ΕΛΕΥΘΕΡΑ ΠΑΡΑΣΥΡΟΜΕΝΟΙ ΠΛΩΤΗΡΕΣ (DRIFTERS) ΧΑΜΗΛΟΥ ΚΟΣΤΟΥΣ ΓΙΑ ΠΑΡΑΚΤΙΑ ΧΡΗΣΗ

Transcript

1 ΕΛΕΥΘΕΡΑ ΠΑΡΑΣΥΡΟΜΕΝΟΙ ΠΛΩΤΗΡΕΣ (DRIFTERS) ΧΑΜΗΛΟΥ ΚΟΣΤΟΥΣ ΓΙΑ ΠΑΡΑΚΤΙΑ ΧΡΗΣΗ Ζερβάκης Β. 1, Καλαμπόκης Α. 1, Κακαγιάννης Γ. 1, Γεωργακαράκος Σ. 1, Σαριδάκης Ι. 2 1 Τμήμα Επιστημών της Θάλασσας, Πανεπιστήμιο Αιγαίου, zervakis@marine.aegean.gr 2 Μηχανολογικές μελέτες, κατασκευές και εφαρμογές αυτοματισμού, isaridakis@gmail.com Περίληψη Ερευνητικές και εκπαιδευτικές ανάγκες του Τμήματος Επιστημών της Θάλασσας, υπαγόρευσαν την προμήθεια επαναχρησιμοποιήσιμων ελεύθερα παρασυρόμενων επιφανειακών πλωτήρων (drifters) χαμηλού κόστους. Καθώς στη διεθνή αγορά δεν βρέθηκαν πλωτήρες με τις παραπάνω προδιαγραφές, νέου τύπου πλωτήρες σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν ειδικά για τις ανάγκες του τμήματος. Οι πλωτήρες αυτοί προσφέρουν χαμηλή τιμή κτήσης και λειτουργίας, μεγάλη ευελιξία σχεδιασμού και προετοιμασίας αποστολής αλλά και πληθώρα εναλλακτικών λύσεων αμφίδρομης επικοινωνίας. Αυτόνομες συσκευές αποτελούν τη βάση της ηλεκτρονικής συνιστώσας του συστήματος. Ο καθορισμός του στίγματος γίνεται με τη χρήση GPS, η δε επικοινωνία μέσω κινητής τηλεφωνίας, και συγκεκριμένα μέσω της ανταλλαγής μηνυμάτων SMS. Για τη λειτουργία του συστήματος δεν απαιτείται ιδιαίτερο λογισμικό, και η επικοινωνία μπορεί να γίνει και από κοινό κινητό τηλέφωνο. Έχει δημιουργηθεί όμως και παρέχεται φιλικό στο χρήστη λογισμικό απεικόνισης των πορειών των drifters σε χάρτη, συνεργαζόμενο με GSM modem και υπολογιστή για παρακολούθηση των οργάνων σε πραγματικό χρόνο. Λέξεις κλειδιά: επιφανειακοί πλωτήρες, drifters, ΤΗΛΕΦΟΣ, μετρήσεις τύπου Lagrange. LOW-COST DRIFTERS FOR COASTAL USE. Zervakis V. 1, Kalampokis A. 1, Kakagiannis G. 1, Georgakarakos S. 1, Saridakis J. 2 1 Department of Marine Sciences, University of the Aegean, zervakis@marine.aegean.gr 2 Engineering studies, constructions and automation applications, isaridakis@gmail.com Abstract The need for low-cost, reusable surface drifters emerged in order to meet the research and educational demands of the Department of Marine Sciences of the University of the Aegean. As no instruments meeting the above requirements were found in the international market, a new type of drifters was designed and produced specially for the department s needs. These drifters offer low-cost of purchase and operation and a great flexibility regarding mission design and preparation, as well as a multitude of alternative two-way communication solutions. Autonomous devices comprise the basis of the system s electronics. Positioning takes place through GPS, while communication is achieved through cellular telephony, and specifically through the exchange of SMS messages. No special software is required for the operation of the system, and communication can take place through a regular cellular phone. However, a user-friendly software of drifter-track mapping has been developed, which cooperates with a GSM modem and a PC for tracking the drifters in real-time. Keywords: surface drifters, TELEPHOS, Lagrangian measurements. 1. Εισαγωγή Οι Λαγκρανζιανές μέθοδοι καταγραφής της θαλάσσιας κυκλοφορίας, απλούστατες στη σύλληψή τους, χρησιμοποιήθηκαν από την γέννηση της επιστήμης της Ωκεανογραφίας. Οι αρχικές δυνατότητες καταγραφής μόνο επιφανειακών ρευμάτων, και καθορισμού του στίγματος με οπτικό τριγωνισμό, συμπληρώθηκαν γρήγορα με ακουστικές μεθόδους (Swallow, 1955; Rossby et al., 1986), και αργότερα με χρήση του δορυφορικού συστήματος ARGOS (Leger, 1991). Όταν η διάδοση της χρήσης των GPS επέτρεψε τη σημαντική μείωση του σφάλματος στον καθορισμό του στίγματος, το σύστημα ARGOS συνέχισε να χρησιμοποιείται για την αποστολή των μετρήσεων, και είναι σήμερα η πλέον διαδεδομένη μέθοδος επικοινωνίας με επιφανειακούς ελεύθερα παρασυρόμενους πλωτήρες (drifters)

2 9 th Symposium on Oceanography & