الإبحار في الأعماق: دليل شامل لتقنيات الأبحاث البحرية

يظل المحيط، الذي يغطي أكثر من 70% من كوكبنا، أحد أقل الحدود استكشافًا. ويتطلب فهم أنظمته البيئية المعقدة، وتأثير الأنشطة البشرية، والموارد المحتملة التي يحتوي عليها، مجموعة متنوعة من تقنيات البحث المتطورة. يستكشف هذا الدليل الشامل المنهجيات الرئيسية التي يستخدمها الباحثون البحريون في جميع أنحاء العالم، ويسلط الضوء على تطبيقاتها ومساهماتها في معرفتنا المتزايدة بالبيئة البحرية.

أولاً: تقنيات الاستشعار عن بعد

يوفر الاستشعار عن بعد وسيلة قوية وغير تدخلية لدراسة المحيط عن بعد. وباستخدام الأقمار الصناعية والطائرات والطائرات بدون طيار، تجمع هذه التقنيات بيانات حول معايير مختلفة دون التفاعل المباشر مع البيئة البحرية.

أ. علم المحيطات عبر الأقمار الصناعية

يمكن للأقمار الصناعية المجهزة بأجهزة استشعار متخصصة قياس درجة حرارة سطح البحر، ولون المحيط (تركيز العوالق النباتية)، ومدى الجليد البحري، وارتفاع الأمواج. توفر البيانات من بعثات مثل "كوبرنيكوس سنتينل" و"أكوا" و"تيرا" التابعتين لناسا وغيرها، مجموعات بيانات عالمية طويلة الأجل ضرورية لفهم تأثيرات تغير المناخ والأنماط الأوقيانوغرافية. على سبيل المثال، تُستخدم صور الأقمار الصناعية لتتبع تكاثر الطحالب الضارة قبالة سواحل أستراليا ورصد حوادث ابيضاض المرجان في الحاجز المرجاني العظيم.

ب. المسوحات الجوية

توفر الطائرات والطائرات بدون طيار منظورًا أكثر محلية وعالية الدقة. يمكن تجهيزها بكاميرات، وتقنية ليدار (LiDAR - كشف الضوء وتحديد المدى)، وأجهزة استشعار أخرى لرسم خرائط السواحل، ومراقبة تجمعات الثدييات البحرية، وتقييم مستويات التلوث. في القطب الشمالي، تُستخدم المسوحات الجوية لتتبع توزيع وسلوك الدببة القطبية، وهو أمر بالغ الأهمية لجهود الحفاظ عليها في بيئة سريعة التغير.

ج. المركبات المستقلة تحت الماء (AUVs) والطائرات الشراعية المائية (Gliders)

المركبات المستقلة تحت الماء (AUVs) هي غواصات روبوتية يمكن برمجتها لاتباع مسارات محددة مسبقًا، وجمع بيانات عن درجة حرارة المياه، والملوحة، والعمق، وغيرها من المعايير. أما الطائرات الشراعية المائية (Gliders) فهي نوع من المركبات المستقلة التي تستخدم تغيرات الطفو للتحرك عبر الماء، مما يسمح بعمليات نشر طويلة الأمد وجمع بيانات واسعة النطاق. تُستخدم هذه الأدوات في خنادق المحيطات العميقة مثل خندق ماريانا لجمع بيانات عن منطقة الهادال. قبالة سواحل النرويج، تُستخدم المركبات المستقلة تحت الماء لرسم خرائط قاع البحر ومراقبة صحة الشعاب المرجانية في المياه العميقة.

ثانياً: طرق الرصد الموقعي (In-Situ)

تتضمن عمليات الرصد الموقعي قياسات مباشرة تُجرى داخل البيئة البحرية. توفر هذه التقنيات بيانات واقعية للتحقق من صحة قياسات الاستشعار عن بعد وتقدم رؤى تفصيلية حول عمليات محددة.

أ. سفن الأبحاث والرحلات البحرية

تعد سفن الأبحاث منصات أساسية لإجراء مجموعة واسعة من أنشطة الأبحاث البحرية. فهي مجهزة بمختبرات ورافعات ومعدات متخصصة أخرى لنشر الأدوات وجمع العينات وإجراء التجارب في البحر. على سبيل المثال، تجري سفينة الأبحاث الألمانية *Polarstern* أبحاثًا واسعة النطاق في القطبين الشمالي والجنوبي، لدراسة ديناميكيات الجليد البحري، ودوران المحيطات، والنظم البيئية البحرية.

