Technologia

Podwodne laboratorium

Numer 8/2019
Obieg węgla w przyrodzie. Ogromne ­ilości CO2 trafiają do oceanów, zmniejszając ­skutki globalnego ocieplenia. Obieg węgla w przyrodzie. Ogromne ­ilości CO2 trafiają do oceanów, zmniejszając ­skutki globalnego ocieplenia. Infografika Zuzanna Sandomierska-Moroz
O tym, że nasze oceany „chorują”, wiemy nie od dziś. Jak jednak bada się ich stan? Dlaczego obserwacje morskich głębin są takie trudne? I jak te ograniczenia się pokonuje?
Schematy platform badaw­czych. Czujniki mogą być umieszczone na stałych pozycjach lub przemieszczać się wzdłuż liny.Infografika Zuzanna Sandomierska-Moroz Schematy platform badaw­czych. Czujniki mogą być umieszczone na stałych pozycjach lub przemieszczać się wzdłuż liny.

Woda ma nadzwyczajne właściwości, wskutek czego odgrywa ważną rolę w kształtowaniu klimatu. Szczególną funkcję pełnią oceany, które m.in. absorbują ogromne ilości dwutlenku węgla (CO2) z powietrza. Ok. jednej czwartej CO2 emitowanego w wyniku działalności człowieka trafia do oceanów, gdzie jest wiązane, a tym samym wyłączone z naturalnego obiegu przez setki lat, co pomaga w zmniejszaniu skutków globalnego ocieplenia. Jednakże natura nie pozostaje obojętna na nasze działania. Wzrost poziomu morza, ekstremalne zjawiska pogodowe, zakwaszenie oceanów, rozprzestrzenianie się chorób tropikalnych, wymieranie gatunków i ekosystemów to konsekwencje ludzkich oddziaływań na naturalny cykl węgla.

Ile jeszcze CO2 może pochłonąć ocean? Jakie procesy leżą u podstaw tego zjawiska i jak zmienią się one w przyszłości? Dokładne zrozumienie cyklu węgla pozwoli odpowiedzieć na wiele pytań stawianych przez naukowców, polityków czy ekonomistów oraz pomoże nam zrozumieć, prognozować i łagodzić zmiany klimatyczne. Nie jest to łatwe, ponieważ cykl węgla w oceanie zależy od wielu czynników: cyrkulacji oceanicznej, temperatury, pH, a przede wszystkim obecności fitoplanktonu i jego dostępu do światła oraz mikroskładników pokarmowych (fosforanów, azotanów czy żelaza). Monitorowanie tych parametrów jest trudne, gdyż naukowcy muszą zmierzyć się z potęgą środowiska oceanicznego, które jest ciemne, niedostępne i charakteryzuje się dużymi zmianami ciśnienia, temperatury i zasolenia.

Morskie wyprawy

Wiele z tego, co wiemy o cyklu węgla, zawdzięczamy misjom oceanograficznym, wykorzystującym statki naukowe. Pierwsze tego typu przedsięwzięcie na wielką skalę przeprowadzono w latach 1872–1876, kiedy to mały statek wojenny został wyposażony w profesjonalny sprzęt laboratoryjny. W czasie podróży dookoła świata „Challenger” zgromadził informacje na temat geologii dna morskiego oraz temperatury, prądów i form życia występujących w badanych wodach. Dzisiejsze statki naukowe (np. niemiecki „Meteor”, francuski „L’Atalante” czy polski „Oceanograf”) są oczywiście o wiele lepiej wyposażone, a automatyzację widać już na etapie poboru próbek do analiz. Rozety, na których umieszczone są odporne na wysokie ciśnienie butle na wodę, mają czujniki do mierzenia właśnie ciśnienia, ale i zasolenia wody oraz jej temperatury. Taką zawieszoną na linie rozetę zanurza się w morzu. Butle kolejno zamykają się na określonej głębokości, izolując w swoim wnętrzu cenne próbki wody. Próbki te analizuje się jeszcze na statku lub wysyła do odpowiednich instytucji na lądzie.

