قياس المحيط العدائي تحت الأعاصير

الشكل 1: طائرة شراعية Slocum من Teledyne Webb Research ، في طريقها إلى النشر. الائتمان: جامعة روتجرز.

الشكل 3: طائرة شراعية Teledyne Slocum لمراقبة العاصفة. الائتمان: Teledyne البحرية

الشكل 5: ثلاثة خطوط اعتصارية لطائرات شراعية لإعصار الحارس كانت تعمل في نفس اليوم في عام 2018. الائتمان: Teledyne Marine

الشكل 6: تطفو أبحاث Teledyne Webb EM-APEX. الائتمان: Teledyne البحرية

Previous Next

المركبات غير المأهولة تقوم بجمع البيانات لتحسين توقعات العاصفة

أصبحت تأثيرات ظروف المحيطات والتيارات على البيئات الحية موضع تقدير على نطاق واسع - من مناخ الأرض وظروف الطقس القاسية إلى مصايد الأسماك والتنوع البيولوجي. هناك حاجة إلى قياسات مستدامة وواسعة النطاق لتوفير أدلة أساسية لفهم المحيطات ، والمراقبة الفعالة للتغيرات البيئية ، وللمساعدة في توضيح الآثار الطويلة الأجل للاحتباس الحراري.

لمواجهة هذا التحدي ، ابتكر باحثو المحيطات أنواعًا مختلفة من منصات المراقبة غير المأهولة. هناك نوعان مختلفان تم تطويرهما وتزويدهما من قبل Teledyne Webb Research وهما طائرات شراعية لقياس مياه أعالي المحيط وتطفو ملامحها لمراقبة الدوران العالمي. هذه المنصات ، التي تدعم مجموعة متزايدة من التطبيقات ، كانت ذات قيمة خاصة لقياس المياه الصعبة تحت العواصف الشديدة.

قياس ظروف المحيط في مسارات العواصف
أدى الاهتمام العالمي بمناخ الأرض المتغير إلى دفع اتجاهات الاحترار في الغلاف الجوي والمحيط إلى اهتمام الجمهور. كانت العواصف في دائرة الضوء ، وخاصة الأعاصير والأعاصير. إن التنبؤ الدقيق لسقوط العاصفة وقوتها ينقذ الأرواح ويقلل من النفقات الدفاعية غير الضرورية.

تأتي الطاقة التي تغذي العواصف المدارية من الحرارة في أقصى 50 متراً من المحيط ، وتحديداً ارتفاع درجة حرارة المياه عن 79 درجة فهرنهايت. وقد حدد الباحثون أن التنبؤ المحسّن بشكل كبير بكثافة العاصفة المدارية ، وهو مؤشر على تأثيرها المدمر ، يأتي من معرفة دقيقة. حول درجات حرارة المياه الجوفية على طول مسار العاصفة. درجة حرارة الماء الأساسية ليست ثابتة. وبدلاً من ذلك ، تقوم حركة العاصفة على المحيط بتجميع المياه العميقة في الطبقات السطحية وبالتالي تغيير إمدادات الطاقة المتاحة. يمكن أن يعمل هذا الخلط إما على تكثيف العاصفة أو تقليلها اعتمادًا على درجة حرارة الماء المتصاعد. وبالتالي ، فإن معرفة درجات الحرارة تحت سطح البحر هي معلومات مهمة للتنبؤ بالعواصف. بالإضافة إلى ذلك ، فإن معرفة التيارات وقصها في مراحل مختلفة من العاصفة يعطي نظرة أكثر وضوحا على ديناميات التفاعلات الجوية / البحرية.

كانت Teledyne Webb Research رواد تكنولوجيا الطائرات بدون طيار المغمورة تحت سطح البحر. تطورت الطائرات الشراعية Slocum بسرعة من النماذج التجريبية إلى منصات متنقلة موثوقة تعمل في جميع أنحاء العالم في أنشطة متنوعة في أعالي المحيط.

الشكل 2: طائرة شراعية Teledyne Slocum في المياه الاستوائية

الطائرات الشراعية Slocum تغيير حجمها لتغرق أو ترتفع. الأجنحة المتصلة تنتج المصعد عندما يمر السائل فوق أسطحها. التأثير الصافي هو تحويل بعض الحركة الرأسية للطائرة الشراعية إلى حركة أفقية. تتحرك الطائرات الشراعية Slocum بسرعة 35 سم / ثانية ويمكن أن تعمل من عمق 4 أمتار إلى 1000 متر ؛ يوفر محرك هجين اختياري سرعات تصل إلى 100 سم / ثانية.

