深海的廣闊和在極端環境下工作的技術挑戰使這些深度難以進入和研究。科學家對月球表面的了解比對深海海底的了解還要多。MBARI正在利用機器人技術的進步來解決這一差距。自主機器人漫遊車Benthic Rover II已經為深海海底的生命提供了新的見解，即在海洋表面下4000米的地方。
周三發表在《科學機器人》上的一項研究詳細介紹了這個漫遊車的開發和經過驗證的長期運行。這個創新的移動實驗室進一步揭示了深海在碳循環中的作用。這個漫遊車收集的數據對於理解氣候變化對海洋的影響具有根本意義。
“這個深海漫遊車的成功現在允許對水柱和海底之間的耦合進行長期監測。”MBARI高級科學家Ken Smith說：“了解這些相互關聯的過程對於預測我們這個被變化的氣候所吞噬的星球的健康和生產力至關重要。”
儘管深海海底遠離陽光下的淺灘，但它與上面的水域相連，對碳循環和封存至關重要。一些有機物–包括死去的植物和動物、粘液和排泄物–通過水柱緩慢地下沉到海底。淤泥上和淤泥中的動物和微生物群落消化了其中的一些碳，而其餘的則可能被鎖在深海沉積物中長達數千年之久。
深海在地球的碳循環和氣候中發揮着重要作用，然而我們對發生在地表以下數千米的過程仍然知之甚少。工程上的障礙，如極端的壓力和海水的腐蝕性，使研究人員很難將設備送到深海海底去研究和監測碳的退潮。
在過去， Smith和其他科學家依靠固定的儀器來研究深海海底群落的碳消耗。他們每次只能部署這些儀器數天。通過建立在25年的工程創新上，MBARI已經開發了一個監測深海海底的長期解決方案。
“深海中的激動人心的事件通常發生得既短暫又無法預測，這就是用Benthic Rover II進行持續監測是如此關鍵的原因，”電氣工程組負責人Alana Sherman解釋說。“如果你不是一直在觀察，你很可能會錯過主要的行動。”
Benthic Rover II是由Smith和Sherman領導的MBARI工程師和科學家合作團隊努力工作的結果。
MBARI的工程師們設計了Benthic Rover II，以處理深海的寒冷、腐蝕和高壓條件。該漫遊車由抗腐蝕的鈦、塑料和抗壓的合成泡沫構成，可以承受高達6000米深的部署。
MBARI電氣工程師Paul McGill解釋說：“除了在這些極端條件下操作的物理挑戰外，我們還必須設計一個足夠可靠的計算機控制系統和軟件，以運行一年而不崩潰–沒有人在那裡按複位按鈕。電子系統還必須消耗很少的電力，以便我們可以攜帶足夠的電池來維持一年。儘管它所做的一切，漫遊車平均只消耗兩瓦特–大約相當於一部iPhone。”
Benthic Rover II的大小與一輛小汽車差不多，長2.6米，寬1.7米，高1.5米。研究人員從MBARI的船隻–R/V Western Flyer–上部署Benthic Rover II。船上的工作人員小心翼翼地把漫遊車放進水裡，然後釋放它，讓它自由落體到洋底。漫遊車需要大約兩個小時才能到達底部。一旦它降落在海底，漫遊車就可以開始它的任務。
首先，傳感器檢查沿着海底流動的水流。當它們檢測到有利的水流時，漫遊車就會向上或越過水流，到達一個不受干擾的地方，開始收集數據。
漫遊車前面的相機拍攝海底，並測量熒光。這種葉綠素在藍光下的獨特光芒揭示了有多少 “新鮮”的浮游植物和其他植物碎片落在了海底。傳感器記錄了剛剛超過底部的水域的溫度和氧氣濃度。
接下來，漫遊車放下兩個透明的呼吸儀室，測量泥土中生命群落48小時的氧氣消耗。當動物和微生物消化有機物時，它們以特定的比例使用氧氣和釋放二氧化碳。知道這些動物和微生物使用多少氧氣對於理解碳的再礦化至關重要–將有機物分解成更簡單的成分，包括二氧化碳。
