تکنیک‌های متنوع و نوآورانه تحقیقات دریایی برای درک اقیانوس‌ها، از سنجش از دور و غواصی تا ژنومیک پیشرفته و رباتیک زیر آب را کاوش کنید.
پیمایش اعماق: راهنمای جامع تکنیک‌های تحقیقات دریایی
اقیانوس، با پوشش بیش از ۷۰٪ از سیاره ما، همچنان یکی از ناشناخته‌ترین مرزها باقی مانده است. درک اکوسیستم‌های پیچیده آن، تأثیر فعالیت‌های انسانی و منابع بالقوه‌ای که در خود جای داده است، نیازمند مجموعه‌ای متنوع از تکنیک‌های تحقیقاتی پیشرفته است. این راهنمای جامع به بررسی روش‌های کلیدی مورد استفاده توسط محققان دریایی در سراسر جهان می‌پردازد و کاربردها و سهم آنها در افزایش دانش ما از محیط زیست دریایی را برجسته می‌کند.
I. فناوری‌های سنجش از دور
سنجش از دور روشی قدرتمند و غیرتهاجمی برای مطالعه اقیانوس از راه دور فراهم می‌کند. با استفاده از ماهواره‌ها، هواپیماها و پهپادها، این تکنیک‌ها داده‌هایی را در مورد پارامترهای مختلف بدون تعامل مستقیم با محیط دریایی جمع‌آوری می‌کنند.
الف. اقیانوس‌شناسی ماهواره‌ای
ماهواره‌های مجهز به سنسورهای تخصصی می‌توانند دمای سطح دریا، رنگ اقیانوس (غلظت فیتوپلانکتون)، گستره یخ دریا و ارتفاع موج را اندازه‌گیری کنند. داده‌های حاصل از مأموریت‌هایی مانند کوپرنیک سنتینل، آکوا و ترا ناسا، و دیگران، مجموعه داده‌های بلندمدت و در مقیاس جهانی را فراهم می‌کنند که برای درک تأثیرات تغییرات اقلیمی و الگوهای اقیانوس‌شناسی حیاتی هستند. به عنوان مثال، از تصاویر ماهواره‌ای برای ردیابی شکوفایی‌های جلبکی مضر در سواحل استرالیا و نظارت بر رویدادهای سفید شدن مرجان‌ها در دیواره بزرگ مرجانی استفاده می‌شود.
ب. پیمایش‌های هوایی
هواپیماها و پهپادها دیدگاهی محلی‌تر و با وضوح بالا ارائه می‌دهند. آنها می‌توانند به دوربین‌ها، لایدار (LiDAR - تشخیص نور و محدوده) و سنسورهای دیگر برای نقشه‌برداری از خطوط ساحلی، نظارت بر جمعیت پستانداران دریایی و ارزیابی سطح آلودگی مجهز شوند. در قطب شمال، از پیمایش‌های هوایی برای ردیابی توزیع و رفتار خرس‌های قطبی استفاده می‌شود که برای تلاش‌های حفاظتی در یک محیط به سرعت در حال تغییر، حیاتی است.
ج. وسایل نقلیه خودکار زیرآبی (AUVs) و گلایدرها
AUVها زیردریایی‌های رباتیکی هستند که می‌توانند برای دنبال کردن مسیرهای از پیش تعریف شده برنامه‌ریزی شوند و داده‌هایی در مورد دمای آب، شوری، عمق و سایر پارامترها جمع‌آوری کنند. گلایدرها نوعی از AUV هستند که از تغییرات شناوری برای حرکت در آب استفاده می‌کنند و امکان استقرار طولانی‌مدت و جمع‌آوری داده‌های گسترده را فراهم می‌آورند. این ابزارها در درازگودال‌های عمیق اقیانوسی مانند درازگودال ماریانا برای جمع‌آوری داده‌ها در مورد منطقه هادال (hadal zone) استفاده می‌شوند. در سواحل نروژ، از AUVها برای نقشه‌برداری از کف دریا و نظارت بر سلامت صخره‌های مرجانی اعماق دریا استفاده می‌شود.
