En ny æra i marin forskning

Bruk av satellittfjernmåling, glidere, droner, tauede legemer, fysiske- og biologiske modeller og overføring av data i sann tid vil revolusjonere marin forskning og overvåking.   

Denne artikkelen av Stig Falk-Petersen og Lionel Camus fra Akvaplan-niva, Geir Pedersen fra NORCE Norwegian Research Centre og Sünnje Basedow fra UiT Norges Arktiske Universitet viser oss hvordan fjernmåling og overføring av data i sanntid har endret marin forskning. Foto: Trond Abrahamsen

En flåte av forskningsskip

Seaglideren fra Kongsberg Maritim på plass i Andøys Space Centre etter en vellykket operasjon på fire uker. Andøya Space Centre har en stor logistikk og teknisk kapasitet. Foto Stig Falk-Petersen

28. april seilte to moderne forskningsfartøy, eller «Glidere» som vi kaller dem, inn til Andenes hvor Andøya Space Centre sto for henting og logistikk. De er en del av en flåte med moderne «forskningsskip» som har studert ett av Norges viktigste havområder, områdene utenfor Helgeland, Lofoten og Vesterålen.

Vi bruker bevisst ordet «flåte» når vi skal karakterisere denne samlingen av relativt små fartøyer, og årsaken er at disse gliderne langt på vei kan erstatte langt større skip. Flåten bestod av tre autonome plattformer (gliderne) og forskningsfartøyet Helmer Hanssen. Gliderne var utstyrt med de samme instrumentene som en finner på de mest moderne havforskningsfartøyene.

Samtidig som vår forskningsflåte samler inn data på sokkelen og ut i Norskehavet samler Hurtigruten  inn data fra kysten og Argo prosesserer data fra Lofotbassenget. Men i motsetning til tradisjonelle forskningsfartøyer som lagrer dataene ombord, sender gliderne, Argobøyene og Hurtigruten dataene til en stor database mens de samles inn. Data er dermed, sammen med data fra satellitter, tilgjengelig i forskning, og overvåking bare noen timer etter at de er samlet inn.

Autonome plattformer og digitale løsninger i marin forskning

Innsamling av data fra autonome plattformer er fremtiden og nåtid. Kysten av Nord-Norge, med sin enorme aktivitet og vitale betydning for nasjonalformuen og økonomi, krever en aktiv overvåking og forskning. Sammen med ConocoPhillips tok Akvaplan-niva for noen år siden ett initiativ for å bygge opp ett nyskapende system som involverte flere forskningsinstitusjoner og norske teknologibedrifter (se faktaboks).

Systemet er bygd opp rundt ett sett med Glidere (autonome plattformer) som drives med vind, bølgekraft og tetthetsforskjeller. Disse plattformene er utstyrt med de mest moderne instrumenter som samler inn miljødata fra overflaten til de store dyp og kan operere i månedsvis over store områder. Dette skal gi bedre forskning og overvåking, være kostnadseffektiv, gi redusert CO2 utslipp og redusere behovet for store og energikrevende forskningsfartøy. 

Data styrings system for Glider prosjektet. Data strømmen styres av den digitale plattformen fra Kongnifai utviklet av Kongsberg digital, data lagrings sky Azure fra Microsoft og databehandling og visualiseringsplattformen Enlighten fra NORCE

Dataene som samles inn kan benyttes i værvarsel, bølge – og strømmodeller, i overvåking av planteplankton, raudåte, fiskelarver, pattedyr og andre viktige økosystemkomponenter, og til bruk i oseanografiske biologiske modeller ved ulykker, kritiske situasjoner, miljøkatastrofer, overvåking og forskning. En kombinasjon av droner og glidere med tilpasset instrumentering vil ha vært ideell til overvåking av oppblomstring av giftige alger som den vi har sett de siste ukene. Målingen fra disse plattformene overføres kontinuerlig til en stor dataplattform, kvalitetskontrolleres og er tilgjengelig for bruk i løpet av noen timer. 