48小時后，漫遊車收回呼吸儀室，向前移動10米（32英尺），小心翼翼地不要越過之前的路徑，並選擇另一個地點進行採樣。在部署期間（通常是一整年），它不斷地重複這種採樣模式。
在每次部署結束時， R/V Western Flyer 考察船返回，回收漫遊器，下載其數據，更換其電池，並將其送回深海海底，再過一年。在每一年的部署中，MBARI團隊從岸上發射另一個自主機器人–Wave Glider，每季度返回一次，檢查Benthic Rover II的進展。McGill解釋說：“漫遊車不能直接與我們溝通，告訴我們它的位置或狀況，所以我們派一個機器人來尋找我們的機器人。Wave Glider上的聲學發射器與Benthic Rover II進行通信。然後，漫遊器將狀態更新和樣本數據發送到頭頂的Wave Glider。然後，Wave Glider通過衛星將這些信息傳送給岸上的研究人員。”
MBARI高級研究專家Crissy Huffard說：“來自Benthic Rover II的數據幫助我們量化了何時、多少以及哪些碳源可能被封存或儲存在深海海底。”
在過去的七年裡，Benthic Rover II一直在M站持續工作，該站是MBARI的一個研究點，位於加州中部海岸225公裡外。M站位於海洋表面以下4000米（13,100英尺），與海洋的平均深度一樣深，使其成為研究深海生態系統的一個良好的模型系統。
在過去的32年裡，Smith和他的團隊在M站建造了一個獨特的水下觀測站。Benthic Rover II和一套其他儀器在那裡每天24小時、每周7天運行，整整一年都沒有維修。
Sherman說：“該漫遊車在七年中性能可靠，99%的時間是在海底度過的，這是多年來測試、排除故障和開發維護該車輛的最佳技術的結果。這是一個很好的例子，說明當把技術應用於科學中的挑戰性問題時，什麼是可能的。”
在M站收集的數據表明，深海遠遠不是靜止的。物理、化學和生物條件可以在幾小時到幾十年的時間範圍內發生巨大的變化。
在春季和夏季，M站上方的加州海流表層水域充斥着浮游植物。這些季節性的生產力脈衝從水體到海底層層遞增。這些下沉的有機物大部分被稱為“海洋雪”，起源於大氣中的二氧化碳。
在過去的十年中，MBARI的研究人員已經觀察到，在M站落入海底的大型“海洋雪”脈衝急劇增加。這些偶發事件占該站點每年食物供應的比例越來越大。在M站運行的七年中，Benthic Rover II記錄了重要的每周、季節性、年度和偶發事件–所有這些都提供了數據，幫助MBARI研究人員了解深海碳循環。
在2015年11月至2020年11月期間，Benthic Rover II記錄到從頭頂水域降落到深海海底的死亡浮游植物和其他富含植物的碎片（phytodetritus）的雨水大幅增加。就在深海海底上方的水域中，溶解氧的濃度下降伴隨着這種有機物的暴雨。
傳統的短期監測工具不會檢測到推動長期變化和趨勢的波動。Benthic Rover II揭示了一個更完整的關於碳如何從表面移動到海底的畫面。
Huffard強調說：“Benthic Rover II已經提醒我們注意到全球模型所遺漏的深海中重要的短期和長期變化。”
Benthic Rover II的成功和MBARI正在M站進行的工作強調了持久的平台和長期的觀察可以進一步促進我們對地球上最大生存空間的了解。隨着越來越多的公司希望從深海海底開採礦產資源，這些數據也為正在考慮進行工業開發或深海採礦的地區的基準條件提供了寶貴的見解。
海洋也是地球碳循環和氣候的一個重要組成部分。燃燒化石燃料、飼養牲畜和砍伐森林每年向我們的大氣層釋放數十億噸的二氧化碳。海洋吸收了超過25%的過量二氧化碳，使我們免受最嚴重的影響。面對不斷變化的氣候，了解碳如何在海洋的陽光下的表面和黑暗的深處流動，比以往任何時候都更重要。