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Dr. Phil Anderson und sein Kajak. Foto von SAMS.

Segelflugzeuge haben sich zu einer regelmäßig genutzten Plattform für die Überwachung der Ozeane entwickelt. Foto von SAMS.

Die Gavia's von SAMS werden in einer Vielzahl von Missionen eingesetzt. Foto von SAMS.

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Wenige Forschungsprojekte im Zusammenhang mit dem Meer und den Ozeanen betreffen heutzutage keine Form von Unterwasserrobotern oder marinen autonomen Systemen. Elaine Maslin berichtet, wie sie von der Scottish Association of Marine Science verwendet werden.

Unabhängig davon, ob es sich um große autonome Unterwasserfahrzeuge (AUVs), ferngesteuerte Fahrzeuge (ROVs), Segelflugzeuge, Lander, kleine handliche AUV-Systeme oder sogar Luftfahrzeuge handelt, sind unbemannte Systeme zu einem alltäglichen Werkzeug geworden. Und obwohl bereits fertig gebaute Systeme verfügbar sind, können Forscher durch den einfachen Zugriff auf Komponenten maßgeschneiderte Plattformen zusammenstellen, um den spezifischen Forschungsanforderungen gerecht zu werden.

Das Ergebnis ist, dass die Reichweite und Auflösung der Daten, die die meereswissenschaftliche Forschung sammeln kann, erweitert wird. Die Arbeit der Scottish Association of Marine Science (SAMS) ist ein typisches Beispiel. Es handelt sich um eine gemeinnützige Organisation, deren Wurzeln im 19. Jahrhundert liegen und die weit mehr leistet, als die abgelegene Lage an der feuchten und schroffen Westküste Schottlands vermuten lässt. Es ist an Projekten auf globaler Ebene beteiligt, und es gibt nur wenige Bereiche der Meere und Ozeane, in denen es nicht zumindest einige Studien gegeben hat. von der Untersuchung der Überlebensfähigkeit von Garnelenrückwürfen über das Verhalten des atlantischen Meridional Overturning Circulation (AMOC) bis hin zu seinem Einfluss auf die globalen Klimamuster.

SAMS verfügt über einen Fuhrpark, der seine Arbeit unterstützt. 2019 jährte sich der Einsatz eines Segelflugzeugs namens Talisker zum ersten Mal, das vor kurzem vor den schottischen Westinseln stationiert wurde, um nach Walen zu suchen. Bis heute (oder bis zu meinem Besuch im Oktober 2019) hatte SAMS 19 verschiedene Segelflugzeuge eingesetzt, die insgesamt 38 Missionen über 4201 Tage absolvierten und 68.238 km zurücklegten. Talisker selbst hat mehr als 12.000 km zurückgelegt und wird von zwei weiteren Seaglidern begleitet: Ardbed und Corryvreckan.

Die SAMS-Flotte umfasst ROVs, AUVs und Segelflugzeuge sowie unbemannte Luftfahrzeuge (UAV / Drohnen) und sogar selbst gebaute Fahrzeuge.

Arbeiten Sie in der verschneiten 24-Stunden-Nacht der norwegischen Arktis. Foto von Michael O. Snyder.

Überwachung der arktischen Ökosysteme
Diese Plattformen ermöglichen das Sammeln von Daten, die zuvor zu teuer oder zu schwierig waren. Zum Beispiel haben Professor Finlo Cottier und Dr. Marie Porter von SAMS das Arctic PRISE-Projekt geleitet. Es ist eigentlich kein Preis. PRISE steht für „Produktivität in der Eiszone“. Insbesondere ist es die Produktivität von Phytoplankton. Diese Kreaturen neigen dazu, jeden Frühling zu blühen - was das Ökosystem nach dem Winter in Schwung bringt. Aber was die Blüte auslöst, wann, in welchem Ausmaß und wie sich dies auf Änderungen der saisonal abnehmenden Meereisbedeckung auswirkt, ist nicht so gut verstanden.

