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El Dr. Phil Anderson y su kayak. Foto de SAMS.

Los planeadores se han convertido en una plataforma utilizada regularmente para el monitoreo del océano. Foto de SAMS.

Las Gavia de SAMS se utilizan en una amplia gama de misiones. Foto de SAMS.

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Pocos proyectos de investigación relacionados con el mar y el océano en la actualidad no involucran alguna forma de sistema robótico submarino o autónomo marino. Elaine Maslin informa sobre cómo están siendo utilizados por la Asociación Escocesa de Ciencias del Mar.

Ya sea que se trate de vehículos submarinos autónomos (AUV) grandes, vehículos operados de forma remota (ROV), planeadores, aterrizadores, pequeños sistemas AUV portátiles e incluso vehículos aéreos, los sistemas no tripulados se han convertido en una herramienta cotidiana. Y, si bien los sistemas listos ahora están disponibles, el fácil acceso a los componentes permite a los investigadores ensamblar plataformas a medida para satisfacer necesidades específicas de investigación.

El resultado es que se está extendiendo el alcance y la resolución de los datos que la investigación en ciencias marinas puede reunir. El trabajo realizado por la Asociación Escocesa de Ciencias del Mar (SAMS) es un buen ejemplo. Es una organización caritativa, con raíces en el siglo XIX, que hace mucho más de lo que su ubicación remota en la costa oeste de Escocia, húmeda y arrugada. Está involucrado en proyectos en un escenario global y hay pocas áreas de los mares y océanos en las que no se han realizado al menos algunos estudios; desde observar la capacidad de supervivencia de los descartes de captura de gambas hasta el comportamiento de la Circulación de Volcamiento Meridional del Atlántico (AMOC) y su influencia en los patrones climáticos globales.

SAMS tiene una flota de vehículos para ayudar en su trabajo. De hecho, 2019 marcó 10 años desde que usó por primera vez un planeador, un Seaglider llamado Talisker, que se desplegó recientemente en las Islas Occidentales de Escocia para escuchar ballenas. Hasta la fecha (o hasta cuando visité en octubre de 2019), SAMS había desplegado 19 planeadores diferentes, completando, en total, 38 misiones en 4201 días, que cubren 68,238 km. Talisker ha registrado más de 12,000 km y se le unen otros dos Seagliders: Ardbed y Corryvreckan.

La flota de SAMS incluye ROV, AUV y planeadores, así como vehículos aéreos no tripulados (UAV / drones) e incluso vehículos construidos en sí.

Trabaja en la nevada noche de 24 horas del ártico noruego. Foto de Michael O. Snyder.

Monitoreo de ecosistemas árticos
Estas plataformas permiten la recopilación de datos que antes eran demasiado caras o difíciles de hacer antes. Por ejemplo, el profesor Finlo Cottier y la Dra. Marie Porter de SAMS han liderado el proyecto del Premio Ártico. En realidad no es un premio. PREMIO significa "productividad en la zona de hielo". Específicamente, es la productividad del fitoplancton. Estas criaturas tienden a florecer cada primavera, iniciando el ecosistema después del invierno. Pero, lo que provoca la floración, cuándo, su extensión y cómo esto se ve afectado por los cambios en la reducción de la cobertura estacional del hielo marino no se entiende tan bien.

Esto se debe a que monitorear áreas árticas durante inviernos oscuros y fríos no es fácil, por lo que los datos son escasos y generalmente solo se obtienen en verano. En 2018, SAMS formó parte de un grupo que buscó cambiar eso. Entró en el Ártico noruego del Mar de Barents en enero (oscuridad de 24 horas), abril y julio (luz del día de 24 horas), algo que nadie había hecho en esa área en un solo año, para recopilar datos sobre cruceros utilizando buques de investigación (el Helmer Hanssen de la Universidad de Tromsø y James Clark Ross (RRS de British Antarctic Survey). Para llenar las brechas de varios meses entre los cruceros y la superposición con los cruceros, se desplegaron planeadores G2 Slocum. El Slocum utilizado es parte de la piscina de Sistemas Autónomos y Robóticos Marinos (MARS) del Reino Unido y puede sumergirse hasta 200 m de profundidad.

