海は、地球上で最も大きく、最も野生的で、最も理解されていない部分です。しかし、新しく独創的な方法で深みを測る多くのテクノロジーのおかげで、私たちは日々それらをよりよく知るようになっています.
一部の研究者は、海から物を捕獲し、それらを研究室に運んで詳細に研究しています。他の人たちは、新しいセンサーやデバイスを使って海洋を操作したり、アルゴリズムを使って探査したりしています。一緒に、これらのアプローチは、海の内部の仕組みを解読することがかつてないほど重要になっているときに、水中世界のまったく新しいビューを提供しています.
サンゴ礁から深海に生息するクラゲまで、海洋生物は人間活動によるかつてないほどの脅威に直面しています。海は汚染され乱獲され、海洋生息地が破壊され、深海採掘などの新たな影響が急速に近づいています。
海についてもっと読む:
- 海を救う方法と海が私たちを救う方法
- 釣りを禁止したらどうなる?
また、海が地球上の残りの生命にとってどれほど重要であるかがますます明らかになりつつあります。これらの絶え間なく変化する巨大な水域は、気象と気候システムにおいて重要な役割を果たし、世界中の人々に食料と生計を提供し、未知の生物多様性の広大な生息地です。この地球上の生命を理解し、保護するためには、海に目を向ける必要があります。
仮想 e-reef ビルダー
少し前まで、海洋生物学者がサンゴ礁を研究する主な方法は、一度に 1 時間ほどスキューバ ダイビングを行い、防水板に見たものを書き留めることでした。今では、1 回のダイビングで写真を撮影し、それらをつなぎ合わせてサンゴ礁の複雑な 3 次元ビューを作成できます。
カリフォルニア大学サンディエゴ校のスクリップス海洋研究所の海洋生物学者であるスチュアート サンディン教授は、「これは水中の仮想現実です」と述べています。 「没頭しているような気分になります。」
異なる角度で装備された 2 台のカメラを備えたシステムを使用して、ダイバーはまるで「芝生を刈っている」かのようにサンゴ礁を上下に泳ぎます。次に、標準的な 10 x 10m のプロットから撮影された約 3,000 枚の画像が、「モーションからの構造」として知られる手法を使用してコンピューターによって分析されます。
10 x 10m のプロットの結果は、10 億個の色付きのドットで構成されるサンゴ礁の 3 次元デジタル モデルです。
Sandin がコンピューター科学者やエンジニアのチームと協力して何年もかけて開発したこの手法は、現在世界中で展開されています。
これまでのところ、数十の都市ブロックに相当する 30 ヘクタールのサンゴ礁が 1 mm の解像度でマッピングされています。美しい水中の景色を作り出すだけでなく、あらゆる種類の貴重な情報をこれらの e リーフから抽出することができます。
サンゴ礁について詳しく読む:
- サンゴは白化から身を守るために「まばゆいばかりの」ネオン色を発します
- サンゴはどのように食べるのですか?
- サンゴ礁は白化から回復できますか?
ボストン大学の学生研究員であるコレッタ グランベリー氏は、デジタル タブレットで個々のサンゴの輪郭を細心の注意を払ってトレースし、面積を計算して経時的に比較できるようにしています。 「サンゴ礁とすべてがどのようにつながっているかについて、非常に詳細で親密なイメージが得られます」と彼女は言います。
彼女が研究しているサンゴは、何千マイルも離れた太平洋の真ん中にあるフェニックス諸島で成長しています。彼女の教授である Randi Rotjan 博士は、3 年から 5 年ごとにこれらの非常に遠いサンゴ礁への遠征を率いています。 「あなたに最も近い人々は、国際宇宙ステーションにいます」と Rotjan は言います。
これらの孤立した保護された島々は、サンゴ礁が海水温の上昇にどのように反応するかを示すのに役立ちます. 「サンゴ礁を局所的に放っておくと、地球規模の変化が唯一のストレス要因になったとき、サンゴ礁はどのように見えるでしょうか?」 Rotjan は言います。
2012 年と 2015 年に同じ区画から撮影された画像を武器に、グランベリーと彼女の同僚は、フェニックス諸島の個々のサンゴがどのように変化するかを追跡し、それらが縮小、成長、または他の何かによって大きくなりすぎていないかを確認します。
タイム カプセルとして、e リーフは未来の科学者が時計を巻き戻して、誰も予測できない新しい疑問に答えることを可能にします。 「あなたは本質的に 4 次元を探索しています」とサンディンは言います。
Eリーフは、サンゴ礁が現在どのようなものかを示すための強力なツールでもあります. 「経験豊富な科学者から政治家、コミュニティ リーダー、子供まで、誰もが目を輝かせています」と Sandin 氏は言います。
これは、保護活動を推進したキリバスの地元の人々が遠く離れて住んでいて、広大な群島のサンゴ礁を訪れることができないフェニックス諸島保護区では特に重要です。 「E リーフは、国内の人々が保護しているものとその理由を示すメカニズムになります」と Rotjan 氏は言います。
気候変動予測因子
スコットランド、グリーンランド、カナダの東海岸の間には、一連の水中センサーが 3,000 キロメートル以上伸びています。英国の国立海洋学センターのペニー ホリデイ教授は、アレイをピケット フェンスと表現しています。
彼女は、2014 年に 58 個のセンサーを設置した OSNAP (亜極北大西洋プログラムの転覆) の英国の主任研究員です。各センサーは、海面近くに位置する巨大な空気で満たされたボールで構成されています。
ボールは係留索を介して数千メートル下の海底に固定されています。ボールの浮力は係留索を直立に保ち、係留索の長さに沿って、水温と塩分、流れの速度と方向を測定するさまざまな計測器があります。目的は、北大西洋を反時計回りに渦巻く大量の温水の流れである亜極循環を監視することです。
循環は大気に熱を放出し、英国とヨーロッパを流れます。 「それが私たちを暖かくしてくれます」とHollidayは言います。この効果は、英国またはヨーロッパの気温とカナダの同じ緯度を比較することで確認できます。その違いは、その大規模な海洋循環によって私たちにもたらされた熱によって引き起こされます.
