أرغو (علم المحيطات)

برنامج أرجو هو برنامج دولي لأبحاث المحيطات، يستخدم عوامات قياس لرصد درجة الحرارة والملوحة والتيارات . وقد رصد مؤخرًا خصائص بصرية حيوية في محيطات الأرض. يعمل البرنامج منذ أوائل العقد الأول من الألفية الثانية، وتدعم البيانات الآنية التي يوفرها أبحاث المناخ وعلم المحيطات. ^{[ 1 ] [ 2 ]} ومن بين اهتماماته البحثية تحديد المحتوى الحراري للمحيطات . يتكون أسطول أرجو من حوالي 4000 عوامة عائمة (كما تُسمى غالبًا عوامات القياس المستخدمة في برنامج أرجو) موزعة في جميع أنحاء العالم. يبلغ وزن كل عوامة 20-30  كيلوغرامًا. في معظم الحالات، تنجرف المجسات على عمق 1000  متر، وهو ما يُعرف بعمق التوقف. كل 10 أيام، ومن خلال تغيير طفوها ، تغوص إلى عمق 2000  متر ثم تعود إلى سطح البحر . أثناء تحركها، تقيس الموصلية الكهربائية وملامح درجة الحرارة والضغط . يحسب العلماء الملوحة والكثافة من هذه القياسات. وتُعد كثافة مياه البحر مهمة في تحديد الحركات واسعة النطاق في المحيط.

تُقاس متوسط ​​سرعات التيار على عمق 1000  متر مباشرةً من خلال المسافة والاتجاه اللذين ينجرف بهما العوامة أثناء رسوها على هذا العمق، ويتم تحديد ذلك بواسطة نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) أو نظام Argos على السطح. تُرسل البيانات إلى الشاطئ عبر الأقمار الصناعية، وهي متاحة للجميع مجانًا ودون قيود.

سُمّي برنامج أرجو تيمناً بسفينة أرجو الأسطورية اليونانية ، وذلك للتأكيد على العلاقة التكاملية بين أرجو وأقمار جيسون الصناعية لقياس الارتفاع. وتعمل كل من عوامات أرجو القياسية والأقمار الصناعية الأربعة التي أُطلقت حتى الآن لرصد تغيرات مستوى سطح البحر، وفق دورة تشغيل مدتها عشرة أيام.

برنامج أرغو هو شراكة تعاونية تضم أكثر من 30 دولة من جميع قارات العالم (معظمها موضح على الخريطة البيانية في هذه المقالة)، ويتولى إدارة شبكة عالمية من الأقمار الصناعية، ويوفر مجموعة بيانات يمكن لأي شخص استخدامها لاستكشاف البيئة المحيطية. يُعدّ أرغو أحد مكونات النظام العالمي لرصد المحيطات (GOOS) ^{[ 3 ]} ، ويتولى تنسيقه فريق توجيه أرغو، وهو هيئة دولية من العلماء والخبراء التقنيين تجتمع مرة واحدة سنويًا. ويتولى فريق إدارة بيانات أرغو إدارة تدفق بيانات أرغو. كما يحظى أرغو بدعم مجموعة رصد الأرض، وقد حظي منذ بداياته بتأييد مشروع CLIVAR التابع لبرنامج أبحاث المناخ العالمي (مشروع تقلبات وإمكانية التنبؤ بنظام المحيط والغلاف الجوي)، ومشروع تجربة استيعاب بيانات المحيطات العالمية (GODAE OceanView).

طُرح برنامج يُدعى "أرغو" لأول مرة في مؤتمر "أوشن أوبس 1999"، وهو مؤتمر نظمته وكالات دولية بهدف وضع نهج منسق لرصد المحيطات. وقد وضع المخطط الأولي لبرنامج "أرغو" فريق صغير من العلماء، برئاسة دين روميتش ، الذي وصف برنامجًا يهدف إلى إنشاء شبكة عالمية تضم حوالي 3000  عوامة بحلول عام 2007. ^{[ 4 ]} وقد تحققت شبكة العوامات البالغ عددها 3000 عوامة في نوفمبر 2007، وأصبحت عالمية. واجتمع فريق توجيه "أرغو" لأول مرة عام 1999 في ولاية ماريلاند (الولايات المتحدة الأمريكية) ووضعوا مبادئ تبادل البيانات على مستوى العالم.

