océan Arctique, " a déclaré Kyle Jones, directeur de Sandia. " C'est vraiment à la pointe de la sismologie et de la géophysique, ainsi que le changement climatique et d'autres disciplines.

L'équipe s'attend à enregistrer des signaux climatiques tels que le moment et la distribution de la débâcle de la banquise, hauteur des vagues océaniques, épaisseur de glace de mer, les zones de faille et la sévérité des tempêtes. Expédition, les chants des baleines et les brèches peuvent également être enregistrés. Cette nouvelle méthode de surveillance a le potentiel de capturer de manière persistante une grande variété de phénomènes arctiques d'une manière rentable et sûre afin que les scientifiques puissent mieux comprendre les effets du changement climatique sur cet environnement fragile, dit Abbott.

L'interrogateur ressemble à un boîtier électronique qui peut être attaché au câble de fibre optique à terre, et il utilise un laser pour envoyer des milliers de courtes impulsions lumineuses le long du câble chaque seconde. Une petite proportion de cette lumière est réfléchie - ou rétrodiffusée - le long du câble alors que le fond marin auquel il est attaché se déplace à cause de la terre, glace de mer, courant océanique et activités animales. La lumière rétrodiffusée permet à l'interrogateur de détecter, surveiller et suivre les événements le long de la fibre, et les données sont stockées sur des disques durs.

"Le câble à fibre optique de Quintillion est dans un endroit favorable sur le versant nord de l'Alaska, " a déclaré Abbott. " Cette technologie fonctionne pour ce projet pour plusieurs raisons. Nous n'envoyons pas un bateau pour surveiller les usines; nous ne marchons pas sur la banquise pour essayer d'installer des capteurs. Ce câble existera pendant des décennies et nous pourrons en tirer de bonnes données. C'est un moyen très sûr de prendre cette mesure dans un environnement dangereux."

Financé par le programme de recherche et développement dirigé par un laboratoire, il s'agissait de la première des huit semaines de collecte de données qui auront lieu au cours des deux prochaines années au cours du projet. L'équipe visitera l'Alaska au cours de chacune des quatre saisons arctiques définies comme étant liées aux glaces, sans glace, congélation et décongélation. Une troisième année sera consacrée à l'analyse plus approfondie des données.

Abbott a déclaré que les résultats seront communiqués à la communauté scientifique au sens large et seront fournis à la communauté de la modélisation climatique pour être inclus dans les algorithmes. En outre, l'équipe espère que les résultats du projet montreront la nécessité d'une surveillance continue de la détection acoustique distribuée dans l'Arctique.

"Nous aimerions fournir des données aux modèles climatiques de haute fidélité et à l'analyse des données brutes, " a déclaré Abbott. " J'espère également effectuer une mesure directe de l'épaisseur de la banquise, ce qui est difficile actuellement. À l'heure actuelle, vous avez besoin d'un avion survolant ou vous avez besoin d'aller sur la glace. Cela peut être très dangereux et coûteux, et vous ne pouvez le faire qu'une ou deux fois par an. A l'aide d'un câble en fibre optique, le système de détection acoustique distribué pourrait être disponible 24/7/365 et vous pourriez potentiellement prendre une mesure de l'épaisseur de la banquise une fois par jour."

Données encourageantes capturées au cours des 168 premières heures

Les chercheurs de Sandia commencent tout juste à analyser les 168 premières heures de données collectées en février, et ils sont encouragés par ce qu'ils voient, dit Abbott.

"Nous voyons des choses qui indiquent des tremblements de glace. Nous voyons des événements aussi loin que 33 kilomètres dans l'océan où il ne devrait y avoir aucune activité anthropique, " il a dit, se référant aux deux premières heures de données qu'il avait examinées. "Nous assistons certainement à un événement naturel quelconque. Cela pourrait être un tremblement de terre, ou cela pourrait être un événement micro-sismique dans le sol comme un tremblement de terre. Nous ne sommes pas encore sûrs."

Plus près du rivage, Abbott a déclaré que l'équipe avait très probablement enregistré des puits de production et de réinjection recyclant les eaux usées et des fréquences indicatives des marées et des courants océaniques. Un résultat surprenant a été le système captant les fréquences d'un engin volant à basse altitude.

L'interrogateur peut enregistrer des événements à une densité spatiale de trois à quatre ordres de grandeur supérieure aux déploiements traditionnels d'hydrophones ou de sismomètres de fond océanique, dit Abbott.

« Dans cette première collecte de données, nous ne nous attendions pas à voir beaucoup de courants et de tremblements de glace car il y avait une couverture de glace stable sur toute la zone, et pourtant nous voyons certaines de ces choses, ce qui est passionnant, ", a déclaré Abbott.

