永久冻土在阿拉斯加北坡形成了一个pingo或“冰疙瘩”。桑迪亚国家实验室的科学家一直在使用光缆研究北极海底的永久冻土，以提高对全球气候变化的理解。
北极地处偏远，条件往往恶劣，气候变化迅速，变暖速度是地球其他地区的四倍。这使得研究北极气候对于理解全球气候变化既具有挑战性又至关重要。
桑迪亚国家实验室的科学家正在使用阿拉斯加北坡奥利克托克角附近的现有光缆来研究距离海岸20英里的北极海底的状况。项目负责人Christian Stanciu将于12月15日星期五在旧金山举行的AGU秋季会议上展示他们的最新发现。
他们的目标是确定数英里北极海底的地震结构。使用一种新兴技术，他们可以发现海底区域的声音传播速度比海底其他区域更快，这通常是因为更多的冰。他们已经确定了几个有大量冰的区域，桑迪亚地球物理学家Stanciu说。
科学家们还使用电缆来确定海底的温度，并监测季节的温度变化。与以前收集的任何数据不同，这些数据入计算机模型中，以推断海底永久冻土的分布，计算地球科学家詹妮弗弗雷德里克说。
“这个项目的创新之一是，我们现在可以使用一根光纤来获取声学和温度数据，”Stanciu说。“我们开发了一个新系统，使用一根光纤线远程收集两种类型的数据。我们得到了一些有趣的结果。
永久冻土和反射光
就像感恩节以来坐在冰箱后面的剩下的烤火鸡一样，北极永久冻土是一场等待解冻的盛宴。弗雷德里克说，具体来说，随着上一个冰河时代冻结的曾经有生命的物质解冻，微生物开始消化它并产生甲烷和二氧化碳等废气。科学家们正在研究北极冷冻的微生物宴会有多大，以及这些气体可能对全球气候产生多大的影响。
为了研究北极海底的永久冻土，研究人员使用激光脉冲击落了埋在阿拉斯加海岸附近的海底电信光缆，该光缆从奥利克托克角向北延伸。电缆中的微小缺陷会导致光线反射回传感器系统。
弗雷德里克说，通过捕获两种波长或颜色的光，并比较它们，研究人员可以确定每码电缆的温度。这称为分布式温度传感。
通过观察不同波长的光，研究人员可以检测到电缆何时被通过的声波拉紧。Stanciu说，这种所谓的分布式声学传感提供了有关海底结构的信息，深度为一到三英里。
使用这种方法，科学家们认为他们已经确定了大约四分之一英里深的海底永久冻土的底部。他补充说，他们还发现了另一个异常大量的冰的区域，可能与pingo或“冰疙瘩”一致，这是一个由冰向上推形成的圆顶山丘。测量的数据分析主要由桑迪亚实习生布兰登·赫尔(Brandon Herr)完成。
“事实上，我们可以连续监测温度，我们现在可以捕捉到年复一年和季节的变化，”弗雷德里克说。“我们特别在寻找无法解释的温暖点。我们认为我们将能够看到海底渗漏的区域 - 有点像从地下冒出的泉水，除了在海底。我们对它们很感兴趣，因为它们是更深层、富含碳的流体的载体，是变暖和变化的迹象。
桑迪亚从阿拉斯加北部收集气候数据已超过25年。目前的研究项目大约在一年前开始，建立在桑迪亚地球物理学家Rob Abbott和Michael Baker在同一根光缆上的工作基础上。
Stanciu团队最近的一项创新是一个完全可操作的系统，允许近乎实时的远程数据收集。Stanciu说，这最大限度地减少了前往Oliktok的时间和成本，以及在系统无人看管时丢失数据的风险。声学和温度数据不能同时收集，但现在可以连续收集其中一项。
Frederick说，该团队在项目的第一年解决的一个挑战是确定如何校准光缆的温度数据。通常，分布式温度传感系统内置自检系统，例如光纤，可自行加倍以实现冗余或内置温度计。然而，由于该团队使用的是电信暗光纤，他们需要计算模型来验证他们检测到的季节性温度变化。这方面的数据分析主要由桑迪亚实习生伊桑·康利(Ethan Conley)完成。
Frederick 使用分布式温度传感的数据和分布式声学传感建模的结果，为 Sandia 开发的地球物理建模代码提供约束。该代码模拟流经地下土壤的液体和气体。Frederick 使用此代码对所研究的北极海底10万年的地质历史进行建模，包括最近冰河时代的平均温度和海平面上升的程度。该模型的结果是海底永久冻土的当前分布图。
弗雷德里克说，该团队使用的询问系统的局限性，包括激光的功率和传感器的灵敏度，使科学家们无法在离岸18-25英里以上收集数据。随着系统的改进，她希望将距离推得更远。
“这个项目有许多不同的部分，”弗雷德里克说。“我正在研究温度，克里斯蒂安正在研究声学以获得地下模型。实际上，你需要所有这些文章来说明当前永久冻土分布的大局，以及我们是否看到了渗漏等变化，以及它如何影响更大的温室气体排放图景。能够使用新工具并将它们推向极致，看看我们能学到什么，这真的很酷。