قدّم فريق توجيه مشروع أرجو تقريرًا مدته عشر سنوات إلى مؤتمر OceanObs-2009 ^{[ 5 ]} ، وتلقى مقترحات لتحسين منظومة أرغو. شملت هذه المقترحات تعزيز أداء المنظومة في خطوط العرض العليا، وفي البحار الهامشية (مثل خليج المكسيك والبحر الأبيض المتوسط)، وعلى طول خط الاستواء، وتحسين رصد التيارات الحدودية القوية (مثل تيار الخليج وتيار كوروشيو )، وتوسيع نطاق الرصد ليشمل المياه العميقة، وإضافة أجهزة استشعار لمراقبة التغيرات البيولوجية والكيميائية في المحيطات. في نوفمبر 2012، جمعت عوامة هندية ضمن منظومة أرغو مليون بيانات (أي ضعف عدد البيانات التي جمعتها سفن الأبحاث طوال القرن العشرين)، وهو حدث تم الإبلاغ عنه في العديد من البيانات الصحفية. ^{[ 6 ] [ 7 ]} وكما هو موضح في الرسم البياني المقابل، بحلول أوائل عام 2018، كان برنامج Bio-Argo يتوسع بسرعة. ^{[ 8 ]}

تتمثل الميزة الأساسية لعوامة أرجو في قدرتها على الصعود والهبوط في المحيط وفقًا لجدول زمني مُبرمج. وتُحقق العوامات ذلك بتغيير كثافتها الفعّالة. تُحسب كثافة أي جسم بقسمة كتلته على حجمه. تحافظ عوامة أرجو على كتلتها ثابتة، ولكن بتغيير حجمها، تتغير كثافتها. وللقيام بذلك، يُضخ الزيت المعدني خارج غلاف الضغط الخاص بالعوامة، مما يؤدي إلى تمدد كيس مطاطي في طرفها السفلي. ومع تمدد الكيس، تصبح كثافة العوامة أقل من كثافة مياه البحر، فتصعد إلى السطح. وعند الانتهاء من مهامها على السطح، تسحب العوامة الزيت وتهبط مرة أخرى. ^{[ 9 ]}

تقوم مجموعة من الشركات والمنظمات بتصنيع عوامات القياس المستخدمة في برنامج أرجو. تُعد عوامات APEX، المصنعة من قبل شركة Teledyne Webb Research ، العنصر الأكثر شيوعًا في المجموعة الحالية. طُوّرت عوامات SOLO وSOLO-II (تستخدم الأخيرة مضخة ترددية لتغيير الطفو، على عكس المكابس اللولبية في العوامات الأخرى) في معهد سكريبس لعلوم المحيطات . تشمل الأنواع الأخرى عوامة NINJA، المصنعة من قبل شركة Tsurumi Seiki اليابانية، وعوامات ARVOR وDEEP-ARVOR وPROVOR التي طورتها IFREMER في فرنسا، بالشراكة الصناعية مع شركة nke للأجهزة الفرنسية. تستخدم معظم العوامات أجهزة استشعار من صنع شركة Sea-Bird Scientific ( https://www.seabird.com/ )، التي تصنع أيضًا عوامة قياس تُسمى Navis. عوامة أرجو النموذجية عبارة عن أسطوانة يزيد  طولها قليلاً عن متر واحد وقطرها 14  سم، ولها غطاء نصف كروي. وبالتالي، يبلغ الحد الأدنى لحجمه حوالي 16600 سنتيمتر مكعب (سم³ ⁾ . في محطة بابا البحرية في خليج ألاسكا، قد تصل درجة الحرارة والملوحة على السطح إلى حوالي 6 درجات مئوية و32.55  جزءًا في الألف، مما يعطي كثافة لمياه البحر تبلغ 1.0256  جم/سم³ ^. على عمق 2000  متر (ضغط 2000  ديسيبار)، قد تصل درجة الحرارة إلى درجتين مئويتين والملوحة إلى 34.58  جزءًا في الألف. وبذلك، مع الأخذ في الاعتبار تأثير الضغط (الماء قابل للانضغاط بشكل طفيف)، تبلغ كثافة مياه البحر حوالي 1.0369  جم/سم³ ^. نسبة التغير في الكثافة إلى الكثافة عند العمق تساوي 0.0109.