Dzisiaj żadna porządna misja oceanograficzna nie obędzie się bez pomiaru pH oraz określenia zawartości chlorofilu, tlenu, fosforanów, azotanów czy krzemianów w badanych wodach. W zależności od celu danej wyprawy mierzone mogą być też inne parametry. Bardzo często oznacza się metale, które stanowią mikroskładniki pokarmowe dla fitoplanktonu (cynk, miedź, żelazo) lub informują o stanie zanieczyszczenia wód przez człowieka (ołów, srebro). W toni o zubożonej zawartości tlenu (tzw. strefy martwych wód) oznacza się takie gazy jak tlenek diazotu czy siarkowodór, a ich wysokie stężenia świadczą o rozwoju organizmów beztlenowych w badanych obszarach.

Analiza próbek wody to proces długotrwały. Tymczasem jedna doba na większym statku to koszt nawet 50 tys. euro (przykładowy dzień na „Oceanografie” można zobaczyć tutaj https://www.youtube.com/watch? time_continue=133&v=AAu9Mb6rvvc)! Z pomocą przychodzą satelity, które co prawda potrafią m.in. określić zawartość chlorofilu w oceanie, a co za tym idzie – obecność fitoplanktonu, ale nie są w stanie oszacować stężenia makro- i mikroskładników w wodzie czy zmierzyć jej pH. Obserwacja oceanów wymagała więc rewolucji technologicznej na szeroką skalę.

Niezwykłe pływaki

W odpowiedzi na rosnące potrzeby oceanografów ok. 20 lat temu powstał program „Argo”, w którym do obserwacji oceanów używa się tzw. sond profilujących. Obecnie prawie 4 tys. tych urządzeń przemierzają nasze wody, badając głównie ich temperaturę, ciśnienie i zasolenie. Pływaki pracują w cyklach 10-dniowych. Na początku zanurzają się na głębokość 1 km i pozostają tam przez 9 dni, dryfując wraz z prądami morskimi. Następnie nurkują jeszcze głębiej (tj. na 2 km p.p.m.), po czym zaczynają się wynurzać. W czasie wypływania dokonywane są pomiary wspomnianych wyżej parametrów. Po wynurzeniu sondy przekazują dane za pomocą systemu Argos, obejmującego satelity umieszczone na orbicie ziemskiej. Niektóre pływaki używają systemu telefonicznego Iridium, co umożliwia szybkie przesłanie danych oraz dwustronną komunikację, np. zmianę sposobu profilowania przez urządzenie. Sondy transportuje się na miejsca przeznaczenia statkiem lub zrzuca z samolotu. Ponieważ po 3–5 latach ich baterie się wyczerpują, każdego roku do oceanów musi trafić mniej więcej 750 nowych, aby utrzymać całkowitą liczbę pływaków na stałym poziomie.

Program „Argo” jest przedsięwzięciem międzynarodowym. Ponad 2 tys. sond należy do Stanów Zjednoczonych. Na drugim miejscu jest Australia (400 urządzeń), a na trzecim – Francja (300 sztuk). Instytut Oceanologii Polskiej Akademii Nauk (IO PAN) ma także swój udział w tym programie. W 2016 r. z pokładu statku naukowego „Oceania” zwodowano pierwszy polski pływak Argo na Morzu Bałtyckim. Polska jest drugim państwem na świecie (po Finlandii), które tego dokonało. Dzięki międzynarodowej współpracy naukowcy z IO PAN umieścili także sondy profilujące w Morzu Norweskim czy w okolicach Antarktydy. Ponadto nasi badacze biorą udział w programie „Euro-Argo RISE”, który wystartował w styczniu tego roku. Celem przedsięwzięcia jest utrzymanie liczby sond na stałym poziomie, zwiększenie głębokości profilowania do 4 km p.p.m. oraz wyposażenie większej liczby pływaków w czujniki do mierzenia pH, stężenia tlenu, azotanów czy chlorofilu. Obecnie posiada je zaledwie 300 tych urządzeń.

Nie tylko Argo

Sondy Argo to niejedyne urządzenia profilujące, które badają nasze oceany. Często używa się tzw. podwodnych szybowców. Poruszają się one nie tylko w górę i w dół, jak opisane wyżej pływaki, lecz także – dzięki wyposażeniu w płetwy – w poziomie. Ster znajdujący się na rufie daje możliwość korygowania kierunku ruchu. Podwodny dron potrafi więc np. zawrócić i ponownie zbadać interesujący obszar. Podwodne szybowce są wyposażane w te same czujniki co sondy Argo, ale zazwyczaj nie schodzą tak głęboko, a ich czas działania jest krótszy.