Abbott a déclaré qu'il était impatient de collecter des données sur les baleines et les phoques pendant la saison de migration. L'Arctique abrite des baleines boréales et des bélugas, chacun ayant des chansons individuelles. Le système devrait être capable d'enregistrer ces chansons de la même manière que l'enregistrement des tremblements de terre car les vibrations de l'océan sont transmises à la terre, qui est ensuite transmis au câble. Avec les baleines, un motif caractéristique se développe au fur et à mesure que la chanson change de hauteur.

"C'est ce qu'on appelle le vol plané, où au fil du temps, les fréquences commencent bas et montent et redescendent, " a déclaré Abbott. " De telles fréquences sont caractéristiques des sources biologiques et se distinguent facilement des autres sources, comme les tremblements de terre. Les baleines chantent souvent pendant plus de 30 minutes avec des notes répétées individuelles qui durent quelques secondes et qui glissent de haut en bas."

La météo du versant nord a ajouté de l'intensité à la première semaine critique de l'expérience

Le climat attendu mais féroce du versant nord était un défi. En février, la zone est sombre environ 18 heures par jour et parce que la neige souffle la plupart du temps et que les routes ne sont pas bien balisées, tout continue d'avoir l'air neuf, dit Abbott. L'équipe était également confrontée à un froid glacial, et pendant qu'ils étaient préparés, les températures étaient environ 10 degrés plus froides que prévu, à un moment donné, tombant à moins 45 degrés Fahrenheit (moins 77, refroidissement éolien compris). Même les gens qui y travaillent pour gagner leur vie ont fermé toutes les activités de plein air, dit Abbott.

"L'Arctique américain est formidable, 30 degrés au-dessous de zéro étant un phénomène courant pendant les mois d'hiver, " a déclaré Michael McHale, Directeur des recettes de Quintillion. « Une grande partie de la région est constituée de toundra et difficile à traverser dans les meilleures conditions météorologiques. Travailler ici nécessite une expérience considérable et une expertise durement acquise. Les implications techniques sont énormes. La plupart des réseaux et des stations satellites au sol ne fonctionnent pas dans les régions où ils doivent être capable de tolérer 70 degrés en dessous de zéro."

En raison de conditions difficiles, Le câble à fibre optique de Quintillion est à double blindage avec une gaine en cuivre et en acier pour protéger contre les coupures, dommages par écrasement ou abrasion, dit McHale.

"Tous les composants réseau de l'entreprise, y compris le câblage, sont conçus pour résister à l'environnement extrême de l'Arctique et se protéger contre les pannes de réseau, ", a-t-il ajouté. "Les parties sous-marines du câble sont principalement enfouies sous le fond marin."

Les nerfs ont duré toute la semaine car la collecte de données réussie était incertaine

Le lendemain de l'arrivée de l'équipe, les chercheurs se sont rencontrés à l'installation d'atterrissage des câbles de Quintillion où le système de détection acoustique distribué a été installé avec l'aide de l'entreprise. Un membre de l'équipe de Silixa, la société Sandia a acheté le système de détection acoustique distribué à, était également là pour aider.

Les chercheurs de Sandia ont pu utiliser environ 30 milles de câbles sous-marins en fibre optique, McHale a dit, et la configuration s'est bien déroulée. Il a ajouté que le projet a été une grande expérience jusqu'à présent.

" L'opportunité de travailler avec certains des géophysiciens et data scientists les plus compétents du pays est passionnante et un honneur, " a-t-il déclaré. " Soutenir le travail de la communauté scientifique est depuis longtemps un objectif de Quintillion. Atteindre cet objectif avec un client aussi apprécié que Sandia Labs a dépassé nos attentes."

Pendant les premiers jours de la collecte initiale, il y avait une nervosité anticipée au sein de l'équipe parce que c'était quelque chose qui n'avait pas été fait auparavant. Alors qu'Abbott a utilisé des câbles à fibres optiques pour enregistrer des explosions pour Sandia, il ne les avait pas utilisés sur un fond marin ni pour quelque chose d'aussi grand.

L'interrogateur recueille 2 gigaoctets d'informations par minute, et parce qu'il arrive si vite, il est difficile de savoir si les données sont bonnes, dit Abbott. Au bout de trois ou quatre jours, l'équipe avait des indications que le système fonctionnait bien, et il a fallu toute la semaine avant qu'ils ne se sentent confiants dans l'expérience.

"Ce qui me passionne, c'est que nous voyons beaucoup de phénomènes intéressants dans cette collecte de données, qui sera probablement l'ensemble de données le plus silencieux avec le moins de tremblements de glace ou d'action des vagues, " a déclaré Abbott. " Une fois que nous commençons à voir la glace se briser et les icebergs s'écraser les uns sur les autres dans d'autres saisons quand il n'y a pas de glace du tout là-haut, nous verrons mieux les choses comme les marées, courants et tempêtes."