نسمة هواء منعشة: مركبات سطحية غير مأهولة ترسم خريطة نقص الأكسجين في الخليج

سفينتان من طراز SeaTrac SP-48 في الخليج. حقوق الصورة: USM/SeaTrac Systems

تُعدّ المنهجية العلمية معيارًا أساسيًا للبحث العلمي، إذ تُوجّه المشاريع التحليلية والاستقصائية. ورغم تدريسها لأجيال من الطلاب، فإن خطواتها ليست قديمة، فالتطورات التكنولوجية تُساعد الباحثين على تطوير وتحديث كل خطوة منها، مما يُوفّر الوقت والمال، بل ويُنقذ الأرواح. وجمع البيانات، وهو الخطوة الوسطى في المنهجية العلمية، ليس استثناءً. فالعديد من المشاريع تتطلب مجموعات بيانات قوية، غالبًا ما تُجمع من بيئات قاسية أو على مدى فترات زمنية طويلة. وقد لجأت جامعة جنوب المسيسيبي (USM)، بمساعدة شركة SeaTrac Systems، إلى حلول ذاتية التشغيل أثناء إجراء أبحاث نقص الأكسجين في خليج المكسيك.

تُعنى هذه الشراكة، التي تضم الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA)، برسم خرائط لمناطق نقص الأكسجين المحتملة في الخليج وتأثيرها على مصائد الأسماك المحلية وتجمعاتها. وتُعرف المناطق التي تعاني من نقص الأكسجين، أو المناطق الميتة، بأنها مناطق مائية تنخفض فيها مستويات الأكسجين نتيجة لتلوث المغذيات، مما يؤثر بشكل كبير على الحياة المائية. وقد أنجز هذا التعاون مؤخرًا بنجاح المرحلة الثانية من المشروع، مستفيدًا من المرحلة السابقة ومتجاوزًا مرحلة إثبات المفهوم لنشر عدة مركبات سطحية غير مأهولة من طراز SP-48. وقال جيمس طومسون من جامعة جنوب المسيسيبي: "إنها عملية شاقة للغاية وتتطلب جهدًا بشريًا كبيرًا، وتعتمد على سفينة أبحاث ضخمة. لقد بدأنا العمل من منظور المركبات غير المأهولة، ويمكننا تحديث هذه العملية باستخدام الأدوات المتاحة حاليًا".

شاحنة النقل الصغيرة للمركبات غير المأهولة

يُعدّ المركب السطحي غير المأهول SP-48، الذي يرمز اسمه إلى "الطاقة الشمسية" و"4.8 متر"، محور هذا البحث. يبلغ طوله حوالي 15 قدمًا ووزنه حوالي 650 رطلاً، ويمكنه العمل على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع لعدة أشهر متواصلة بفضل مجموعة كبيرة من الألواح الشمسية على سطحه، والتي تشحن بطارية داخلية. صُمم هذا المركب للعمل في المياه القريبة والبعيدة عن الشاطئ؛ ففي نطاق هذا المشروع، يمكن أن يكون على بُعد خمسة أميال أو 40 ميلاً. يقول هوبي بوشنشتاين، مدير العمليات وتطوير الأعمال في شركة SeaTrac: "يُمثل المركب في جوهره منصة لجمع البيانات. نحن نعتبره بمثابة شاحنة صغيرة، حيث لا تُعدّ المنصة بحد ذاتها ذات فائدة كبيرة لأي شخص. إنما يكمن جوهر الأمر في الحمولات التي يمكن وضعها عليه، والقدرة على استبدالها بسرعة وتركيب عناصر مختلفة، سواء كانت وحدات سونار أو أجهزة استشعار لجودة المياه أو أجهزة استشعار للمحيطات."

المركبة السطحية غير المأهولة SeaTrac SP-48. حقوق الصورة: USM/SeaTrac Systems

على مدار مراحل المشروع، أجرت شركتا SeaTrac وUSM تعديلات على المركبة السطحية غير المأهولة (USV) لجعلها أكثر تنوعًا وقوة في قدراتها على جمع البيانات. وأضاف بوشنشتاين: "بالنسبة لهذه المركبة تحديدًا، كان الجهد التطويري الأكبر من جانبنا هو تطوير الرافعة ودعم عمليات المسح حتى قاع البحر. وعلى مدار المشروع، شكّلت إضافة أنظمة اتصالات إضافية، مثل Starlink Mini، إضافةً كبيرةً مقارنةً ببداية المشروع".