Con el apoyo del modelado, los científicos pudieron colocar el Slocum en el lugar correcto en el momento correcto cuando comenzó la floración de algas. Los sensores del vehículo detectan proxies de clorofila (enviando luz y detectando el cambio en la longitud de onda del retorno para detectar lo que hay / fluorómetro). Estos pasaron de "justo por encima del nivel de fondo a casi fuera del gráfico unos tres días y vieron cómo se movía", dice el Dr. Porter. Además de las detecciones de fitoplancton, el vehículo también mide otros parámetros: temperatura, salinidad, oxígeno disuelto, profundidad, corriente promedio y luz ambiental para que los científicos puedan tratar de comprender la imagen más amplia.

"Ahí es donde la robótica es realmente buena", dice el profesor Cottier. "Están limitados por las baterías, pero son muy útiles, por lo que existe el deseo de usarlos más en estas áreas, especialmente en ventanas difíciles (estacionales)".

Pero, hay compensaciones. La cantidad de instrumentación que toma limita la duración de la misión debido a la capacidad de la batería. Además, en aguas árticas, las temperaturas de congelación también agotan las baterías más rápido que en aguas más cálidas, señala el Dr. Porter. Con pocas opciones de recuperación en el área, el puerto más cercano a 24 horas de navegación, el proyecto también tuvo que equilibrar el riesgo. Y, al trabajar en áreas cubiertas de hielo, se debía prestar mucha atención a la posibilidad de que el agua dulce se derritiera, lo que afectaría el rendimiento del vehículo impulsado por la flotabilidad y el potencial de que el vehículo se atasque bajo el hielo, que puede moverse más rápido, conducido por el hielo, en la superficie del mar que el propio vehículo. También hay corrientes submarinas, impulsadas por la batimetría, a tener en cuenta.

El resultado es una mejor comprensión de las floraciones de algas. Con estos datos, el equipo ahora puede trabajar con datos recopilados durante más de 20 años por organizaciones noruegas para informar modelos y predicciones de lo que podría suceder en años futuros. Otro proyecto, el proyecto Nansen, ahora iniciado en Noruega, también buscará recoger el manto de monitoreo.

Las Gavia de SAMS se utilizan en una amplia gama de misiones. Foto de SAMS.

El proyecto de escucha
Otro proyecto SAMS es COMPASS (Colaboración en Oceanografía y Monitoreo para Áreas y Especies Protegidas). Bajo COMPASS, el Dr. Andy Dale y la Dra. Denise Risch han estado observando la forma en que la vida se mueve alrededor del área del mar entre la República de Irlanda, Irlanda y Escocia. Quizás no sea un área enorme, en relación con el océano abierto, pero es compleja. El área está muy influenciada por las corrientes lentas desde el borde continental y sigue una pendiente hacia el norte. Algunos descienden al estante. Hay una corriente alrededor de la parte superior de la República de Irlanda, una surge del Mar de Irlanda. El agua del Atlántico entra en esta región y gira y se dirige hacia el norte. Estas corrientes impulsan la ecología en el área, aportando nutrientes y organismos. Comprenderlos ayudará a respaldar modelos y aportes a las áreas marinas protegidas.

Parte del proyecto es crear una red de boyas para rastrear, modelar y monitorear la vida acuática y los procesos oceanográficos en estas áreas. Los científicos también envían anualmente un Seaglider en una misión planificada en una pista en forma de triángulo, recopilando datos a medida que avanza. Esto significa que los científicos pueden ver los cambios cada año y actualizar sus modelos de flujo. En 2018, se envió un planeador desde agosto hasta mediados de septiembre, cubriendo aproximadamente seis semanas, y nuevamente en 2019.

El planeador se está utilizando para recopilar perfiles de las propiedades del agua (temperatura, salinidad, clorofila, oxígeno, turbidez, etc.) a medida que viaja. Con esta información, se puede calcular la densidad del agua y se usa para comprender de dónde provienen los flujos. El uso de un planeador tiene algunos beneficios significativos para ayudar a hacer esto, pero también desafíos, dice el Dr. Dale.

