Eine Flotte von Segelbootdrohnen könnte die Auswirkungen des Klimawandels auf die Ozeane überwachen

Die Saildrones 1005 und 1006 trugen eine Suite mit 15 Instrumenten und begannen ihre Pazifikreise im September letzten Jahres in Alameda, Kalifornien.

Jennifer Keene, UW / JISAO und NOAA PMEL

Eine Flotte von Segelbootdrohnen könnte die Auswirkungen des Klimawandels auf die Ozeane überwachen

Von Paul VoosenMar. 8, 2018, 11:00 Uhr

Zwei 7 Meter lange Segelboote werden nächsten Monat nach fast 8 Monaten Fahrt über den Pazifik nach Kalifornien zurückkehren. Wenn sie mit halber Geschwindigkeit dahinputtern, werden sie schwer von Seepocken und anderem Wachstum sein. Es werden keine Kapitäne am Ruder sein.

Das liegt nicht an einer Meuterei. Diese Segelboote, die mit Sensoren zur Untersuchung des Ozeans ausgestattet sind, sind halbautonome Drohnen, die von Saildrone, einem in Alameda, Kalifornien, ansässigen Marine Tech-Startup, in enger Zusammenarbeit mit der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) in Washington, DC, entwickelt wurden Der längste Test für die Drohnen und auch der erste wissenschaftliche Test im Pazifik - ein wichtiger Schritt, um zu zeigen, dass sie eine alternde und teure Reihe von Bojen ersetzen können, mit denen Wissenschaftler Anzeichen von klimabedingendem El Ni aufspüren o Ereignisse.

Nach dem Zweiten Weltkrieg wurden die meisten Meeresoberflächendaten von Schiffen gesammelt. Dann kamen Bojen und Satelliten. Jetzt wollen NOAA-Wissenschaftler die Drohnen einsenden. "Wir könnten den nächsten epochalen Fortschritt in der Ozeanographie machen", sagt Craig McLean, stellvertretender Administrator der NOAA für ozeanische und atmosphärische Forschung und leitender Wissenschaftler. Innerhalb des nächsten Jahrzehnts könnten Hunderte oder sogar Tausende von solarbetriebenen und windbetriebenen Drohnen die Weltmeere durchstreifen und mithilfe von Satelliten Informationen über die Meeresoberfläche und über der Luft übertragen.

Die Drohnen kommen für Wissenschaftler, die die El Nioutho Southern Oscillation untersuchen, eine Reihe sich verändernder globaler Temperatur- und Niederschlagsmuster, die von warmen Oberflächengewässern ausgelöst werden, die alle paar Jahre über den äquatorialen Pazifik hin und her schwappen . Seit den 1980er Jahren hat die NOAA ein am pazifischen Meeresboden festgemachtes Bojengitter namens Tropical Atmosphere Ocean (TAO) unterstützt, um diese Schwankungen zu untersuchen und vorherzusagen. Sein Erfolg führte zu ähnlichen Arrays im indischen und atlantischen Ozean.

Zu Beginn dieses Jahrzehnts hatte das TAO-Array jedoch eine Nahtoderfahrung. Das Meereswachstum an Bojen und ihren Liegeplätzen ist ein Fischmagnet, der sie auch zu einem Anziehungspunkt für Fischer macht, sodass das markante TAO-Raster auf den Karten der weltweiten Fischfänge erscheint. Als die Fischer die Bojen zur Seite zogen, um sie leichter entnehmen zu können, beschädigten sie sie, und die Wartungsarbeiten häuften sich. In der Zwischenzeit wurden aufgrund der Budgetkürzungen und der hohen Kosten für den Betrieb von Forschungsschiffen nur wenige neue Bojen eingesetzt. "Das war ein Weckruf für uns alle", sagt Christopher Sabine, Ozeanograph an der Universität von Hawaii in Honolulu.

Winde der Veränderung

Zwei Saildrones haben eine Reihe von 15 Sensoren in den tropischen Pazifik und zurück befördert, die nur von Wind und Sonne angetrieben werden. Die von Satelliten übermittelten Daten werden mit Messwerten von Bojen und Schiffen verglichen.

(GRAFIK) A. CUADRA / WISSENSCHAFT ; (DATA) SAILDRONE

Schließlich stellte der Kongress die Finanzierung des TAO-Arrays wieder her, das jährlich etwa 10 Millionen US-Dollar kostet. Aber jetzt hat Japan, das ein komplementäres Netz im westlichen Pazifik unterhält, das Triangle Trans-Ocean Buoy Network, fast alle seine Bojen abgezogen, weil die Mittel begrenzt sind und die Schiffszeit für die Wartung knapp ist, was die El Niño-Messungen erneut verschlechtert . Die Krise veranlasste die NOAA und andere, nach einem nachhaltigeren System zu suchen, um El Niño-Warnungen auszusenden, die den Behörden helfen, die schweren Regenfälle und Dürren zu planen, die die Folge sind. "Es ist eine Gelegenheit, genau zu sehen, was das Array ist und welche Anforderungen es stellt", sagt Meghan Cronin, Ozeanographin am Pacific Marine Environmental Laboratory (PMEL) der NOAA in Seattle, Washington.

