Плавучая океанографическая лаборатория ATOLL: Исследования в Балтийском море.

Введение

Плавучая океанографическая лаборатория для проведения экспериментов по наблюдению непосредственно в естественных условиях. Лаборатория морских лагун Антарктической технологии (ATOLL) представляла собой плавучую океанографическую лабораторию, предназначенную для проведения экспериментов по наблюдению непосредственно в естественных условиях. На этом объекте также испытывались приборы и оборудование для полярных экспедиций. Корпус ATOLL был самой большой конструкцией из стекловолокна, когда-либо построенной на тот момент. Лаборатория функционировала с 1982 по 1995 год.

Структура и инфраструктура

ATOLL состоял из трех изогнутых элементов из стекловолокна, каждый из которых был длинным и имел осадку всего лишь . Для буксировки элементы можно было собирать в длинную S-образную форму; в рабочем состоянии элементы формировали подкову, окружающую поверхность воды. Лаборатория обеспечивала достаточно места для двенадцати исследователей. В лаборатории располагались исследовательская лаборатория, складские и хозяйственные помещения, общежитие, компьютерная комната и камин. Лаборатория была установлена и функционировала в Балтийском море (особенно в Кильском заливе) по инициативе и под руководством Уве Кильса в Институте океанографии (Institut für Meereskunde) Кильского университета. Корпуса из стекловолокна были приобретены у компании "Atoll" Ваки Зёлльнера. Бортовым компьютером был NeXT, и здесь были разработаны первые версии виртуального микроскопа антарктического криля для интерактивного изучения их морфологии и поведения, о которых впоследствии упоминалось в журнале Science. Лаборатория была подключена к Интернету через радиосвязь, и первые изображения морских обитателей в сети были получены с помощью этого NeXT. С этой лаборатории были впервые записаны видеоматериалы о кормлении атлантической сельди копеподами непосредственно в естественной среде обитания. Подводная обсерватория и экспериментальная комната позволяли проводить непосредственное наблюдение и манипуляции через большие иллюминаторы. Техническое оборудование включало в себя сканирующий сонар сверхвысокого разрешения, который использовался для обнаружения косяков молоди сельди, для управления дистанционно управляемым аппаратом (ROV), которым управляли с помощью кибершлема и перчатки, а также для определения местоположения, расстояния и скорости. Зонды измеряли соленость, температуру и содержание кислорода в воде. Специальные приборы позволяли измерять концентрацию планктона, частиц и пузырьков, а также их распределение по размерам. Оборудование для визуализации включало в себя камеры для съемки при слабом освещении и высокоскоростные видеокамеры с использованием лазерного листа с затвором или инфракрасных светодиодов. Была разработана и использована система эндоскопа для бесконтактных оптических измерений под названием ecoSCOPE, которую также можно было устанавливать на ROV, для записи микромасштабной динамики и поведения осторожной сельди.

The ATOLL was composed of three curved fiberglass elements, each long and having a draught of only For towing, the elements could be assembled in a long S shape; in operation, the elements would form a horseshoe shape surrounding water surface. The lab provided ample space for twelve researchers. The laboratory contained a lab, storage and supply facilities, a dormitory, computer room, and a fireplace. The laboratory was installed and operated in the Baltic Sea (and the Bay of Kiel in particular) at the initiative and under the direction of Uwe Kils, at the Institute of Oceanography (Institut für Meereskunde) of the University of Kiel. The fiberglass hulls themselves were bought from Waki Zöllner's "Atoll" company. The onboard computer was a NeXT and the first versions of a virtual microscope of Antarctic krill for interactive dives into their morphology and behavior were developed here, finding later mention in Science magazine. The lab was connected to the Internet via a radio link, and the first images of ocean critters on the internet came from this NeXT. The first ever in situ videos of Atlantic herring feeding on copepods were recorded from this lab. An underwater observation and experimentation room allowed direct observation and manipulation through large portholes. The technical equipment included an ultra high resolution scanning sonar that was used for locating schools of juvenile herring, for guiding a ROV, which was controlled via a cyberhelmet and glove, and for determining positions, distances, and speeds. Probes measured the water salinity, temperature, and oxygen levels. Special instruments could measure plankton , particle , and bubble concentrations and their size distributions. Imaging equipment included low light still and high speed video cameras using shuttered Laser sheet or infrared LED illumination. An endoscope system for non invasive optical measurements called ecoSCOPE, which could also be mounted on an ROV, was developed and used to record the microscale dynamics and behavior of the highly evasive herring.

