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Dr. Phil Anderson e seu caiaque. Foto do SAMS.

Planadores tornaram-se uma plataforma usada regularmente para monitoramento do oceano. Foto do SAMS.

A Gavia da SAMS é usada em uma ampla gama de missões. Foto do SAMS.

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Atualmente, poucos projetos de pesquisa relacionados ao mar e ao oceano não envolvem alguma forma de sistema autônomo marinho ou robótico subaquático. Elaine Maslin relata como eles estão sendo usados pela Associação Escocesa de Ciências Marinhas.

Sejam grandes veículos subaquáticos autônomos (AUVs), veículos operados remotamente (ROVs), planadores, landers, pequenos sistemas AUV portáteis pelo homem e até veículos aéreos, os sistemas não tripulados se tornaram uma ferramenta do dia-a-dia. E, enquanto sistemas prontos já estão disponíveis, o acesso fácil aos componentes permite que os pesquisadores montem plataformas sob medida para atender às necessidades específicas de pesquisa.

O resultado é que o alcance e a resolução da pesquisa de ciências marinhas que é capaz de coletar estão sendo ampliados. O trabalho realizado pela Associação Escocesa de Ciências Marinhas (SAMS) é um exemplo disso. É uma organização de caridade, com suas raízes nos anos 1800, que faz muito mais do que sua localização remota na costa oeste úmida e ondulada da Escócia pode sugerir. Ela está envolvida em projetos em um cenário global e existem poucas áreas dos mares e oceanos em que não há pelo menos alguns estudos; de analisar a capacidade de sobrevivência das capturas de camarão ao comportamento da Circulação Meridional de Viragem do Atlântico (AMOC) e sua influência nos padrões climáticos globais.

A SAMS possui uma frota de veículos para auxiliar seu trabalho. De fato, 2019 marcou 10 anos desde que usou um planador, um Seaglider chamado Talisker, que foi implantado mais recentemente nas Ilhas Ocidentais da Escócia para ouvir baleias. Até o momento (ou até quando eu visitei em outubro de 2019), o SAMS havia implantado 19 planadores diferentes, completando - no total - 38 missões em 4201 dias, cobrindo 68.238 km. O próprio Talisker já percorreu mais de 12.000 km e é acompanhado por outros dois Seagliders: Ardbed e Corryvreckan.

A frota da SAMS inclui ROVs, AUVs e planadores, além de veículos aéreos não tripulados (UAV / drones) e até veículos que ele próprio construiu.

Trabalhe na noite nevada de 24 horas do Ártico norueguês. Foto de Michael O. Snyder.

Monitorando ecossistemas árticos
Essas plataformas estão permitindo a coleta de dados anteriormente muito cara ou difícil de fazer antes. Por exemplo, o professor Finlo Cottier e a Dra. Marie Porter, da SAMS, lideram o projeto Ártico PRIZE. Na verdade, não é um prêmio. PRIZE significa "produtividade na zona de gelo". Especificamente, é a produtividade do fitoplâncton. Essas criaturas tendem a florescer a cada primavera - iniciando o ecossistema após o inverno. Mas o que desencadeia a floração, quando, sua extensão e como isso é afetado pelas mudanças na redução da cobertura sazonal de gelo marinho não é tão bem compreendido.

Isso ocorre porque o monitoramento de áreas árticas durante invernos frios e escuros não é fácil; portanto, os dados são escassos e geralmente obtidos apenas no verão. Em 2018, a SAMS fazia parte de um grupo que procurava mudar isso. Foi para o mar de Barents no Ártico norueguês em janeiro (escuridão de 24 horas), abril e julho (luz do dia de 24 horas) - algo que ninguém havia feito naquela área em um único ano - para coletar dados sobre cruzeiros usando navios de pesquisa (o Helmer Hanssen, da Universidade de Tromsø, e RRS James Clark Ross, da British Antarctic Survey. Para preencher lacunas de vários meses entre os cruzeiros e sobreposição com os cruzeiros, os planadores G2 Slocum foram implantados. O Slocum usado faz parte do pool de Sistemas Marítimos Autônomos e de Robótica (MARS) do Reino Unido e pode mergulhar até 200 m de profundidade.

