Argonauci w służbie nauki (cz. 1)

Serio – projekt naukowy, o którym piszę poniżej nazywa się Argo, w logo ma grecką galerę, a zbierane dane są komplementarne do danych z satelity Jazon! Jak widać naukowcom nie brakuje poczucia humoru, ale trzeba odpowiedzieć na pytanie – co tu właściwie jest złotym runem?

Dane na wagę złota

Szybkie przypomnienie z lektury Parandowskiego w podstawówce: Argonauci to grupa kilkudziesięciu śmiałków (z Heraklesem, Orfeuszem i Tezeuszem włącznie!), którzy pod wodzą herosa Jazona przemierzali morza i oceany (no dobra, tylko morza – Śródziemne, Egejskie, Marmara i Czarne), aby dotrzeć do Kolchidy (na terenie obecnej Gruzji) i zdobyć Złote Runo, czyli złotą sierść i skórę skrzydlatego barana (bez komentarza). A po drodze, między różnymi przygodami, przez dwa lata spłodzili mnóstwo dzieci na wyspie Lesbos, gdzie brakowało mężczyzn. Tamtejsze kobiety ich zabiły, bo mężczyźni ściągali kochanki z Tracji – gdyż ich kobiety roztaczały nieprzyjemną woń spowodowaną przez klątwę Afrodyty.

Z kolei w drodze powrotnej spotkali Kirke, z którą Odyseusz spłodził syna, bo zamieniła mu kolegów w świnie – nie pytajcie o logikę. To ostatnie zdanie to tak tylko żeby przypomnieć, że mitologia jest dużo ciekawsza niż uczy się o niej dzieci w szkole, a zwroty akcji są prawie tak dobre jak w latynoamerykańskich telenowelach. Ale wracając do sedna…

Współcześni naukowcy okazali się dużo ambitniejsi niż starożytni herosi. Po pierwsze współczesnych Argonautów jest nie kilkadziesiąt, ale kilka tysięcy! Po drugie horyzonty nie są zawężone do kilku malutkich mórz w jednej części świata, ale obejmują dosłownie CAŁY ocean. A po trzecie ich cel nie jest tak przyziemny jak złoto, ale dużo szczytniejszy – chodzi o wiedzę o funkcjonowaniu całej klimatycznej maszynerii naszej planety. To czym w takim razie jest współczesne Argo?

Argonauci, czyli… nurkujące sondy pomiarowe!

Sercem projektu Argo są autonomiczne sondy pomiarowe o regulowanej pływalności. Statek badaczy wypływa na otwarte wody, wyrzuca metalową konstrukcję za burtę i przemieszcza się w następne miejsce, wyrzucić kolejną sondę kilkaset kilometrów dalej. I tak już od dwudziestu lat!

Ale co robi ta sonda? W pierwszej fazie… po prostu tonie. Albo mówiąc ładniej: „schodzi na głębokość dryfowania”, czyli kilometr pod wodę. Tam swobodnie dryfuje z prądami morskimi przez około półtora tygodnia (10 dni), po czym rozpoczyna (standardowo) nurkowanie na dwa kilometry. W tym momencie rozpoczyna się najważniejsza część pracy, czyli „profilowanie” – sonda przez kolejne sześć godzin wynurza się, dokonując jednocześnie pomiarów temperatury, zasolenia i gęstości wody naokoło. Po wynurzeniu pozostało przesłać dane pomiarowe do satelity, po czym zanurkować ponownie na kolejne dziesięć dni. I tak całe swoje życie, czyli 5 do 10 lat, w zależności od modelu sondy, czyli ilości aparatury pomiarowej oraz modelu baterii.

Unikam jak ognia pisania „boja”, bo boje cały czas unoszą się na powierzchni (i też są takie systemy do pomiaru fal, wiatrów, pływów, ale o tym innym razem…). Czyli w największym skrócie sonda Argo to metalowa puszka z siłownikiem i pompą z olejem, która napełnia w dolnej części „balon” (zwany pęcherzem), który zwiększa lub zmniejsza pływalność, regulując tym samym zanurzenie. Do tego aparatura pomiarowa, antena do komunikacji z satelitą i bateria.

Cykl pracy boi Argo — Rysunek 1. Cykl pracy boi, za https://argo.ucsd.edu/wp-content/uploads/sites/361/2020/01/soloII_complete_with_antenna.jpg

Najciekawsze w tym wszystkim jest jednak to, że projekt Argo to właściwie wielki kombajn dziesiątek podprojektów. Znajdziemy w nim na przykład lokalne kolaboracje ze względu na kraj operatora, jak „nasz” EuroArgo (które w grudniu 2021 odpowiadało za 951 profilowań, podczas gdy kraje spoza UE to 2980, czyli obstawiamy prawie jedną czwartą projektu). Znajdują się tam też podprojekty ze względu na dodatkową aparaturę umieszczaną na sondach, takie jak Argo BioGeoChemical, określające pH, zawartość dwutlenku węgla i tlenu, azotanów, badające kompozycję fitoplanktonu, ilość zawiesiny i światła w głębinach, czy Deep Argo penetrujący głębię nie na dwa kilometry, ale na cztery (modele sond Deep ARVOR i Deep NINJA), a nawet aż do dna morskiego na głębokość 6000 metrów (modele Deep SOLO i Deep APEX)!

