رسم خريطة لقاع المحيط بأكمله - من السماء؟

لقد أطلعني أحد أصدقائي الذي يعمل في تصميم الألعاب مؤخرًا على نموذج ثلاثي الأبعاد للأرض، تم تقديمه بتفصيل كبير باستخدام الطبوغرافيا بيانات دقيقة من الأقمار الصناعية، حتى نتمكن من التحليق عبر الأخاديد والأحياء الخاصة بنا بسرعة عالية مثل زوج من ركوب الخيل سوبرمان. وقال مبتهجاً بينما كنا نحلق فوق المحيط الهادئ: "دعونا نرى ما إذا كان بإمكاننا الذهاب تحت الماء".

لم نتمكن من ذلك. يبدو أن النموذج، الذي كان دقيقًا بشكل مذهل على الأرض، لم يكن لديه أي بيانات يمكن من خلالها تصميم بيئة تحت سطح البحر. لقد كان فراغًا غير متجسد تحت السطح الزجاجي للمياه، كما لو كان هذا نسخة تحت مائية من عرض ترومان، ووصلنا إلى نهاية العالم.

ولم يتفاجأ أي منا بشكل خاص. وكانت الصدمة لو كانت المحيطات ملك تم تقديمها. من أين جاءت تلك المعلومات؟ وما مدى دقة ذلك؟ كان من الممكن أن يعني ذلك أن مبدعي النموذج يعرفون شيئًا لا يعرفه حتى أبرز علماء المحيطات في العالم.

على الرغم من كل الإثارة المبررة حول استكشاف الفضاء في عشرينيات القرن الحالي (إيلون ماسك هو "

واثق للغاية"أن البشر سينطلقون صاروخيًا نحو المريخ بحلول عام 2026)، تظل محيطات كوكبنا مجالًا مجهولًا وغير معروف إلى حد كبير، وهو أقرب كثيرًا إلى موطننا. يغطي الماء حوالي 71% من سطح الأرض، وتمثل المياه العذبة التي نشربها نسبة ضئيلة تبلغ 3%، وهو ما يزيد قليلاً عن خطأ تقريبي. لكن الغالبية العظمى من محيطات الأرض - ما يصل إلى 95 بالمائة - تمثل لغزًا غير مستكشف.

على الرغم من أننا لا نزال بعيدين جدًا عن تطبيق Google Street View المعادل لعالم ما تحت سطح البحر، إلا أنه يجري تنفيذ مشروع جديد يمكن للنتائج التي توصل إليها باحثون في جامعة ستانفورد أن تمهد الطريق لشيء كهذا في المستقبل، وأكثر من ذلك بكثير بجانب. تخيل أنك قادر على التحليق بالطائرة فوق مساحة من الماء ورؤية ما يختبئ تحت الأمواج بوضوح تام.

يبدو مستحيلا. كما اتضح، الأمر صعب للغاية.

مشكلة الليدار ومشكلة السونار

"يعد تصوير البيئات تحت الماء من نظام محمول جواً مهمة صعبة، ولكنها تنطوي على العديد من التطبيقات المحتملة." ايدان جيمس فيتزباتريك، وهو طالب دراسات عليا في قسم الهندسة الكهربائية بجامعة ستانفورد، قال لـ Digital Trends.

المرشح الواضح لوظيفة التصوير هذه هو الليدار. ليدار هو تقنية الليزر المرتدة الأكثر شهرة في مساعدة المركبات ذاتية القيادة (غير تيسلا) على إدراك العالم من حولها. إنه يعمل عن طريق إصدار موجات ضوئية نبضية ثم قياس المدة التي تستغرقها لترتد عن الأشياء وتعود إلى المستشعر. يتيح القيام بذلك للمستشعر حساب المسافة التي قطعتها نبضة الضوء، ونتيجة لذلك، تكوين صورة للعالم من حوله. في حين أن السيارات ذاتية القيادة تظل الاستخدام الأكثر شهرة لليدار، إلا أنه يمكن استخدامها كأداة قوية لرسم الخرائط في سياقات أخرى أيضًا. على سبيل المثال، استخدمه الباحثون في عام 2016 ل كشف المدينة المفقودة منذ فترة طويلة مخفية تحت غطاء أوراق الشجر الكثيفة في الغابة الكمبودية.

ومع ذلك، فإن تقنية Lidar ليست مناسبة لهذا النوع من رسم الخرائط. على الرغم من أن أنظمة الليدار المتقدمة عالية الطاقة تؤدي أداءً جيدًا في المياه شديدة الوضوح، إلا أن معظم المحيطات - وخاصة المياه الساحلية - تميل إلى أن تكون غامضة ومعتمة للضوء. ونتيجة لذلك، قال فيتزباتريك، إن الكثير من عمليات التصوير تحت الماء التي تم إجراؤها حتى الآن اعتمدت على أنظمة السونار الموجودة في الماء والتي تستخدم موجات صوتية قادرة على الانتشار عبر المياه العكرة بسهولة.

