Duomenų dovanojimas atviroje jūroje

 

„Burlaiviai, komerciniai laivai ir kruiziniai laivai turi plačiu mastu remti mokslą. Įmonės įsirengia automatizuotus matavimo tinklus.

 

Profesionalūs tyrimai atliekami ne tik mokslinių tyrimų laivuose. Tyrėjai savo tikslams taip pat jau naudoja kruizinius laivus ir burlaivius. Tačiau net ir jie negali pasiekti visų suinteresuotų šalių – ir apskritai jie pateikia tik nedidelį duomenų kiekį, palyginti su vandenynų platybėmis. Siekiant panaikinti spragas, prekybiniai laivai vis dažniau bus naudojami, kaip tyrimų postai. Dėl automatizuotų matavimo prietaisų tai netrukus gali įvykti net dideliu mastu.

 

Vykdydamas įspūdingas misijas, tokias, kaip žiemojimas Arktyje, vokiečių tyrimų laivas „Polarstern“ tapo ikona. Jame telpa dešimtys mokslininkų ir jų įrangos, o įpėdinis, kuriam šiuo metu vyksta konkursas, turėtų pasiūlyti dar geresnes sąlygas ir daugiau mokslinių tyrimų pajėgumų. Tačiau toks labai specializuotas laivas gali apžvelgti tik nedidelę pasaulio vandenynų dalį.

 

Ir šis santykis tik šiek tiek pagerėja, jei įtrauksime visus vandenynus plaukiojančius tyrimų laivus visame pasaulyje, kurių skaičius yra kiek mažiau nei šimtas.

 

Būtent todėl mokslininkai šiuo metu aktyviai ieško daugiau atrakcionų – bent jau savo matavimo įrangai: jais aprūpinama vis daugiau komercinių ir kruizinių laivų, o tyrimų duomenis tikimasi rinkti net su buriuotojais. Kaip ir kai kurie laivai neseniai prasidėjusioje „Vendée Globe“ regatoje – sunkiausiose buriavimo varžybose pasaulyje.

 

Kiekvienas iš jų turėjo prietaisą, kuris matuoja anglies dioksido (CO2) kiekį vandenyje, temperatūrą ir druskos koncentraciją, taip suteikdamas tūkstančius duomenų taškų su tiksliomis geografinėmis koordinatėmis.

 

„Jie ypač vertingi, keliaujant per pietinį vandenyną, nes ten atliekami tik keli matavimai“, – sako Toste Tanhua iš Geomaro tyrimų centro Kylyje.

 

Vandenys aplink Antarktidą yra ypač įdomūs mokslui, nes dideli CO2 kiekiai iš atmosferos patenka į vandenyną. Kiek tiksliai, neaišku, bet svarbu žinoti, pavyzdžiui, norint kiekybiškai įvertinti klimato apsaugos priemonių sėkmę, sako jis. „Čia gali padėti net matavimai su individualiais buriniais laivais“, – sako Tanhua.

 

Paprastai modelio skaičiavimų duomenų spragos užpildomos, naudojant dirbtinį intelektą.

 

Tikrosios lenktynininkų laivų vertės taip pat naudingos, nes padeda sukalibruoti šią mišrią sporadiškai gautų ir įvertintų duomenų sistemą. Tai rodo Tanhua ir jo kolegų atliktas tyrimas, pagrįstas ankstesniais matavimais, įskaitant vokiečių jūreivio Boriso Herrmanno matavimus. „Naudodami šiuos duomenis galėjome dvidešimt procentų sumažinti Pietų vandenyno anglies dioksido balanso neapibrėžtumą ir daug geriau suprasti anglies srautus tarp atmosferos ir vandenyno šiame regione.”

 

Šiuo metu vykstančioje didžiausioje pasaulyje buriavimo regatoje „Vendée Globe“ autonominis įrenginys jau aprūpintas keturiuose laivuose. „Dalyviai labai suinteresuoti prisidėti prie mokslo“, – sako Tanhua. Tuo pat metu didžiuosiuose sporto renginiuose pastebima tendencija labiau stengtis tvarumui užtikrinti. Kitame leidime visose valtyse, tikriausiai, bus koks nors matavimo prietaisas, sako jis.

 

Komercinė laivyba siūlo daug didesnį matavimo tinklo potencialą – apie 50 000 krovininių laivų plaukioja visais pasaulio vandenynais.

 

Individualus bendradarbiavimas prasidėjo prieš dešimtmečius, kai tokie atsidavę tyrinėtojai, kaip Tomas Rossby iš Rod Ailendo universiteto Narragansette, konkrečiai kreipėsi į kapitonus ir paklausė, ar jie galėtų savo maršrute panaudoti okeanografinius matavimo prietaisus. O dar geriau – laivuose įrengti papildomus instrumentus? „Daugelis susidomėjo ir dalyvavo“, – sako Rossby.

