自律型ロボットローバーが深海の炭素循環と気候変動の長期モニタリングに貢献

自律型ロボットローバーが深海の炭素循環と気候変動の長期モニタリングに貢献 テクノロジー
© 2016 MBARI

画像:MBARIのBenthic Rover IIは、泥状の海底を移動して写真を撮り、海底に住む動物や微生物がどれだけの酸素を使っているかを長期的に測定します。この自律走行型ローバーが収集した情報は、表層から海底までの炭素循環の仕組みを理解するのに役立っている。

深海は、その広大さと、極限環境での作業に伴う技術的課題のため、アクセスや研究が困難な海域です。

科学者たちは、深海底よりも月面の方が詳しいのです。

MBARI(モントレー湾水族館研究所)は、ロボット技術の進歩を利用して、この格差を解消しようとしています。

自律型ロボットローバー「Benthic Rover II」は、海面下4,000メートル(13,100フィート)の深海の海底に生息する生物について新たな知見をもたらしました。

本日、Science Robotics誌に掲載された研究では、このローバーの開発と実証された長期運用について詳しく述べられています。

この革新的な移動式実験室は、炭素の循環における深海の役割をさらに明らかにしました。

このローバーが収集したデータは、気候変動が海洋に与える影響を理解するための基礎となります。

「今回の深海探査機の成功により、水柱と海底の結合状態を長期的に観測することが可能になりました。これらの結合プロセスを理解することは、気候変動にさらされている地球の健全性と生産性を予測する上で非常に重要です。」

太陽の光が降り注ぐ浅瀬から離れているにもかかわらず、深海底は上層の海とつながっており、炭素の循環と吸収には欠かせません。

植物や動物の死骸、粘液、排泄物などの有機物は、水柱を通ってゆっくりと海底に沈んでいきます。

泥の上や中にいる動物や微生物の共同体は、これらの炭素の一部を消化しますが、残りの炭素は深海の堆積物の中に数千年もの間閉じ込められているかもしれません。

深海は、地球の炭素循環と気候に重要な役割を果たしていますが、水面下数千メートルで起きているプロセスについては、まだほとんど分かっていません。

極限の水圧や海水の腐食性などの工学的な障害により、炭素の浮沈を調査・監視するための機器を深海の海底に送ることが困難なのです。

これまで、Smith氏をはじめとする科学者たちは、深海底の生物による炭素消費を調査するために、固定式の機器を使用していました。

しかし、これらの機器は一度に数日しか使用できませんでした。

MBARIは、25年にわたる技術革新をもとに、深海の海底を長期的にモニタリングするためのソリューションを開発しました。

Deep-sea rover provides long-term data on carbon cycle and climate change

動画:自動翻訳あり

「深海でのエキサイティングな出来事は、一般的に短時間かつ予測不可能な間隔で発生します。だからこそ、Benthic Rover IIによる継続的なモニタリングが非常に重要なのです。」と、電気工学グループリーダーのAlana Sherman氏は説明します。

Benthic Rover IIは、Smith氏とSherman氏を中心としたMBARIのエンジニアと科学者の共同チームの努力の賜物です。

MBARIのエンジニアは、深海の低温、腐食、高圧の環境に対応できるようにBenthic Rover IIを設計しました。

このローバーは、耐腐食性のチタン、プラスチック、耐圧性のシンタクチックフォーム1ガラス・金属・高分子などでできた中空の微小球を樹脂で固めた、軽量かつ高強度の複合材料。深海調査船の浮力体として利用される。デジタル大辞泉で構成されており、水深6,000メートル(約19,700フィート)までの展開に耐えることができます。

MBARIの電気技術者であるPaul McGill氏は、「このような極限状態での運用という物理的な課題に加えて、1年間クラッシュせずに運用できる信頼性の高いコンピュータ制御システムとソフトウェアを設計しなければなりませんでした(リセットボタンを押す人は誰もいません)。また、1年分のバッテリーを搭載するために、電子機器の消費電力を最小限に抑えなければなりません。」と述べています。

Benthic Rover IIは、長さ2.6メートル、幅1.7メートル、高さ1.5メートルの小型車ほどの大きさで、幅広のゴム製トラックで泥の底を優しく踏んでいきます。