Das liegt daran, dass die Überwachung arktischer Gebiete in kalten, dunklen Wintern nicht einfach ist. Daher sind die Daten spärlich und werden normalerweise nur im Sommer erfasst. Im Jahr 2018 war SAMS Teil einer Gruppe, die dies ändern wollte. Es ging im Januar (24-Stunden-Dunkelheit), April und Juli (24-Stunden-Tageslicht) in die norwegische arktische Barentssee, um Daten über Kreuzfahrten mit Forschungsschiffen zu sammeln (die Helmer Hanssen von der Universität Tromsø und James Clark Ross von der British Antarctic Survey). Um mehrmonatige Lücken zwischen den Kreuzfahrten zu schließen und sich mit den Kreuzfahrten zu überschneiden, wurden G2 Slocum-Segelflugzeuge eingesetzt. Der verwendete Slocum ist Teil des MARS-Pools (Marine Autonomous & Robotics Systems) in Großbritannien und kann bis zu 200 m tief tauchen.

Mit Unterstützung der Modellierung konnten die Wissenschaftler den Slocum zum richtigen Zeitpunkt am richtigen Ort platzieren, als die Algenblüte begann. Die Sensoren des Fahrzeugs erkennen Chlorophyll-Proxys (senden Licht aus und erfassen die Änderung der Wellenlänge des Rücklaufs, um festzustellen, was sich dort befindet / Fluorometer). Diese gingen von „knapp über dem Hintergrundniveau bis knapp vor dem Chart und stellten fest, wie es sich bewegte“, sagt Dr. Porter. Neben den Phytoplankton-Nachweisen misst das Fahrzeug auch andere Parameter: Temperatur, Salzgehalt, gelöster Sauerstoff, Tiefe, Durchschnittsstrom und Umgebungslicht, damit die Wissenschaftler versuchen können, das Gesamtbild zu verstehen.

„Da ist Robotik wirklich gut“, sagt Prof. Cottier. "Sie sind durch Batterien begrenzt, aber sehr nützlich. Daher besteht der Wunsch, sie in diesen Bereichen stärker einzusetzen, insbesondere in schwierigen (saisonalen) Fenstern."

Aber es gibt Kompromisse. Wie viel Instrumentierung Sie benötigen, hängt von der Akkukapazität ab. In arktischen Gewässern entladen die Gefriertemperaturen die Batterien zudem schneller als in wärmeren Gewässern, betont Dr. Porter. Da es in der Region nur wenige Möglichkeiten zur Bergung gibt - der nächste Hafen ist 24 Dampfstunden entfernt -, musste das Projekt auch das Risiko ausgleichen. Bei Arbeiten in eisbedeckten Gebieten musste besonders auf die Möglichkeit geachtet werden, dass Frischwasser aus schmelzendem Eis die Leistung des Auftriebsfahrzeugs beeinträchtigt und das Fahrzeug unter Eis hängen bleibt, das sich bewegen kann schneller, eisgefahren, auf der Meeresoberfläche als das Fahrzeug selbst. Es gibt auch Unterwasserströmungen, die von der Bathymetrie getrieben werden und vor denen man sich hüten muss.

Das Ergebnis ist ein besseres Verständnis der Algenblüte. Mit diesen Daten kann das Team nun mit Daten arbeiten, die über 20 Jahre von norwegischen Organisationen gesammelt wurden, um Modelle und Vorhersagen darüber zu informieren, was in den kommenden Jahren passieren könnte. Ein weiteres Projekt, das Nansen-Projekt, das jetzt in Norwegen gestartet wurde, wird sich ebenfalls mit der Überwachung befassen.

Die Gavia's von SAMS werden in einer Vielzahl von Missionen eingesetzt. Foto von SAMS.