تطير الطائرات الشراعية Slocum بنمط سن المنشار المتموج ، متبوعًا مقطعًا مبرمجًا ، أحيانًا لفترات طويلة. على سبيل المثال ، جعلت الطائرات الشراعية Slocum معابر مستمرة لأحواض المحيط الرئيسية التي تتطلب أكثر من أربعمائة يوم في البحر.
بمرور الوقت ، تم تجهيز الطائرات الشراعية Slocum بمجموعة متنوعة متزايدة من أجهزة استشعار المحيطات ، بما في ذلك منشئ ملفات التعريف الحالي المتكامل. يتم قياس الخواص الفيزيائية مثل درجة حرارة الماء والملوحة بشكل روتيني. لاحظت الطائرات الشراعية أيضًا حموضة المحيط ، والكلوروفيل ، والرواسب المعلقة ، وازهار الطحالب الضارة ، وكذلك الأمواج الداخلية.

تم دمج أكثر من 45 جناح استشعار على الطائرات الشراعية Slocum مما يتيح لهم خدمة مجموعة واسعة من التطبيقات. خلال تسرب ماكوندو النفطي في عام 2010 في خليج المكسيك ، جمعت طائرة شراعية سلوكوم البيانات تحت السطحية لدعم أعمال الاستجابة. شملت الحمولات الحديثة أجهزة استشعار للاضطرابات لقياس خلط المحيطات ، وأجهزة استشعار صوتية حيوية لتقييم مخزونات العوالق الحيوانية قبالة القارة القطبية الجنوبية ، وهيدروفونات للرصد شبه الحقيقي لحيتان شمال الأطلسي اليمنى قبالة السواحل الشرقية للولايات المتحدة وكندا. تخدم الطائرات الشراعية Slocum أدوارًا جديدة في مواقع أبحاث أنتاركتيكا أيضًا ، لا سيما على حافة الغطاء الجليدي.

رصد العواصف الطائرات الشراعية
خلال العقد الماضي ، راقبت الطائرات الشراعية Slocum من Teledyne Webb Research المياه الصعبة المرتبطة بالعواصف الشديدة ، وأرسلت تقارير حتى أثناء مواجهتها للأمواج التي يزيد ارتفاعها عن 10 أمتار. توفر هذه المركبات غير المأهولة طريقة فعالة من حيث التكلفة لأخذ قياسات محيطية مستدامة ذات دقة مكانية عالية. بنفس القدر من الأهمية لمراقبة العاصفة ، تمتلك الطائرات الشراعية سلطة التحكم والقدرة على اعتراض مسار العاصفة. لرصد العاصفة ، تقوم الطائرات الشراعية بسلكوم بدوريات في مجال معين. تقيس الطائرات الشراعية درجة الحرارة والملوحة وغيرها من الخصائص أثناء نزولها وارتفاعها عبر المحيط العلوي. السطح الشراعي دوريا لإرسال قياساتهم إلى مراكز التنبؤ العاصفة. هذه البيانات تحت سطح البحر هي مدخلات لنماذج الكمبيوتر التي تنتج توقعات حول شدة العاصفة ومسارها. لقد تحسنت دقة تنبؤات الكمبيوتر هذه نظرًا لبيانات الطائرات الشراعية.

في الواقع ، لدى البحرية الأمريكية في كثير من الأحيان 50 طائرة شراعية منتشرة في جميع أنحاء العالم ترسل بيانات للتنبؤ بالطقس في المحيط. قبل عشر سنوات ، حصلت Teledyne على عقد برنامج سجل القوات البحرية للاستخدام التشغيلي للطائرات الشراعية.

مثال مثير للإعجاب لفائدة استخدام الطائرات الشراعية لمراقبة العواصف يأتي من البيانات التي تم جمعها خلال إعصار سوليك في غرب شمال المحيط الهادئ في عام 2018. وقد تم نشر طائرة شراعية Slocum من جامعة روتجرز قبل العاصفة. وأظهرت البيانات في الموقع تغيرا سريعا للغاية في درجة حرارة مياه المحيط العلوي عند وصول العاصفة. بالمقارنة ، أظهر نموذج التنبؤ المعتمد على الكمبيوتر انتقالًا أبطأ بكثير استجابة للعاصفة ، مما أدى إلى تباين قدره 6 درجات مئوية للتغير في درجة حرارة الماء ، بين النموذج والبيانات التي تم جمعها. يسمح تحديث النموذج ببيانات الوقت شبه الحقيقي بتوقع عاصفة أفضل.

خلال موسم الأعاصير الأخير في الولايات المتحدة ، قامت عشرات المنظمات بنشر طائرات شراعية للعاصفة. كانت الطائرات الشراعية Slocum من Teledyne Webb Research سائدة بسبب أدائها المثبت. مع الأخذ في الاعتبار توقعات الطقس ، وجه الباحثون الطائرات الشراعية نحو المسار المتوقع للعاصفة قبل عدة أيام. تم تنسيق مسارات الطيران الشراعي وتوجيهها عبر مسار العاصفة ، بحيث تغطي الجرف القاري من منتصف إلى الخارج ، على طول الساحل الشرقي للولايات المتحدة.