يجب أن تتوافق كثافة العوامة مع هذه الكثافات لتصل إلى  عمق 2000 متر ثم تصعد إلى السطح. وبما أن كثافة العوامة هي كتلتها مقسومة على حجمها، فإنها تحتاج إلى تغيير حجمها بمقدار 0.0109 × 16600 = 181  سم³ لتتمكن من القيام بهذه الرحلة؛ ويُوفر جزء صغير ^من هذا التغيير في الحجم من خلال انضغاطية العوامة نفسها، كما يلزم وجود قوة طفو زائدة على السطح لإبقاء الهوائي فوق الماء. تحمل جميع عوامات أرغو أجهزة استشعار لقياس درجة حرارة وملوحة المحيط مع تغيرهما بتغير العمق، ولكن عددًا متزايدًا من العوامات يحمل أيضًا أجهزة استشعار أخرى، مثل أجهزة قياس الأكسجين المذاب، وفي نهاية المطاف متغيرات أخرى ذات أهمية بيولوجية وكيميائية مثل الكلوروفيل والمغذيات ودرجة الحموضة. ويجري تطوير امتداد لمشروع أرغو يُسمى BioArgo، وعند تنفيذه، سيضيف مكونًا بيولوجيًا وكيميائيًا إلى هذه الطريقة لأخذ عينات من المحيطات. ^{[ 10 ]}

يُثبّت هوائي جمع بيانات الأقمار الصناعية أعلى العوامة، ويمتد فوق سطح البحر بعد اكتمال صعودها. ولأن المحيط مالح، وبالتالي موصل للكهرباء، فإن الاتصالات اللاسلكية من تحت سطح البحر غير ممكنة. في المراحل الأولى من البرنامج، كانت عوامات أرغو تستخدم حصريًا اتصالات الأقمار الصناعية أحادية الاتجاه البطيئة، لكن معظم العوامات التي نُشرت في منتصف عام 2013 تستخدم اتصالات ثنائية الاتجاه سريعة. ونتيجةً لذلك، تُرسل عوامات أرغو الآن بيانات أكثر بكثير مما كان ممكنًا سابقًا، وتقضي حوالي 20  دقيقة فقط على سطح البحر بدلًا من 8-12  ساعة، مما يقلل بشكل كبير من مشاكل مثل الارتطام بالقاع والتلوث البيولوجي.

لقد زاد متوسط ​​العمر الافتراضي لعوامات أرجو بشكل كبير منذ بدء البرنامج، حيث تجاوز في البداية متوسط ​​العمر الافتراضي البالغ 4 سنوات للعوامات التي تم نشرها في عام 2005. ومن المتوقع أن تؤدي التحسينات المستمرة إلى مزيد من التمديدات إلى 6  سنوات أو أكثر.

اعتبارًا من يونيو 2014، ^{[ 11 ]} جرى اختبار أنواع جديدة من العوامات لجمع قياسات على أعماق أكبر بكثير مما يمكن الوصول إليه بواسطة عوامات أرجو القياسية. صُممت عوامات "أرجو العميقة" هذه للوصول إلى أعماق 4000 أو 6000 متر، مقابل 2000 متر للعوامات القياسية. سيتيح ذلك أخذ عينات من حجم أكبر بكثير من المحيط. تُعد هذه القياسات مهمة لتطوير فهم شامل للمحيط، مثل اتجاهات المحتوى الحراري. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

نصّت الخطة الأصلية المعلن عنها في نشرة مشروع أرجو على أن تكون المسافة بين أقرب عوامتين، في المتوسط، 3 درجات  عرضًا و3 درجات  طولًا. ^{[ 4 ]} وقد أتاح ذلك دقة أعلى (بالكيلومترات) عند خطوط العرض العليا، شمالًا وجنوبًا، واعتُبر ضروريًا نظرًا لانخفاض نصف قطر روسبي للتشوه الذي يتحكم في حجم الظواهر المحيطية، مثل الدوامات. وبحلول عام 2007، تحقق هذا الهدف إلى حد كبير، إلا أن الدقة المستهدفة لم تُحقق بالكامل بعد في أعماق المحيط الجنوبي.

تُبذل الجهود لإكمال الخطة الأصلية في جميع أنحاء محيطات العالم، لكن هذا الأمر صعب في أعماق المحيط الجنوبي حيث أن فرص النشر نادرة للغاية.

كما ذُكر في قسم التاريخ، يجري التخطيط حالياً لإجراء تحسينات في المناطق الاستوائية من المحيطات، وفي التيارات الحدودية، وفي البحار الهامشية. ويتطلب ذلك زيادة العدد الإجمالي للعوامات من الخطة الأصلية التي كانت تضم 3000  عوامة إلى مصفوفة تضم 4000 عوامة.