 

Šis atvirumas, taip pat žinoma ribota erdvė mokslinių tyrimų laivams, paskatino Rossby ir kitus mokslininkus įkurti „RoCS“ (komercinių laivų tyrimus). Iniciatyva dabar nori aprūpinti komercinius laivus "plug & play" įrenginiais, kuriuos mokslininkai iš viso pasaulio gali užsisakyti. „Kad ne visi eitų pas laivų kapitonus ir su jais pasikalbėtų“, – sako Kerry Strom iš Woods Hole okeanografijos instituto. Racionalios priežastys yra akivaizdžios: automatizuoti įrenginiai, keliaujantys kartu su vartotoju, yra pigesni, nei tyrėjui keliaujant, o patys įrenginiai, galiausiai, taip pat atpigs, jei jie nebebus kuriami ir gaminami, kaip atskiri daiktai, o gaminami didesniais kiekiais ir naudojami daugelį metų.

 

Be to, kartais reikalingi itin ilgi leidimai iš tų šalių, kurių teritoriniai vandenys kertami. „Paprastai tai trunka iki aštuonių mėnesių ir galioja tik vienai kelionei“, – sako Stromas. RoCS projekto laivui „Bulk Xaymaca“, kuris plaukioja tarp Jamaikos ir Naujojo Orleano, jis gavo patvirtinimą visose pakrantės valstybėse, kuris galioja vienerius metus.

 

Dabar laivas nuolat matuoja sroves po kiliu, naudodamas korpuse esantį akustinį jutiklį (Acoustic Doppler Current Profiler). Ji taip pat renka orų duomenis.

 

Daugelis komercinių žvejybos laivų taip pat tinka duomenims rinkti. Pavyzdžiui, Naujojoje Zelandijoje 250 žvejybos laivų buvo aprūpinti jutikliais. Jie tvirtinami prie tinklų, kad būtų galima nustatyti vandens temperatūrą skirtinguose gyliuose. Duomenys su geografinėmis koordinatėmis tyrėjams siunčiami beveik realiu laiku per GPS įrenginį denyje, praneša, Julie Jakoboski vadovaujama, komanda žurnale „Progress in Oceanography“. Kadangi valtys plaukia arti kranto, susidaro labai tankus stebėjimo tinklas.

 

Tolimesniuose regionuose, pavyzdžiui, poliariniuose regionuose, kruiziniai laivai yra ypač tinkami. Kelios laivybos kompanijos pradėjo atitinkamas mokslines programas.

 

Laivuose sumontuoti prietaisai, matuojantys, pavyzdžiui, ledo storį bei druskos, mikroplastiko ir CO2 kiekį vandenyje.

 

Kai kuriais atvejais laive buvo įkurtos specialios laboratorijos, kuriose mokslininkai gali atlikti sudėtingesnes analizes, pavyzdžiui, dėl poliarinių vandenų biologinės įvairovės.

 

Tokie mokslininkai dažnai keliauja nemokamai, o tai padidina įmonių išlaidas. Pavyzdžiui, prancūzų Ponant kasmet mokslinės programos išlaidas vertina 2,2 milijono eurų ir neseniai paskelbė, kad nori ją toliau plėsti. Paklaustos apie motyvaciją, susijusios laivybos bendrovės atsako panašiai: „Mes laikome savo pareiga grąžinti ką nors jautriems ir nepaliestiems regionams, į kuriuos keliaujame“, – sako Verena Meraldi, Hurtigruten Expeditions vyriausioji mokslininkė. „Skatindami mokslinius tyrimus ir duomenų rinkimą šiose srityse aktyviai prisidedame prie geresnio šių vertingų ekosistemų supratimo ir apsaugos. Kartu įmonės nori sukurti pridėtinę vertę savo keleiviams. Dažnai jauni mokslininkai leidžia žmonėms pažvelgti per pečius, kai jie dirba ir skaito paskaitas. Svečiai taip pat gali dalyvauti piliečių mokslo projektuose, kuriuose dokumentuojami, pavyzdžiui, šiaurės pašvaistės ar Antarkties jūros paukščių stebėjimai.

 

Sunku paneigti, kad tokie įsipareigojimai gerina kruizų industrijos įvaizdį, kuris ekologiniu požiūriu ir taip yra gerokai palaužtas. Mokslo institucijos taip pat mielai pasinaudoja galimybe bendradarbiauti, jei joms bus suteikta vieta. Laivybos bendrovės tiria, ar projektai yra moksliškai vertingi, techniškai įgyvendinami ir ar juos galima perteikti svečiams ir pasiūlyti pridėtinę vertę.

 

Nors pirmieji šių metų „Vendée Globe“ duomenys pasiekia Toste Tanhua ir jo kolegas, jis stumia į priekį savo naują idėją. Kartu su Klasu Ove Mölleriu iš Hereon Geesthacht tyrimų centro jis taip pat nori aprūpinti įprastas burines valtis duomenims rinkti.

 

Kartu su pramonės partneriais jie sukūrė kompaktišką matavimo dėžę, kuri nuolat ima vandens mėginius po laivo korpusu, nustato temperatūrą ir deguonies lygį bei fotografuoja planktoną. Vaizdai tyrėjams siunčiami per duomenų ryšį, pvz., „Starlink“ arba USB atmintinę. Jie bando panaudoti dirbtinį intelektą, kad padarytų išvadas apie biologinį aktyvumą ir anglies apykaitą.

 

Dėžutė buvo sukurta kaip Helmholtz asociacijos projekto „SOOP“ („Shaping an Ocean Of Possibilities for Science-Industry Collaboration“) dalis. Idėja: vietoj pigesnių ir labai specializuotų prietaisų pramonė turėtų gaminti tvirtus, automatizuotus įrenginius – ekonomiškai efektyviai ir dideliais kiekiais. Tikimasi, kad paklausos sulauks tarp laivų savininkų arba jūreivių. „Susidomėjimas tikrai yra“, – sako Mölleris, kuris, be kita ko, skatina mokslinius tyrimus laivų parodose. Taip pat diskutuojama, kas padengs išlaidas.

 

Matavimo dėžė buriuotojams, kaip komplektacija, kainuoja apie 1500 eurų, o pilnai surinkta – gerus 4000 eurų. „Ne visi gali ar nori sau tai leisti, bet yra ir tokių, kuriems tai nėra jokių problemų.

 

Po to, kai sistema jau buvo sėkmingai išbandyta, tikimasi, kad ji į rinką pateks po metų, sako Mölleris. Jis tikisi, kad keli šimtai, o gal net keli tūkstančiai jūreivių parems jo tyrimus, dovanodami savo duomenis, ir taip iškels mokslą į platesnį pagrindą.“ [1]

1. Datenspende auf Hoher See. Frankfurter Allgemeine Zeitung; Frankfurt. 04 Dec 2024: N1.   Von Ralf Nestler

 

Data donation on the high seas

 

"Sailing ships, commercial and cruise ships are to support science on a large scale. Companies are equipping themselves with automated measuring networks.

 

Professional research is not only carried out on research ships. Cruise ships and sailing ships are also already being used by researchers for their purposes. But even they cannot take all interested parties with them - and overall they only provide a small amount of data compared to the vastness of the oceans. In order to close gaps, commercial ships are to be increasingly used as research outposts. Thanks to automated measuring devices, this could soon even happen on a large scale.

 

With spectacular missions such as wintering in the Arctic, the German research ship Polarstern has become an icon. It has space for dozens of scientists and their equipment, and its successor, for which the tendering process is currently underway, is to offer even better conditions and more research capacity. Nevertheless, such a highly specialized ship can only measure a tiny fraction of the world's oceans.

 

And the ratio only improves slightly if you include all the ocean-going research vessels worldwide, which are estimated to number around a hundred.

 

That's why scientists are currently actively looking for more rides - at least for their measuring devices: More and more commercial and cruise ships are being equipped with them, and even sailors are expected to collect research data. Like some boats in the recently started single-handed Vendée Globe regatta, the toughest sailing race in the world.

 

They each had a device on board that measures the carbon dioxide (CO2) content in the water, temperature and salt concentration, thus providing thousands of data points with precise geographical coordinates.

 

"These are particularly valuable on the passage through the Southern Ocean, because only a few measurements are taken there," says Toste Tanhua from the Geomar research center in Kiel.

 

The waters around Antarctica are particularly exciting for science, as large amounts of CO2 from the atmosphere enter the ocean there. How much exactly is unclear, but it is important to know in order to quantify the success of climate protection measures, for example, he says. "Even measurements with individual sailing boats can help here," says Tanhua.

 

Data gaps in model calculations are usually filled using artificial intelligence. The real values ​​from the race participants' boards are also useful because they help to calibrate this mixed system of sporadically obtained and estimated data. This is shown by a study by Tanhua and colleagues, based on previous measurements, including those by the German sailor Boris Herrmann. "With the help of this data, we were able to reduce the uncertainty of the carbon dioxide balance in the Southern Ocean by twenty percent and understand the carbon flows between the atmosphere and the ocean in this region much better."

 

At the currently ongoing largest single-handed sailing regatta in the world, the Vendée Globe, four boats are already equipped with the autonomous device. "The participants are very interested in making a contribution to science," says Tanhua. At the same time, there is a trend at major sporting events to do more for sustainability. At the next edition, all boats will probably carry some kind of measuring device, he says.

 

Commercial shipping offers a much greater potential for a measurement network, with around 50,000 freighters sailing all of the world's oceans.

 

Individual collaborations began decades ago when committed researchers such as Tom Rossby from the University of Rhode Island in Narragansett specifically approached captains: could they deploy oceanographic measuring devices on their route? Or, better yet, install additional instruments on board the ships? "Many were interested and joined in," says Rossby.

 

This openness - as well as the notoriously limited space on research ships - encouraged Rossby and other scientists to found "RoCS" (Research on Commercial Ships). The initiative now wants to equip commercial ships with "plug & play" devices that researchers from all over the world can book. "So that not everyone goes to the ship captains and speaks to them," says Kerry Strom from the Woods Hole Oceanographic Institution. The rational reasons are obvious: automated devices that travel with the ship are cheaper than a researcher on a journey, and the devices themselves ultimately become cheaper when they are no longer developed and manufactured as individual items, but are in demand in larger quantities and used over many years.

 

In addition, approvals from the countries whose territorial waters are to be crossed are sometimes extremely time-consuming. "Normally, these take up to eight months and are only valid for one trip," says Strom. For the RoCS project ship Bulk Xaymaca, which commutes between Jamaica and New Orleans, she has received approval for all neighboring countries,  which is valid for one year.

 

The ship now continuously measures the currents under the keel using an acoustic sensor in the hull (Acoustic Doppler Current Profiler). It also determines weather data.

 

Many of the commercially available fishing boats are also suitable for data collection. In New Zealand, for example, 250 fishing boats were equipped with sensors. These are attached to the nets in order to determine the water temperature at different depths. The data with geographical coordinates is sent to the researchers in almost real time via a GPS unit on deck, reports a team led by Julie Jakoboski in the journal "Progress in Oceanography". Since the boats travel close to the coast, a very dense observation network is created.

 

For distant regions, such as the polar regions, cruise ships are particularly suitable. Several shipping companies have started corresponding scientific programs.

 

The ships have devices that determine, for example, ice thickness and salt, microplastic and CO2 levels in the water.

 

In some cases, laboratories have been set up on board where researchers can carry out more sophisticated analyses, for example on biodiversity in polar waters.

 

Such scientists often travel free of charge, which increases the workload for the companies. Ponant from France, for example, estimates the cost of the science program at 2.2 million euros annually and recently announced that it wants to expand it further. When asked about their motivation, the shipping companies involved responded similarly: "We see it as our responsibility to give something back to the sensitive and untouched regions that we travel to," says Verena Meraldi, chief scientist at Hurtigruten Expeditions. "By promoting scientific research and data collection in these areas, we are actively contributing to better understanding and protecting these valuable ecosystems." At the same time, the companies want to create added value for their passengers. The - often young - scientists allow people to look over their shoulders as they work and give lectures. Guests can also take part in citizen science projects that document, for example, observations of the northern lights or Antarctic seabirds.

 

It is hard to deny that such commitments improve the ecologically tarnished image of the cruise industry. Research institutions are also happy to take advantage of the opportunity to cooperate, provided they are given a place. The shipping companies check whether the projects are scientifically valuable, technically feasible and whether they can be communicated to guests and offer added value.

 

While the first data from this year's Vendée Globe arrives at Toste Tanhua and colleagues, he is pushing ahead with his new idea. Together with Klas Ove Möller from the Hereon Geesthacht research center, he also wants to equip ordinary sailing boats to collect data.

 

With industrial partners, they have developed a compact measuring box that continuously takes water samples under the ship's hull, determines the temperature and oxygen content, and takes photos of the plankton. The images are sent to the researchers via a data connection such as Starlink or USB stick. They are trying to use artificial intelligence to draw conclusions about biological activity and carbon turnover.

 

The box was developed as part of the Helmholtz Association's "SOOP" project ("Shaping an Ocean Of Possibilities for Science-Industry Collaboration"). The idea: instead of less expensive and highly specialized instruments, the industry should produce robust, automated devices - inexpensively and in large numbers. Demand is expected to come from ship owners or sailors, for example. "There is definitely interest," says Möller, who promotes research collaborations at boat shows, among other things. The talks also focus on who will cover the costs.

 

A measuring box for sailors costs around 1,500 euros as a set of components, and a good 4,000 euros fully assembled. "Not everyone can or wants to pay that, but there are some who have no problem with it."

 

After the system has already been successfully tested, it is due to come onto the market in a year, says Möller. He hopes that a few hundred, perhaps even a few thousand sailors will be found who will support his research with their data donations and thus put science on a broader basis." [1]

 

1. Datenspende auf Hoher See. Frankfurter Allgemeine Zeitung; Frankfurt. 04 Dec 2024: N1.   Von Ralf Nestler