Podprojektów jest tyle, że idzie się w tym pogubić – dlatego wątki satelitarne opiszemy w drugiej części artykułu. Tu podkreślmy tylko, że Polacy nie gęsi i swoje sondy mają – polskim reprezentantem w europejskiej części projektu (Euro Argo) jest Instytut Oceanografii Polskiej Akademii Nauk, który woduje sondy na Morzu Bałtyckim oraz w regionie Arktycznym.

Ile mnie to będzie kosztowało?

Koszt pojedynczej standardowej sondy to około 20 tysięcy dolarów, a wersji głębinowej – dwa razy tyle. Co więcej, skoro sondy służą przez kilka lat, to dla utrzymania odpowiedniej gęstości systemu pomiarowego, potrzeba każdego roku wodować około 300 kolejnych sond. Do tego dochodzą kwestie utrzymania telekomunikacji satelitarnej, walidacji danych w dwóch centrach obliczeniowych i dalej ich upowszechnienie na ogólnodostępnych serwerach. Koszt pojedynczego profilowania ocenia się na 200 dolarów, a profilowań w projekcie wykonuje się około 140 tysięcy rocznie. Łącznie utrzymanie sprawności systemu kosztuje około 40 milionów dolarów rocznie.

Kto za to płaci? I tu ciekawa kwestia – projekt nie ma żadnego centralnego finansowania. Po prostu każda ze współpracujących organizacji z 28 krajów w ramach swojego budżetu wprowadza do systemu kolejne boje, ale bez nadrzędnej kontroli, ot taki naukowy rozproszony, demokratyczny, samosterowny system. No dobra, USA, z powodu, że są otoczone dwoma oceanami (a także wprowadzili do naszego klimatu łącznie największą ilość CO2), są najbardziej zainteresowane i finansują połowę projektu.

Rysunek 2. Położenie sond od stycznia 2019 do grudnia 2021 z podziałem na kraje. Źródło: gif Darek Aksamit z danych https://www.ocean-ops.org/board/wa/Archives?t=Argo

Rysunek 3. Lokalizacja sond Argo. Za: https://www.researchgate.net/figure/A-snapshot-of-global-ocean-observations-generated-by-JCOMMOPS-JCOMM-2018_fig4_334102526

I po co to wszystko?

Dlaczego te parametry (temperatura + zasolenie = gęstość) są tak istotne? To można sprawdzić w domowej kuchni w bardzo prostym, ale pięknym eksperymencie. Wrzucacie do wody czystej oraz do wody zasolonej po kostce lodu i patrzycie, która szybciej się stopi. Dla większości osób wynik jest zaskakujący – kostka w wodzie czystej topi się z grubsza dwa razy szybciej! Dlaczego?

Rysunek 4. Kostki lodu roztapiające się w czystej i słonej wodzie. Z lewej obraz w kamerze termowizyjnej, z prawej w świetle widzialnym przy zabarwieniu kostek lodu. Za: Dariusz Aksamit i Agnieszka Siemion, Wydział Fizyki Politechniki Warszawskiej.

Odpowiedź jest widoczna na obrazku powyżej – zmiany gęstości wody pod wpływem zmiany temperatury oraz zmiany zasolenia decydują o tym, która masa wody tonie i płynie po dnie oceanu, a która wypierana jest na powierzchnię. Dlaczego góry lodowe się nie topią, mimo że są zanurzone w ciepłej wodzie? Bo jeśli woda ta jest słona, to woda roztopiona z lodu, słodka, wypierana jest na powierzchnię i taka góra lodowa wcale nie pływa w ciepłej wodzie, ale pływa we własnym, zimnym sosie. Z kolei ciepła-słona woda z głębin nie oddaje swojego ciepła do powietrza. Stąd coś co dla niektórych publicystów wydaje się paradoksem – że globalne ocieplenie może prowadzić do lokalnego ochłodzenia, skoro przez dolanie do oceanu słodkiej wody z topniejącego lodu zaburzamy oddawanie ciepła do powietrza przez słone warstwy… Tu odsyłam do świetnego artykułu na portalu Nauka o Klimacie na temat cyrkulacji termohalinowej, żeby w pełni zrozumieć globalne konsekwencje tak przyziemnych parametrów jak temperatura i zasolenie:

https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/cyrkulacja-termohalinowa-444/

Podsumowując: samo profilowanie sondami to nic nowego, bo pierwsza taka boja została zwodowana już w 1955 roku. Ale szeroka międzynarodowa współpraca w połączeniu z automatyzacją i komunikacją satelitarną sprawiła, że w 2012 roku system Argo wykonał swoje milionowe profilowanie, dublując w lekko ponad dekadę od startu całkowitą ilość profilowań wykonanych przez naukowców przez cały XX wiek. Tak duży i szybki jest postęp i tak dobrze dziś wiemy, jak wygląda sytuacja. To znaczy jak dramatycznie źle ona wygląda… Ale sama gęstość oceanów to, nomen omen, jedynie wierzchołek góry lodowej projektów obmierzania naszej planety. Ale o tym w drugiej części!