Richard Jenkins, Ingenieur und Gründer von Saildrone, witterte eine Gelegenheit. Er hatte ein Segelboot auf Rädern namens Greenbird gebaut, das 2009 den Geschwindigkeitsrekord für ein windbetriebenes Fahrzeug brach und 202 Stundenkilometer auf einem trockenen Seebett in Nevada erreichte. Danach half er zwei weltoffenen Philanthropen, Eric und Wendy Schmidt, ihr Forschungsschiff, die R / V Falkor, für 60 Millionen US-Dollar auszurüsten . Er staunte über die Kosten und fragte sich, ob eine kleinere, seefahrende Version von Greenbird kostengünstiger Ozeandaten sammeln könne. Theoretisch würde eine hochseetaugliche Saildrone keinen Treibstoff für den Antrieb benötigen. Sonnenkollektoren könnten Instrumente und Kommunikationseinrichtungen antreiben. Einfach Wegpunkte setzen und die Drohne würde dort den Wind reiten. Die Schmidts gaben Jenkins 2, 5 Millionen Dollar, um anzufangen. 2013 hatte ein Testfahrzeug seine erste Reise von Kalifornien nach Hawaii abgeschlossen, angetrieben von einem 4, 6 Meter hohen Carbonfaser-Verbundsegel.

Seitdem hat Saildrone mit PMEL-Wissenschaftlern zusammengearbeitet, um die Boote mit Sensoren auszustatten und ihre Grenzen zu testen. 2015 überlebten sie bei einem dreimonatigen Streifzug durch die Arktis 40-Knoten-Winde, um das Leben im Meer zu beurteilen. Dieser Erfolg ermutigte Wissenschaftler, darüber nachzudenken, ob die Drohnen dabei helfen könnten, Beobachtungen im Pazifik zu verankern. Es ist vorstellbar, dass die Drohnen im Kreis um einen virtuellen Liegeplatz herum fahren oder andere vorgeplante Muster ausführen, bevor sie jedes Jahr zum Reinigen in den Hafen zurückkehren, ohne dass Schiffe benötigt werden. Die Drohnen könnten auch billiger sein. Saildrone berechnet für die Datenerfassung 2500 USD pro Tag und Drohne, während die Schiffszeit 30.000 USD oder mehr pro Tag kosten kann. Jenkins glaubt, dass seine Drohnen von diesem Unterschied im Pazifik profitieren können. "Wir gehen davon aus, dass eine Flotte ausschließlich diesen Markt bedienen wird", sagt er.

Wo die Drohnen segelten

Saildrone1005 Saildrone1006 Meeresoberflächentemperatur 29.5˚C 13.6˚C PacificOcean Km 0 1000 Hawaii San Francisco
N. DESAI / WISSENSCHAFT ; (DATA) SAILDRONE

Der erste Pazifik-Test begann am 5. September 2017, als zwei Saildrones (1005 und 1006) von San Francisco (Kalifornien) nach Äquatorialgewässern abfuhren. Satelliten hatten kalte Oberflächenwasserzungen entdeckt, die sich von der südamerikanischen Küste nach Westen erstreckten, ein Hinweis auf ein starkes La Niña, El Niños Gegenüber. Es war nicht alles glattes Segeln. Nachdem sie am Äquator angekommen waren, blieben die Drohnen in der Flaute stecken, einer windstillen Zone. "Wir wussten, dass die Tropen eine Herausforderung werden", sagt Cronin. (Im Juli wird eine weitere Saildrone mit einem größeren Segel in die Tropen fliegen, von dem Jenkins hofft, dass es ihm durch die Flaute hilft.)

Schließlich fingen die Saildrone den Wind und flohen. Und als Cronin auf die Daten aus den kalten Zungen zurückblickte, entdeckte sie eine Überraschung: Die Wassertemperatur verschob sich um 1 ° in weniger als einem Kilometer. "Einige dieser Fronten sind viel schärfer, als Sie sich jemals vorstellen würden", sagt Cronin. "Das war schockierend." Es ist die Art von Detail, die die geringere Auflösung eines Satelliten verschmieren würde und etwas, das eine stationäre Boje übersehen hätte. Laut Cronin berücksichtigen die aktuellen Klimamodelle diese starken Steigungen nicht, die die Atmosphäre darüber durcheinander bringen könnten.

Neben den Temperatur-, Wind- und Sonnenstrahlungsdaten messen die Pacific Saildrones auch, wie der Ozean und die Luft Gase wie Kohlendioxid und Sauerstoff austauschen, und verwenden Doppler-Instrumente, um Ströme zu messen, die bis zu 100 Meter unter der Oberfläche fließen. Diese Sensoren könnten Muster aufdecken, die erklären, warum der tropische Pazifik Kohlendioxid emittiert, anstatt es wie die meisten anderen Teile des Ozeans zu absorbieren. Arrays wie das TAO werden weiterhin wichtig sein, sagt Cronin. Sie sieht jedoch die Entstehung eines billigeren und widerstandsfähigeren ozeanografischen Rückgrats voraus. Das neue Zeitalter der Saildrones "wird nicht alle unsere Probleme lösen", sagt Cronin. "Aber es ist wirklich interessant darüber nachzudenken, Ozeanographie ohne Schiff zu machen."