用于监测北极冰层融化的新型自主系统

快速阅读: 据《科学日报》最新报道，佛罗里达大西洋大学的研究人员设计了一种自主观测平台，采用小型水线面双体船（SWATH）作为无人驾驶飞机（UAV）和自主水下航行器（AUV）的停靠站，以监测北极海冰融化。该平台利用风能和潮汐能，结合自动航行和太阳能，提高自主性和研究潜力。这一创新系统能提供卫星和有人驾驶船只无法获得的关键数据，有助于北极环境研究和生态保护。

理解海冰在北极的生态角色至关重要，尤其是因为该地区的海冰范围正以前所未有的速度减少。如果海冰融化得更快，北极海洋生态系统会有何变化？为了解答这些问题，需要在恶劣的北极环境中建立长期监测和数据收集系统。然而，直接观测面临挑战，因为卫星传感器的空间分辨率较低，无法检测到冰的精细分形结构。由于极端天气条件和漂浮的碎冰障碍，派遣有人驾驶船只进入该区域也非常困难。此外，传统的海洋观测方法提供的时空覆盖有限，而无人机和自主水下航行器（AUV）受限于能源供应，限制了它们的研究潜力。

为了解决这些挑战，佛罗里达大西洋大学工程与计算机科学学院的研究人员提出了一种替代的、自主的观测方法，这有望提高海洋车辆的自主性，有助于海上任务，并更深入地了解融化的北极海冰如何影响海洋生态系统。他们的概念设计包括一艘小型水线面双体船（SWATH），用作AUV和无人驾驶飞机（UAV）的停靠和充电站。这艘SWATH船经过精心设计，具有出色的稳定性，能够在融化的冰中航行，并适应各种海况。它被设计为自给自足，利用自动航行、太阳能电池板以及位于双体船之间的水下涡轮机发电和储存能量，确保即使逆流也能持续执行任务。

与之前的平台不同，佛罗里达大西洋大学的研究人员设计的系统将使用先进技术从空中、水面和水下监测北冰洋。新的无人水面舰艇（USV）设计特别适合该项目，以确保在北极条件下保持稳定并应对高风速。风能将用于推动北极水域的航行，而水下涡轮机将产生足够的能量以维持系统的运行。研究结果发表在《应用海洋研究》期刊上，表明利用风帆船的动力驱动涡轮机发电是一种可行的方法，支持长期的北冰洋监测任务。

该设计与它监测的环境相融合，提供了卫星和有人驾驶船只无法提供的关于北冰洋海冰融化的全新数据。“我们提出的自主观测平台系统为研究北极环境和监测融化的海冰影响提供了一个全面的方法。”佛罗里达大西洋大学海洋与机械工程系教授、高级作者苏宗超博士说。“其设计和能力使其非常适合克服北极独特条件的挑战。通过提供一个可持续的数据采集平台，这个设计支持科学研究、环境保护和资源管理，为全年监测北极奠定了基础。”

佛罗里达大西洋大学设计的船舶对于海洋数据收集至关重要，集成了UAVs和AUVs进行实时监控、资源勘探和研究。UAVs使用高分辨率相机和传感器进行测绘和导航，而AUVs则收集水下数据。DJI停机坪2系统使UAVs能够自主着陆、充电和重新部署，而先进的水下对接系统允许AUVs加油和传输数据，从而延长其工作范围。水下船体中的测量仪器收集特定任务的数据，这些数据在船上处理并通过卫星传输，实现长期无人海洋监测。

作为一个自给自足的平台，风能和海洋潮流能在本设计中得到应用，以实现长期监测北冰洋的目的。已开发出一个无量纲公式，用于估算不同大小的SWATH结合风力发电系统所需的最小帆面积。“我们的研究人员开发了一套专为北极环境定制的创新观测系统，提供了卫星和有人驾驶船只无法捕捉到的关于海冰融化的关键数据。”佛罗里达大西洋大学工程与计算机科学学院院长斯蒂拉·巴塔勒玛博士说。“长期监测至关重要，因为它提供了对北极海冰损失持久影响的更深入了解，可以指导明智的政策和管理决策。此外，关于北极浮游植物和藻类的研究还有很多未知之处，它们在食物网中起着至关重要的作用，并影响海洋大气相互作用。这个新系统可以增强我们对其生态重要性的科学理解，同时支持阿拉斯加土著社区适应未来野生动物和食物资源的变化。”

该研究的第一作者是徐文强博士，他是佛罗里达大西洋大学海洋与机械工程系的博士毕业生。

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