Сис ван Дейк (стаття в Hydro International від 03/10/2019)
Безпілотний надводний апарат (USV) довжиною 7 м (23 футів) став першою безпілотною системою, яка здійснила обхід Антарктики. Цей апарат, відомий як SD 1020 (або Saildrone - вітрильний дрон), був оснащений набором наукових датчиків і збирав дані в раніше не вивчених водах, що дозволило отримати нове ключове уявлення про океанські і кліматичні процеси. 19 січня 2019 року USVSD 1020 відправився в 196-денну місію з порту міста Блафф в Новій Зеландії. Він повернувся в той же порт 3 серпня після того, як пройшов більше 22 000 км (11 879 морських миль) навколо Антарктиди. Під час місії SD 1020 успішно витримав морози, 15 метрові хвилі, 130 км / год вітер і зіткнення з гігантськими айсбергами.
Регулювання тепла і вуглекислого газу
Південний океан (найменування південних частин Тихого, Атлантичного і Індійського океанів, що оточують Антарктиду) грає ключову роль в регулюванні тепла і вуглекислого газу (двоокис вуглецю) на нашій планеті. Це настільки віддалений і негостинний район, що навіть великі кораблі намагаються уникати його взимку. Однак Saildrone SD 1020 не тільки пережив зиму в Південному океані, а й передав нові життєво важливі дані з раніше обстеженої території. "Одне з наших найбільших" білих плям "з точки зору наших знань про клімат і його майбутнього прогнозу знаходиться в Південному океані. В основному це пов'язано з серйозним відсутністю спостережень, особливо взимку, в цьому віддаленому і суворому навколишньому середовищі. Це призводить до недостатнього розумінню того, як функціонують ці полярні океани", - сказав Себастьян Сварт, співголова Системи спостережень в Південному океані (SOOS). "Ці спостереження високої роздільної здатності під час кругосвітнього плавання Saildrone в Антарктиці дають вченим цінні набори даних, щоб краще зрозуміти Південний океан і оцінити моделі, які ми використовуємо для прогнозування погоди і клімату".
"Про поглинання в океані викидів CO2 (вуглекислого газу), особливо в Південному океані, ще багато чого належить дізнатися. Ще кілька років тому Південний океан вважався великим поглиначем CO2. Проте, це розуміння ґрунтувалося, головним чином, на спостереженнях, зроблених з суден, які уникають найсуворіших погодних умов в Південному океані, залишаючи зимові місяці недодослідженими", - пояснив доктор Едрієнн Саттон, океанограф з групи двоокису вуглецю Тихоокеанської морської екологічної лабораторії (PMEL) Національного управління з дослідження океанів і атмосфери США (NOAA).
Поділ спостережень
За словами Саттона при використанні датчиків двоокису вуглецю на профілюючих плавучих буях в рамках проекту Моделювання та спостереження клімату і двоокису вуглецю в Південному океані (SOCCOM) дозволило вченим розширити сезонні спостереження. В результаті цього вчені прийшли до висновку, що океан поглинає CO2 менше, ніж вважалося раніше. Плавучі буї SOCCOM вимірюють кислотність (pH) морської води і використовують емпіричні залежності для розрахунку парціального тиску вуглекислого газу (pCO2) в морській воді, що вносить деяку невизначеність щодо прямого виміру. Це призвело до активного обговорення, яке було сконцентровано на невизначеності в розрахованому pCO2 при вимірах з плавучих буїв і на те, чи було ослаблено поглинання CO2, яке спостерігалося за допомогою плавучих буїв в 2014-2017 роках, просто природною мінливістю.
Головоломка з поглинанням CO2
В ході місії USV зустрівся з кількома плавучими буями SOCCOM. "Наявність іншої автономної платформи, що дозволяє вижити і залишатися в справному стані в Південному океані, є одночасно технологічним подвигом і можливістю наблизити нас до вирішення головоломки про поглинання вуглекислого газу океаном. Попередні результати показують, що ми в тому ж регіоні також спостерігали і виділення CO2 в зимові місяці, що раніше вимірювалося за допомогою плавучих буїв. Дегазація CO2 з океану в атмосферу відбувається, коли рівні pCO2 в океані перевищують атмосферні рівні", - пояснив Саттон.