إحدى نتائج استخدام عوامات المسح لأخذ عينات من المحيط هي إمكانية إزالة التحيز الموسمي. يوضح الرسم البياني المقابل عدد جميع بيانات المسح التي جمعتها مركبة أرجو شهريًا جنوب خط عرض 30° جنوبًا (المنحنى العلوي) منذ بداية البرنامج وحتى نوفمبر 2012، مقارنةً بالرسم البياني نفسه لجميع البيانات الأخرى المتاحة. يُظهر المنحنى السفلي تحيزًا سنويًا واضحًا، حيث جُمعت بيانات المسح في فصل الصيف الجنوبي أربعة أضعاف عددها في فصل الشتاء الجنوبي. أما بالنسبة للرسم البياني العلوي (أرجو)، فلا يوجد أي تحيز واضح.

من أهم ميزات نموذج أرجو إمكانية الوصول العالمي وغير المقيد إلى البيانات في الوقت الفعلي تقريبًا. فعندما تُرسل إحدى العوامات بياناتها، تُحوّل بسرعة إلى صيغة قابلة للإدراج في نظام الاتصالات العالمي (GTS). يُشغّل هذا النظام من قِبل المنظمة العالمية للأرصاد الجوية (WMO) خصيصًا لتبادل البيانات اللازمة للتنبؤات الجوية. وبذلك، تتلقى جميع الدول الأعضاء في المنظمة العالمية للأرصاد الجوية جميع بيانات أرجو في غضون ساعات قليلة من الحصول عليها. كما تُتاح البيانات أيضًا عبر بروتوكول نقل الملفات (FTP) وشبكة الإنترنت العالمية (WWW) من خلال مركزين عالميين لبيانات أرجو (GDACs)، أحدهما في فرنسا والآخر في الولايات المتحدة.

يتم إتاحة حوالي 90% من جميع الملفات الشخصية التي تم الحصول عليها للوصول العالمي في غضون 24  ساعة، بينما تصبح الملفات الشخصية المتبقية متاحة بعد ذلك بوقت قصير.

يتطلب استخدام البيانات المُستقاة عبر نظام GTS أو من مراكز بيانات Argo العالمية (GDACs) مهارات برمجية. توفر مراكز بيانات Argo العالمية ملفات متعددة الملفات التعريفية، وهي صيغة ملفات أصلية لبرنامج Ocean DataView. يوجد لكل يوم ملفات تحمل أسماءً مثل 20121106_prof.nc، وتُسمى هذه الملفات بالملفات متعددة الملفات التعريفية. هذا المثال هو ملف خاص بيوم 6 نوفمبر 2012، ويحتوي على جميع الملفات التعريفية في ملف NetCDF واحد لحوض محيطي واحد. تُحدد مراكز بيانات Argo العالمية ثلاثة أحواض محيطية: الأطلسي، والهندي، والهادئ. وبالتالي، ستحتوي ثلاثة ملفات متعددة الملفات التعريفية على جميع ملفات Argo التعريفية المُستقاة في ذلك اليوم.

قد يرغب المستخدم الذي يستكشف بيانات Argo ولكنه يفتقر إلى مهارات البرمجة في تنزيل أطلس Argo العالمي للمحيطات ^{[ 14 ]} ، وهو أداة سهلة الاستخدام تتيح إنشاء منتجات بناءً على بيانات Argo، مثل قسم الملوحة الموضح أعلاه، بالإضافة إلى خرائط أفقية لخصائص المحيطات، وسلاسل زمنية في أي موقع، وما إلى ذلك. يحتوي هذا الأطلس أيضًا على زر "تحديث" يسمح بتحديث البيانات دوريًا. تتم صيانة أطلس Argo العالمي للمحيطات في معهد سكريبس لعلوم المحيطات في لا جولا، كاليفورنيا.

يمكن أيضًا عرض بيانات Argo في Google Earth باستخدام طبقة تم تطويرها بواسطة المنسق الفني لـ Argo.

يُعدّ برنامج Argo الآن المصدر الرئيسي للمعلومات حول الحالة المناخية للمحيطات، ويُستخدم على نطاق واسع في العديد من المنشورات كما هو موضح في الرسم البياني المقابل. تشمل المواضيع التي يتناولها البرنامج التفاعل بين الهواء والبحر، والتيارات المحيطية ، والتقلبات بين السنوات، وظاهرة النينيو ، والدوامات متوسطة النطاق ، وخصائص الكتل المائية وتحولاتها. كما يُتيح Argo الآن إجراء حسابات مباشرة لمحتوى الحرارة في المحيطات العالمية .

