海洋的运动通常被认为是水平的，例如，在环绕地球的强大洋流中，或者沿着海岸线起伏的海浪中。但也有大量的垂直运动，特别是在开放的海洋中，来自深海的水可以上升，把营养带到上层海洋，而地表水下沉，把死亡的生物，连同氧气和碳，送到深层内部。
海洋学家使用仪器来描述海洋水域和生活在那里的生物群落的垂直混合。但是这些工具在捕捉小尺度特征的能力上是有限的，比如在一个小的，千米宽的海洋区域内水和生物的涨落。这些特征对于理解存在于特定海洋体积(如渔场)中的海洋生物的构成，以及海洋能够吸收和吸收的碳量是至关重要的。
现在，麻省理工学院和伍兹霍尔海洋学研究所(WHOI)的研究人员设计了一种轻便的仪器，可以测量垂直海洋的物理和生物特征，测量范围小，宽达几公里。这台名为EcoCTD的“海洋剖析仪”只有齐腰高的模型火箭大小，可以从一艘移动的船上掉下去。当它在水中自由落体时，它的传感器测量物理特征，如温度和盐度，以及生物特性，如叶绿素(浮游植物的绿色色素)的光学散射。
“有了EcoCTD，我们可以看到小规模的快速垂直运动区域，在那里养分可以被供应到表面，叶绿素被向下携带，这告诉你这也可能是一个碳途径。麻省理工学院地球、大气和行星科学系以及MIT- whoi海洋学/应用海洋科学与工程联合项目的研究生玛拉·弗雷里奇说。
Freilich和她的同事在《大气和海洋技术杂志》上发表了他们的研究结果。这篇论文的共同作者是J. Thomas Farrar, Benjamin Hodges, Tom Lanagan，和WHOI的Amala Mahadevan，以及新斯科舍省动态系统分析的Andrew Baron。该研究的第一作者是WHOI公司的Mathieu Dever和RBR公司，RBR是一家位于渥太华的海洋传感器公司。
海洋的协同作用
海洋学家使用许多方法来测量海洋的物理性质。一些功能更强大、分辨率更高的仪器被称为CTDs，因为它们能够测量海洋的导电性、温度和深度。ctd通常体积庞大，因为它们包含多个传感器以及收集水和生物样本的组件。传统的CTDs要求船在科学家将仪器放入水中时停下来，有时通过起重机系统。在仪器收集测量数据和水样的过程中，船必须保持原地不动，只有在仪器被拖回船上后才能继续航行。
物理海洋学家不研究海洋生物学，因此不需要收集水样，有时可以使用“UCTDs”——正在航行的ctd版本，没有笨重的水样取样组件，可以在航行中被拖曳。这些仪器可以快速取样，因为它们不需要起重机或轮船在它们落下时停下来。
Freilich和她的团队希望设计一个UCTD的版本，该版本还可以包含生物传感器，所有的传感器都在一个小的、轻的、可拖拽的包裹中，这样就可以让船在收集垂直测量数据的同时保持航行。
Freilich说:“在这些现有的仪器之间，似乎可以有直接的协同作用，设计出一种可以捕捉物理和生物信息的仪器，并且可以进行这项工作。”
《到达黑暗的海洋》
EcoCTD的核心是RBR Concerto录井仪，这是一个测量水温和电导率的传感器，电导率是代表海洋盐度的指标。该剖面仪还包括一个铅环，提供足够的重量，使仪器能够以每秒3米的速度自由落体——这一速度使仪器在大约两分钟内下降到水下500米。
Freilich说:“在500米的高度，我们到达了边缘地带。”“真光带是指海洋中有足够的光进行光合作用的地方，在大多数地方大约100到200米。所以我们正在接近黑暗的海洋。”
另一个传感器是EcoPuck，它是其他UCTDs所独有的，因为它可以测量海洋的生物特性。具体来说，它是一个小的，折叠形状的生物光学传感器，可以发出两种波长的光——红色和蓝色。当这些光散射回来时，传感器捕捉到这些光的任何变化，同时含有叶绿素的浮游植物在光的作用下发出荧光。如果接收到的红光与叶绿素的某个波长特征相似，科学家就能推断出在特定深度存在的浮游植物。散射回传感器的红光和蓝光的变化可以显示出水中的其他物质，比如沉积物或死细胞——这是对不同深度的碳含量的测量。
EcoCTD还包括了UCTDs独有的另一个传感器——Rinko III Do，它可以测量水中的氧浓度，可以让科学家估计在给定的深度和水域内的任何微生物群落正在吸收多少氧气。
最后，整个仪器被包裹在一根铝制的管子里，通过一根长绳子与船后部的绞车相连。当船移动时，一个团队可以将仪器扔出船外，用绞车以仪器垂直下落的速度将绳子放出，甚至在船离开时也是如此。大约两分钟后，一旦到达约500米的深度，研究小组就启动绞车将仪器拉上来，以12分钟内仪器赶上船的速度。然后，宇航员可以再次放下仪器，这次是在距离最后一个落点一定距离的地方。
Freilich说:“好的方面是，当我们进行下一次采样的时候，我们距离第一次采样的地方已经有500米了，所以我们正好在下一次采样的地方。”
他们在2018年和2019年的两次航行中测试了EcoCTD，一次到地中海，另一次在大西洋，在这两次航行中都能够以比现有ctd更高的分辨率收集物理和生物数据。
Freilich说:“ecoCTD以黄金标准的质量捕获了这些海洋特征，更加方便和多功能性。”
团队将进一步完善设计,并希望他们的高分辨率,easily-deployable,和更有效的替代可能适应由科学家们监测海洋的小规模应对气候变化,以及渔业想跟踪一个特定地区的生物生产力。
这项研究部分由美国海军研究办公室资助。
