كاميرات وذكاء اصطناعي لرصد الثلج البحري في أعماق الأطلسي

بعيدًا عن السواحل، بين جرينلاند وكندا، يعرف بحر لابرادور بعواصفه الشتوية العنيفة وأمواجه المغطاة بالجليد. ولكن على عمق 3300 متر تحت هذا السطح القاسي، ترصد شبكة هادئة من الكاميرات والطائرات الشراعية والعوامات المنجرفة أحد أبرز منظمات المناخ على كوكب الأرض – وإن كان من أقلها فهمًا – وهي: مضخة الكربون البيولوجية.

تعمل الطحالب المجهرية في سطح المحيط على امتصاص ثاني أكسيد الكربون من الهواء وتحويله إلى مادة عضوية وبعد موتها أو هضمها، تتحول إلى ما يُعرف بـ”الثلج البحري”، وهي جسيمات تنجرف ببطء نحو الأعماق.

وإذا غاصت هذه الجسيمات بسرعة كافية، أو سحبت إلى الأعماق بفعل تيارات الحمل الحراري الشتوي، فقد يظل الكربون حبيسًا لعدة قرون.

تقول فيليبا كارفالو، من المركز الوطني لعلوم المحيطات في المملكة المتحدة: “لولا مضخة الكربون البيولوجية، لكانت مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي أعلى بنسبة 50%”.

وتشرف كارفالو على مشروع ReBELS (حل مشكلة تصدير الكربون البيولوجي في بحر لابرادور)، الذي يمتد لعام كامل.

استكشاف “منطقة الشفق” في المحيط

تعد متابعة هذه المضخة مهمة صعبة للغاية، إذ يقع معظم نشاطها في “منطقة الشفق” المظلمة، على عمق يتراوح بين 100 و1000 متر تحت سطح البحر. هذه المنطقة بعيدة عن متناول الغواصين، وتكاد تكون غير مرئية للأقمار الصناعية.

المصائد التقليدية للرواسب، التي تنزل من السفن، لا توفر سوى لقطات مؤقتة. بينما يسعى نظام ReBELS إلى تسجيل دورة كاملة على مدار عام باستخدام سلسلة من المنصات الذاتية التشغيل.

الركيزة الأساسية للتجربة هي مرساة طويلة ثبتتها سفينة الأبحاث “جيمس كوك”، حيث علقت وحدتان من نظام FluxCAM المصمم خصيصًا، على عمق 100 متر و300 متر. 

كل وحدة مزودةبزوج من الكاميرات عالية الدقة تلتقط صورًا للجسيمات المتساقطة كل بضع دقائق على مدار العام.

تقول كارفالو: “هذا تطور مثير، إذ يسمح لنا بتوثيق سرعة غرق الجسيمات، وقياس علاقتها بحجمها وتركيبها”.

تتبع الكربون في أعماق المحيط

تغذى هذه الصور نظامًا يعتمد على الذكاء الاصطناعي لتحديد وقياس وتتبع كل بقعة مرئية – سواء كانت تغرق بسرعة تقل عن متر واحد في اليوم أو تصل إلى 200 متر يوميًا.

تضيف كارفالو: “اننا نلجأ غالبًا إلى افتراضات قد تؤدي إلى تقليل أو تضخيم تقديرات تدفق الكربون”.

ومن خلال الربط بين حجم الجسيمات وسرعة غرقها، يأمل الفريق في تقليص هامش الخطأ في نماذج المناخ العالمية، والتي تعتمد على معدلات دقيقة لتصدير الكربون.

عوامة منجرفة مزودة بأجهزة استشعار متطورة

على بُعد خمسين ميلًا بحريًا، تتبع عوامة منجرفة كتلة الماء التي تمر خلالها الجسيمات المتساقطة. على عكس العوامات التقليدية التي تطفو على السطح كل عشرة أيام، ترتفع هذه العوامة وتنخفض كل 36 ساعة، متوقفة عند أعماق 200 و500 و1000 و2000 متر.

تحتوي العوامة على بطاريات إضافية ومستشعر بصري يعمل كمصيدة ضوئية للرواسب، بحسب وصف كارفالو.

وتحدّد كاميرا التحليل البصري (جهاز تحليل الرؤية تحت الماء) ما إذا كانت الجسيمات الكبيرة عبارة عن زغب عضوي أم عوالق حيوانية حية.

الطائرات الشراعية

يكمل أسطول الروبوتات طائرتان شراعيتان ذاتيتا التشغيل. تحوم إحداهما بالقرب من نقطة الإرساء، لتوفير ظروف خلفية عالية الدقة، ما يُساعد على مطابقة بيانات FluxCAM مع القراءات البصرية الشاملة.