大西洋の亜寒帯循環は、「循環循環」と呼ばれる地球規模のプロセスの一部です。これは、温かく浅い海水が熱帯地方から極に向かって流れ、そこで徐々に冷やされ、密度が高くなって沈み、再び熱帯地方に向かって流れるプロセスです.
気候モデルで重要な役割を果たし、地球全体に熱と炭素を分配しますが、北大西洋ではよく理解されていません。アレイが設置されるまで、科学者たちは、この緯度での転倒循環がどれほど強いか、またそれが時間とともにどのように変化したかを知りませんでした.
最初の数年間のデータから、Holliday と彼女のチームはそれを扱い始めました。 「これらの（最初の）数字を取得しただけでも、大きな前進のように感じます」と彼女は言います. 「私たちが発見した興味深いことは、それがいかに変化しやすいかということです。」
気候変動について詳しく読む:
- 気候変動の研究に尽力している科学者たちに会いましょう
- 気候変動に関するクリスティアナ フィゲレス:「ネット ゼロ カーボンは私たちの唯一の選択肢です」
彼らはまた、転覆循環の最も重要な場所がラブラドール海のカナダとグリーンランドの間であると仮定したことは間違っていたことに気づきました.実際、行動の中心はグリーンランドとスコットランドの間にあります。 「それはあまりエキサイティングに聞こえませんが、気候モデルを解釈する方法と、気候の変化について行う予測にとって重要です」と彼女は言います.
OSNAP アレイは少なくとも 2024 年まで設置され、循環を監視し続け、将来の気候変動予測の信頼性を高めます。ホリデーのチームはまた、酸素レベルを測定する新しいデバイスを追加しています。
「現時点で世界の大きな問題の 1 つは、海と一部の棚海が酸素を失っているかどうかという問題です」と彼女は言います。 「追加情報を取得するという別の目的のために設計されたこのアレイを構築することができます。これは非常にエキサイティングです。」
深海キュレーター
深海を浮遊しているのは、研究が非常に難しい複雑なゼリー状の動物です。透明でデリケートなため、網に引っかかると簡単にバラバラになります。しかし今、カリフォルニア州のモントレー湾水族館研究所 (MBARI) のチームが、それらを観察する新しい方法を開発しました.
MBARI のプリンシパル エンジニアである Kakani Katija 博士は、DeepPIV (Particle Imaging Velocimetry) を設計しました。深海潜水ロボットに取り付けられたこのデバイスは、レーザーのシートを使用して、自然環境にある透明で複雑な動物の 3D スキャンを構築します。
Katija の最初のターゲットは、巨大な幼虫と呼ばれる体長 10 cm のオタマジャクシに似た動物でした。これらの動物は、複雑な粘液構造を作り、海水をろ過して小さな食物粒子を得ました。この動物のこぶし大のフィルターは、一対のフルート付きの天使の羽のように見えます。 「エンジニアリングの観点から、これらは私が今まで出会った中で最も素晴らしい建造物です」とカティヤは言います。
MBARI の Bioinspiration Lab の彼女のチームは、DeepPIV を使用して幼虫フィルターの内部形状をスキャンし、動物が尻尾を叩いて水を吸い込む際の粒子も追跡しました。この情報は、フィルターがどのように機能し、動物がどのようにフィルターを構築するかを理解するのに役立ちます.