Исследования

Научные исследования, проводившиеся на борту ATOLL, были сосредоточены на одном из важнейших переходов в пищевой цепи: взаимосвязи между ранними стадиями развития сельди (Clupea harengus) и их основным кормом – копеподами. Основная гипотеза специалистов по экологии рыб заключается в том, что микрораспределение корма, микротурбулентность океана или условия удержания обычно не способствуют формированию сильных поколений рыб. В большинстве лет выживает менее 1% личинок сельди. Однако, в отдельные годы, когда физические и биологические условия благоприятны, выживаемость личинок высока, и формируются крупные поколения. Исследования, проводимые в ATOLL, изучали влияние динамики малых масштабов на питание рыб и избегание ими хищников, а также их связь с численностью поколений. В ходе курсов и диссертационных работ студенты в лаборатории исследовали следующие вопросы: Каково влияние естественного градиента освещенности на взаимодействие хищника и жертвы? Как хищник может лучше видеть жертву, оставаясь незамеченным? Как фокусировка мелких волн, создающих колеблющийся световой режим, влияет на камуфляж и стратегию атаки? Каково влияние различных частот микротурбулентности? Как эти эффекты изменяются в момент, когда личинки сельди объединяются в косяки? Какую роль играет феномен агрегации? Создает или изменяет ли физика океана агрегации организмов? Может ли динамика агрегаций влиять на физику океана в микромасштабах? Оказывают ли влияние поверхностные волны? Каково распределение и динамика микропузырьков, образующихся в результате турбулентности и перенасыщения газом? Как организмы ориентируются относительно микроградиентов океанической физики? Как они выживают в непосредственной близости от волнообразной аноксии и гипоксии? Почему угорь, бычок и сельдь так успешно обитают в Балтийском море, а треска – нет? Каковы последствия и функции формирования косяков для питания и микроориентации? Каково поведение рыб в садках и сколько корма теряется из садков, которые впоследствии планировалось использовать в антарктических экспедициях, например, для получения изображений in situ прозрачных организмов размером с криль под льдом.

Scientific investigations aboard the ATOLL concentrated on one of the most important food chain transitions: the linkages between the early life stages of herring (Clupea harengus) and their principal prey, the copepods. A major hypotheses of fisheries ecologists is that the microdistribution of prey, the microturbulence of the ocean, or the retention conditions are normally not suited to allow strong year classes of fish to develop. In most years more than 99% of herring larvae do not survive. Occasionally however, physical and biotic conditions are favorable, larval survival is high, and large year classes result. Research work at the ATOLL investigated the effects of small scale dynamics on fish feeding and predator avoidance and their correlation to year class strength. Research questions investigated by students during courses and their thesis work at the Laboratory included: What are the effects of the natural light gradient on predator prey interactions? How can the predator best see the prey without being seen? How does the focussing of small waves oscillating light regime influence camouflage and attack strategy? What are the influences of the different frequencies of microturbulences? How do such effects change at the moment when herring larvae join into schools? What role does the phenomenon of aggregation play? Do ocean physics create or alter organism aggregations? Can the dynamics of aggregations effect ocean physics at the microscales? Are there effects of the surface waves? What are the distribution and dynamics of microbubbles caused by turbulences and gas oversaturations? How can the organisms orient in respect to micro gradients of the ocean physics? How do they survive in the direct vicinity of undulating anoxia and hypoxia? Why are eelpouts, sticklebacks and herrings so extremely successful in the Baltic while cod is not? What are the effects and functions of schooling for feeding and microscale orientation? What is the behavior of fish in netcages and how much food is lost from the cages. that were to be used later in Antarctic expeditions, e. g. for in situ imaging of transparent organisms of krill size under the ice.