Com o apoio da modelagem, os cientistas foram capazes de colocar o Slocum no lugar certo, na hora certa, quando a proliferação de algas começou. Os sensores do veículo detectam proxies de clorofila (enviando luz e detectando a alteração no comprimento de onda do retorno para detectar o que há / fluorômetro). Estes foram de "logo acima do nível de fundo para quase fora do gráfico cerca de três dias e viram como se moveu", diz o Dr. Porter. Além das detecções de fitoplâncton, o veículo também mede outros parâmetros: temperatura, salinidade, oxigênio dissolvido, profundidade, corrente média e luz ambiente, para que os cientistas possam tentar entender o cenário mais amplo.

"É aí que a robótica é realmente boa", diz o professor Cottier. "Eles são limitados por baterias, mas são muito úteis, por isso há desejo de usá-los mais nessas áreas, especialmente em janelas difíceis (sazonais)."

Mas existem trade-offs. A quantidade de instrumentação necessária limita a duração da missão devido à capacidade da bateria. Além disso, nas águas árticas, as temperaturas congelantes também drenam as baterias mais rapidamente do que nas águas mais quentes, ressalta o Dr. Porter. Com poucas opções de recuperação na área - o porto mais próximo fica a 24 horas de vapor da embarcação - o projeto também precisava equilibrar os riscos. E, trabalhando em áreas cobertas de gelo, era preciso prestar muita atenção à possibilidade de água fresca, derretendo o gelo, o que afetaria o desempenho do veículo impulsionado pela flutuabilidade e o potencial de o veículo ficar preso no gelo, que pode se mover mais rápido, conduzido pelo gelo, na superfície do mar do que o próprio veículo. Existem também correntes subaquáticas, impulsionadas pela batimetria, para se ter cuidado.

O resultado é uma melhor compreensão das flores de algas. Com esses dados, a equipe agora pode trabalhar com dados coletados ao longo de 20 anos pelas organizações norueguesas para informar modelos e previsões do que pode acontecer nos próximos anos. Outro projeto, o projeto Nansen, agora iniciado na Noruega, também buscará o manto de monitoramento.

A Gavia da SAMS é usada em uma ampla gama de missões. Foto do SAMS.

O projeto de escuta
Outro projeto SAMS é o COMPASS (Oceanografia e Monitoramento Colaborativos para Áreas e Espécies Protegidas). Com o COMPASS, o Dr. Andy Dale e a Dra. Denise Risch observaram a maneira como a vida se move pela área marítima entre a República da Irlanda, Irlanda e Escócia. Talvez não seja uma área enorme, em relação ao mar aberto, mas é complexa. A área é muito influenciada por correntes lentas da borda continental e segue uma inclinação para o norte. Alguns vão para a prateleira. Há uma corrente no topo da República da Irlanda, uma que vem do mar da Irlanda. A água do Atlântico entra nesta região e circula e segue para o norte. Essas correntes impulsionam a ecologia na área, trazendo nutrientes e organismos. Entender isso ajudará a apoiar modelos e contribuições para as Áreas Marinhas Protegidas.

Parte do projeto está criando uma rede de bóias para rastrear, modelar e monitorar a vida aquática e os processos oceanográficos nessas áreas. Os cientistas também enviam anualmente um Seaglider em uma missão planejada em uma trilha em forma de triângulo, coletando dados à medida que avançam. Isso significa que os cientistas podem ver mudanças a cada ano e atualizar seus modelos de fluxo. Em 2018, um planador foi enviado de agosto a meados de setembro, cobrindo cerca de seis semanas e novamente em 2019.

O planador está sendo usado para coletar perfis das propriedades da água - temperatura, salinidade, clorofila, oxigênio, turbidez etc. - enquanto viaja. Com essas informações, a densidade da água pode ser calculada e usada para entender de onde vêm os fluxos. O uso de um planador traz alguns benefícios significativos para ajudar a fazer isso, mas também desafios, diz o Dr. Dale.