II. روش‌های مشاهده درجا (In-Situ)
مشاهدات درجا شامل اندازه‌گیری‌های مستقیمی است که در محیط دریایی انجام می‌شود. این تکنیک‌ها داده‌های میدانی (ground truth) را برای تأیید اندازه‌گیری‌های سنجش از دور فراهم می‌کنند و بینش‌های دقیقی در مورد فرآیندهای خاص ارائه می‌ده دهند.
الف. کشتی‌های تحقیقاتی و سفرهای دریایی
کشتی‌های تحقیقاتی سکوهای ضروری برای انجام طیف گسترده‌ای از فعالیت‌های تحقیقاتی دریایی هستند. آنها به آزمایشگاه‌ها، وینچ‌ها و دیگر تجهیزات تخصصی برای استقرار ابزارها، جمع‌آوری نمونه‌ها و انجام آزمایش‌ها در دریا مجهز هستند. به عنوان مثال، کشتی تحقیقاتی آلمانی *پولاراشترن* تحقیقات گسترده‌ای را در قطب شمال و جنوب انجام می‌دهد و دینامیک یخ دریا، گردش اقیانوسی و اکوسیستم‌های دریایی را مطالعه می‌کند.
ب. مهارها و بویه‌های اقیانوس‌شناسی
مهارها سکوهای لنگرداری هستند که ابزارها را در اعماق ثابت نگه می‌دارند و امکان نظارت مداوم بر شرایط اقیانوسی را در دوره‌های طولانی فراهم می‌کنند. بویه‌ها، چه شناور و چه لنگردار، نیز برای جمع‌آوری داده‌ها در مورد دمای سطح دریا، ارتفاع موج و سایر پارامترها استفاده می‌شوند. پروژه جو-اقیانوس استوایی (TAO) از شبکه‌ای از بویه‌ها در اقیانوس آرام برای نظارت بر رویدادهای ال نینو و لا نینا استفاده می‌کند و اطلاعات حیاتی برای پیش‌بینی اقلیم فراهم می‌آورد.
ج. غواصی اسکوبا و عکاسی/فیلم‌برداری زیر آب
غواصی اسکوبا به محققان اجازه می‌دهد تا به طور مستقیم با اکوسیستم‌های دریایی مشاهده و تعامل داشته باشند. غواصان می‌توانند نمونه‌ها را جمع‌آوری کنند، پیمایش انجام دهند و ابزارها را در آب‌های کم‌عمق مستقر کنند. عکاسی و فیلم‌برداری زیر آب ابزارهای ارزشمندی برای مستندسازی حیات و زیستگاه‌های دریایی هستند و شواهد بصری از تغییرات در طول زمان را فراهم می‌کنند. محققان در فیلیپین از غواصی اسکوبا برای نظارت بر سلامت صخره‌های مرجانی و مستندسازی تأثیرات ماهیگیری با دینامیت و سایر شیوه‌های مخرب استفاده می‌کنند. غواصی اغلب برای مدت زمان کوتاه و در اعماق کم‌تر انجام می‌شود، در حالی که زیردریایی‌ها برای دوره‌های طولانی‌تر در محیط‌های عمیق‌تر استفاده می‌شوند.
د. زیردریایی‌ها و وسایل نقلیه کنترل از راه دور (ROVs)
زیردریایی‌ها وسایل نقلیه سرنشین‌داری هستند که می‌توانند به اعماق زیاد فرود آیند و به محققان اجازه می‌دهند تا اعماق اقیانوس را کاوش کنند. ROVها وسایل نقلیه بدون سرنشینی هستند که از سطح به طور از راه دور کنترل می‌شوند و جایگزینی امن و مقرون‌به‌صرفه برای زیردریایی‌ها فراهم می‌کنند. این ابزارها برای مطالعه چشمه‌های آب گرم اعماق دریا، کاوش کشتی‌های غرق شده و انجام پیمایش‌های اکوسیستم‌های اعماق دریا استفاده می‌شوند. زیردریایی آلوین، که توسط موسسه اقیانوس‌شناسی وودز هول اداره می‌شود، در بسیاری از اکتشافات اعماق دریا نقش اساسی داشته است.