ب. المراسي والعوامات الأوقيانوغرافية

المراسي هي منصات ثابتة تحمل أدوات على أعماق محددة، مما يسمح بالرصد المستمر لظروف المحيط على مدى فترات طويلة. تُستخدم العوامات، سواء كانت طافية أو راسية، أيضًا لجمع بيانات عن درجة حرارة سطح البحر وارتفاع الأمواج وغيرها من المعايير. يستخدم مشروع الغلاف الجوي الاستوائي والمحيط (TAO) شبكة من العوامات في المحيط الهادئ لمراقبة ظاهرتي النينيو (El Niño) والنينيا (La Niña)، مما يوفر معلومات حيوية للتنبؤ بالمناخ.

ج. الغوص السكوبا والتصوير الفوتوغرافي والفيديو تحت الماء

يسمح الغوص للباحثين بالمراقبة المباشرة والتفاعل مع النظم البيئية البحرية. يمكن للغواصين جمع العينات، وإجراء المسوحات، ونشر الأدوات في المياه الضحلة. يعد التصوير الفوتوغرافي والفيديو تحت الماء أدوات لا تقدر بثمن لتوثيق الحياة البحرية والموائل، مما يوفر دليلاً مرئيًا على التغيرات بمرور الوقت. يستخدم الباحثون في الفلبين الغوص لمراقبة صحة الشعاب المرجانية وتوثيق آثار الصيد بالديناميت والممارسات المدمرة الأخرى. غالبًا ما يتم الغوص لفترات قصيرة وعلى أعماق ضحلة، بينما تُستخدم الغواصات لفترات أطول في البيئات الأعمق.

د. الغواصات والمركبات الموجهة عن بعد (ROVs)

الغواصات هي مركبات مأهولة يمكنها النزول إلى أعماق سحيقة، مما يسمح للباحثين باستكشاف أعماق المحيطات. أما المركبات الموجهة عن بعد (ROVs) فهي مركبات غير مأهولة يتم التحكم فيها عن بعد من السطح، مما يوفر بديلاً آمنًا وفعالًا من حيث التكلفة للغواصات. تُستخدم هذه الأدوات لدراسة الفوهات الحرارية المائية في أعماق البحار، واستكشاف حطام السفن، وإجراء مسوحات للنظم البيئية في أعماق البحار. كانت غواصة ألفين (Alvin)، التي تشغلها مؤسسة وودز هول لعلوم المحيطات، فعالة في العديد من الاكتشافات في أعماق البحار.

ثالثاً: تقنيات أخذ العينات والتحليل

يُعد جمع العينات وتحليلها أمرًا بالغ الأهمية لفهم تكوين وبنية ووظيفة النظم البيئية البحرية.

أ. أخذ عينات المياه

يتم جمع عينات المياه باستخدام تقنيات مختلفة، بما في ذلك قناني نيسكين والمضخات وأجهزة أخذ العينات التلقائية. يتم تحليل هذه العينات لمجموعة واسعة من المعايير، بما في ذلك الملوحة والمغذيات والأكسجين المذاب والملوثات والكائنات الحية الدقيقة. يتم تحليل عينات المياه المأخوذة من بحر البلطيق لتقييم تأثير الجريان السطحي الزراعي والتلوث الصناعي على جودة المياه.

ب. أخذ عينات الرواسب

يتم جمع عينات الرواسب باستخدام أجهزة أخذ العينات اللبية، والكلابات، والكباشات. يتم تحليل هذه العينات لمعرفة حجم الحبيبات، ومحتوى المادة العضوية، والملوثات، والمستحاثات الدقيقة، مما يوفر رؤى حول الظروف البيئية الماضية ومصير الملوثات. تُستخدم العينات اللبية للرواسب المأخوذة من المحيط المتجمد الشمالي لإعادة بناء التغيرات المناخية السابقة وتقييم تأثير ذوبان التربة الصقيعية على النظم البيئية البحرية.

ج. أخذ العينات البيولوجية

يتم جمع العينات البيولوجية باستخدام مجموعة متنوعة من الأساليب، بما في ذلك الشباك، وشباك الجر، والفخاخ. تُستخدم هذه العينات لدراسة توزيع الكائنات البحرية ووفرتها وتنوعها، بالإضافة إلى فسيولوجيتها وعلم الوراثة والبيئة الخاصة بها. يجري تحديث شباك الجر لاستخدامها في بيئات محددة، مثل بيئات الرواسب الناعمة في أعماق البحار. تُستخدم شباك العوالق لجمع عينات العوالق في بحر سارجاسو لدراسة بيئة هذا النظام البيئي الفريد.