أما الطائرة الشراعية الثانية، فتتبع العوامة المنجرفة، مما يوفر سياقًا ثلاثي الأبعاد لحركة المياه. وتمكّن هذه التقنية الباحثين من رصد هجرة العوالق الحيوانية، التي تصعد ليلًا للتغذية وتغوص نهارًا، بالإضافة إلى سرعة غرق نفاياتها العضوية في الظلام.

تقول كارفالو: “الجمع بين هذه الأساليب المختلفة يُسهم في سد الفجوات التي قد تواجهنا باستخدام تقنية واحدة فقط”.

ويعمل المرسى الثابت على مراقبة التغيرات في نقطة واحدة طوال العام، بينما تتبع العوامة نفس كتلة المياه، وترسم الطائرة الشراعية التغيرات في الموقع.

من المقرر أن تُجرى رحلة بحرية جديدة في الصيف المقبل لمعايرة أجهزة الاستشعار واستعادة كميات ضخمة من البيانات المخزنة.

بحر لابرادور: نقطة ساخنة للكربون

يشهد بحر لابرادور في كل شتاء ظاهرة الحمل الحراري العميق، حيث يؤدي تبريد الهواء السطحي إلى غوص المياه الباردة والكثيفة، حاملةً معها الجسيمات العضوية الحديثة إلى الأعماق.

وقد تجعل هذه الظاهرة من بحر لابرادور موقعًا مثاليًا لتخزين الكربون على المدى الطويل. ومع ذلك، لم تُجرَ قياسات مستمرة على مدار العام للعمليات البيولوجية والفيزيائية المؤثرة في هذه الظاهرة.

العامل الحاسم هو سباق بين الغرق والتحلل: فإذا استهلكت البكتيريا الجسيمات قبل أن تغادر الطبقة العليا من المحيط، يعود الكربون إلى الغلاف الجوي؛ أما إذا غاصت بسرعة، فيُحبس الكربون في الأعماق.

من خلال قياس وتتبع آلاف الجسيمات بشكل فردي وربطها بخصائص عمود الماء، يأمل مشروع ReBELS في تحديد الكمية الفعلية للكربون التي يخزنها بحر لابرادور.

تحديات هندسية واستعانة بالذكاء الاصطناعي

يتطلب تصميم معدات قادرة على العمل لمدة عام في مياه تبلغ حرارتها 3 درجات مئوية تحت ضغط هائل مجهودًا هندسيًا ضخمًا. وقد طوّر مهندسو المركز الوطني للعمليات البحرية (NOC) كاميرات FluxCAM بأغلفة من التيتانيوم وإلكترونيات مخصصة.

ويقوم نظام تحليل الصور بالذكاء الاصطناعي، المدرب على ملايين الصور المصنفة، بمعالجة البيانات تلقائيًا، مما يسمح للعلماء بالتركيز على تفسير النتائج.

ولا يزال التحقق من صحة البيانات على الأرض عنصرًا حاسمًا. حيث تجمع مصائد الرواسب المثبتة على المرسى مواد سائبة لتحليلها كيميائيًا، ما يتيح مقارنة البيانات المستخرجة بالذكاء الاصطناعي مع النتائج المعملية لقياس محتوى الكربون.

تؤكد كارفالو: “من خلال جمع البيانات الأرضية والقدرة على احتساب المتغيرات البيولوجية والكيميائية بدقة، سنتمكن من تقليل نسبة الخطأ في قياساتنا المستخرجة من المنصات الذاتية”.

الخطوة التالية: تصميم “ساعة الكربون” الجديدة

إذا سارت الأمور وفق المخطط، سيستعيد الباحثون المراسي والعوامات في نهاية الصيف، ليبدأ الفنيون عملية تنزيل وتحليل البيانات التي قد توفر سجلًا موسميًا كاملًا لصادرات الكربون المرتبطة بانقلابات بحر لابرادور، وهو ما تفتقر إليه النماذج المناخية الحالية.

الهدف النهائي هو التحقق مما إذا كان بحر لابرادور يُعد نقطة ساخنة لتصدير الكربون على المستوى العالمي، أم أنه مجرد حالة إقليمية.

ومع الارتفاع المستمر في مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، فإن معرفة مدى مساهمة المحيطات في امتصاص هذا الغاز تُصبح أمرًا حيويًا. تقول كارفالو: “هذا يزيد من تعقيد النمذجة، ويُعيق قدرتنا على التنبؤ بكيفية تغيّر هذه العملية الحيوية”.

ومن خلال تتبّع الكربون في منطقة الشفق، قد يُوفر الأسطول الروبوتي قريبًا الوضوح اللازم لعلم المناخ العالمي.