III. تکنیک‌های نمونه‌برداری و تحلیل
جمع‌آوری و تحلیل نمونه‌ها برای درک ترکیب، ساختار و عملکرد اکوسیستم‌های دریایی حیاتی است.
الف. نمونه‌برداری آب
نمونه‌های آب با استفاده از تکنیک‌های مختلفی از جمله بطری‌های نیسکین، پمپ‌ها و نمونه‌برداران خودکار جمع‌آوری می‌شوند. این نمونه‌ها برای طیف گسترده‌ای از پارامترها، از جمله شوری، مواد مغذی، اکسیژن محلول، آلاینده‌ها و میکروارگانیسم‌ها تحلیل می‌شوند. نمونه‌های آب جمع‌آوری شده از دریای بالتیک برای ارزیابی تأثیر رواناب کشاورزی و آلودگی صنعتی بر کیفیت آب تحلیل می‌شوند.
ب. نمونه‌برداری رسوبات
نمونه‌های رسوبات با استفاده از مغزه‌گیرها، چنگک‌ها و لایروب‌ها جمع‌آوری می‌شوند. این نمونه‌ها برای اندازه دانه، محتوای مواد آلی، آلاینده‌ها و میکروفسیل‌ها تحلیل می‌شوند و بینش‌هایی در مورد شرایط محیطی گذشته و سرنوشت آلاینده‌ها فراهم می‌کنند. مغزه‌های رسوبی جمع‌آوری شده از اقیانوس منجمد شمالی برای بازسازی تغییرات اقلیمی گذشته و ارزیابی تأثیر ذوب شدن یخ‌های دائمی بر اکوسیستم‌های دریایی استفاده می‌شوند.
ج. نمونه‌برداری بیولوژیکی
نمونه‌های بیولوژیکی با استفاده از روش‌های متنوعی از جمله تورها، ترال‌ها و تله‌ها جمع‌آوری می‌شوند. این نمونه‌ها برای مطالعه توزیع، فراوانی و تنوع موجودات دریایی و همچنین فیزیولوژی، ژنتیک و اکولوژی آنها استفاده می‌شوند. ترال‌ها برای استفاده در زیستگاه‌های خاص، مانند محیط‌های رسوبی نرم اعماق دریا، در حال به‌روزرسانی هستند. از تورهای پلانکتون برای جمع‌آوری نمونه‌های پلانکتون در دریای سارگاسو برای مطالعه اکولوژی این اکوسیستم منحصر به فرد استفاده می‌شود.
د. تکنیک‌های ژنومی و مولکولی
تکنیک‌های ژنومی و مولکولی در حال متحول کردن تحقیقات دریایی هستند و به محققان اجازه می‌دهند تا تنوع ژنتیکی، روابط تکاملی و قابلیت‌های عملکردی موجودات دریایی را مطالعه کنند. توالی‌یابی DNA، متادانومیک و ترانسکریپتومیک برای شناسایی گونه‌های جدید، ردیابی گسترش گونه‌های مهاجم و ارزیابی تأثیر عوامل استرس‌زای محیطی بر حیات دریایی استفاده می‌شوند. محققان از متادانومیک برای مطالعه تنوع و عملکرد جوامع میکروبی در چشمه‌های آب گرم اعماق دریا استفاده می‌کنند.
IV. تحلیل داده‌ها و مدل‌سازی
تحقیقات دریایی مقادیر عظیمی از داده‌ها را تولید می‌کند که باید برای درک الگوها، روندها و روابط تحلیل و تفسیر شوند. تکنیک‌های تحلیل داده و مدل‌سازی برای یکپارچه‌سازی مجموعه داده‌های متنوع و پیش‌بینی در مورد وضعیت آینده اقیانوس ضروری هستند.