د. التقنيات الجينومية والجزيئية

تُحدث التقنيات الجينومية والجزيئية ثورة في الأبحاث البحرية، مما يسمح للباحثين بدراسة التنوع الجيني والعلاقات التطورية والقدرات الوظيفية للكائنات البحرية. تُستخدم تقنيات تسلسل الحمض النووي، وعلم الميتاجينوميات، وعلم الترانسكريبتوميات لتحديد أنواع جديدة، وتتبع انتشار الأنواع الغازية، وتقييم تأثير الضغوط البيئية على الحياة البحرية. يستخدم الباحثون علم الميتاجينوميات لدراسة تنوع ووظيفة المجتمعات الميكروبية في الفوهات الحرارية المائية في أعماق البحار.

رابعاً: تحليل البيانات والنمذجة

تولد الأبحاث البحرية كميات هائلة من البيانات، والتي يجب تحليلها وتفسيرها لفهم الأنماط والاتجاهات والعلاقات. تعد تقنيات تحليل البيانات والنمذجة ضرورية لدمج مجموعات البيانات المتنوعة ووضع تنبؤات حول حالة المحيط المستقبلية.

أ. التحليل الإحصائي

يُستخدم التحليل الإحصائي لتحديد الأنماط والعلاقات في البيانات البحرية، واختبار الفرضيات، وتقييم أهمية نتائج البحث. تُستخدم طرق إحصائية متنوعة، بما في ذلك تحليل الانحدار، وتحليل التباين (ANOVA)، والتحليل متعدد المتغيرات. يستخدم الباحثون التحليل الإحصائي لتقييم تأثير تغير المناخ على تجمعات الأسماك في بحر الشمال.

ب. نظم المعلومات الجغرافية (GIS)

تُستخدم نظم المعلومات الجغرافية لتصور وتحليل البيانات المكانية، مثل توزيع الموائل البحرية، وحركة الحيوانات البحرية، وانتشار الملوثات. تُستخدم نظم المعلومات الجغرافية أيضًا لإنشاء خرائط ونماذج يمكن استخدامها لدعم قرارات الحفاظ على البيئة البحرية وإدارتها. تُستخدم نظم المعلومات الجغرافية لرسم خرائط توزيع الشعاب المرجانية في إندونيسيا وتحديد المناطق الأكثر عرضة للابيضاض.

ج. النمذجة العددية

تُستخدم النماذج العددية لمحاكاة عمليات المحيط، مثل دوران المحيطات، وانتشار الأمواج، وديناميكيات النظم البيئية. يمكن استخدام هذه النماذج للتنبؤ بالحالة المستقبلية للمحيط في ظل سيناريوهات مختلفة، مثل تغير المناخ أو التلوث. يُستخدم نظام النمذجة الإقليمية للمحيطات (ROMS) لمحاكاة دوران المحيطات في نظام تيار كاليفورنيا والتنبؤ بتأثير أحداث التيارات الصاعدة على النظم البيئية البحرية.

خامساً: التقنيات الناشئة والتوجهات المستقبلية

تعد الأبحاث البحرية مجالًا سريع التطور، حيث يتم تطوير تقنيات وأساليب جديدة باستمرار. تشمل بعض التقنيات الناشئة الواعدة ما يلي:

أ. الذكاء الاصطناعي (AI) والتعلم الآلي (ML)

يُستخدم الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي لتحليل مجموعات البيانات الكبيرة، وتحديد الأنماط، ووضع التنبؤات. على سبيل المثال، يُستخدم الذكاء الاصطناعي للتعرف على نداءات الحيتان في التسجيلات تحت الماء، وتتبع حركة الحيوانات البحرية، والتنبؤ بانتشار الأنواع الغازية. كما يُستخدم التعلم الآلي لتدريب برامج التعرف على الصور لتحديد التلوث البلاستيكي على الشواطئ. يجب اختبار هذه النماذج بدقة حيث قد تكون البيانات المستخدمة في التدريب متحيزة لظروف بيئية معينة.