"Não é trivial colocar um planador na água, mas economiza tempo e dinheiro", diz ele. “Ele sai por aí e segue adiante. Não há risco de sofrer intempéries. Ele fornece muito mais dados porque o planador está constantemente subindo e descendo. A resolução dos dados ao longo da trilha é muito maior do que se estivéssemos colhendo amostras de um barco. ”Mas, ele diz, há uma troca. “É difícil obter uma linha reta, porque ela pode ser atingida pelo vento e pelas ondas. Quando ele mergulha, há um perfil mais complexo do que receberíamos de um navio. Temos que ter modelos complexos para ajustar (os dados) para isso. O crescimento marinho também pode mudar a maneira como voa. Tentamos corrigir isso da melhor maneira possível. ”Outro desafio é voar na zona eufótica rasa (onde a luz passa) - onde há menos espaço para o seu caminho impulsionado pela flutuabilidade da serra marítima. As marés também são mais fortes na prateleira.
Como parte do projeto, o monitoramento de mamíferos marinhos está sendo feito usando 10 gravadores acústicos passivos estáticos (Soundtrap, Ocean Instruments, Ltd) em toda a área para registrar os níveis de ruído ambiente, diz o Dr. Risch. Antes de colocar os gravadores, havia pouca informação sobre mamíferos marinhos e seus movimentos nessa área, mas é conhecido como um ponto quente para algumas espécies, como a toninha do porto e a baleia, por isso é uma área marinha protegida e uma área especial de conservação. Porém, é necessário mais conhecimento sobre quantas dessas espécies existem e aonde elas vão para garantir que as áreas protegidas cubram as áreas corretas. Para complementar os sensores estáticos, que captam apenas sons de mamíferos até 500m, a equipe começou a usar planadores.

"Os gravadores acústicos estão ficando cada vez menores, alguns até pequenos o suficiente para serem acoplados aos próprios animais", diz Risch. “Isso os torna úteis para a conexão a planadores, alguns dos quais já possuem hidrofones.” No momento, trata-se de tentativa e erro, testando sistemas diferentes para “descobrir os bugs e quais instrumentos são melhores para usar. Podemos então anexá-los a todas as missões que estamos realizando ”, diz ela. Isso inclui viagens de planadores ao longo da linha Ellett, uma pesquisa anual entre a Escócia e a Islândia, iniciada em 1948 (em uma escala mais limitada). É feito com um navio, mas pode ser feito com planadores, devido à sua longa resistência.

"O valor serão dados de longo prazo, onde podemos descobrir o que eles (os mamíferos marinhos) estão fazendo na água", diz Risch, "a distribuição de espécies e o que está acontecendo no exterior e os impactos das mudanças climáticas".

O estudante de PHD James Coogan implantou um ecoSUB durante uma missão para entender a extensão do derretimento das geleiras. Imagem do SAMS.

Gavias glaciais
Outra área em que pequenos veículos subaquáticos ajudam os cientistas a se aproximarem do que eles querem estudar é nas bordas das geleiras. O trabalho de pesquisa próximo à borda das geleiras pode ser muito perigoso para um navio de pesquisa por causa da queda ou do parto do gelo.

Usando uma Teledyne Gavia, o navio não precisa se aproximar. Em 2016-2017, a SAMS usou uma Gavia, chamada Freya, para fazer exatamente isso em Svalbard. Lá, ele foi capaz de examinar o fundo do mar anteriormente escondido pela geleira agora em retirada. Fotografias, imagens de sonar e informações oceanográficas cruciais foram coletadas para ajudar os cientistas a entender como a taxa crescente de derretimento causada pelas mudanças climáticas está afetando o fundo do mar abaixo das geleiras. Esses dados foram combinados com dados de satélite para calcular as taxas de recuo do gelo glacial nos últimos 10 anos e publicados recentemente na revista Marine Geology. Então, no verão de 2019, a equipe foi mais longe, usando um ecoSUB AUV (foto), Freya e um drone aéreo, dados a partir dos quais podem ser geolocalizados, dando aos cientistas uma maneira de olhar melhor a descarga subglacial - ou como a mistura de As águas atlânticas e árticas afetam o parto glacial.