الف. تحلیل آماری
تحلیل آماری برای شناسایی الگوها و روابط در داده‌های دریایی، آزمون فرضیه‌ها و ارزیابی اهمیت یافته‌های تحقیقاتی استفاده می‌شود. روش‌های آماری مختلفی از جمله تحلیل رگرسیون، ANOVA و تحلیل چندمتغیره به کار گرفته می‌شوند. محققان از تحلیل آماری برای ارزیابی تأثیر تغییرات اقلیمی بر جمعیت ماهیان در دریای شمال استفاده می‌کنند.
ب. سیستم‌های اطلاعات جغرافیایی (GIS)
GIS برای تجسم و تحلیل داده‌های فضایی، مانند توزیع زیستگاه‌های دریایی، حرکت حیوانات دریایی و گسترش آلاینده‌ها استفاده می‌شود. GIS همچنین برای ایجاد نقشه‌ها و مدل‌هایی به کار می‌رود که می‌توانند از تصمیمات مربوط به حفاظت و مدیریت دریایی پشتیبانی کنند. از GIS برای نقشه‌برداری از توزیع صخره‌های مرجانی در اندونزی و شناسایی مناطقی که بیشترین آسیب‌پذیری را در برابر سفید شدن دارند، استفاده می‌شود.
ج. مدل‌سازی عددی
مدل‌های عددی برای شبیه‌سازی فرآیندهای اقیانوسی، مانند گردش اقیانوس، انتشار امواج و دینامیک اکوسیستم استفاده می‌شوند. این مدل‌ها می‌توانند برای پیش‌بینی وضعیت آینده اقیانوس تحت سناریوهای مختلف، مانند تغییر اقلیم یا آلودگی، به کار روند. سیستم مدل‌سازی منطقه‌ای اقیانوس (ROMS) برای شبیه‌سازی گردش اقیانوسی در سیستم جریان کالیفرنیا و پیش‌بینی تأثیر رویدادهای فراچاهش (upwelling) بر اکوسیستم‌های دریایی استفاده می‌شود.
V. فناوری‌های نوظهور و مسیرهای آینده
تحقیقات دریایی یک حوزه به سرعت در حال تحول است و فناوری‌ها و تکنیک‌های جدید به طور مداوم در حال توسعه هستند. برخی از امیدوارکننده‌ترین فناوری‌های نوظهور عبارتند از:
الف. هوش مصنوعی (AI) و یادگیری ماشین (ML)
هوش مصنوعی و یادگیری ماشین برای تحلیل مجموعه داده‌های بزرگ، شناسایی الگوها و پیش‌بینی استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، از هوش مصنوعی برای شناسایی صدای نهنگ‌ها در ضبط‌های زیر آب، ردیابی حرکت حیوانات دریایی و پیش‌بینی گسترش گونه‌های مهاجم استفاده می‌شود. یادگیری ماشین همچنین برای آموزش نرم‌افزارهای تشخیص تصویر جهت شناسایی آلودگی پلاستیکی در سواحل به کار می‌رود. این مدل‌ها باید به دقت آزمایش شوند زیرا داده‌های مورد استفاده برای آموزش ممکن است نسبت به شرایط محیطی خاص سوگیری داشته باشند.
ب. سنسورها و ابزارآلات پیشرفته
سنسورها و ابزارهای جدیدی برای اندازه‌گیری طیف وسیع‌تری از پارامترها با دقت و صحت بیشتر در حال توسعه هستند. به عنوان مثال، سنسورهای جدیدی برای اندازه‌گیری میکروپلاستیک‌ها در آب دریا، تشخیص شکوفایی‌های جلبکی مضر و نظارت بر سلامت صخره‌های مرجانی در حال توسعه هستند. سنسورهای مینیاتوری به طور فزاینده‌ای در پلتفرم‌های خودکار گنجانده می‌شوند. استفاده از آکوستیک نیز در حال پیشرفت است و به محققان راهی برای «دیدن» ستون آب در مقیاس‌هایی از میکرون (اندازه ذرات) تا کیلومتر (جریان‌های اقیانوسی) می‌دهد.
