这些自由漂浮的机器人可以监测海洋的健康状况

1992 年 1 月，在一场可能很严重的风暴中，一艘从中国开往西雅图的船上的一个货箱倾覆，船上装有 28,000 多只橡皮鸭和其他洗澡玩具。这些橡皮玩具现在被称为“友好漂浮物”，它们随波逐流，被冲到夏威夷、澳大利亚甚至日本等地，揭示了一个看不见的全球洋流网络，在海洋科学领域引起了巨大轰动。

但偶然发现绝对不是了解海洋新事物的唯一途径。想象一下，如果这些小黄鸭身上装满传感器，可以将它们从漂浮在海洋中获取的信息传递到全球数据库，那将会带来怎样的可能。这种可能性现在以 Argo 浮标的形式成为现实：一组自由漂浮的水上机器人，可以测量 pH 值、盐度、温度等。

现在， 《自然地球科学》杂志的一项新研究表明，它们还可以测量生产力，即海洋植物（藻类和浮游生物）产生的氧气量。“在定量测量浮游生物的作用方面，我们真的只是盲目行事，”蒙特雷湾水族馆研究所高级科学家、论文作者肯·约翰逊说。“这是食物网的基础。植物为磷虾提供食物，磷虾为鱼提供食物，鱼为鲸鱼提供食物。我们现在可以测量这一点。”

衡量生产力及其在全球变暖背景下的变化的能力不仅可以让科学家了解海洋健康状况，还可以影响渔业的运作和依赖海洋为生的人们。

历史上，科学家主要通过两种方式测量生产力。第一种是通过海洋颜色卫星，测量水中的叶绿素含量。然后研究人员可以使用数学模型来估计相应的浮游植物数量。但约翰逊说，卫星数据无法真正衡量生产力逐年的变化。另一种方法是通过密集的实地工作。这意味着研究人员必须乘船出海，采集水样，向样本中添加放射性标记的碳，等待浮游生物吸收，然后过滤出浮游生物并计算浮游生物中标记碳的含量。

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“（机器人）的妙处在于，它不需要人上船出海，这非常昂贵且难以维持，而且没有人愿意一年 365 天都呆在那里，”约翰逊说。“你负担不起。”

Argo 浮标如何工作？

第一座 Argo 浮标于 1999 年下水，自那时起，它不断增加新的传感器，设计也不断更新。

基本的 Argo 浮标看起来就像化学实验室里常见的气瓶。它高约 4 英尺，直径 8 英寸，装满了电池。浮标顶部有传感器和卫星天线。浮标体内有一个浮力发动机，由一个小囊组成，可以充气约一杯油，调节浮标的密度。

通常，在一个完整的周期中，浮标会下潜到 1 公里（约 3,280 英尺）深，在那里停留几天，然后下潜到 2 公里。（它们停留在 1 公里处是因为那里的水流速度要慢得多，这样可以最大限度地减少它们扩散的速度。）到达该深度后，浮标将打开所有传感器并缓慢上升到水面。它们会存储收集到的所有数据，一旦它们突破波浪，GPS 信号就会激活，它将能够通过铱卫星网络“打电话回家”。收集到的所有数据将在 24 小时内可用。

Argo 浮标每次浮出水面后都会重新浮出水面，整个过程大约需要 10 天左右。它们的​​电池电量足以在其使用寿命内完成 250 次浮出水面。有些 Argo 浮标设置为每天在同一时间浮出水面，而有些则可以提供更随机的每小时海洋样本。

本研究使用的 Argo 浮标子集称为生物地球化学 Argo 浮标 (BGC-Argo)，它可以配备额外的传感器来测量硝酸盐、氧气、叶绿素和光。这些传感器可以传递有关水中浮游生物浓度、它们的生长和呼吸量、它们产生的氧气量和它们吸收的二氧化碳量的信息。此前，它们已被证明有助于科学家调查藻华。

浮标的平均寿命约为 4 年。它们并非不会发生意外，而且肯定不是坚不可摧的。“它们可能会消失，”约翰逊说，“有时我们会看到浮标的最后轮廓，它们恰好沉到海山的顶部，它们会被困在海底，一年后，它们会解脱出来，浮出水面。”

在这项研究中，由于可用的浮标数量非常少，约翰逊的团队必须结合 10 年的数据才能获得足够的观测数据，以测量海洋的年生产力。通过扩大船队规模，他认为他们将能够更快地获得更好的数据。

约翰逊及其同事的目标是在全球范围内建立并维持 1,000 个活跃的 Argo 浮标阵列，每个浮标都可以收集有关海洋的信息。去年秋天，美国国家科学基金会 (NSF) 批准向他的团队拨款 5,300 万美元，用于建造和部署 500 个 Argo 浮标，这将是这个国际阵列的一半。

Argo 浮标网络可以充当整个海洋观测站，实时向科学家通报海洋变化情况，而模型预测则无法做到这一点。借助完整的 Argo 浮标组合，科学家希望收集足够的数据，提前了解海洋生产力中潜在的危险趋势，以便及时向渔业和沿海社区发出警报并做好准备。“我们有有用的数值模型，”约翰逊说，“但它们有严重的局限性，有些事情我们没有预料到。”