MBARIの船、ウェスタン・フライヤー号からBenthic Rover IIを投入する研究者たち。

船員が慎重にローバーを海中に降ろし、海底に自由落下させる。

探査機は約2時間かけて海底に到達します。

海底に着地したローバーは、いよいよミッションを開始します。

まず、センサーが海底を流れる海流をチェックします。

好ましい流れを検出すると、ローバーは流れを上ったり横切ったりして、何もない場所に到達し、データ収集を開始します。

Benthic Rover IIに搭載された特殊なカメラで蛍光を測定。

Benthic Rover IIに搭載された特殊なカメラで蛍光を測定。植物の残骸にはクロロフィルが含まれており、特定の照明条件下で独特の蛍光信号を発する。探査機が撮影した写真では、太陽の光を浴びた海でプランクトンが大量に発生した後、ステーションMの海底に枯れた植物が大量にあることがわかる。© 2019 MBARI

探査機の前面に設置されたカメラで海底を撮影し、蛍光を測定します。

青色光の下でクロロフィルが独特の輝きを放ち、海底にどれだけの「新鮮な」植物プランクトンやその他の植物の残骸が落ちているかがわかります。

また、センサーによって、海底直下の温度や酸素濃度が記録されます。

次に、ローバーは一対の透明な呼吸計チェンバーを降ろし、泥の中の生物群の酸素消費量を48時間にわたって測定します。

動物や微生物は、有機物を消化する際に、酸素を使い、二酸化炭素を一定の割合で放出します。

動物や微生物がどれだけ酸素を消費するかを知ることは、有機物が二酸化炭素を含む単純な成分に分解される「炭素の再石灰化」を理解する上で非常に重要です。

48時間後、探査機は呼吸計のチャンバーを持ち上げ、前の道を横切らないようにしながら10メートルほど前進し、別の場所を選んでサンプルを採取します。

探査機は、通常1年間の展開期間中、このサンプリングパターンを何度も繰り返します。

MBARIの研究者は、カリフォルニア州サンタバーバラ沖の深海調査地であるステーションMで1年間にわたって展開されるBenthic Rover IIの進水と回収を、ウエスタンフライヤー号を使って行っている。

MBARIの研究者は、カリフォルニア州サンタバーバラ沖の深海調査地であるステーションMで1年間にわたって展開されるBenthic Rover IIの投下と回収を、ウエスタンフライヤー号を使って行っている。©2021 MBARI/Madison Pobis

探査終了後、ウエスタンフライヤー号が探査機を回収し、データをダウンロードし、バッテリーを交換して、次の年のために深海の海底に戻します。

MBARIチームは、1年間の展開の中で、もう1台の自律型ロボット「ウェーブグライダー」を岸から進水させ、四半期ごとにBenthic Rover IIの進捗状況を確認しに行きます。

「探査機は直接私たちと通信できないので、ロボットを送って探査機を見つけてもらうのです。」とMcGill氏は説明します。

ウェイブグライダーに搭載された音響トランスミッターが、海底にいるローバーに信号を送ります。

そして、ローバーは頭上のグライダーに最新の状態とサンプルデータを送信します。

そして、グライダーはその情報を衛星経由で陸上の研究者に送信します。

MBARIのシニアリサーチスペシャリストであるCrissy Huffard氏は、「Benthic Rover IIのデータは、いつ、どのくらい、どのような炭素源が深海の海底に封じ込められているのかを定量化するのに役立っています。」と述べています。

Benthic Rover IIが深海の海底を這うように進みながら、カメラで周囲の生物群集を撮影している。

Benthic Rover IIが深海の海底を這うように進みながら、カメラで周囲の生物群集を撮影している。他の深海底と同様、ステーションMの泥底には人があまりいないことが多い。ナマコの「Peniagone」(中央)のような底生生物は、泥の上を移動し、堆積物中の有機物を食べている。©2015 MBARI

Benthic Rover IIのセンサーは、海底を流れる海流の速度を記録する。

Benthic Rover IIのセンサーは、海底を流れる海流の速度を記録する。この海流は、漂う食物を運んでくる。ウミユリやウミウシなど、さまざまな動物が繊細な口を広げてプランクトンやマリンスノーなどの餌を集めている。©2016 MBARI

ステーションMの上の水に含まれる有機物は、ゆっくりと海底に沈んでいきます。

ステーションMの上の水に含まれる有機物は、ゆっくりと海底に沈んでいきます。その有機物の一部は、ここにいる動物によって消費され、一部は深海の堆積物に蓄えられる。Benthic Rover IIは、地表から海底への炭素の流れの理解を深めるのに役立っている。これらのプロセスを理解することは、地球の気候変動に対処する上で非常に重要である。© 2021 MBARI