ج. علم شهروندی
علم شهروندی شامل مشارکت دادن عموم مردم در تحقیقات علمی است. این می‌تواند شامل جمع‌آوری داده‌ها، شناسایی گونه‌ها یا تحلیل تصاویر باشد. علم شهروندی می‌تواند به افزایش آگاهی عمومی از مسائل دریایی کمک کرده و به تلاش‌های تحقیقاتی یاری رساند. «پاکسازی بزرگ سواحل بریتانیا» نمونه‌ای از یک پروژه علم شهروندی است که در آن داوطلبان داده‌هایی در مورد زباله‌های ساحلی جمع‌آوری می‌کنند.
VI. ملاحظات اخلاقی در تحقیقات دریایی
تحقیقات دریایی، هرچند برای درک و حفاظت از اقیانوس‌های ما ضروری است، باید به صورت اخلاقی و مسئولانه انجام شود. این شامل به حداقل رساندن اختلال در اکوسیستم‌های دریایی، اخذ مجوزها و تاییدیه‌های لازم و پایبندی به دستورالعمل‌های سختگیرانه رفاه حیوانات است.
الف. به حداقل رساندن تأثیرات زیست‌محیطی
فعالیت‌های تحقیقاتی باید به گونه‌ای برنامه‌ریزی و اجرا شوند که تأثیر آنها بر محیط دریایی به حداقل برسد. این شامل استفاده از تکنیک‌های غیرتهاجمی در صورت امکان، اجتناب از زیستگاه‌های حساس و دفع صحیح زباله‌ها است. برنامه‌ریزی دقیق آزمایش‌های آکوستیک برای جلوگیری از ایجاد مزاحمت برای پستانداران دریایی نیز ضروری است.
ب. رفاه حیوانات
تحقیقات مربوط به حیوانات دریایی باید مطابق با دستورالعمل‌های سختگیرانه رفاه حیوانات انجام شود. این شامل به حداقل رساندن استرس و درد، ارائه مراقبت مناسب و انجام مرگ آسان حیوانات در صورت لزوم است. یک اصل کلیدی که باید در نظر گرفته شود، «۳R» است - جایگزینی، کاهش و بهبود (Replacement, Reduction and Refinement). این یک چارچوب برای محققان فراهم می‌کند تا جایگزین‌هایی برای استفاده از حیوانات را در نظر بگیرند و رفاه حیوانات و کیفیت علمی را در جایی که حیوانات استفاده می‌شوند، بهبود بخشند.
ج. به اشتراک‌گذاری داده‌ها و همکاری
به اشتراک‌گذاری داده‌ها و همکاری برای پیشرفت تحقیقات دریایی ضروری است. محققان باید در صورت امکان داده‌های خود را به صورت عمومی در دسترس قرار دهند و با سایر محققان برای پرداختن به سوالات پیچیده تحقیقاتی همکاری کنند. به اشتراک‌گذاری داده‌ها با محققان از کشورهای در حال توسعه برای ایجاد ظرفیت و ترویج برابری علمی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.
VII. نتیجه‌گیری
تحقیقات دریایی یک تلاش حیاتی برای درک و حفاظت از اقیانوس‌های ما است. با به کارگیری مجموعه‌ای متنوع از تکنیک‌های تحقیقاتی، از سنجش از دور تا ژنومیک پیشرفته، می‌توانیم به بینش‌های ارزشمندی در مورد فرآیندهای پیچیده‌ای که بر اکوسیستم‌های دریایی حاکم هستند، دست یابیم. با ادامه پیشرفت فناوری، می‌توانیم انتظار رویکردهای نوآورانه‌تر و مؤثرتری را در تحقیقات دریایی در آینده داشته باشیم. ترویج همکاری‌های بین‌المللی، شیوه‌های تحقیقاتی اخلاقی و آگاهی عمومی برای تضمین مدیریت پایدار اقیانوس‌های ما برای نسل‌های آینده بسیار مهم است.
این راهنما نقطه شروعی برای درک گستردگی تکنیک‌های تحقیقات دریایی ارائه می‌دهد. برای کسانی که به دنبال دانش دقیق‌تر هستند، کاوش بیشتر در زمینه‌های خاص تشویق می‌شود.