تُشير الدراسات إلى أن المناطق ذات الملوحة السطحية العالية في العالم تزداد ملوحتها، بينما تزداد المناطق ذات الملوحة السطحية المنخفضة نسبيًا ملوحة مياهها. وقد وُصف هذا الوضع بأنه "يزداد الأغنياء غنىً ويزداد الفقراء فقرًا". علميًا، يتحدد توزيع الملح بالفرق بين الهطول والتبخر. فالمناطق، مثل شمال المحيط الهادئ ، حيث يطغى الهطول على التبخر، تكون مياهها أقل ملوحة من المتوسط. ويُشير هذا إلى أن الأرض تشهد تكثيفًا لدورة المياه العالمية . كما تُستخدم بيانات أرغو في تشغيل نماذج حاسوبية للنظام المناخي، مما يُحسّن قدرة الدول على التنبؤ بالتغيرات المناخية الموسمية. ^{[ 15 ]}

كانت بيانات Argo حاسمة في صياغة الفصل 3 (الفريق العامل 1) من التقرير التقييمي الخامس للهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ (الذي صدر في سبتمبر 2013)، وتمت إضافة ملحق إلى ذلك الفصل للتأكيد على التغيير العميق الذي حدث في جودة وحجم بيانات المحيطات منذ التقرير التقييمي الرابع للهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ والتحسن الناتج في الثقة في وصف تغيرات ملوحة السطح ومحتوى الحرارة في الطبقات العليا من المحيط.

استُخدمت بيانات أرغو إلى جانب بيانات تغير مستوى سطح البحر من قياسات الارتفاع بالأقمار الصناعية في نهج جديد لتحليل ظاهرة الاحتباس الحراري ، نُشر في مجلة إيوس عام 2017. ويشير ديفيد موريسون إلى أن "كلتا مجموعتي البيانات تُظهران مؤشرات واضحة على ترسب الحرارة في المحيط، من خلال تغيرات درجة الحرارة في الطبقة العليا  من المياه التي يصل عمقها إلى 2 كيلومتر، ومن خلال تمدد مياه المحيط نتيجة التسخين. وهذان المقياسان أقل تأثراً بالضوضاء من درجات حرارة اليابسة والغلاف الجوي." ^{[ 16 ]}

تمت مقارنة بيانات Argo و CERES التي جُمعت بين عامي 2005 و2019 كمقاييس مستقلة للتغير العالمي في اختلال توازن طاقة الأرض . أظهرت مجموعتا البيانات سلوكًا مشابهًا على مستوى الدقة السنوية، بالإضافة إلى مضاعفة الاتجاه الخطي في معدل تسخين الكوكب خلال تلك الفترة التي امتدت 14 عامًا. ^{[ 17 ]}

• التصوير المقطعي الصوتي للمحيطات
• طائرات شراعية تحت الماء
• نظام متكامل لرصد المحيطات

• بوابة أرجو
• مركز معلومات أرجو الدولي
• أرجو في معهد سكريبس لعلوم المحيطات ، سان دييغو
• جهاز قياس الموصلية والحرارة والعمق (CTD) من شركة Sea-Bird Scientific، طراز SBE 41CP Argo.
• خريطة تفاعلية في الوقت الفعلي
• ملف جوجل إيرث في الوقت الفعلي
• خادم بيانات كوريوليس جلوبال أرجو - نسخة طبق الأصل من الاتحاد الأوروبي
• خادم بيانات أرجو العالمي التابع لمركز عمليات البحرية الوطنية - نسخة الولايات المتحدة
• يقوم مشروع العوامات التابع لمختبر البيئة البحرية في المحيط الهادئ التابع للإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي بنشر العوامات كجزء من برنامج Argo، ويوفر البيانات عبر الإنترنت ، وهو نشط في معايرة الملوحة في الوضع المتأخر ومراقبة الجودة لعوامات Argo الأمريكية.
• عوامة Sea-Bird Scientific Navis BGCi
• تغيرات الأوضاع في خليج ألاسكا كما رصدتها سفينة أرغو
• حكومة كندا، وزارة مصايد الأسماك والمحيطات، مشروع أرجو
• رؤية جديدة للعالم: مقال استكشافات أرغو من معهد سكريبس لعلوم المحيطات
• JCOMMOPS
• أرجو على متن نوسا
• "عوامات أرجو: كيف نقيس المحيط؟" (فيلم رسوم متحركة للأطفال)