Учёные океанской сумеречной зоны решают задачу освещения в темноте

Океанографы, изучающие существ в океанской сумеречной зоне (mesopelagic zone), столкнулись с оптической дилеммой. Им нужно наблюдать за рыбами, чтобы их изучать, но на глубинах от 200 метров и ниже естественного света, проникающего с поверхности, очень мало. Это означает, что подводные аппараты, созданные для съёмки и отслеживания этих животных, должны быть оснащены светом, который может их освещать, — и делать это, не отпугивая.

«Если мы хотим спуститься туда и увидеть животных в их естественной среде обитания, нам нужно посветить на них», — говорит биолог Вудс-Холского океанографического института (WHOI) Джоэль Ллопис. — «Но мы пока не уверены, как они отреагируют на разные типы света».

Освещение слабо освещённого мира

Рыбы сумеречной зоны проводят большую часть жизни в сине-зелёном свете. Свет начинает свой путь как часть спектра солнечных лучей, но, в отличие от других цветов, которые поглощаются водой, сине-зелёный хорошо проникает в эту область. Однако среда настолько тускло освещена, что рыбам пришлось анатомически адаптироваться: у них крупные глаза и высокий уровень зрительного пигмента.

Использование белого света, по словам Ллописа, дало бы подводному аппарату самое широкое поле зрения и наилучшее качество изображения. Но для этих обитателей, испытывающих дефицит света, переход от почти полной темноты к яркому свету может их напугать — подобно сенсорной перегрузке, когда мы выходим из кинотеатра днём на яркое солнце.

В некоторых случаях свет привлекает животных. Это может быть полезно в определённых ситуациях, но создаёт искажённое представление о том, какие животные присутствуют.

Красный свет, с другой стороны, может быть вообще незаметен для обитателей сумеречной зоны — исследования спектральной чувствительности рыб и беспозвоночных показали, что многие из них не различают красный цвет. Проблема с красным светом, однако, в том, что он плохо проникает через морскую воду, поэтому количество светящихся анчоусов (bristlemouths), медуз и других мезопелагических животных, которых можно наблюдать одновременно, ограничено.

Поиск правильного баланса

Учёные и инженеры понимают эти компромиссы и работают над решением, которое балансирует между качественной съёмкой и скрытностью. Они тестируют два светодиодных массива — один с тёплым белым светом, другой с тёмно-красным — чтобы определить, какой эффективнее для съёмки животных.

«Мы очень тщательно продумывали цвет наших огней», — говорит старший научный сотрудник WHOI Дана Йоргер, ведущий разработчик нового автономного подводного аппарата для изучения сумеречной зоны — Mesobot, который будет следовать за отдельными животными в безсолнечных водах. — «Красный и белый — это "палитра", которую мы используем вместе со стереокамерами для определения местоположения целевых животных и видео 4K, чтобы запечатлеть их поведение».

Йоргер говорит, что светодиоды можно переключать в различных комбинациях, пока аппарат зависает, чтобы обеспечить оптимальное освещение. Mesobot обладает большой выносливостью, поэтому можно долго работать с разными схемами освещения, переключаясь между белым и красным светом с разной мощностью и интенсивностью. Ключевой вопрос: увидим ли мы больше животных с красным или белым светом на тех же глубинах и в то же время суток?

Отслеживание сифонофоры

Красное освещение уже показало перспективность для отслеживания рыб. Использование красного света в океане для учёных ново, и были опасения, что затухание в воде и сниженная чувствительность камеры могут быть проблемой. Однако во время недавних тестов с коллегами из MBARI и Стэнфордского университета, используя тусклый красный свет и настроив усиление и экспозицию камеры, удалось отслеживать в течение разного времени гребневика (ctenophore), брошенный «домик» личинки оболочника (larvacean) и фрониму (phronima) в бочонке сальпы.

Красный свет также помог снимать сифонофору — родственницу португальского кораблика — более пяти часов. По словам инженера Джонатана Хауленда, животное двигалось спорадическими рывками и выполняло арабескоподобные движения, погружаясь на 150 метров в течение дня.

«Мы многое узнали о том, какие параметры работают для отслеживания животных, в отличие от съёмки "красивых картинок"», — говорит он.

Пока никто не отказывается от использования белого света, но ранний успех с красными светодиодами — большой шаг вперёд. Исследователи планируют провести предварительные океанские испытания новой системы освещения на Mesobot этой осенью.

«Мы спроектировали Mesobot так, чтобы он мог зависать и двигаться максимально незаметно, чтобы наблюдать и снимать животных, не меняя их поведения», — говорит Йоргер. — «Свет так же важен для достижения этой цели, как и некоторые механические компоненты аппарата, такие как двигатели и система пассивной балластировки, которые были разработаны с учётом скрытности».