Компонент региональных узлов масштаба (RSN) Инициативы океанических обсерваторий (OOI) Национального научного фонда (NSF) представляет собой подводную обсерваторию с электрооптическим кабелем , которая напрямую подключается к глобальному Интернету . Это крупнейшая в мире обсерватория морского дна с кабельным подключением , а также первая в своем роде в Соединенных Штатах .
Расположенная в южной части плиты Хуан-де - Фука , у побережья Вашингтона и Орегона , она является первой океанической обсерваторией, охватывающей тектоническую плиту .
RSN использует несколько высокомощных подводных терминалов с высокой пропускной способностью, называемых первичными узлами , которые соединены между собой оптоволоконным кабелем и обеспечивают поддержку океанографических датчиков в ключевых точках.
После завершения сети в 2014 году RSN охватит расстояние более 900 километров на глубинах до 3000 метров. Реализацией региональных узлов OOI руководят Школа океанографии Вашингтонского университета (UW), Лаборатория прикладной физики Вашингтонского университета и L-3 MariPro.
Данные RSN, полученные более чем со 100 приборов морского дна и толщи воды , будут доступны в режиме реального времени в Интернете. Это позволит как ученым, так и широкой общественности изучать долгосрочные изменения в океанических системах в течение следующих 25 лет.
Строительство RSN будет завершено в 2014 году. Значительную помощь в работе оказывают экипажи ROPOS (дистанционно управляемая платформа для научных наблюдений). 83-дневная экспедиция VISIONS '14 на борту 274-футового научно-исследовательского судна мирового класса Thomas G. Thompson отвечает за окончательную реализацию обсерватории.
Узлы регионального масштаба (RSN) являются компонентом Инициативы океанических обсерваторий (OOI) Национального научного фонда (NSF). OOI NSF управляется и координируется Офисом проекта OOI в Консорциуме по лидерству в океане (COL) в Вашингтоне, округ Колумбия. UW, расположенный в Сиэтле , штат Вашингтон, является организацией-исполнителем RSN для COL.
Цель RSN — открыть новую эру научных открытий и понимания океанов.
RSN состоит из двух инфраструктур : первичной и вторичной. Первичная инфраструктурная сеть, которая была спроектирована, квалифицирована, изготовлена и установлена в 2012 году компанией L-3 Maripro, состоит из берегового объекта, расположенного в Пасифик-Сити, штат Орегон ; двух волоконно-оптических кабельных линий, покрывающих расстояние в 800 километров, и семи первичных научных узлов.
Система RSN обеспечивает 200 киловатт электроэнергии и 240 Гбит/с передачи данных по TCP/IP Интернет семи основным научным узлам. RSN рассчитана на 25 лет и способна к значительному расширению для удовлетворения будущих научных потребностей.
До появления подводных кабельных обсерваторий океанографы и другие исследователи, изучающие мировой океан, как правило, полагались на использование исследовательских судов и пилотируемых подводных аппаратов для сбора данных. За этим последовал сдвиг в сторону дистанционно управляемых аппаратов (ROV) и космических исследовательских спутников . Ограничением этих методов было то, что они были либо неэффективны по затратам, либо данные можно было собирать только в течение коротких промежутков времени. Хотя важность экспедиционных исследований была признана, требовалось решение.
В 1987 году возникла концепция использования подводных кабельных обсерваторий с высокой мощностью и высокой пропускной способностью как долгосрочного и экономически эффективного решения для проведения мониторинга океанических систем в режиме реального времени.
В начале 1990-х годов США и Канада заключили соглашение о разработке подводной электрооптической кабельной океанической обсерватории в северо-восточной части Тихого океана. В этом регионе находится самая маленькая из тектонических плит Земли — плита Хуан-де-Фука. Небольшие размеры и близкое расположение плиты Хуан-де-Фука к побережью предоставляют уникальную возможность наблюдать за динамическими системами в районах подводных вулканов.