"No es trivial poner un planeador en el agua, pero ahorra dinero y tiempo", dice. “Sale y sigue adelante. No hay riesgo de ser resistido. Proporciona muchos más datos porque el planeador sube y baja constantemente. La resolución de los datos a lo largo de la pista es mucho mayor que si tomáramos muestras de un barco ”. Pero, dice, hay una compensación. “Es difícil obtener una línea recta porque puede ser golpeada por el viento y las olas. Cuando se sumerge, hay un perfil más complejo que el que obtendríamos de una embarcación. Tenemos que tener modelos complejos para ajustar (los datos) para eso. El crecimiento marino también puede hacer que cambie la forma en que vuela. Tratamos de corregir eso lo mejor que podemos ”. Otro desafío es volar en la zona eufótica poco profunda (donde atraviesa la luz), donde hay menos espacio para su camino impulsado por la flotabilidad de la sierra marina. Las mareas también son más fuertes en el estante.
Como parte del proyecto, el monitoreo de mamíferos marinos se realiza utilizando 10 grabadoras acústicas pasivas estáticas (Soundtrap, Ocean Instruments, Ltd) en toda el área para registrar los niveles de ruido ambiental, dice el Dr. Risch. Antes de colocar los registradores, había poca información sobre los mamíferos marinos y sus movimientos en esta área, pero se conoce como un punto caliente para algunas especies, como la marsopa y la ballena de aleta, por lo que es un área marina protegida y un área especial. de conservación. Pero, se necesita más conocimiento sobre cuántas de estas especies hay y hacia dónde van para asegurarse de que las áreas protegidas cubran las áreas correctas. Para complementar los sensores estáticos, que solo captan sonidos de mamíferos a 500 m, el equipo comenzó a usar planeadores.

"Las grabadoras acústicas son cada vez más pequeñas, algunas incluso lo suficientemente pequeñas como para unirse a los animales", dice el Dr. Risch. "Esto los hace útiles para conectar a planeadores, algunos de los cuales ya tienen hidrófonos". Por el momento, se trata de prueba y error, probar diferentes sistemas para "descubrir los errores y qué instrumentos son los mejores para usar". Luego podemos adjuntarlos a todas las misiones que estamos haciendo ”, dice ella. Esto incluye viajes en planeador a lo largo de la línea Ellett, una encuesta anual entre Escocia e Islandia, que comenzó en 1948 (en una escala más limitada). Se hace con un barco, pero podría hacerse con planeadores, debido a su larga resistencia.

"El valor serán datos a largo plazo en los que podamos determinar qué están haciendo ellos (los mamíferos marinos) en el agua", dice el Dr. Risch, "distribución de especies y lo que está sucediendo en alta mar y cualquier impacto del cambio climático".

El estudiante de doctorado James Coogan desplegó un ecoSUB durante una misión para comprender el alcance de la fusión de los glaciares. Imagen de SAMS.

Gavias Glaciales
Otra área donde los pequeños vehículos submarinos ayudan a los científicos a acercarse a las cosas que quieren estudiar es en los bordes de los glaciares. El trabajo de inspección cerca del borde de los glaciares puede ser demasiado peligroso para un barco de inspección debido a la caída o desprendimiento del hielo.

Usando un Teledyne Gavia, la nave no tiene que acercarse. En 2016-2017, SAMS usó una Gavia, llamada Freya, para hacer precisamente esto en Svalbard. Allí, pudo inspeccionar los fondos marinos previamente ocultos por el glaciar en retirada. Se recopilaron fotografías, imágenes de sonar e información oceanográfica crucial para ayudar a los científicos a comprender cómo la creciente tasa de fusión causada por el cambio climático está afectando el fondo marino debajo de los glaciares. Luego, estos datos se combinaron con datos satelitales para calcular las tasas de retirada de hielo glacial durante los últimos 10 años y se publicaron recientemente en la revista Marine Geology. Luego, en el verano de 2019, el equipo fue más allá, usando un ecoSUB AUV (en la foto), Freya y un avión no tripulado aéreo, cuyos datos pueden ser geolocalizados, brindando a los científicos una forma de ver mejor la descarga subglacial, o cómo la mezcla de Las aguas atlánticas y árticas afectan el parto glacial.