Benthic Rover IIのカメラは、深海の海底で魚たちとの一瞬の出会いを捉えている。

Benthic Rover IIのカメラは、深海の海底で魚たちとの一瞬の出会いを捉えている。Coryphaenoides spは、海底のすぐ上の水域を泳いで餌を探す掃除屋だ。© 2021 MBARI

Benthic Rover IIは、カリフォルニア州中央部の海岸から225km沖合に位置するMBARIの研究施設、ステーションMで、過去7年間にわたり継続的に運用されています。

ステーションMは、海面から4,000メートル(海の平均水深と同じ)の深さにあり、深海の生態系を研究するのに適したモデルシステムとなっています。

Smith氏と彼のチームは、過去32年間にわたり、ステーションMに独自の水中観測所を建設してきました。

Benthic Rover IIをはじめとする一連の観測機器は、1日24時間、週7日、1年間無保守で稼働します。

Sherman氏は、「ローバーが7年間にわたって信頼性の高い性能を発揮し、寿命の99%を海底で過ごしたのは、長年にわたるテスト、トラブルシューティング、メンテナンスのための最適な技術開発の結果です。これは、科学における困難な問題に技術を適用することで何が可能になるかを示す素晴らしい例です。」と述べています。

ステーションMで収集されたデータは、深海が決して固定されたものではないことを示しています。

物理的、化学的、生物学的な条件は、数時間から数十年のタイムスケールで劇的に変化します。

Robots in the Abyss: 30 years of research on the abyssal plain provides clues to climate change

動画:自動翻訳あり

ステーションMの上空を流れるカリフォルニア海流の表層水は、春から夏にかけて植物プランクトンで溢れかえります。

このような生産性の季節的な変動は、水柱から海底へと連鎖していきます。

沈降する有機物の多くは「マリンスノー」と呼ばれ、その起源は大気中の二酸化炭素です。

この10年間、MBARIの研究者たちは、ステーションMで海底に落下するマリンスノーの大きなパルスが劇的に増加していることを観測しました。

この瞬間的な出来事が、この場所での1年間の食料供給量のうち、ますます大きな割合を占めるようになっています。

Benthic Rover IIは、ステーションMでの7年間の運用で、週単位、季節単位、年単位の重要なイベントを記録し、MBARIの研究者が深海の炭素循環を理解するのに役立つデータを提供しました。

2015年11月から2020年11月の間に、Benthic Rover IIは、頭上の海から深海の海底に降り注ぐ植物プランクトンの死骸やその他の植物性の破片(ファイトデトリタス)の雨量が大幅に増加したことを記録しました。

この有機物の降雨に伴って、深海底直下の溶存酸素濃度が低下しました。

従来の短期的なモニタリングツールでは、長期的な変化や傾向をもたらす変動を検出することはできませんでした。

Benthic Rover IIは、炭素が表層から海底に移動する様子を、より詳細に明らかにしました。

「Benthic Rover IIは、地球規模のモデルでは見落とされている、深海における重要な短期および長期の変化を警告してくれました。」とHuffard氏は強調します。

Benthic Rover IIのような自律型技術は、科学者が深海を長期的にモニタリングする能力を向上させることができます。

Benthic Rover IIのような自律型技術は、科学者が深海を長期的にモニタリングする能力を向上させることができます。深海の基本的な理解を深めることは、気候変動や深海の採掘に直面する上で不可欠である。© 2021 MBARI/Madison Pobis

Benthic Rover IIの成功とMBARIのステーションMでの継続的な作業は、持続的なプラットフォームと長期的な観測が、地球上で最大の生活空間の理解を深めることにつながることを示しています。

また、深海底から鉱物資源を採取しようとする企業が増えている中で、これらのデータは、産業開発や深海採掘が検討されている地域の基礎的な状況についても貴重な知見を与えてくれます。

また、海洋は、地球の炭素循環や気候に欠かせない要素です。

海洋とその生物群集は、二酸化炭素の吸収源となります。

化石燃料の燃焼、家畜の飼育、森林の伐採などにより、毎年何十億トンもの二酸化炭素が大気中に放出されています。

海は、この過剰な二酸化炭素の25%以上を吸収することで、最悪の影響から私たちを守っています。

気候の変化に直面している今、太陽の光が降り注ぐ海面と暗い深海の間で炭素がどのように流れているかを理解することは、かつてないほど重要なことです。

Published by Monterey Bay Aquarium Research Institute. Abyssal Benthic Rover: autonomous long-term monitoring of deep-ocean processes, Science Robotics (2021). DOI: 10.1126/scirobotics.abl4925