Das Hörprojekt
Ein weiteres SAMS-Projekt ist COMPASS (Collaborative Oceanography & Monitoring for Protected Areas and Species). Dr. Andy Dale und Dr. Denise Risch haben unter COMPASS untersucht, wie sich das Leben im Seegebiet zwischen der Republik Irland, Irland und Schottland bewegt. Es ist vielleicht kein riesiges Gebiet im Verhältnis zum offenen Ozean, aber es ist ein komplexes. Das Gebiet ist stark von langsamen Strömungen vom Kontinentalrand beeinflusst und folgt einem Hang nach Norden. Einige gehen ins Regal. Es gibt eine Strömung um die Spitze der Republik Irland, eine kommt von der Irischen See. Atlantisches Wasser dringt in diese Region ein und schlängelt sich nach Norden. Diese Strömungen treiben die Ökologie in der Region voran und bringen Nährstoffe und Organismen ein. Das Verständnis dieser Punkte hilft dabei, Modelle zu unterstützen und Beiträge zu Meeresschutzgebieten zu leisten.

Teil des Projekts ist die Schaffung eines Netzwerks von Bojen zur Verfolgung, Modellierung und Überwachung von Wasserlebewesen und ozeanografischen Prozessen in diesen Gebieten. Die Wissenschaftler schicken außerdem jährlich einen Seaglider auf eine geplante Mission in einem dreieckigen Gleis und sammeln dabei Daten. Dies bedeutet, dass die Wissenschaftler jedes Jahr Änderungen sehen und ihre Strömungsmodelle aktualisieren können. 2018 wurde von August bis Mitte September ein Segelflugzeug ausgesandt, das etwa sechs Wochen lang war, und 2019 erneut.

Mit dem Segelflugzeug werden Profile der Wassereigenschaften - Temperatur, Salzgehalt, Chlorophyll, Sauerstoff, Trübung usw. - während der Fahrt erfasst. Mit diesen Informationen kann die Wasserdichte berechnet werden, um zu verstehen, woher die Ströme kommen. Die Verwendung eines Segelflugzeugs hat einige bedeutende Vorteile, aber auch Herausforderungen, sagt Dr. Dale.

"Es ist nicht trivial, ein Segelflugzeug ins Wasser zu setzen, aber es spart Geld und Zeit", sagt er. „Es geht da raus und macht weiter. Es besteht keine Gefahr, verwittert zu werden. Es liefert viel mehr Daten, da der Schirm ständig auf und ab geht. Die Auflösung der Daten auf der Strecke ist weitaus höher als bei Stichproben von einem Boot. “Aber es gebe einen Kompromiss. „Es ist schwierig, eine gerade Linie zu bekommen, da sie von Wind und Wellen getroffen werden kann. Wenn es taucht, gibt es ein komplexeres Profil, als wir es von einem Schiff bekommen würden. Wir müssen komplexe Modelle haben, um (die Daten) dafür anzupassen. Meereswachstum kann auch die Art und Weise verändern, wie es verläuft. Wir versuchen, dies so gut wie möglich zu korrigieren. “Eine weitere Herausforderung ist das Fliegen in der flachen euphotischen Zone (wo das Licht durchkommt) - wo weniger Platz für den durch Seesägen angetriebenen Auftriebspfad ist. Die Gezeiten sind auch im Regal stärker.
Im Rahmen des Projekts wird die Überwachung von Meeressäugetieren mithilfe von 10 statischen passiven akustischen Aufzeichnungsgeräten (Soundtrap, Ocean Instruments, Ltd.) in der gesamten Region durchgeführt, um die Umgebungsgeräusche aufzuzeichnen, so Dr. Risch. Vor dem Einsetzen der Rekorder gab es nur wenige Informationen über Meeressäugetiere und ihre Bewegungen in diesem Gebiet, aber es ist bekannt als Hotspot für einige Arten, wie Schweinswale und Finnwale, so dass es sich um ein Meeresschutzgebiet und ein spezielles Gebiet handelt der Erhaltung. Es bedarf jedoch weiterer Kenntnisse darüber, wie viele dieser Arten es gibt und wohin sie gehen, um sicherzustellen, dass Schutzgebiete die richtigen Gebiete abdecken. Als Ergänzung zu den statischen Sensoren, die nur Säugetiergeräusche aus einer Entfernung von bis zu 500 m aufnehmen, hat das Team Segelflugzeuge eingesetzt.

