美国政府及3家研究机构合作升级“海洋光学传感器”

海洋中有大量浮游植物，可吸收大气中二氧化碳的总量与陆地植物相当，对气候调节起着重要作用。科学家通过使用卫星和海基传感器捕捉海洋颜色，从而研究海洋浮游生物对气候的影响。

为了确保卫星测量的准确性，研究人员依靠一种海洋光学浮标（MOBY）的海洋颜色传感器来测量太阳光。近日，美国国家海洋和大气管理局、莫斯登陆海洋实验室、迈阿密大学和美国国家标准与技术研究院（NIST）正在合作升级名为MOBY-Refresh的传感器，以实现更精准的太阳光波长测量，从而进行环境监测。

https://optics.org/news/14/1/6

MOBY由两个主要浮标组成：测量、记录光线的光学浮标和固定光学浮标的系泊浮标。NIST研究员Carol Johnson解释说：“MOBY可以测量太平洋某个位置有多少波长的光被散射出水面，而海洋颜色卫星传感器能够实时观测MOBY站点在内的海洋情况。站点的数据传递给卫星团队，卫星团队使用这些数据来校准卫星传感器，从而提高全球数据产品的准确性，例如叶绿素浓度。”

光学浮标有一个延伸到水下的中央桅杆，桅杆有三个杆状臂，每个臂都有用于收集海洋中散射光的光纤收集器，可检测到深度为1 m、5 m和9 m的光。光谱仪位于中央桅杆的底部，能够测量光在3个深度对应的波长函数。

MOBY位于夏威夷拉奈岛海岸20公里外，这里的气候和水体条件适用于卫星传感器的校准。因为该区域海水清澈、叶绿素含量低，可作为全球海洋水域的典型代表。此外，该地区大气清晰、云层稀少，也确保了测量结果在全球范围内的适用性。

Carol Johnson表示：“光学浮标的生命周期约为4个月，有两个完整的系统。水里的光学浮标用于采集数据，会在部署新设备时进行回收，以备下一次作业。”MOBY自1997年开始运作，目前是第74次部署光学浮标。

在Refresh项目中，MOBY将升级新的光学系统、支撑结构和控制系统以更换老化的硬件并减少测量的不确定性。Carol Johnson表示，数据分析仍在进行中，但与目前在海洋中的MOBY Buoy276进行初步比较，结果十分令人满意。

在光学系统升级方面，相关团队对光谱仪进行了改进，可同时测量3种太阳光，从而减少浮标倾斜、臂深度波动以及海浪聚焦时的光波动等环境源的不确定性。光学浮标现在由碳纤维制成，与以前由玻璃纤维和金属制成的光学浮标相比，结构更加坚固、在海上的使用寿命更长。

除了MOBY-Refresh，该团队正在同步开发名为MarONet的类似仪器，该仪器的光学系统设计与Refresh相同，但具有更便携的浮标，将被用于即将进行的NASA卫星任务“PACE”（浮游生物，气溶胶，云，海洋生态系统）中。

在MarONet项目中，光学系统可以拆卸并进行定标和表征。定标描述了仪器输出如何依赖于输入，表征描述了这种关系如何随所有可能的影响因素（如环境温度）而变化。

MarONet浮标将部署在澳大利亚西海岸附近，浮标校准和维护的中心位置位于主要MOBY中心的夏威夷。NIST在此过程中的作用是检查运输过程中光学系统的变化。在珀斯科廷大学联合研究员David Antoine的指导下，澳大利亚的场地规划已经开始，光学和系泊浮标设备将于2023年运往澳大利亚。

科学编辑 | 宁志强

编辑 | 徐睿