Navega bajo el hielo ártico | Noticias del MIT



Hay mucha actividad debajo de las vastas extensiones solitarias de hielo y nieve árticos. El cambio climático ha alterado drásticamente la capa de hielo que cubre gran parte del Océano Ártico. Las áreas de agua que alguna vez estuvieron cubiertas por témpanos de hielo sólido ahora están cubiertas por capas delgadas de solo 3 pies de profundidad. Bajo el hielo, una capa de agua tibia, que forma parte de la lente Beaufort, cambió la composición del medio acuático.

Para que los científicos comprendan el papel que juega este entorno cambiante en el Océano Ártico en el cambio climático global, es necesario trazar un mapa del océano bajo la capa de hielo.

Un equipo de ingenieros y oficiales navales del MIT dirigido por Henrik Schmidt, profesor de ingeniería mecánica y oceánica, está tratando de comprender los cambios ambientales, su impacto en la transmisión del sonido debajo de la superficie y cómo estos cambios afectan la navegación y la comunicación de los vehículos que viajan bajo el hielo. .

"Básicamente, lo que queremos entender es cómo este nuevo entorno ártico causado por el cambio climático global está afectando el uso del sonido submarino para la comunicación, la navegación y la detección". explica Schmidt.

Para responder a esta pregunta, Schmidt viajó al Ártico con miembros del Laboratorio Autónomo de Sistemas de Sensores Marinos (LAMSS), entre ellos Daniel Goodwin y Bradli Howard, estudiantes graduados del programa conjunto MIT-Woods Hole, Institución Oceanográfica de Ingeniería Oceanográfica.

Con fondos de la Oficina de Investigación Naval, el equipo participó en ICEX – o Ice Exercise – 2020, un programa de tres semanas organizado por la Marina de los EE. UU., Donde personal militar, científicos e ingenieros trabajan codo con codo para realizar una variedad de proyectos de investigación. y asignaciones.

Una vía fluvial estratégica

El medio ambiente rápidamente cambiante en el Ártico tiene impactos de gran alcance. Además de brindar a los investigadores más información sobre el impacto del calentamiento global y sus efectos en los mamíferos marinos, el adelgazamiento del hielo podría abrir potencialmente nuevas rutas de navegación y rutas comerciales en áreas donde antes era imposible cruzar.

Quizás lo más importante para la Marina de los EE. UU., Comprender el entorno alterado también tiene un significado geopolítico.

“Si el ambiente ártico cambia y no lo entendemos, podría tener implicaciones para la seguridad nacional”, dice Goodwin.

Hace varios años, Schmidt y su colega Arthur Baggeroer, profesor de ingeniería mecánica y oceánica, fueron de los primeros en reconocer que las aguas más cálidas, que forman parte de la lente Beaufort, asociadas con la composición cambiante del hielo, tenían un impacto en la forma en que el sonido viajó a través del agua.

Para navegar con éxito por el Ártico, la Marina de los EE. UU. Y otros en la región deben comprender cómo estos cambios en la propagación del sonido afectan la capacidad de un vehículo para comunicarse y navegar por el mundo.

Utilizando un vehículo submarino autónomo no tripulado (AUV) construido por General Dynamics-Mission Systems (GD-MS), y un sistema de sensores instalados en boyas desarrollado por At the Woods Hole Oceanographic Institution, Schmidt y su equipo, junto con Dan McDonald y Josiah DeLange de GD-MS, se propuso demostrar un nuevo concepto integrado de comunicación acústica y navegación.

El marco, que también fue apoyado y desarrollado por los miembros de LAMSS Supun Randeni, EeShan Bhatt, Rui Chen y Oscar Viquer, así como por el ex alumno de LAMSS Toby Schneider de GobySoft LLC, permitiría a los vehículos viajar dentro del marco. utilizando sensores oceanográficos para la recopilación de datos.

“Para demostrar que puede utilizar este concepto de navegación ártica, primero debemos asegurarnos de que entendemos el entorno en el que operamos”, añade Goodwin.

Comprenda el entorno a continuación

Después de llegar al campamento de hielo del Arctic Submarine Lab la primavera pasada, el equipo de investigación desplegó una serie de sondas de conductividad-temperatura-profundidad para recopilar datos sobre el medio ambiente acuático del Ártico.

“Utilizando la temperatura y la salinidad en función de la profundidad, calculamos la velocidad del perfil del sonido. Esto nos ayuda a comprender si la ubicación del AUV es buena o mala para la comunicación ”, dice Howard, responsable de monitorear los cambios ambientales en la columna de agua en todo ICEX.

Debido a la forma en que el sonido se dobla en el agua, gracias a un concepto conocido como Ley de Snell, las ondas de presión sinusoidal se acumulan en partes de la columna de agua y se dispersan en otras partes. Comprender las rutas de propagación es esencial para predecir las ubicaciones correctas e incorrectas para que funcione el AUV.

Para mapear áreas de agua con propiedades acústicas óptimas, Howard modificó la relación señal-ruido (SNR) tradicional mediante el uso de una métrica conocida como penalización por trayectos múltiples (MPP), que penaliza las áreas donde el AUV recibe ecos de los mensajes. Como resultado, el vehículo prioriza las operaciones en áreas con menos reverberación.

Estos datos permitieron al equipo identificar exactamente dónde debe colocarse el vehículo en la columna de agua para una comunicación óptima que da como resultado una navegación precisa.

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

Para obtener estos datos, el AUV se equipó con un dispositivo que medía el movimiento del vehículo en relación con el hielo de arriba. Este sonido fue captado por varios receptores conectados a amarres suspendidos del hielo.

Los investigadores utilizaron los datos del vehículo y los receptores para calcular exactamente dónde estaba el vehículo en un momento dado. Esta información de ubicación, junto con los datos que Howard recopiló sobre el entorno acústico en el agua, ofrece un nuevo concepto de navegación para los vehículos que viajan por el Mar Ártico.

Protege el ártico

Después de una serie de reveses y desafíos debido a las condiciones implacables en el Ártico, el equipo logró demostrar que su concepto de navegación funcionaba. A través de los esfuerzos del equipo, las operaciones navales y los futuros buques mercantes pueden aprovechar las condiciones cambiantes en el Ártico para maximizar la precisión de la navegación y mejorar las comunicaciones submarinas.

“Nuestro trabajo podría mejorar la capacidad de la Marina de los EE. UU. Para operar submarinos bajo hielo de manera segura y eficaz durante períodos prolongados”, dice Howard.

Howard reconoce que además de los cambios en el clima físico, el clima geopolítico continúa cambiando. Esto solo refuerza la necesidad de mejorar la navegación en el Ártico.

"El objetivo de la Marina de los Estados Unidos es preservar la paz y proteger el comercio mundial garantizando la libertad de navegación en los océanos del mundo", agrega. "El concepto de navegación que hemos probado en el ICEX se utilizará para ayudar a la Armada en esta misión".

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