"Наші первинні висновки полягають в тому, що дані з плавучих буїв SOCCOM відповідають pCO2, визначеним Saildrone, з урахуванням їх заявленої невизначеності", - сказала Ненсі Вільямс, доцент в коледжу океанології університету Південної Флориди. "Ці перетини (даних) надають великі можливості для перевірки достовірності та змісту між двома дуже різними і додатковими наборами даних. Підтримка обох цих видів спостережень буде надзвичайно корисна для поліпшення нашого розуміння ролі Південного океану в глобальному балансі вуглекислого газу, і я не можу дочекатися, щоб зануритися в цей новий набір даних". SD 1020 також проводив контрольні вимірювання поблизу заякорених буїв.
Поверхневі якірні буйкові станції
"Для проведення досліджень необхідні якісні та надійні дані. Перед розгортанням виконуються ретельні калібрування датчиків Saildrone, а також проводяться інші перевірки за аналогічними вимірам обмеженого числа заякоренних буїв і плавучих профілюючих буїв в регіоні. Саме останнє порівняння мало місце на південь від Тасманії, Австралія, де Saildrone проходив біля одного з двох поверхневих заякоренних буїв Південного океану, оснащених подібними датчиками", - пояснив біогеохімік д-р Бронте Тілбрук, що вивчає зміну кислотності океану і глобальний цикл вуглекислого газу в Науково-дослідному центрі Організації країн Британської співдружності з наукових і промислових досліджень (CSIRO).
CSIRO є незалежним федеральним урядовим агентством Австралії, відповідальним за наукові дослідження. "Технологія Saildrone революціонізує способи збору даних в Південному океані, вперше надаючи можливість для збору важливих даних протягом року і в місцях, рідко відвідуваних суднами. Області застосування включають краще розуміння кількості вуглекислого газу, що поглинається Південним океаном, визначення умов навколишнього середовища і процесів, що викликають зміни", - сказав Тілбрук.
Спостереження за океаном на місці
USV Saildrone призначені для тривалої експлуатації в океані до 12 місяців. Оскільки вони не спалюють викопне паливо, то вони мають нульовий вуглецевий слід після розгортання. Вони приводяться в дію виключно вітром - для руху і використовують сонячну енергію - для електроживлення бортових приладів. USV оснащені комплектом наукових датчиків для збору метеорологічних і океанографічних даних, важливих для розуміння змін, що відбуваються в екосистемі Антарктики. Стандартний набір датчиків включає в себе інструменти для вимірювання температури повітря і моря, атмосферного тиску, швидкості і напряму вітру, а також висоти та періоду хвилі, а також фотокамери для зйомки з захопленням лінії горизонту, неба і моря. На додаток до ASVCO2, розширений комплект датчиків SD 1020 включає в себе акустичний допплерівський профілограф швидкості течії (ADCP) для вимірювання океанських течій.
Секретна зброя
Стандартна конфігурація Saildrone 5-го покоління включає корпус довжиною 7 м, кіль довжиною 2,5 м і суцільне крило (парус) висотою 5 м. Це звичайне крило має робочий діапазон вітру до 60 вузлів. Незважаючи на це, масивні хвилі Південного океану були занадто великі для цього високого і тонкого крила в двох попередніх випадках, в 2015 та 2017 роках, коли USV були розгорнуті в Південному океані для спроби кругосвітнього плавання. В обох випадках місія була припинена через короткий проміжок часу - USV довелося перервати плавання для ремонту. Команда дослідників отримала величезну користь з цих невдач і розробила крило нового типу спеціально для Південного океану. "Пряме вітрильне озброєння" з більш низькою орієнтацією неймовірно сильне і призначене для того, щоб справлятися з величезними силами, що виникають при бічній хитавиці і зануренні від 15 метрових великих хвиль з гребенем, що загинається вниз. "Не дивлячись на те, що у прямого вітрильного озброєння діапазон робочих характеристик менше, ніж у звичайного крила, і воно з великим зусиллям дозволяє плисти проти вітру, але тим не менш воно відмінно справляється з плаванням за вітром і все ж може доставити туди, куди потрібно йти в Південному Океані", - сказав засновник і генеральний директор компанії Saildrone Річард Дженкінс. "Прийдеться неминуче пожертвувати маневреністю заради виживання, але ми створили щось, що виконує свою роботу і що Південний океан просто не може зруйнувати".