Партнерство между США и Канадой переросло в план по созданию канадской кабельной системы, которая покрыла бы верхнюю треть плиты Хуан-де-Фука, и американской системы, охватывающей нижние 2/3 плиты (цитата). Вместе эта обсерватория масштаба плиты будет называться NEPTUNE (северо-восточные тихоокеанские временные ряды подводных сетевых экспериментов) и будет обеспечивать непрерывные наблюдения в течение 25 лет.
К середине 2000-х годов NEPTUNE Canada получила полное финансирование, а их кабельный массив был завершен и запущен в эксплуатацию к 2009 году. Он был включен в зонтичную сеть Ocean Networks Canada (ONC). Тем временем NEPTUNE US был переименован в Regional Scale Nodes и стал компонентом OOI. Его планируется завершить в 2014 году. И NEPTUNE Canada, и RSN будут интегрированы через цифровую инфраструктуру ONC и киберинфраструктуру OOI, обеспечивая доступ в режиме реального времени для любого, кто подключен к Интернету.
«Цель программы — начать эру научных открытий и понимания в океанических бассейнах и за их пределами, используя широкодоступное интерактивное телеприсутствие. Это новый мир. Мы будем присутствовать по всему объему океана, по желанию, общаясь в режиме реального времени... Так что же мы на самом деле сможем сделать завтра? Мы собираемся оседлать волну технологических возможностей. В области океанографии появляются новые технологии, которые мы включим в океанографию, и посредством этой конвергенции мы превратим океанографию в нечто еще более волшебное».
Джон Делани, директор программы RSN и главный исследователь
Научные цели RSN значительны. Огромный спектр природных явлений, которые происходят во всех мировых океанах и на морском дне , обнаружен в северо-восточной части Тихого океана. В целом, миссия RSN заключается в обеспечении телеприсутствия человека в океане, которое будет служить исследователям, студентам, преподавателям, политикам и общественности. Ученые смогут проводить локальные исследования таких глобальных процессов, как основные океанические течения , активные зоны землетрясений, создание нового морского дна и богатая среда обитания морских растений и животных .
RSN также разработана для помощи в прогнозировании как краткосрочных, так и долгосрочных угроз и возможностей, создаваемых океаном. В частности, RSN сможет отслеживать тектоническую активность вдоль границы плиты . Есть надежда, что сейсмические датчики могут быть установлены в ключевых областях вдоль центра спрединга , что будет служить системой раннего оповещения о землетрясениях и цунами .
Существование долговременной кабельной обсерватории позволит проводить долгосрочные измерения биологических сообществ . В частности, расходящаяся граница плиты Хуан де Фука привела к существованию экосистем гидротермальных источников морского дна и других подобных групп. Эти глубоководные сообщества , процветающие в чрезвычайно суровых условиях, ставят ряд нерешенных научных вопросов, которые RSN сможет исследовать.
Первичная инфраструктура
Первичная инфраструктура RSN состоит из семи первичных узлов, которые были установлены в 2012 году компанией L-3 Maripro. Они являются конечными точками, которые помогают распределять мощность и пропускную способность по сетям развернутых датчиков.
Около 900 километров кабеля (называемого магистральным кабелем) были использованы для соединения основных узлов. Эти кабели выходят на берег на береговой станции в Пасифик, Сити, Орегон .
В 2005 году более 175 ученых по всем Соединенным Штатам ответили на запрос о помощи от Национального научного фонда для разработки кабельной обсерватории на плите Хуан де Фука. Узлы расположены на заранее выбранных экспериментальных участках по всей плите Хуан де Фука. Axial Seamount , Hydrate Ridge на окраине Каскадия и мелководные участки к западу от Ньюпорта, штат Орегон (Endurance Array) имеют установленные основные узлы. Все основные узлы расположены в экологически благоприятных районах.
Узлы также преобразуют уровни напряжения 10 кВ постоянного тока от магистрального кабеля в 375 В постоянного тока, которые затем направляются во вторичную инфраструктуру. Системы коммутации 375 В и системы телеметрии узлов были разработаны и изготовлены компанией Texcel Technology Plc, базирующейся в Англии. Программное обеспечение для управления портами и системами телеметрической защиты также было поставлено компанией Texcel в качестве менеджера элементов, работающего под управлением системы управления сетью (NMS).