Tymczasem na powierzchni oceanów pracuje ok. 1,5 tys. sond dryfujących, które – unoszone przez prądy morskie – dokonują pomiarów zasolenia i temperatury wody, prędkości i kierunku wiatru oraz ciśnienia atmosferycznego. Każda składa się z boi oraz obciążonej nylonowej liny sięgającej 15 m p.p.m. Dzięki obciążeniu sonda śledzi ruchy prądów morskich, ale nie jest popychana przez wiatr, co prowadziłoby do błędnych wyników. Czujniki do analizy powietrza znajdują się oczywiście na wynurzonej części boi, a detektory do monitorowania parametrów wody – na zanurzonej. Dane z pomiarów są przesyłane co godzinę za pomocą systemu Argos lub Iridium. Czas życia takiego dryftera to ok. 1,5 roku.

W co ciekawszych miejscach instaluje się także stałe platformy badawcze. Na bardzo długiej linie (przytwierdzonej do dna oceanu za pomocą kotwicy, a czasem… 2–4 kół od pociągu) umieszcza się odpowiednie czujniki. Rozciąga się ona ku powierzchni, bo na jej końcu jest unosząca się na powierzchni boja. Co ciekawe, urządzenia pomiarowe mogą się przemieszczać wzdłuż liny, zbierając dane z kilku głębokości. Zastosowanie stałych platform badawczych pozwala na obserwację wybranych miejsc przez dłuższy czas, co pokazuje sezonowe zmiany na danym obszarze.

Analizy pod prądem

Głównym problemem przedstawionych rozwiązań jest ograniczona liczba sond i platform wyposażonych w odpowiednie czujniki. Na dodatek wciąż brakuje np. sensorów do oznaczania fosforanów czy krzemianów, czyli mikroskładników, które wraz z azotanami kontrolują pochłanianie CO2 przez fitoplankton. Nie jest bowiem tak łatwo stworzyć detektor, który będzie działał w sposób autonomiczny przez kilka lat, zużywał mało energii i był na tyle mały, by zmieścić się chociażby na pokładzie sond Argo.

Nad rozwiązaniem tego problemu pracuje dr Véronique Garçon z Laboratoire d’études en Géophysique et océanographie spatiales i jej zespół z Tuluzy. Do tej pory fosforany i krzemiany oznaczano za pomocą spektrofotometrii po uprzedniej ich przemianie w barwny produkt w wyniku reakcji z molibdenianami (sole kwasu molibdenowego). Chociaż naukowcy z całego świata stworzyli różne wersje zautomatyzowanych detektorów opartych na tej metodzie, to żaden z nich nie mógł być użyty na większą skalę. Analizatory te wymagają bowiem pojemników z reagentami do przeprowadzenia wspomnianej reakcji, co czyni je zbyt dużymi i ciężkimi.

Naukowcy z Tuluzy natomiast wpadli na pomysł, aby reagenty te powstawały na miejscu. Użyto w tym celu drutu molibdenowego. Pod wpływem napięcia elektrycznego taki drut rozkłada się i powstają niezbędne molibdeniany. Jeżeli proces ten dokona się w wodzie morskiej, to znajdujące się w niej fosforany i krzemiany połączą się z tak wytworzonymi molibdenianami i będą mogły być oznaczone za pomocą spektrofotometrów. Naukowcy poszli jednak o krok dalej i wykorzystali inny rodzaj detekcji, w którym to wspomniane mikroskładniki są oznaczane na elektrodzie ze złota. W ten sposób zasada działania całego analizatora, któremu nadano nazwę ANEIS, jest oparta na elektrochemii.