لسوء الحظ، هناك مشكلة هنا أيضًا. يتم تركيب أنظمة السونار داخل الماء على قارب بطيء الحركة أو سحبه بواسطة. سيكون التصوير من الجو، باستخدام مركبة جوية محمولة، أكثر فعالية لأنه يمكن أن يغطي مساحة أكبر بكثير في وقت أقل. لكن هذا مستحيل لأن الموجات الصوتية لا يمكنها المرور من الهواء إلى الماء ثم عودتها مرة أخرى دون أن تفقد 99.9999% من طاقتها.

ما يأتي إلى PASS

وبالتالي، في حين أن أنظمة الليدار والرادار قد رسمت خريطة للمناظر الطبيعية للأرض بأكملها (التأكيد على "الأرض")، حوالي 5 بالمائة فقط من المياه العالمية كانت موضوعًا لتصوير مماثل و رسم الخرائط. وهذا يعادل خريطة العالم التي تظهر أستراليا فقط، وتترك الباقي مظلمًا مثل بعض الأماكن غير المستكشفة عصر الإمبراطوريات خريطة.

وقال فيتزباتريك: "هدفنا هو اقتراح تقنية يمكن تركيبها على مركبة طيران لتوفير تغطية واسعة النطاق أثناء استخدام تقنية تصوير قوية في المياه العكرة". "للقيام بذلك، نقوم بتطوير ما قمنا بصياغته لنظام السونار الضوئي الصوتي المحمول جواً. يستغل PASS فوائد انتشار الضوء في الهواء وانتشار الصوت في الماء لتصوير البيئات تحت الماء من نظام محمول جواً.

يعمل نظام PASS على النحو التالي: أولاً، يطلق نظام ليزر خاص دفقة من ضوء الأشعة تحت الحمراء التي يمتصها أول سنتيمتر أو نحو ذلك من الماء. بمجرد حدوث امتصاص الليزر، يتمدد الماء حراريًا، مما يؤدي إلى إنشاء موجات صوتية قادرة على الانتقال إلى الماء.

وتابع فيتزباتريك: "تعمل هذه الموجات الصوتية الآن كإشارة سونار داخل الماء يتم إنشاؤها عن بعد باستخدام الليزر". "سوف تنعكس الموجات الصوتية عن الأجسام الموجودة تحت الماء وتعود نحو سطح الماء. يعبر بعض هذا الصوت - حوالي 0.06 بالمائة فقط - السطح البيني بين الهواء والماء وينتقل نحو النظام المحمول جواً. تقوم أجهزة استقبال الصوت عالية الحساسية، أو محولات الطاقة، بالتقاط هذه الموجات الصوتية. تقوم محولات الطاقة [بعد ذلك] بتحويل الطاقة الصوتية إلى إشارات كهربائية يمكن تمريرها من خلال خوارزميات إعادة بناء الصورة لتكوين صورة ملموسة.

الأشياء التي تكمن تحتها

حتى الآن، يعد PASS عملاً قيد التقدم. لقد أظهر الفريق تصويرًا ثلاثي الأبعاد عالي الدقة في بيئة معملية خاضعة للرقابة. لكن هذا، كما أقر فيتزباتريك، موجود في "حاوية بحجم حوض أسماك كبير"، على الرغم من أن التكنولوجيا أصبحت الآن "قريبة من المرحلة" حيث يمكن نشرها فوق حوض سباحة كبير.

هناك، بطبيعة الحال، اختلاف طفيف بين حوض السباحة الكبير ومحيطات الأرض بأكملها، وسوف يتطلب هذا قدرا أكبر من العمل. على وجه الخصوص، التحدي الكبير الذي يجب حله قبل الاختبار في بيئات أكبر وأكثر خارجة عن السيطرة هو كيفية التعامل مع التصوير من خلال الماء مع الموجات السطحية المضطربة. قال فيتزباتريك إن هذا أمر مثير للدهشة، لكنه حل "يحتوي بالتأكيد على حلول مجدية"، والتي يعمل الفريق بالفعل على بعضها.

وقال: "يمكن استخدام PASS لرسم خريطة لأعماق المياه المجهولة، ومسح البيئات البيولوجية، والبحث عن حطام السفن المفقودة، وربما أكثر من ذلك بكثير". وأضاف: «أليس من الغريب أننا لم نستكشف بعد كامل الأرض التي نعيش عليها؟ ربما يستطيع PASS تغيير هذا."

إن الجمع بين الضوء والصوت من أجل حل مشكلة التفاعل بين الهواء والماء سيكون بمثابة تغيير جذري في قواعد اللعبة. وبعد ذلك؟ استعين بجيش من الطائرات بدون طيار لرسم الخرائط لتساعدنا أخيرًا في توضيح ما يكمن تحت سطح المحيط.

وكانت ورقة تصف مشروع PASS تم نشره مؤخرًا في مجلة IEEE Access.

توصيات المحررين

• يمكن للسترة اللمسية الجديدة والذكية أن تسمح لكلاب الإنقاذ بتلقي الأوامر على بعد أميال