El dron ecoSUB, una adición reciente a la flota SAMS, mide menos de un metro de largo y pesa menos de 4 kg y bajó a 100 m de profundidad para recopilar datos, incluidos la temperatura y la salinidad, mientras que Freya volverá a recopilar datos batimétricos.
Sin tripulación en las olas

No toda la investigación marina tiene que estar bajo las olas. El Dr. Phil Anderson es físico, pero también se encontró construyendo y adaptando la robótica, marítima y aérea. Una adquisición reciente es un UAV Tetra Drones especialmente diseñado que puede aterrizar de manera segura en el agua para aspirar y filtrar agua, recolectando muestras de algas. Esto es para detectar floraciones de algas nocivas antes de leer las granjas de peces donde podrían causar problemas con el stock. El conocimiento de cómo estas flores dañinas se mueven e interactúan con el medio ambiente, especialmente la "costa arrugada" de la costa oeste de Escocia y otras áreas adecuadas para las granjas piscícolas, no se entiende muy bien, por lo que este tipo de recolección de muestras ayudaría. Actualmente, los operadores de piscifactorías salen y recogen un balde de agua.

Si bien el UAV agrega una gran capacidad, tiene una resistencia limitada, por lo que el Dr. Anderson ha estado convirtiendo un kayak Pyranha que podrá realizar misiones de recolección de muestras más largas. A diferencia del UAV, también podrá recolectar muestras sin filtrar donde las algas no sufrirán daños para su análisis. Las tasas de muestreo aún no se han formulado por completo; siendo otra compensación, entre área de cobertura y resolución.
Todo se está construyendo a partir de componentes estándar de aviones de aficionados, con un software diferente, y algunos pequeños propulsores que permitirán programarlo para rutas automáticas, todo a un costo de menos de £ 300, dice el Dr. Anderson. También tendrá una cúpula de vidrio con un espectrómetro para detectar la proliferación de algas y la luz. "Es una forma asequible de llegar a 1 km de la costa para recoger muestras y regresar", dice. "Eso podría estar cerca de Mull o podría ir a Irlanda, solo necesita suficientes baterías".

La capacidad de crear sistemas como este, en una brecha entre los drones de juguete y los vehículos de grado militar, está siendo impulsada por la accesibilidad a componentes miniaturizados que la industria de fabricación masiva de teléfonos móviles ha hecho lo suficientemente baratos, dice. Esta capacidad significa que los científicos pueden diseñar sistemas en torno a una pregunta que quieren responder, en lugar de tratar de hacer que un sistema encaje. Solo va a ser más fácil, dice, a medida que los sistemas aprendan a comunicarse entre sí, incluso si están en protocolos diferentes.

Hay muchas más actividades en SAMS. Por ejemplo, bajo un proyecto NEXUSS - Ciencia de sistemas no tripulados de próxima generación -, Jason Salt está utilizando un Seaglider para recopilar datos sobre las floraciones de fitoplancton en el Atlántico. La detección de microplásticos en el medio marino es el foco de otro proyecto, utilizando una nueva cámara infrarroja hiperespectral en un UAV. Esperamos aprender más y contarle al respecto.

La flota de SAMS:
- Tres Seagliders 1K (Talisker, Ardbeg y Corryvreckan) - propiedad de SAMS.
- SAMS también utiliza otros planeadores propiedad de los sistemas marinos autónomos y robóticos
MARTE, hay ~ 30 en el grupo nacional)
- 1 Remus 600 AUV - propiedad de SAMS
- 1 Gavia Offshore Surveyor AUV - propiedad de MARS
- 2 AUV EcoSub - propiedad de SAMS
- 1 Mojave ROV - propiedad de MARS
- 1 Deep Trekker ROV - propiedad de SAMS

Los planeadores se han convertido en una plataforma utilizada regularmente para el monitoreo del océano. Foto de SAMS.