SD 1022 і SD 1023 були випущені з "удароміцними" звичайними крилами разом з SD 1020 в січні, але, як і їх попередники, обидва постраждали від урагану в перші кілька днів, в той час як пряме вітрило борознило море незважаючи на штормові умови. SD 1022 і SD 1023 повернулися до Нової Зеландії для ремонту і в травні вже були передислоковані на нове місце з квадратними крилами, схожими на SD 1020. Ці два USV недавно успішно пройшли зимову навігацію через протоку Дрейка і увійшли в Південну частину Атлантичного океану. На відміну від SD 1020, SD 1022 і SD 1023 оснащені науковими ехолотами для дослідження рибної біомаси на додаток до стандартних атмосферних і океанографічних стандартних приладів.
Плани на майбутнє
Дженкінс каже, що його компанія будує глобальний парк безпілотних надводних апаратів, орієнтованих на планетарне охоплення. "З точки зору двоокису вуглецю і тепла, Південний океан - безумовно, найважливіший океан. У всьому світі Південний океан поглинає близько половини всього двоокису вуглецю і 75% всього тепла, яке надходить в океан. Це робить непропорційно важливішим направляти зусилля і ресурси, такі як ті, що з'являються на роботизованих платформах, таких як наш USV, для отримання більшої кількості наукових вимірювань в цьому полярному регіоні". Для Дженкінса це означає, що Південний океан є ключовим пріоритетом для інструментальних вимірювань. Компанія планує розгорнути флот апаратів для постійного спостереження за Південним океаном, при цьому парк з 10-20 USV Saildrone курсує по Антарктиці круглий рік. "Система моніторингу Південного океану є одним з наших головних пріоритетів", - заявив Дженкінс. "Розуміння потоків тепла і двоокису вуглецю, популяції риб і підкислення океану в Південному океані абсолютно необхідні для поліпшення розуміння нашого клімату і забезпечення стійкості життя на цій планеті. Тільки дуже значне збільшення вимірювань дозволить робити прогнози на майбутнє".
Багатопланове співробітництво
Колектив наукових співробітників цієї першої кругосвітньої місії Saildrone в Антарктиці включає експертів з наступних установ: Національне управління океанічних і атмосферних досліджень США (NOAA), Національне управління з аеронавтики і дослідженню космічного простору США (NASA), Австралійська організація наукових і промислових досліджень Співдружності (CSIRO), група вчених і студентів Палмера мережі Довгострокові екологічні дослідження (LTER), Інститут океанографії ім. Сріппса, Система спостережень в Південному океані (SOOS), Японське агентство з морської і наземної науки і техніки (JAMSTEC), Корейський інститут полярних досліджень (KOPRI), Норвезький полярний інститут, Університет Ексетера, Університет Гетеборга, Департамент Морські науки в Університеті Отаго і Новозеландський національний інститут водних і атмосферних досліджень (NIWA).
Плани для серії уроків STEM
Місія була спонсорована некомерційним фондом Лі Ка Шинга, і всі дані були безкоштовно доступні для громадськості, щоб прискорити розуміння критичних процесів, що впливають на людство. Це також просвітницька ініціатива, спрямована на те, щоб розкрити для майбутніх поколінь швидкі зміни, що відбуваються в Антарктиці. Saildrone і 1851 Trust (співтовариство волонтерів) співпрацюють в розробці планів серії уроків по науці, техніці, інженерії та математиці (STEM), які безкоштовно надаються вчителям на сайті saildrone.com/antarctica. Всі дані цієї місії були зроблені загальнодоступними для світової наукової спільноти, і їх використання в наукових публікаціях вітається.