„Akustikschreiber werden immer kleiner, manche sogar so klein, dass sie selbst an Tieren haften“, sagt Dr. Risch. „Dies macht sie nützlich, um sie an Segelflugzeugen anzubringen, von denen einige bereits über Hydrophone verfügen.“ Im Moment geht es darum, verschiedene Systeme zu testen, um „die Fehler herauszufinden und welche Instrumente am besten zu verwenden sind. Wir können sie dann allen Missionen zuordnen, die wir durchführen “, sagt sie. Dies schließt Segelflugreisen entlang der Ellett-Linie ein, einer jährlichen Vermessung zwischen Schottland und Island, die 1948 begann (in begrenztem Umfang). Es wird mit einem Schiff gemacht, könnte aber mit Segelflugzeugen gemacht werden, aufgrund ihrer langen Ausdauer.

"Der Wert werden langfristige Daten sein, anhand derer wir herausfinden können, was sie (die Meeressäugetiere) im Wasser tun", sagt Dr. Risch, "die Artenverteilung und die Vorgänge vor der Küste sowie die Auswirkungen des Klimawandels."

Der Doktorand James Coogan setzte während einer Mission einen ecoSUB ein, um das Ausmaß des Abschmelzens von Gletschern zu verstehen. Bild von SAMS.

Gletschergavias
Ein weiteres Gebiet, in dem kleine Unterwasserfahrzeuge den Wissenschaftlern helfen, näher an die Dinge heranzukommen, die sie untersuchen möchten, sind die Gletscherränder. Vermessungsarbeiten in der Nähe von Gletscherrändern können für ein Vermessungsschiff aufgrund des abfallenden oder kalbenden Eises zu gefährlich sein.

Mit einem Teledyne Gavia muss das Schiff nicht in die Nähe fahren. In den Jahren 2016 bis 2017 verwendete SAMS eine Gavia namens Freya, um genau dies in Spitzbergen zu tun. Dort konnte er den Meeresboden überblicken, der zuvor vom sich jetzt zurückziehenden Gletscher verborgen war. Fotos, Sonarbilder und wichtige ozeanografische Informationen wurden gesammelt, um zu verstehen, wie sich die durch den Klimawandel verursachte zunehmende Schmelzrate auf den Meeresboden unter den Gletschern auswirkt. Diese Daten wurden dann mit Satellitendaten kombiniert, um die Rückzugsraten von Gletschereis für die letzten 10 Jahre zu berechnen, und kürzlich in der Zeitschrift Marine Geology veröffentlicht. Im Sommer 2019 ging das Team dann mit einem ecoSUB AUV (im Bild), Freya und einer Luftdrohne weiter, deren Daten geolokalisiert werden können, um Wissenschaftlern einen besseren Einblick in die subglazialen Entladungen zu geben - oder wie die Vermischung von Atlantische und arktische Gewässer beeinträchtigen die Gletscherkalbung.

Die ecoSUB-Drohne, die kürzlich zur SAMS-Flotte hinzugefügt wurde, ist weniger als einen Meter lang und wiegt weniger als 4 kg. Sie ist bis zu 100 m tief, um Daten wie Temperatur und Salzgehalt zu erfassen, während Freya erneut bathymetrische Daten erfasst.
Auf den Wellen unbemannt gehen

