Il y a beaucoup d'activité sous le vaste, étendues isolées de glace et de neige dans l'Arctique. Le changement climatique a considérablement modifié la couche de glace qui recouvre une grande partie de l'océan Arctique. Les zones d'eau qui étaient auparavant recouvertes d'une banquise solide sont maintenant recouvertes de fines couches de seulement 3 pieds de profondeur. Sous la glace, une couche d'eau chaude, partie de la Lentille Beaufort, a changé la composition du milieu aquatique.

Pour que les scientifiques comprennent le rôle que joue cet environnement changeant dans l'océan Arctique dans le changement climatique mondial, il est nécessaire de cartographier l'océan sous la couverture de glace.

Une équipe d'ingénieurs et d'officiers de marine du MIT dirigée par Henrik Schmidt, professeur de génie mécanique et océanique, essaie de comprendre les changements environnementaux, leur impact sur la transmission acoustique sous la surface, et comment ces changements affectent la navigation et la communication pour les véhicules circulant sous la glace.

"Essentiellement, ce que nous voulons comprendre, c'est comment ce nouvel environnement arctique provoqué par le changement climatique mondial affecte-t-il l'utilisation du son sous-marin pour la communication, la navigation, et la détection ?", explique Schmidt.

Pour répondre à cette question, Schmidt s'est rendu dans l'Arctique avec des membres du Laboratory for Autonomous Marine Sensing Systems (LAMSS) dont Daniel Goodwin et Bradli Howard, étudiants diplômés du programme conjoint MIT-Woods Hole Oceanographic Institution en génie océanographique.

Avec le financement de l'Office of Naval Research, l'équipe a participé à l'ICEX—ou Ice Exercise—2020, un programme de trois semaines organisé par la marine américaine, où le personnel militaire, scientifiques, et les ingénieurs travaillent côte à côte pour exécuter une variété de projets et de missions de recherche.

Une voie navigable stratégique

L'environnement en évolution rapide dans l'Arctique a des impacts de grande envergure. En plus de donner aux chercheurs plus d'informations sur l'impact du réchauffement climatique et ses effets sur les mammifères marins, l'amincissement de la glace pourrait potentiellement ouvrir de nouvelles voies de navigation et routes commerciales dans des zones qui étaient auparavant infranchissables.

Peut-être le plus crucial pour la marine américaine, comprendre l'environnement altéré a également une importance géopolitique.

« Si l'environnement arctique change et que nous ne le comprenons pas, qui pourraient avoir des implications en termes de sécurité nationale, " dit Goodwin.

Il y a plusieurs années, Schmidt et son collègue Arthur Baggeroer, professeur de génie mécanique et océanique, ont été parmi les premiers à reconnaître que les eaux plus chaudes, partie de la Lentille Beaufort, couplé avec la composition changeante de la glace, ont eu un impact sur la façon dont le son voyageait dans l'eau.

Pour naviguer avec succès dans l'Arctique, la marine américaine et d'autres entités de la région doivent comprendre comment ces changements dans la propagation du son affectent la capacité d'un véhicule à communiquer et à naviguer dans l'eau.

A l'aide d'un non piloté, véhicule sous-marin autonome (AUV) construit par General Dynamics-Mission Systems (GD-MS), et un système de capteurs montés sur des bouées développé par la Woods Hole Oceanographic Institution, Schmidt et son équipe, rejoint par Dan McDonald et Josiah DeLange de GD-MS, a entrepris de démontrer un nouveau concept intégré de communication acoustique et de navigation.

Le cadre, qui a également été soutenu et développé par les membres du LAMSS Supun Randeni, EeShan Bhatt, Rui Chen, et Oscar Viquez, ainsi que l'ancien élève du LAMSS Toby Schneider de GobySoft LLC, permettrait aux véhicules de se déplacer dans l'eau avec une précision de niveau GPS tout en utilisant des capteurs océanographiques pour la collecte de données.

"Afin de prouver que vous pouvez utiliser ce concept de navigation dans l'Arctique, nous devons d'abord nous assurer de bien comprendre l'environnement dans lequel nous opérons, " ajoute Goodwin.

Comprendre l'environnement ci-dessous

Après son arrivée au camp de glace de l'Arctic Submarine Lab au printemps dernier, l'équipe de recherche a déployé un certain nombre de sondes de conductivité-température-profondeur pour recueillir des données sur l'environnement aquatique dans l'Arctique.

"En utilisant la température et la salinité en fonction de la profondeur, nous calculons le profil de vitesse du son. Cela nous aide à comprendre si l'emplacement de l'AUV est bon ou mauvais pour la communication, " dit Howard, qui était responsable de la surveillance des changements environnementaux de la colonne d'eau dans l'ensemble de l'ICEX.

En raison de la façon dont le son se plie dans l'eau, à travers un concept connu sous le nom de loi de Snell, des ondes de pression sinusoïdales s'accumulent dans certaines parties de la colonne d'eau et se dispersent dans d'autres. Comprendre les trajectoires de propagation est essentiel pour prédire les bons et les mauvais emplacements pour que l'AUV fonctionne.

Pour cartographier les zones de l'eau avec des propriétés acoustiques optimales, Howard a modifié le rapport signal sur bruit (SNR) traditionnel en utilisant une métrique connue sous le nom de pénalité multi-chemins (MPP), ce qui pénalise les zones où l'AUV reçoit les échos des messages. Par conséquent, le véhicule priorise les opérations dans les zones avec moins de réverbération.

Ces données ont permis à l'équipe d'identifier exactement où le véhicule devrait être positionné dans la colonne d'eau pour des communications optimales qui se traduisent par une navigation précise.

Alors que Howard recueillait des données sur l'impact des caractéristiques de l'eau sur l'acoustique, Goodwin s'est concentré sur la façon dont le son est projeté et réfléchi sur la glace en constante évolution à la surface.

Pour obtenir ces données, l'AUV était équipé d'un appareil qui mesurait le mouvement du véhicule par rapport à la glace au-dessus. Ce son a été capté par plusieurs récepteurs attachés à des amarres suspendues à la glace.

Les données du véhicule et des récepteurs ont ensuite été utilisées par les chercheurs pour calculer exactement où se trouvait le véhicule à un moment donné. Cette information de localisation, avec les données recueillies par Howard sur l'environnement acoustique dans l'eau, offrent un nouveau concept de navigation pour les véhicules circulant dans la mer arctique.

Protéger l'Arctique

Après une série de revers et de défis dus aux conditions impitoyables de l'Arctique, l'équipe a réussi à prouver que son concept de navigation fonctionnait. Grâce aux efforts de l'équipe, les opérations navales et les futurs navires de commerce pourraient tirer parti des conditions changeantes dans l'Arctique pour maximiser la précision de la navigation et améliorer les communications sous-marines.

"Notre travail pourrait améliorer la capacité de la marine américaine à exploiter en toute sécurité et efficacement des sous-marins sous la glace pendant de longues périodes, ", dit Howard.

Howard reconnaît qu'en plus des changements du climat physique, le climat géopolitique continue de changer. Cela ne fait que renforcer le besoin d'améliorer la navigation dans l'Arctique.

"L'objectif de la marine américaine est de préserver la paix et de protéger le commerce mondial en garantissant la liberté de navigation dans les océans du monde, " ajoute-t-elle. " Le concept de navigation que nous avons prouvé lors de l'ICEX servira à aider la Marine dans cette mission. "

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.