الشكل 4: مقارنة بيانات درجة حرارة الماء من أعلى المحيط في غرب شمال المحيط الهادئ خلال إعصار سوليك في عام 2018. لوحظت بيانات الجزء العلوي في الموقع باستخدام طائرة شراعية Slocum. اللوحة السفلى: الإخراج من طراز الكمبيوتر. مربع يسلط الضوء على المنطقة التي نوقشت في النص. الائتمان: جامعة روتجرز

في منتصف الليل الأطلسي ، الذي يمتد من كيب كود ، ماجستير إلى كيب هاتيراس ، نورث كارولاينا ، الجرف القاري ضحل. تم توثيق المياه العميقة بشكل جيد لتكون أكثر برودة من المياه السطحية خلال وقت الصيف. بالنظر إلى ارتفاع درجة حرارة المحيطات تحت عين العاصفة ، قد يُتوقع أن يؤدي تسطيح هذه المياه الباردة إلى إضعاف إعصار عابر.

ساعدت طائرة شراعية من طراز Slocum ، تم نشرها قبل إعصار ساندي ، في سرد قصة مختلفة في هذه الحالة. باستخدام طرز وبيانات حاسوبية من الطائرات الشراعية ، قرر باحثون من جامعة روتجرز أن الرياح القوية على الحافة الأمامية للإعصار تسببت في حدوث دوامة سفلية تسببت في نقل الماء البارد إلى قاع البحر. وبالتالي ، لم يكن هناك ماء بارد متاح للخلط إلى السطح وبالتالي تقليل شدة العاصفة عندما مرت عينها على نفس المنطقة ؛ في الواقع ، كانت شدة العاصفة أقوى بكثير مما كان متوقعًا تقليديًا.

يتضح نجاح استخدام طائرات Slocum لمراقبة العواصف من الحجم المتزايد للأسطول. في عام 2018 ، كان أكثر من ثلاثين طائرة شراعية في مهمة لمراقبة الأعاصير فلورنسا ، إسحاق ، وهيلين. اجتمعت منظمات الطائرات الشراعية المشاركة من الحكومة والأوساط الأكاديمية والصناعة في جهد جماعي لاستخدام التكنولوجيا لحماية المجتمعات الساحلية بشكل أفضل.

قياس المحيط المتغير تحت إعصار مايكل
لقد غيرت تقنية التنميط العائم كيفية ملاحظة المحيط. هذه الطريقة كانت رائدة من قبل العلماء والمهندسين في Teledyne Webb Research and Scripps Institute of Oceanography. نشر برنامج Argo الدولي أساطيل من هذه الأجهزة لاستكشاف المحيط العالمي بشكل مستدام وواسع النطاق. تشكل مجموعات البيانات الناتجة مورداً غنياً لدراسة عمليات المناخ والمحيطات.

العديد من هذه الأجهزة هي عوامات المستكشف الذاتي المستقل (APEX) التي توفرها Teledyne Webb Research ، والتي قامت بتسليم أكثر من 10،000 من عائم التعريف لبرنامج Argo — أكبر كمية من مورد واحد. تقوم عوامات APEX بإجراء دورات رأسية دورية ، كل 10 أيام عادة ، عن طريق تغيير حجمها (وبالتالي الطفو) إلى الارتفاع والهبوط. عندما يصعدون عبر عمود الماء ، يقومون بقياس درجة الحرارة والملوحة.

تتطلب الجهود الرامية إلى تحسين فهم الأعاصير الرئيسية والتنبؤ بها جمع بيانات المحيطات والغلاف الجوي في أماكن معادية وصعبة. يجب قياس الخواص المحيطية مثل سرعة تيار الماء ودرجة الحرارة والملوحة ليس فقط في جميع أنحاء عمود الماء ولكن قبل مرور العاصفة وأثناءه وبعده.

إن متغير تعويم APEX - تعويم التنميط الكهرومغناطيسي ، EM-APEX ، تم تطويره مع مختبر الفيزياء التطبيقية ، جامعة واشنطن - مناسب تمامًا لجمع هذه المعلومات الأساسية. إلى جانب قياس خواص الماء ، يسجل هذا الجهاز ملامح سرعة تيار الماء. تستغل قياسات EM-APEX الحقول الكهربائية المستحثة على الحركة والتي تنشأ عندما يتحرك ماء البحر عبر المجال المغناطيسي للأرض.