O drone ecoSUB - uma adição recente à frota SAMS - tem menos de um metro de comprimento e pesa menos de 4 kg e desceu até 100 metros de profundidade para coletar dados incluindo temperatura e salinidade, enquanto Freya mais uma vez coletou dados batimétricos.
Não tripulado nas ondas

Nem toda pesquisa marinha tem que estar sob as ondas. O Dr. Phil Anderson é físico, mas também se viu construindo e adaptando a robótica - marítima e aérea. Uma aquisição recente é um UAV Tetra Drones especialmente projetado que pode pousar com segurança na água para sugar e filtrar a água, coletando amostras de algas. Isso é para detectar a proliferação de algas nocivas antes que elas leiam fazendas de peixes, onde elas podem causar problemas com o estoque. O conhecimento de como essas flores prejudiciais se movem e interagem com o meio ambiente, especialmente a “costa ondulada” da costa oeste da Escócia e outras áreas adequadas para pisciculturas, não é muito bem compreendido, portanto esse tipo de coleta de amostras ajudaria. Atualmente, os operadores de pisciculturas saem e apenas colhem um balde de água.

Enquanto o UAV adiciona grande capacidade, ele tem resistência limitada, então o Dr. Anderson está convertendo um caiaque Pyranha que poderá continuar em missões de coleta de amostras mais longas. Ao contrário do UAV, ele também poderá coletar amostras não filtradas, onde as algas não serão danificadas para análise. As taxas de amostragem ainda não foram totalmente formuladas; sendo outra troca, entre a área de cobertura e a resolução.
Tudo está sendo construído a partir de componentes de aeronaves amadores padrão - com software diferente - e alguns pequenos propulsores que permitirão que seja programado para ir em rotas automatizadas, tudo a um custo de menos de £ 300, diz o Dr. Anderson. Ele também terá uma cúpula de vidro com um espectrômetro para detectar a proliferação de algas e a luz. "É uma maneira acessível de obter 1 km da costa para coletar amostras e voltar", diz ele. "Isso pode ser em torno de Mull ou pode ir para a Irlanda, só precisa de baterias suficientes."

A capacidade de criar sistemas como esse - em um espaço entre drones de brinquedo e veículos militares - está sendo impulsionada pela acessibilidade a componentes miniaturizados, baratos o suficiente pela indústria de fabricação de telefones celulares, diz ele. Essa capacidade significa que os cientistas podem projetar sistemas em torno de uma pergunta que eles querem responder, em vez de tentar ajustar um sistema. Ele ficará mais fácil, diz ele, à medida que os sistemas aprendem a conversar, mesmo que em protocolos diferentes.

Há muito mais acontecendo no SAMS. Por exemplo, no projeto NEXUSS - Science de Sistemas Não Tripulados de Próxima Geração -, Jason Salt está usando um Seaglider para coletar dados sobre as flores de fitoplâncton no Atlântico. Detectar microplásticos no ambiente marinho é o foco de outro projeto, usando uma nova câmera infravermelha hiperespectral em um UAV. Esperamos aprender mais e falar sobre isso.

A frota dos SAMS:
- Três Seagliders 1K (Talisker, Ardbeg e Corryvreckan) - de propriedade da SAMS.
- SAMS também usam outros planadores pertencentes aos sistemas autônomo e robótico marítimo
MARS, existem ~ 30 na piscina nacional)
- 1 Remus 600 AUV - de propriedade da SAMS
- 1 Gavia Offshore Surveyor AUV - de propriedade da MARS
- 2 AUVs EcoSub - de propriedade da SAMS
- 1 Mojave ROV - de propriedade da MARS
- 1 ROV Deep Trekker - de propriedade da SAMS

Planadores tornaram-se uma plataforma usada regularmente para monitoramento do oceano. Foto do SAMS.