Internasjonalt samarbeid

Forskningsteamet på årets tokt. Foto John-Terje Eilertsen

 

Samarbeidet med gliderne har vakt stor interesse i en internasjonal forskningsverden, blant annet fra Kina og Skottand. Teamene på FF Helmer Hanssen har hatt ulike oppgaver:

  • Studere hvordan strømsystemene som danner de store virvlene (mesoscal eddies) påvirker økosystemstrukturen i løpet av våroppblomstringen (https://stressor.lofoten-research.no/). 
  • Samle inn data om næringssalter, artssammensetning hos planteplankton, klorofyll fordeling, sjøtemperatur og fotosyntetisk aktivitet. Disse dataene mates kontinuerlig inn i modeller slik at vi kan estimere hvordan total primær produksjon variere i tid og rom mens vi seiler. 
  • Studer adferden hos raudåte og storskala fordeling av raudåte.
  • Studerer de mesopelagiske lagene med lysprikkfisk og energistrømmen i økosystemet.

Dynamikken i økosystemet mellom kyst og åpent hav

Det er miljøet utenfor Lofoten, Vesterålen og Helgeland vi studerer i år. Denne forskningen har to viktige elementer, ett anvendt og ett grunnforskningselement: utvikle de nye systemet med glidere og overføring av data i sanntid, og studere hvordan de store strømvirvlene strukturerer økosystemet (planteplankton, raudåte, fiskelarver, og fettrike mesopelagiske fiskelag). 

Prosjektene har allerede oppnådd oppsiktsvekkende resultater. Blant annet har vi vist at overføring av data i sanntid fra glideren kan forbedre havvarslene fra met.no. Under feltstudiet i 2017 har en for første gang kartlagt supersvermer av raudåte fra satellitt (https://www.nature.com/articles/s41598-018-37129-x). Dermed for vi en mye bedre oversikt over dyreplanktonfordelingen i sann tid, som vi drar nytte av under feltstudiet i år. 

Daglige data fra Storbritannia og Kina

RGB (rød-grønn-blå) satellittbilde hvor rødfargen kan relateres til raudåte, og vi ser tydelige virvelstrukturer ved sokkelkanten. Bildet er fra 7. mai i år og er basert på ferdigprosesserte data fra NEODAAS i Storbritannia.

Dataene fra denne kampanjen viser klart at utveksling mellom store virvler spiller en veldig viktig rolle i transport av raudåte, trolig også for egg og torskelarver, fra kysten og sokkelen til åpent hav. 

Disse store virvlene (mesoscal eddies) dannes langs hele kysten, men er spesielt fremtredende i havområdene utenfor Lofoten og Vesterålen. 

De videre analysene vil vise hvordan disse påvirker utveksling av næringssalter, primærproduksjon og fordeling av dyreplankton og fiskelarver. Raudåta finnes i høye konsentrasjoner i virvlene utenfor sokkelkanten der det er store mesopelagiske lag med storkrill, lysprikkfisk, og pelagiske reker.

 

 

Virvel i strømsystemet utenfor Lofoten og Vesterålen. Geostrofiske strømmer og horisontal adveksjon basert på Radar Altimeter data og Lagrangian Coherent Structure modellering. Disse beregnes daglig av Dr Ziyuan Hu ved den Kinesiske Akademi for Vitenskapen (CAS-IO) og visualiseres på toktet av Huizi Dong, PhD student fra Shanghai Jiao Tong Universitetet.

Data i sann tid

Det norsk-kinesiske forskningsteamet om bord på FF Helmer Hanssen kan laste ned data som samles inn fra de tre gliderne gjennom dataplattformen Enlighten i sann tid og laste ned daglige satellitt og strømdata fra Kina og Storbritania.  Disse dataene kan så brukes i sanntid sammen med dataene om strømsystemet, temperatur og saltholdighet som samles inn fra FF Helmer Hanssen. På denne måten får vi ett øyeblikksbilde av strømsystemenes struktur. Samtidig samler satellitter inn forskjellige data som vi drar nytte av. 

Radar Altimeter data viser høydeforskjeller i havoverflaten og brukes for å beregne geostrofiske strømmer. Ved hjelp av disse modelleres en såkalt Lagrangian Coherent Structures, altså sammenhengende strukturer i havet slik som overflatestimer av raudåte. Gjennom et samarbeid med NEODAAS i Storbritannia får vi i tillegg ferdig behandlede data fra VIIRS II-satellitten, som viser raudåtestimer basert på raudåtes røde farge. 