すでに DeepPIV は、幼虫が 1 時間あたり 80 リットルの水をろ過し、大量の炭素が豊富な食物を吸収することを明らかにしました。フィルターが詰まると、幼虫はフィルターを投棄し、フィルターが沈み、海が炭素を深海に取り込むのを助けます。実際、幼生は海洋全体に非常に豊富に存在するため、炭素循環において重要な役割を果たしています。
他の研究者は、海を探索する方法を再考している人々を含め、DeepPIV の使用に興味を持っています。 「DNA 抽出と組み合わせたこれらの 3D 視覚化技術は、生命を説明しカタログ化するのに十分かもしれません」とカティヤは言います。
将来的には、死んだ動物の標本を収集して保存するのではなく (繊細でゼラチン状の生命体にとっては特に注意が必要です)、博物館はデジタル アーカイブとして 3D スキャンを使用して、これまで知られていなかった種を説明し、広大な深海の生命を記録するのに役立てることができます。
捜索と救助
誰かが海上で行方不明になった場合、捜索救助計画は通常、天候、海流、水の状態に関するデータを使用して作成され、予想される軌道を予測します。問題は、予測された経路が海上で実際に起こっていることから大きくずれてしまうまで、エラーが急速に蓄積される可能性があることです.
新しいアルゴリズムは、人の軌跡を予測するのではなく、どこにたどり着くかを予測することで、人を特定する可能性を高める可能性があります。このアルゴリズムは、海流、波、表面風の強さと方向を分析し、浮遊物が収束する可能性が高い TRAP (TRansient Attracting Profiles) と呼ばれる海洋の領域をリアルタイムで特定します。
現在ハーバード大学のシュミット サイエンス フェローである Mattia Serra 博士は、チューリッヒ工科大学で George Haller 教授と共に博士号を取得中にアルゴリズムを開発しました。彼は TRAP を磁石が絶えず現れたり消えたり動いたりするテーブルになぞらえています。
「それからテーブルにコインを投げます」と彼は言います。 「これらすべての磁石の影響を受けるため、コインの軌跡は非常に混沌としています。」テーブルは海面、磁石はTRAP、コインは漂流者。
テスト中に、このアルゴリズムはマサチューセッツ州沖の荒れた海でうまく機能することがわかりました。 MIT の Thomas Peacock 教授が率いるチームは、局所的な状況のスナップショットを使用して海洋の挙動をモデル化し、TRAP が形成されている可能性が高い場所を特定しました。
次に、それぞれ GPS トラッカーを搭載したブイとマネキンを海に投げ込み、捜索救助任務をシミュレートしました。予測どおり、オブジェクトは識別された TRAP に向かってドリフトしました。
セラと彼の同僚は現在、米国の沿岸警備隊がこのアルゴリズムを捜索救助活動に使用する可能性について話し合っています。このアルゴリズムは、油流出の動きをより正確に予測するためにも使用できます。
マイクロプラスチック検出器
海洋で増大するプラスチック汚染の問題に取り組むには、プラスチックがどこにあり、どこに移動し、何からできているかを知ることが重要です。これらの小さなプラスチック粒子はサイズが 5 mm 未満で、見つけるのが難しい場合があります。
「現時点では、深海の粒子の分布を知りたい場合は、それらをサンプリングする必要があります」と、海洋研究開発機構 (JAMSTEC) のポスドク研究員である高橋朋子博士は言います。
海洋プラスチック汚染について詳しく読む:
- ブルー プラネット II はプラスチック汚染に影響を与えましたか?
- プラスチックに溺れています:海洋汚染問題を解決できますか?
ネットや水筒を使って船まで運ばれ、実験室での分析のために送られるため、時間がかかります。サウサンプトン大学、アバディーン大学、JAMSTEC、および東京大学の研究者は、プロセスをすぐに自動化し、プラスチックやその他の小さな粒子 (天然または人工) を監視するのに役立つプロトタイプの粒子検出器を開発しています。深海。
彼らの装置は、海水が流れる20cmのチャンバーで構成されています。チャンバーには単一のレーザーが含まれており、粒子が存在するとレーザー光が散乱され、高解像度のホログラフィック画像が作成されます。これは、プラスチックであろうとプランクトンであろうと、粒子を識別するのに役立ちます。
同じレーザーは、ラマン分光法と呼ばれる方法を使用して、粒子の化学構造も分析します。テストでは、デバイスはポリスチレンとアクリルの 3mm ペレットをうまく区別しました。
チームの最終的な目標は、海洋を継続的に監視できる完全に自動化されたデバイスを作成することです。海洋を巡航してデータを収集するフロートやグライダーに固定された粒子検出器は、一度に数か月、場合によっては数年にわたって配備され、海洋全体のプラスチックやその他の粒子の種類と量に関する情報を送り返すことができます.
- この記事は、BBC Science Focus Magazine の第 353 号に最初に掲載されました – 購読方法はこちら