"إنها متعددة الاستخدامات للغاية من حيث ما يمكننا تركيبه عليها. لقد اختبرنا الكاميرات، واختبرنا بعض تقنيات تجنب الاصطدام - الكثير من الأشياء المختلفة أثناء قيامنا بهذه المهمة المتعلقة بنقص الأكسجين. وهذا يدل على مدى مرونة هذا القارب"، أكد تومسون. "ومن بين الأشياء الأخرى التي جمعناها، لمجرد أننا نستطيع، بيانات التيار الصوتي. إنها حقًا أشبه بشاحنة نقل. يمكنك وضع الكثير من الأشياء على متنها، ومع حجم البطارية وقدرتها على توليد كمية كبيرة من الطاقة الشمسية، فإنها تُحدث نقلة نوعية."

المرحلة الأولى

مثّلت المرحلة الأولى من المشروع في المقام الأول إثبات جدوى الفكرة، حيث تم اختبار المركبات وأجهزة الاستشعار المختلفة وقدرتها على جمع البيانات اللازمة. وقال تومسون: "لقد تعلمنا الكثير مما نحتاج إلى تعديله لجعل ذلك يعمل. وقد فعلنا ذلك، وبشكل أفضل بكثير مما توقعنا".

كان التطور المنطقي هو اختبار مسوحات أطول مدة، وتقييم إعدادات مختلفة لأجهزة الاستشعار، وتشغيل عدة مركبات سطحية غير مأهولة في وقت واحد بتكوينات مختلفة. وأضاف تومسون: "ما تعلمناه هو أن المركبة قادرة على توليد كل هذه الطاقة، لكننا لم نكن نستغلها بالكامل". قاموا بتغيير طريقة تشغيل أجهزة الاستشعار بحيث يتم تزويدها بالطاقة أو إعادة شحنها بواسطة المركبة السطحية غير المأهولة، مما أحدث فرقًا كبيرًا في كمية البيانات التي تمكنوا من جمعها. "لم نعد مضطرين لتقييد أنفسنا بناءً على الطاقة المتاحة في أجهزة الاستشعار. تمكنا من جمع المزيد والمزيد من البيانات. وقد أظهر ذلك ميزة القدرة ليس فقط على الوصول إلى الإحداثيات المحددة التي نصل إليها كل عام، بل أيضًا على تحديد مكان تغير حدود نقص الأكسجين، والتركيز عليها بدقة من خلال أخذ عينات بيانات إضافية."

شاركت شركة SeaTrac بشكل كبير في بداية هذا المشروع، حيث طورت ميزات جديدة مثل الرافعة لنقل أجهزة الاستشعار من السطح إلى قاع البحر. يقول بوشنشتاين: "يُعدّ الوصول إلى مسافة متر واحد من قاع البحر جزءًا بالغ الأهمية في عملية رسم خرائط نقص الأكسجين. وإلا، ستُفقد بيانات مهمة. وقد انصبّ جهد كبير من جانبنا على كيفية ضمان وصول المجس إلى تلك العمق. عملنا عن كثب مع فريق USM لدراسة طرق مختلفة لتحقيق ذلك، وتوصلنا في النهاية إلى نظام يستخدم مجموعة من معايير البرمجيات لاكتشاف أي ارتخاء في الحبل، والتأكد من أن الصوت موجود بالفعل في القاع، ولا يمكن الاقتراب أكثر من ذلك."

وأوضح تومسون قائلاً: "عندما نبحث عن أكبر تأثير لنقص الأكسجين على مصائد الأسماك، فإننا ننظر إلى تلك الطبقة القريبة من القاع حيث تعيش جميع الكائنات القاعية. من الواضح أنه إذا لم تتمكن هذه الكائنات من السباحة إلى الأعلى والخروج من تلك الطبقة، فسوف يؤثر ذلك على عملية التمثيل الغذائي وإنتاجيتها".

"من خلال القدرة على إيصال أجهزة الاستشعار إلى القاع ومعرفة يقيناً أنها وصلت إلى تلك الطبقة السفلية من الماء، ثم القدرة على النظر إلى ذلك في الوقت الفعلي والقول، "نعم، ما زلنا نكتشف انخفاض نسبة الأكسجين هنا، فلنتحرك جنوباً ونرى ما إذا كان بإمكاننا العثور على تلك الحافة التي نعود عندها إلى الماء المؤكسج مرة أخرى". كانت القدرة على تعديل المهمة بسرعة ومعرفة أننا نحصل على البيانات ذات الصلة أمراً بالغ الأهمية."

طائرة SP-48 في الماء. حقوق الصورة: USM/SeaTrac Systems

صور التقطتها كاميرا SP-48 أثناء وجودها في البحر، بما في ذلك مشاهد من أحوال جوية سيئة ورصد للحياة البرية. حقوق الصورة: USM/SeaTrac Systems

المرحلة الثانية وما بعدها

خلال المرحلة الثانية، نشرت شركة USM عدة أجهزة SP-48 في وقت واحد، تحت إشراف مشغل واحد من الشاطئ. جمع الفريق 123 نقطة بيانات موثقة لنقص الأكسجين بفضل قدرة التحمل الممتدة، وأخذ العينات التكيفي السريع، وموثوقية المنصة، حتى في ظروف الخليج الصعبة التي تضمنت مرور نظام جوي استوائي عبر منطقة العمليات.

قال تومسون: "من الأمور التي كنا نسعى إليها باستمرار تحسين تكامل أجهزة الاستشعار وتحسين تدفق البيانات. ركزت المرحلة الأولى على اختبار الإمكانيات المتاحة، بينما ركزت المرحلة الثانية على تحسين أساليب التنفيذ. وشمل ذلك أمورًا مثل تسريع عملية نقل البيانات، ونقلها من جهاز الاستشعار إلى القارب، ومن القارب عبر الأقمار الصناعية إلى نظامنا، لنتمكن من مشاركتها مع الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA) في الوقت الفعلي أثناء سيرنا."

وأشار تومسون إلى فرق آخر، وهو أن أجهزة الاستشعار تتطور بوتيرة خاصة بها، ما يعني إمكانية الاستفادة من الميزات الجديدة لتعزيز جمع البيانات. وأضاف بوشنشتاين: "طورت شركة AML Oceanographic، المصنعة لجهاز القياس، خاصية الشحن اللاسلكي له. ففي السابق، كنا نضطر إلى الموازنة بين تشغيل المجس، وجمع البيانات، وفصله، ثم إعادته إلى وضع السكون، وهو ما كان يمثل تحديًا، وفي النهاية ينفد شحن البطارية، ما يحد من إمكانيات استخدامه". وعندما طرحت AML Oceanographic هذه الميزة الجديدة، لم يعد فريق المسح البحري الأمريكي بحاجة إلى استبدال البطاريات أثناء العمل، ما أتاح إمكانية إجراء مسوحات ممتدة لفترات أطول.

وأضاف تومسون: "إنها مسألة تتعلق بالسلامة أيضاً. فأنت بذلك تُجنّب الناس عناء الذهاب لصيانة مركبة في عرض البحر، وهو أمر محفوف بالمخاطر في حد ذاته".

تتبع مسارات المركبات السطحية غير المأهولة. حقوق الصورة: USM/SeaTrac Systems

SeaTrac SP-48 في الخليج. حقوق الصورة: USM/SeaTrac Systems

يتطلع الفريق إلى صيف آخر لجمع البيانات، بهدف إضافة جهاز SP-48 ثالث إلى المجموعة. أما فيما يخص معالجة البيانات، فيواصل الباحثون تطوير أنظمة الأتمتة لتشمل خطوات إضافية لمراقبة الجودة، ويسعون إلى إضافة نموذج ثلاثي الأبعاد للأكسجين المذاب في منطقة المسح بأكملها.

ستُعزز المرحلة الثالثة أعمال المرحلتين الأولى والثانية، من خلال جمع بيانات بالغة الأهمية حول نقص الأكسجين، وتسليط الضوء على استخدام المركبات السطحية غير المأهولة في جمع البيانات ومراقبتها في عرض البحر. بل إن هذا المشروع يُبرز جانبًا نادرًا ما يُلاحظ، ألا وهو كيفية دمج التحديثات التكنولوجية التدريجية، مثل الشحن اللاسلكي، وإدارة الطاقة، وحمولة أجهزة الاستشعار، في الوقت الفعلي لتحديث البحث وتطويره.

هوبي بوشنشتاين. حقوق الصورة: USM/SeaTrac Systems

جيمس طومسون. حقوق الصورة: USM/SeaTrac Systems

شاهد الفيديو كاملاً على قناة Marine Technology TV.