Slik kan vi danne oss ett bilde av hvordan de store virvlene som dannes utenfor Lofoten og Vesterålen påvirker de biologiske forhold mens vi seiler. Det er imidlertid til ettertanke at ingen norske forskningsfartøy overfører data i sanntid mens innsamlingen foregår. Dataene samlet inn på norske forskningsfartøy er i beste fall tilgjengelig uker og måneder etter at de er innsamlet, i verste fall opp til år etterpå. 

Maritim aktivitet, ressurser og miljø

Foto av trafikken utenfor Lofoten og Vesterålen. Fra https://www.marinetraffic.com/

Farvannene fra Møre til Finnmark, med Lofoten og Vesterålen som sentrum, er de viktigste områdene for den tradisjonelle fiskerinæring og fangst av pattedyr. Det er også ett viktig område for hekkende sjøfugl, sel og ikke-kommersiell kval. Nord og sør for Lofoten og Vesterålen er det stor petroleumsaktivitet. På sokkelen ser vi et gryende og spennende fiskeri på raudåte og om noen år vil det kanskje utvikles fiskeri på krill og mesopelagiske fisk (lysprikkfisk). 

Utenfor sokkelkanten seiler det hver dag ett stort antall skip med farlig last (stykkgods, bulk, gasskip, oljetankere). Langs kysten er det en stor turisttrafikk med alt fra små båter til store cruiseskip. Store oppdrettsanlegg vil bli etablert de neste årene, det er en betydelig militær aktivitet og utenfor Andøya testes missiler, droner og raketter.

 

Forskning

Administrerende direktør i Forskningsrådet John-Arne Røttingen argumenterer i en kronikk 18.03.19 i forskning.no for en økning og kvalitetsforbedring av norsk polarforskning. Det er det ikke vanskelig å være enig i, men mens norsk polarforskning har hatt en stor økning i de siste 20 årene, har den marine forskningen langs kysten og i de norske havområdene blitt hengende etter. Det er langs kysten og de nære havområdene nasjonalformuen skapes hver dag og det er her det trenges en betydelig økning av forskningen. Det er ett stort behov for økt forskning og denne forskningen bør konkurranseutsettes.

Samarbeid mellom prosjekter

 

Akvaplan-niva har fått til ett samarbeid på tvers av flere prosjekter                    

  • GLIDER prosjektet.   «Unmanned ocean vehicles, a flexible and cost-efficient offshore monitoring and data management approach», ledet av Akvaplan-niva, finansiert av Norges Forskningsråd og Conoco Phillips.
  • STRESSOR prosjektet. Collaborative Studies of Two Resource Ecosystems in Shelf, Slope and Oceanic Regions of the Norwegian and South-China Seas. Ledet av UiT Norges Arktiske Universitet og Shanghai Jiao Tong Universitetet, finansiert av Norges forskningsråd og Kinas nasjonale forskningsråd (https://stressor.lofoten-research.no/)
  • SEA PATCHES prosjektet. «Sustainable harvesting of a patchy resource: aggregation mechanisms and implications for stock size estimates». Ledet av UiT Norges Arktiske Universitet, finansiert av Norges Forskningsråd (http://seapatches.lofoten-research.no) .  
  • «Unstructured-grid modeling of transport and dispersion in the Lofoten-Vesterålen region». Ledet av Universitetet i Oslo og Akvaplan-niva, finansiert av Vista programmet 
  • NorSOOP. «Norwegian Ships of Opportunity Program for marine and atmospheric research. Ledet av NIVA, finansiert av Norges forskningsråd (http://www.ferrybox.com/)
  • «Spatial and temporal analyses of marine mammal vocalizations using unmanned systems». Ledet av UiT Norges Arktisk Universitet og Akvaplan-niva, finansiert av Vista programmet. 

Forskningsinstitusjoner og samarbeidspartnere som inngår i ett eller flere av disse prosjekter:

Akvaplan-niva, UiT Norges Arktiske Universitet, Nord Universitet, Universitetet i Oslo, Universitetet i Bergen, Havforskingsinstituttet, DNMI, NIVA, NORCE Norwegian Research Centre,

University of British Columbia, Marine and Freshwater Research Institute Island, Institute of Oceanology Chinese Academy of Sciences, University of Strathclyde, Shanghai Jiao Tong University, Institute of Oceanology Poland, AWI.

Teknologi partnere

Kongsberg Maritime og Kongsberg Digital, Offshore Sensing, Maritime Robotics, Calanus as, Aanderaa.