尽管其温度低于冰点，但北极的变暖速度是地球其他地区的两倍。随着北极海冰融化，可用于将阳光反射回太空的明亮表面越来越少。当冰盖上的裂缝打开时，下面的水就会暴露出来。黑暗的、不结冰的水吸收了太阳的能量，加热了海洋并推动了进一步的融化——一个恶性循环。这种变暖反过来会融化冰川，导致海平面上升。
气候变暖和海平面上升危及生活在沿海地区的近 40% 的美国人口、数十亿依赖海洋获取食物和生计的人，以及北极熊和北极狐等物种。冰层覆盖的减少也使曾经无法通行的地区更容易进入，开辟了新的航道和港口。使用这些新兴的跨北极航线进行产品运输、开采自然资源（例如石油和天然气）和军事活动的兴趣正在将一个传统上以低紧张和合作为标志的地区转变为全球地缘政治竞争之一。
随着北极的开放，预测海冰何时何地破裂在战略决策中变得越来越重要。然而，我们对导致冰裂的物理过程的理解存在巨大差距。麻省理工学院林肯实验室的研究人员试图通过将数据稀疏的环境转变为数据丰富的环境来帮助缩小这些差距。他们设想在北极部署一组分布式无人值守传感器，以持续检测和定位冰层破裂事件。同时，该网络将测量各种环境条件，包括水温盐度、风速和方向，以及不同深度的洋流。通过将这些压裂事件和环境条件关联起来，他们希望发现有关导致海冰破裂的原因的有意义的见解。这些见解可以帮助预测北极海冰的未来状态，从而为气候建模、气候变化规划和最高级别的政策决策提供信息。
“我们正在努力研究冰裂、气候变化和海洋热流之间的关系，”林肯实验室高级海底系统和技术小组的助理负责人安德鲁·马奇说。“冰的裂缝会导致温水上升，更多的冰融化吗？海底洋流和海浪会导致裂缝吗？裂缝会导致海底波浪吗？这些是我们旨在调查的问题类型。”
北极通道
2022 年 3 月，March 小组的两位研究人员 Ben Evans 和 Dave Whelihan 乘坐三个航班，历时 16 个小时，飞往位于阿拉斯加北坡的普拉德霍湾。从那里，他们登上了一架小型专用飞机，又飞了 90 分钟，飞到了北冰洋近海 160 海里处漂浮的三英里半长的冰层上。在他们抵达前的几周，美国海军的北极潜艇实验室将这片荒凉的浮冰变成了一个名为“女王鱼冰营”的临时作业基地，以第一艘在冰下作业和第四艘到达北极的鲟鱼级潜艇命名. 冰营地有一条 2,500 英尺长的跑道、一个指挥中心、最多可容纳 60 人的睡眠区、一个用餐帐篷和极其有限的互联网连接。
在皇后鱼，在接下来的四天里，埃文斯和威利汉加入了美国海军、陆军、空军、海军陆战队和海岸警卫队的成员，以及加拿大皇家空军、海军和英国皇家海军的成员，他们正在参加冰 2022 年演习 (ICEX)。在大约三周的时间里，200 多名驻扎在普拉德霍湾皇后鱼和两艘美国海军潜艇上的人员参加了这次两年一度的演习。ICEX 2022 的目标是评估美国在北极的作战准备情况；增加我国在该地区的经验；增进我们对北极环境的了解；并继续与其他军种、盟友和伙伴组织建立关系，以确保北极自由和平。
在北极，风寒温度可骤降至零以下 60 华氏度，足以在几分钟内冻结暴露的皮肤。风和洋流会使整个营地漂流到附近紧急救援飞机无法触及的地方，冰随时可能破裂。为确保参与者的安全，海军气象专家团队不断监测不断变化的情况。在冰上形成巨大裂缝后，ICEX 2022 的原始营地位置不得不疏散并重新安置，从而延误了 Evans 和 Whelihan 的行程。即使是新选择的地点，营地后面也有一个很大的裂缝，还有一个裂缝，需要移动一些帐篷。
“随着气候变暖，这种开裂事件只会增加，因此现在比以往任何时候都更重要的是了解它们背 后的物理过程，”Whelihan 说。“这样的理解将需要建造能够在环境中持续存在的技术，尽管条件如此恶劣。因此，这不仅是科学角度的挑战，也是工程角度的挑战。”
“天气总是有投票权，决定了你在这里能做什么，”埃文斯补充道。“北极潜艇实验室为建造营地做了大量工作，并使其成为一个安全的环境，让像我们这样的研究人员可以来这里从事良好的科学研究。ICEX 确实是我们必须在如此偏远的地方进入海冰的唯一机会收集数据。”
海冰实验的遗产
虽然这次旅行是 Whelihan 和 Evans 第一次前往北极地区，但实验室先进海底系统和技术小组的工作人员自 2018 年以来一直在 ICEX 进行实验。然而，由于北极的偏远位置和极端条件，数据收集很少持续很长时间或广泛分布在大范围内。该团队现在希望通过构建低成本、可消耗的传感平台来改变这种状况，该平台由位于同一地点的设备组成，这些设备可以无人看管，以实现自动化、持久、近实时的监控。
“该实验室在快速原型制作、地震声学信号处理、遥感和海洋学方面的广泛专业知识使我们非常适合构建这个传感器网络，”埃文斯说。
在北极之旅前的几个月里，该团队在马萨诸塞州韦斯特福德的实验室干草堆天文台站点 Firepond 收集了地震仪数据。通过这种本地数据收集，他们旨在了解人为（人为）噪音的样子，以便他们可以开始预测他们可能在北极看到的各种特征。他们还收集了解冻循环期间的冰融化/破裂数据，并将这些数据与天气条件（气温、湿度和压力）相关联。通过这项分析，他们检测到随着温度升至 32 F 以上，地震信号有所增加——这表明气温和冰裂可能相关。