Основные узлы имеют ряд дополнительных портов, которые открывают потенциал для масштабного расширения в будущем (>100 километров).
Вторичная инфраструктура
Преобразованное напряжение 375 В постоянного тока от первичных узлов затем направляется на узлы малой и средней мощности и распределительные коробки. Узлы и распределительные коробки (похожие на удлинители) обеспечивают прямое питание и связь с приборами на экспериментальных площадках. В совокупности эти части составляют вторичную инфраструктуру RSN. Удлинительные кабели используются для соединения первичных узлов со вторичной инфраструктурой, обеспечивая питание и связь.
Оборудование подключается с помощью соединителей wet-mate. В зависимости от требований к нагрузке были установлены различные типы кабелей. Пропускная способность этих кабелей составляет от 10 Гбит/с до 1 Гбит/с.
В ходе экспедиции VISIONS '13 по продолжению строительства RSN на дне океана было установлено более 22 000 метров удлинительных кабелей. Все кабели успешно вышли в сеть.
После завершения в 2014 году будут введены в эксплуатацию более 100 кабельных приборов для морского дна и водной толщи. Эти приборы позволят осуществлять мониторинг биологических, химических, геологических и геофизических процессов в океане. Вторичная инфраструктура также будет включать шесть швартовочных систем для профилометров водной толщи.
Кабели часто прокладываются по всему миру в океанических бассейнах и на окраинах. Они имеют довольно длительный срок службы. Магистральный кабель был установлен летом 2011 года. Коммерческое судно-кабелеукладчик TE SubCom Dependable выполнило эту фазу проекта.
Также были приняты во внимание особые экологические требования. Некоторые кабели в значительной степени хорошо бронированы, особенно те, которые развернуты в вулканических районах, таких как подводная гора Аксиал.
Для полного понимания сложных океанических систем необходимо большое разнообразие сенсорных массивов, способных выживать в течение длительного времени в суровых условиях. Набор сенсоров (более 100) был выбран и стратегически размещен по всему RSN. Они расположены на подводной горе Аксиал, хребте Гидрат, а также на причалах в толще воды.
К RSN подключены следующие приборы:
Инструменты являются конечной точкой каждого филиала региональной сети.
Узлы регионального масштаба подключены к киберинфраструктуре OOI.
Компонент киберинфраструктуры OOI связывает морскую инфраструктуру с учеными и пользователями. Киберинфраструктура OOI управляет и интегрирует данные со всех различных датчиков OOI. Она обеспечит общую операционную инфраструктуру, Интегрированную сеть обсерваторий (ION), соединяющую и координирующую операции морских компонентов (глобальные, региональные и прибрежные массивы). Она также обеспечит управление ресурсами, командование и контроль миссии обсерватории, производство продукции, управление данными и их распространение (включая надежное происхождение данных) и централизованно доступные инструменты для совместной работы.
Интегрированная сеть обсерваторий (ION) соединяет и координирует операции морских компонентов OOI с научными и образовательными занятиями океанографических исследовательских сообществ. Киберинфраструктура разрабатывается и строится Калифорнийским университетом в Сан-Диего .
Строительство RSN продолжается. По состоянию на 19 сентября 2014 года первичная инфраструктура и большая часть вторичной инфраструктуры были успешно установлены, а бригады OOI RSN и UW APL работали над завершением вертикальных швартовок для мелководного профилировщика.
Вашингтонский университет приветствовал участие студентов в реализации RSN. По состоянию на 2014 год было проведено восемь экспедиций, в которых студенты имели возможность работать на борту R/V Thomas G. Thompson и наблюдать за строительством кабельной обсерватории. Во время этих круизов студенты разрабатывают проекты, используя множество технологий и научного оборудования на борту.
Студенты, принимающие участие в этих экспедициях, впоследствии делятся своим опытом с другими.
В 2014 году более 30 аспирантов и студентов работали вместе с исследователями, инженерами, преподавателями и командой во время 83-дневной экспедиции VISIONS '14.