Zastosowanie elektrochemii do badań oceanów nie jest nowością. Technika ta jest używana chociażby do oznaczania pH, mierzenia zasolenia, stężenia tlenu, metali i związków siarki. Na uwagę zasługuje czujnik tlenu STOX, stworzony przez prof. Nielsa Revsbecha z duńskiego Aarhus Universitet. Urządzenie potrafi wykryć stężenia tego gazu na poziomie odpowiadającym strefom martwych wód. Bardzo ciekawy jest również czujnik elektrochemiczny prof. G.W. Luthera z University of Delaware w Stanach Zjednoczonych o nazwie ISEA. Detektor potrafi oznaczyć stężenia kilku metali (np. żelaza, manganu i cynku), związków siarki (w tym siarkowodoru), tlenu i nadtlenku wodoru (czyli wody utlenionej), i to jednocześnie! Mimo że STOX i ISEA nie dołączyły (przynajmniej jeszcze) do floty Argo, to są instalowane na rozetach i używane do analiz wód o zubożonej zawartości tlenu.

W kwietniu 2017 r. ANEIS został zainstalowany na stałej platformie u wybrzeży Chile. Eksperyment się powiódł, więc kilka tygodni później analizator trafił na pokład sondy profilującej i został przetestowany na Morzu Śródziemnym. Wyniki eksperymentu są bardzo obiecujące, ale potrzeba jeszcze wielu testów, aby urządzenie trafiło do sprzedaży i dołączyło na stałe do floty Argo, spełniając marzenia francuskich naukowców oraz oceanografów z całego świata.

Justyna Jońca
Autorka brała udział w badaniach Véronique Garçon i Nielsa Revsbecha.

***

Podwodne szybowce i lodowce Antarktydy

Antarktyda to tajemnicze miejsce, ale tym bardziej woda pod nią. Naukowcy z University of Washington w Seattle mają nadzieję, że odkryją jej sekrety za pomocą podwodnych dronów. W grudniu 2017 r. umieścili siedem podwodnych szybowców pod szelfem lodowym Pine Island, gdzie lód z dwóch największych lodowców Antarktydy spotyka się z morzem. Podczas tej niebezpiecznej misji dronom towarzyszą cztery sondy Argo. Oba typy urządzeń mierzą temperaturę, ciśnienie, zasolenie, a także prądy morskie pod lodem. Wyniki badań mają pomóc w formułowaniu przewidywań, jak topniejący lód wpływa na wzrost poziomu morza.

***

ISEA i kominy hydrotermalne

Czujnik ISEA jest znany głównie z wypraw jego wynalazcy prof. Luthera w okolice kominów hydrotermalnych, które wyrzucają ogromne ilości siarki i jej związków do okolicznych wód. Naukowiec zamontował czujnik na ruchomym ramieniu pojazdu podwodnego Alvin (który brał udział m.in. w podwodnych obserwacjach wraku „Titanica”) i skierował go bezpośrednio na kolonię Riftia pachyptila żyjącą wokół ujść kominów. Organizmy te nie mają ust, oczu ani żołądka i polegają całkowicie na bakteriach, które żyją w ich wnętrzu, produkując żywność. Mikroby z kolei żywią się siarkowodorem. Jeżeli zabraknie tego związku chemicznego, bakterie i cała kolonia R. pachyptila umierają.

Prof. Luther sądzi, że jego badania mogą pomóc astrobiologom w wykrywaniu życia na innych planetach. Europa, jeden z księżyców Jowisza, pokryta jest lodem. Ale liczne odkrycia sugerują, że płyty lodu się poruszają, co jest mocnym dowodem na to, że znajduje się pod nimi ciekła woda. Jeżeli na dnie oceanów Europy znajdują się otwory hydrotermalne, to mikroby też mogą tam żyć.

***

Argo i cyklony

Czasami spokojny tryb pracy niezwykłego pływaka zostaje drastycznie zakłócony. Gdy znajdzie się on na obszarze o ekstremalnych warunkach meteorologicznych, jego sposób profilowania oceanów zostaje zmieniony tak, aby dokonywał odpowiednich pomiarów. Do takich sytuacji należy przejście cyklonu tropikalnego. Cykl pomiarowy jest wtedy szybszy i przeprowadzany do głębokości ok. 100 m. Cyklony tropikalne zaburzają oceaniczną warstwę dobrze wymieszaną i oziębiają ocean. Sondy Argo były używane np. podczas przejścia cyklonu Japhet poprzez Kanał Mozambicki w 2003 r. Natomiast sondy profilujące i dryftery podczas huraganu Frances w 2004 r.

01.08.2019 Numer 8/2019

Czytaj także

Reklama
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną