التجسس على طحلب القطب الجنوبي باستخدام طائرات بدون طيار و MossCam وأجهزة استشعار ذكية و AI

تستحضر القارة القطبية الجنوبية رؤى الجليد الأبيض والسماء الزرقاء. ولكن ليس بعيدًا عن محطة كيسي الأسترالية ، على بعد 3880 كيلومترًا جنوب بيرث ، تظهر أحواض الطحالب خضراء وخضراء.

للأسف ، فإن صحة طبقات الطحالب هذه آخذة في التدهور بسبب الظروف المناخية المتغيرة ونضوب طبقة الأوزون وموجات الحرارة. ومع ذلك ، فإن فهمنا للمشكلة محدود. من الصعب إجراء البحوث في القارة القطبية الجنوبية. فترات جمع البيانات قصيرة ، ويمكن أن تكون هناك سنوات بين كل فرصة بحث. لحسن الحظ ، تقدم التكنولوجيا الجديدة الحلول.

في ديسمبر 2022 ، سافرنا إلى محطة Casey. لقد أمضينا شهرين في هذا المجال – بدمج مهاراتنا في علم الأحياء ، وطيران الطائرات بدون طيار ، والبرمجة والذكاء الاصطناعي – لمعرفة المزيد عن الطحالب وإيجاد طرق أفضل لمراقبة التغيرات البيولوجية عن بُعد.

قمنا برسم أسِرَّة كبيرة من الطحالب وجربنا نظام استشعار جديدًا يمكنه تقديم بيانات طحلب مستمرة على مدار العام. أثناء استمرار هذا البحث ، يسعدنا مشاركة النتائج الأولية معك هنا.

اقرأ المزيد: كشفت دراسة عالمية ملحمية عن الطحالب أنها أكثر أهمية للنظم البيئية للأرض مما كنا نعرف

غابات مصغرة تعج بالحياة

تحتاج النباتات إلى ضوء الشمس والدفء والماء السائل. تواجه نباتات القطب الجنوبي أشهرًا من الظلام ودرجات الحرارة المتجمدة والجفاف من المياه المتجمدة – لكن الطحالب تكيفت مع هذه البيئة المعادية.

الطحلب هو الحياة النباتية السائدة في أنتاركتيكا. يوفر موطنًا للافقاريات والميكروبات والفطريات ، والتي تشكل أكثر من 99 ٪ من التنوع البيولوجي في القارة القطبية الجنوبية. تشبه أسرة الطحالب الغابات المصغرة التي تعج بالحياة.

يخلق طحلب القطب الجنوبي مناخه المحلي الدافئ ، باستخدام أصباغ لامتصاص أشعة الشمس. يساعد هذا الدفء على التمثيل الضوئي ويساعد الطحالب على إذابة الثلج للحصول على الماء السائل. تحدد التلال والوديان الصغيرة عبر أحواض الطحالب كمية الضوء التي تتلقاها الطحالب وتخلق اختلافات في مناخها المحلي وصحتها.

بمجرد وصولنا إلى الطحلب ، كنا نوازن بعناية على الصخور لأخذ عينات ووضع مسجلات البيانات. تتكون هذه من أربعة أجهزة استشعار تقيس درجات حرارة المظلة في مواضع مختلفة في طبقة الطحالب. قمنا أيضًا بقياس التمثيل الضوئي وجمعنا عينات من الطحالب لتحليل الصباغ ، مما يشير إلى مستويات الصحة والتوتر.

الصورة أدناه تصور سرير طحلب مع معداتنا المرفقة. يمكنك أن ترى التضاريس الدقيقة المعقدة وفسيفساء من الطحالب الصحية والمجهدة. الطحالب الصحية خضراء ومخملية. الطحالب المجهدة حمراء وتتحول في النهاية إلى اللون الرمادي.

يمكن للطحالب التي تنمو على بعد سنتيمترات فقط أن تعيش مناخات محلية مختلفة إلى حد كبير. في الصورة أدناه ، ارتفعت درجة حرارة بعض الطحالب حتى 19 درجة (بجانب العلامة الحمراء) ، بينما كان الطحلب على بعد حوالي 30 سم فقط عند 0.6 درجة (بجانب العلامة البيضاء).

يتيح لنا جمع هذه البيانات استكشاف الروابط بين البنية الفيزيائية للأسرة الطحلبية والمناخ المحلي ومؤشرات صحة الطحالب.

اقرأ المزيد: “ غابات الطحالب ” في القارة القطبية الجنوبية تجف وتموت

أجهزة الاستشعار الذكية والكاميرات وأجهزة الإرسال

أثناء وجودنا في القارة القطبية الجنوبية ، اختبرنا أيضًا النموذج الأولي لمنصة استشعار ذكية ومستقلة وطويلة المدى. إنه يوفر للعلماء معلومات أكثر من أجهزة جمع البيانات السابقة حيث يمكنه جمع البيانات ونقلها على مدى فترة طويلة خارج الحملات الميدانية الصيفية العادية ، بما في ذلك فصل الشتاء.

قام النموذج الأولي بمراقبة السرير الطحلب بالقرب من محطة كيسي لمدة شهر ونصف. التقطت مستشعراتها شدة الضوء ودرجة حرارة الهواء المحيط والرطوبة ودرجة حرارة مظلة الطحالب وأخيراً الطاقة المتبادلة بين التربة والهواء. التقطت كاميرا الويب ، الملقبة بمودة MossCam ، صورًا منتظمة لطبقة الطحالب.

قمنا أيضًا بتركيب أول هوائي في أنتاركتيكا لشبكة LoRaWAN اللاسلكية. هذه الشبكة منخفضة الطاقة وطويلة المدى ومجانية الاستخدام. سمح لنا ذلك بإعادة إرسال البيانات إلى أستراليا في الوقت الفعلي تقريبًا وعرضها على لوحة معلومات موقع الويب المرئية للأستراليين فقط.

بعد بعض إصلاحات الأخطاء المبكرة ، كان أداء النظام الأساسي أفضل من المتوقع. لقد أحضرناها إلى المنزل في نهاية الموسم لمزيد من الصقل والنشر الموسم المقبل.

الطائرات بدون طيار والتصوير فوق الطيفي

أرسلنا طائرات بدون طيار في 25 رحلة جوية ، وجمعنا البيانات من منطقتين تتمتعان بحماية خاصة في أنتاركتيكا (ASPAs 135 و 136).

يمثل تشغيل الطائرات بدون طيار في القطب الجنوبي تحديات كبيرة. يؤدي القرب من القطب المغناطيسي إلى اضطراب نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، كما أن الرياح القوية تجعل من الصعب الطيران. يقلل البرودة الشديدة من عمر البطارية – كما أنها قاسية على أصابع المشغل. قمنا بتخصيص الطائرات بدون طيار باستخدام RTK (الحركية في الوقت الفعلي ، وهي تقنية للقضاء على أخطاء الموقع) GPS ، والتكرار المتعدد وتسخين البطارية لزيادة قدرتها على الصمود في الظروف القاسية.

يمكن لطائراتنا بدون طيار التقاط 5000 إلى 10000 صورة في كل رحلة. كما تم تجهيزها بأجهزة استشعار عالية التقنية. تمت برمجة هذه المستشعرات لتسجيل “التوقيعات الطيفية” ، وهو مصطلح نستخدمه لوصف نوع من الهوية البصرية أو “الحمض النووي” المرئي الذي يميز ميزات المناظر الطبيعية مثل الطحالب والصخور والثلج داخل الصورة.

سيتم تجميع هذه الصور معًا وتعيين إحداثياتها على الأرض. باستخدام التعلم الآلي ، سنقوم بتدريب نموذج لتحديد الغطاء النباتي ، بما في ذلك الطحالب والحزاز والبكتيريا الزرقاء. سنقوم أيضًا بتطوير خرائط الغطاء النباتي والهيدرولوجيا ، والطيران ثلاثي الأبعاد وتجارب الواقع الافتراضي لدعم اتخاذ القرار بشأن الحفظ والإدارة.

اقرأ المزيد: تساعد الطائرات بدون طيار العلماء في التحقق من صحة طحالب القطب الجنوبي ، وتكشف عن أدلة على تغير المناخ

تنتهي رحلة ، بينما تبدأ رحلة أخرى

في كثير من الأحيان أثناء عملنا ، تجولت طيور البطريق الفضولي لترى ما كنا نفعله. لطالما كان تكوين صداقات مع هؤلاء السكان المحليين هو أهم ما يميز اليوم.

https://www.youtube.com/watch؟v=Wovm6zCZHOM

ولكن بعد شهرين رائعين في هذا المجال ، حان الوقت لحزم أمتعتك والعودة إلى المنزل. في الرحلة الداخلية لمسافة 60 كم إلى مطار ويلكنز ، انطلقنا في دائرة القطب الجنوبي. انتظرنا في -20 درجة مئوية لمشاهدة طائرتنا تهبط على مدرج الجليد الأزرق قبل الصعود والعودة إلى تسمانيا. هناك ، شعرنا وكأننا استيقظنا للتو من حلم.

انتهت مغامرتنا في القطب الجنوبي ، لكننا شعرنا جميعًا بالامتنان الشديد للتجربة.

نحن الآن نستكشف البيانات ، لنرى القصص التي يمكن أن ترويها ، بينما نقوم بتطوير نظامنا لاستشعار الطحالب. نأمل أن نعود إلى القارة القطبية الجنوبية لنشرها في نهاية العام.

سافر المؤلفون إلى محطة كيسي كجزء من مبادرة البحوث الخاصة لمجلس البحوث الأسترالي لتأمين المستقبل البيئي لأنتاركتيكا (SAEF).

اقرأ المزيد: للصلابة حدود: يعيش أكثر من 1100 نوع في القارة القطبية الجنوبية – لكنهم معرضون لخطر النشاط البشري