传感网络
在 ICEX，该团队部署了由实验室和新罕布什尔大学 (UNH) 开发的各种商用现成传感器和新传感器，以评估它们在寒冷环境中的弹性并收集初始数据集。
“将这些实验与过去的实验区分开来的一个方面是，我们同时收集了地震声学数据和环境参数，”埃文斯说。
商业技术是地震仪，用于检测海冰破裂或与其他浮冰碰撞时释放的振动能量；一个水听器（水下麦克风）阵列，用于记录冰破裂事件产生的声能；声速剖面仪，用于测量通过水柱的声速；以及电导率、温度和深度 (CTD) 剖面仪，用于测量整个水柱的盐度（与电导率有关）、温度和压力（与深度有关）。海洋中的声速主要取决于这三个量。
为了在一个位置精确测量整个水柱的温度，他们部署了由实验室先进材料和微系统集团与美国制造创新研究所先进功能织物合作开发的一系列基于晶体管的温度传感器。小型温度传感器沿着嵌入多个导体的线状聚合物纤维的长度运行。这种光纤平台可以支持广泛的传感器，可以在水面以下数百英尺处解开，以同时测量温度或其他水属性——部署在北极的光纤还包含用于测量深度的加速度计——在北极的许多点水柱。传统上，温度分析需要在水柱中上下移动设备。
该团队还部署了由 UNH 海岸和海洋测绘中心的合作者 Anthony Lyons 和 Larry Mayer 提供的高频回声测深仪。这种主动声纳使用声能来检测内波，或在海洋表面下发生的波。
“你可能认为海洋是同质的水体，但事实并非如此，”埃文斯解释道。“随着深度下降，可能会存在不同的水流，就像在海拔上升时会遇到不同的风一样。UNH 回声测深仪使我们能够看到水柱中的不同水流，以及转弯时的冰粗糙度传感器向上看。”
“我们关心洋流的原因是，我们相信它们会告诉我们一些关于来自大西洋的温暖水如何与海冰接触的信息，”Whelihan 补充道。“水不仅融化了冰，而且含盐量也较低，从而形成了海洋层，影响了冰的持续时间和地点。”
回到家，团队已经开始分析他们的数据。对于地震数据，该分析涉及将任何冰事件与各种人为噪声源（包括发电机、雪地摩托、脚步声和飞机）区分开来。同样，研究人员知道他们的水听器阵列声学数据受到来自另一个参与 ICEX 的研究团队放置在水中的声源的能量的污染。基于它们的物理学，冰震——冰裂时发生的地震事件——具有可用于识别它们的特征特征。一种方法是手动查找冰震，并使用该签名作为在数据集中查找其他冰震的指南。
从他们的水柱剖面传感器中，他们发现了海洋表面以下 30 到 40 米处声速剖面的有趣演变，这与当天晚些时候流入的大量较冷的水有关。该组织的物理海洋学家认为，剖面的这种变化是由于白令海的水，最初来自大西洋的水。UNH 提供的回声测深仪也在相似的深度产生了一个有趣的信号。
“我们的假设是，这个结果与我们检测到的大声速变化有关，要么直接因为该层的反射，要么是因为浮游生物，它们往往会上升到该层的顶部，”埃文斯解释说。
未来的预测能力
展望未来，该团队将继续挖掘他们收集的数据并使用这些数据开始构建能够自动检测和定位并最终预测与环境条件变化相关的冰层事件的算法。为了补充他们的实验数据，他们已经开始与模拟海冰物理行为的组织进行对话，包括国家海洋和大气管理局和国家冰中心。将实验室在传感器设计和信号处理方面的专业知识与他们在冰物理方面的专业知识相结合，可以更全面地了解北极的变化。
实验室团队还将开始探索具有成本效益的工程方法，将传感器集成到经过加固的封装中，以便在北极恶劣的环境中部署。
“在这些传感器真正无人值守之前，可用性的人为因素是最重要的，”Whelihan 说。“因为太冷了，设备可能会意外损坏。例如，在 ICEX 2022 上，我们的地震仪防水外壳幸免于难，但它的电源外壳由便宜的塑料制成，在我去的时候摔碎了。把它捡起来。”
传感器包不仅需要承受寒冷的环境，还需要能够通过某种卫星数据链路“打电话回家”并维持其电力。该团队计划调查加工产生的废热是否可以使仪器保持温暖，以及如何从北极环境中获取能量。
在计划于 2024 年举行的下一次 ICEX 之前，他们希望在类似北极的环境中对其传感器包和概念进行初步测试。在参加 ICEX 2022 期间，他们与其他几位与会者——包括美国海军、北极潜艇实验室、国家冰中心和阿拉斯加费尔班克斯大学 (UAF)——进行了交流，并将冷藏室实验确定为潜在合作领域之一。测试也可以在离家更近、更容易到达的户外地点进行，例如密歇根州的五大湖和阿拉斯加巴罗的 UAF 维护的站点。未来，实验室团队可能有机会陪同美国海岸警卫队人员乘坐破冰船从阿拉斯加前往格陵兰岛。该团队还在考虑收集远离人类噪声源的数据的可能场所。
“自从我告诉同事、朋友和家人我要去北极，我就气候变化以及我们在那里做什么以及我们为什么这样做进行了很多有趣的对话，”Whelihan 说。“人们对这种环境及其影响没有内在的、自动的理解，因为它离我们太远了。但北极在帮助保持全球气候平衡方面发挥着至关重要的作用，因此我们必须了解导致的过程到海冰裂缝。”