لاستكشاف ظروف المحيطات تحت الأعاصير ، يجب نشر عوامات EM-APEX في غضون مهلة قصيرة قبل العواصف المتحركة ؛ وبالتالي ، يتم إسقاطها بواسطة المظلة من الطائرات. عندما دخل إعصار مايكل إلى خليج المكسيك في أكتوبر 2018 ، تم إطلاق ثلاثة طواف EM-APEX في طريقها من قبل فريق بحث بقيادة البروفيسور نيك شاي (جامعة ميامي). تم النشر الجوي من طائرة USAF WC-130J Hercules التي تعمل من قاعدة كيسلر الجوية ؛ يتم تعديل هذه الطائرات لجمع معلومات الطقس في الأعاصير. ساعدت العديد من الوكالات الحكومية الأمريكية التي تراقب الأعاصير وتتنبأ بها في النشر الجوي. قدمت Teledyne Marine خدمات الاستضافة لجميع البيانات المرسلة من العوامات المنتشرة ، فضلاً عن الدعم الفني الآخر.

تباينت أنماط التنميط لعوامات EM-APEX أثناء النشر. لمدة 12 ساعة قبل وصول الإعصار ، تدور العوامات باستمرار بين السطح وعمق 800 متر. بمجرد وصول الإعصار ، تحولت العوامات إلى ركوب الدراجات بين عمق 30 م و 300 م ، وبالتالي تجنب المنطقة السطحية الخطرة للغاية الطاقة مع الاستمرار في الحصول على بيانات المحيطات العليا.

بعد مرور الإعصار ، تدور العوامات بين السطح وعمق 500 متر. هذا النمط يحل الأمواج القريبة من القصور الذاتي ، والتي هي الميزة الأكثر حيوية في أعقاب العاصفة. حركات شبه القصور الذاتي عززت من قص السرعة ، مما يجعلها محركًا رئيسيًا لعمليات الخلط العمودي.

تم نشر العوامات EM-APEX قبل حوالي 12 ساعة من وصول الإعصار إلى موقعه. خلال الحملة ، تم تنفيذ دورات التنميط المطلوبة في المراحل الثلاث بشكل صحيح ، مما يضمن عدم إتلاف أيا من طفو EM-APEX بسبب غضب العاصفة. أثناء وجود تعويم على السطح ، تم استلام بيانات نقل البيانات بواسطة Teledyne dataserver. سجلت عوامات EM-APEX أكثر من 600 صورة خلال ستة أيام. ساعد دفق البيانات هذا الباحثين على فهم والتنبؤ بخصائص الإعصار الكبير ، وكذلك في الوقت الحقيقي القريب ، لمعرفة كيفية استجابة المحيط للتأثيرات الجوية النشطة.

حماية المجتمعات الساحلية
تمثل الحسابات السابقة مثالًا للتقدم الملحوظ في قدرات مراقبة المحيطات التي جاءت من منصات مراقبة غير مأهولة. لقد تم استخدام هذه الأجهزة المحمولة المحمولة لإجراء قياسات مطولة في المياه التي تشكل تحديا كبيرا للسفن وخطرة للغاية على البشر. تسمح الطائرات الشراعية والعوامات الجانبية بالتقييم والإبلاغ في الوقت الحقيقي القريب لظروف المحيط العدائية تحت الأعاصير والأعاصير. بالإضافة إلى قيمة هذه البيانات لأبحاث المحيطات ، فإن المحتوى المعلوماتي الخاص بها يقدم فائدة اجتماعية هامة. لقد ساهموا في تنبؤات أكثر دقة حول سقوط العاصفة وقوتها ، وبالتالي حماية المجتمعات الساحلية ، وتقليل النفقات الدفاعية غير الضرورية ، وحتى إنقاذ الأرواح.

عن المؤلفين:

في رحلة من الأرض إلى الأسفل ، درس الدكتور بيتر إسبانيا فيزياء المحيطات في مختبر الفيزياء التطبيقية ، جامعة واشنطن. كان يعمل مع أدوات جديدة لقياس التيارات المحيط. بعد انتهاء دراسته في معهد Scripps لعلوم المحيطات ، التحق بيتر بشركة RD Instruments في عام 1990. وقد عمل في المبيعات والتسويق حيث انتقل من موظفي المبيعات إلى إدارة الوحدات وإدارة الأعمال. اليوم ، الموضوع المشترك لأنشطته المتنوعة هو التسويق الفني.

شارك كلايتون جونز ، المدير الأول للتكنولوجيا في Teledyne Marine ، في إنشاء وتصميم وتطوير منصات استشعار أوقيانوغرافية بما في ذلك تحديد ملامح الطائرات الشراعية والطائرات الشراعية.

الشكل 7: النشر المحمول جواً لعائمة EM-APEX. الائتمان: القوات الجوية الامريكية الرقيب. جوليان م. شوالتر ، DVIDS. ظهور الولايات المتحدة
المعلومات البصرية لوزارة الدفاع (DoD) لا تعني أو تشكل موافقة وزارة الدفاع