ب. أجهزة الاستشعار والأجهزة المتقدمة

يتم تطوير أجهزة استشعار وأدوات جديدة لقياس نطاق أوسع من المعايير بدقة وإحكام أكبر. على سبيل المثال، يتم تطوير أجهزة استشعار جديدة لقياس المواد البلاستيكية الدقيقة في مياه البحر، واكتشاف تكاثر الطحالب الضارة، ومراقبة صحة الشعاب المرجانية. يتم دمج أجهزة الاستشعار المصغرة بشكل متزايد في المنصات المستقلة. كما يتقدم استخدام الصوتيات، مما يمنح الباحثين وسيلة "للرؤية" عبر عمود الماء بمقاييس تتراوح من الميكرون (حجم الجسيمات) إلى الكيلومترات (تيارات المحيط).

ج. العلم المواطن (Citizen Science)

يشمل العلم المواطن إشراك الجمهور في البحث العلمي. يمكن أن يتضمن ذلك جمع البيانات، أو تحديد الأنواع، أو تحليل الصور. يمكن أن يساعد العلم المواطن في زيادة الوعي العام بالقضايا البحرية والمساهمة في جهود البحث. يُعد مشروع "تنظيف الشواطئ البريطانية العظيم" (The Great British Beach Clean) مثالاً لمشروع علم مواطن يشارك فيه متطوعون في جمع البيانات حول القمامة على الشواطئ.

سادساً: الاعتبارات الأخلاقية في الأبحاث البحرية

يجب أن تُجرى الأبحاث البحرية، على الرغم من أهميتها لفهم محيطاتنا وحمايتها، بشكل أخلاقي ومسؤول. ويشمل ذلك تقليل الإزعاج للنظم البيئية البحرية، والحصول على التصاريح والموافقات اللازمة، والالتزام بالإرشادات الصارمة لرعاية الحيوان.

أ. تقليل التأثير البيئي

يجب تخطيط الأنشطة البحثية وتنفيذها بطريقة تقلل من تأثيرها على البيئة البحرية. ويشمل ذلك استخدام التقنيات غير التدخلية كلما أمكن، وتجنب الموائل الحساسة، والتخلص من النفايات بشكل صحيح. التخطيط الدقيق للتجارب الصوتية لتجنب إزعاج الثدييات البحرية هو أمر ضروري أيضًا.

ب. رعاية الحيوان

يجب إجراء الأبحاث التي تشمل الحيوانات البحرية وفقًا لإرشادات صارمة لرعاية الحيوان. ويشمل ذلك تقليل الإجهاد والألم، وتوفير الرعاية المناسبة، والقتل الرحيم للحيوانات عند الضرورة. من المبادئ الأساسية التي يجب مراعاتها هي "المبادئ الثلاثة" (3Rs) - الاستبدال والتقليل والتحسين. يوفر هذا إطارًا للباحثين للنظر في بدائل لاستخدام الحيوانات ويحسن من رعاية الحيوان والجودة العلمية حيث يتم استخدام الحيوانات.

ج. مشاركة البيانات والتعاون

تعد مشاركة البيانات والتعاون ضروريين لتقدم الأبحاث البحرية. يجب على الباحثين إتاحة بياناتهم للجمهور كلما أمكن ذلك والتعاون مع باحثين آخرين لمعالجة أسئلة البحث المعقدة. تعد مشاركة البيانات مع الباحثين من البلدان النامية ذات أهمية خاصة، لبناء القدرات وتعزيز المساواة العلمية.

سابعاً: الخاتمة

تُعد الأبحاث البحرية مسعى بالغ الأهمية لفهم محيطاتنا وحمايتها. من خلال توظيف مجموعة متنوعة من تقنيات البحث، من الاستشعار عن بعد إلى علم الجينوم المتقدم، يمكننا الحصول على رؤى قيمة حول العمليات المعقدة التي تحكم النظم البيئية البحرية. مع استمرار تقدم التكنولوجيا، يمكننا أن نتوقع مناهج أكثر ابتكارًا وفعالية للبحث البحري في المستقبل. يُعد تعزيز التعاون الدولي، والممارسات البحثية الأخلاقية، والوعي العام أمرًا بالغ الأهمية لضمان الإدارة المستدامة لمحيطاتنا للأجيال القادمة.

يقدم هذا الدليل نقطة انطلاق لفهم اتساع تقنيات البحث البحري. يُشجع على مواصلة استكشاف مجالات محددة لمن يسعون للحصول على معرفة أكثر تفصيلاً.