Nicht alle Meeresforschung muss unter den Wellen sein. Dr. Phil Anderson ist Physiker, hat aber auch Roboter gebaut und adaptiert - auf See und in der Luft. Kürzlich wurde ein speziell für Tetra Drones entwickeltes UAV erworben, das sicher auf dem Wasser landen kann, um Wasser aufzusaugen und zu filtern und Algenproben zu sammeln. Dies dient dazu, Algenblüten zu erkennen, bevor sie Fischfarmen lesen, in denen sie Probleme mit dem Bestand verursachen können. Das Wissen darüber, wie sich diese schädlichen Blüten bewegen und mit der Umwelt interagieren, insbesondere die „zerknitterte Küste“ der schottischen Westküste und andere Gebiete, die für Fischfarmen geeignet sind, ist nicht sehr gut bekannt. Daher wäre diese Art der Probenahme hilfreich. Derzeit gehen die Betreiber von Fischfarmen aus und schöpfen nur einen Eimer Wasser.

Das UAV verfügt zwar über hervorragende Fähigkeiten, hat aber nur eine begrenzte Lebensdauer. Daher hat Dr. Anderson ein Pyranha-Kajak umgebaut, mit dem längere Probenahmemissionen durchgeführt werden können. Im Gegensatz zum UAV können hier auch ungefilterte Proben gesammelt werden, bei denen die Algen für die Analyse unbeschädigt bleiben. Die Abtastraten müssen noch vollständig formuliert werden. ein weiterer Kompromiss zwischen Abdeckungsbereich und Auflösung.
Es wird alles aus Standard-Flugzeugkomponenten für Bastler - mit unterschiedlicher Software - und einigen kleinen Triebwerken gebaut, die es ermöglichen, es für automatisierte Strecken zu programmieren, und das alles zu einem Preis von weniger als 300 GBP, sagt Dr. Anderson. Es wird auch eine Glaskuppel mit einem Spektrometer haben, um Algenblüten und Licht zu erkennen. "Es ist eine kostengünstige Möglichkeit, 1 km von der Küste entfernt Proben aufzunehmen und zurückzukehren", sagt er. "Das könnte in der Nähe von Mull sein, oder es könnte nach Irland gehen, es braucht nur genug Batterien."

Die Möglichkeit, Systeme wie dieses zu entwickeln - in einer Lücke zwischen Spielzeugdrohnen und Militärfahrzeugen - wird durch den Zugang zu miniaturisierten Bauteilen vorangetrieben, die von der Massenindustrie der Mobiltelefonhersteller billig genug hergestellt werden. Diese Fähigkeit bedeutet, dass Wissenschaftler Systeme für eine Frage entwerfen können, die sie beantworten möchten, anstatt zu versuchen, ein System fit zu machen. Es wird nur einfacher, sagt er, wenn Systeme lernen, miteinander zu sprechen, auch wenn sie sich auf unterschiedlichen Protokollen befinden.

Bei SAMS ist noch viel mehr los. Zum Beispiel nutzt Jason Salt im Rahmen eines NEXUSS - Next Generation Unmanned Systems Science - Projekts einen Seaglider, um Daten über Phytoplanktonblüten im Atlantik zu sammeln. Die Erkennung von Mikroplastik in der Meeresumwelt steht im Mittelpunkt eines anderen Projekts, bei dem eine neuartige hyperspektrale Infrarotkamera auf einem UAV verwendet wird. Wir freuen uns darauf, mehr zu erfahren und Ihnen davon zu erzählen.

Die SAMS-Flotte:
- Drei Seaglider 1K (Talisker, Ardbeg und Corryvreckan) - im Besitz von SAMS.
- SAMS verwendet auch andere Segelflugzeuge der Marine Autonomous and Robotic Systems
MARS, es gibt ~ 30 im nationalen Pool)
- 1 Remus 600 AUV - Eigentum von SAMS
- 1 Gavia Offshore Surveyor AUV - im Besitz von MARS
- 2 EcoSub AUVs - Eigentum von SAMS
- 1 Mojave ROV - im Besitz von MARS
- 1 Deep Trekker ROV - im Besitz von SAMS

Segelflugzeuge haben sich zu einer regelmäßig genutzten Plattform für die Überwachung der Ozeane entwickelt. Foto von SAMS.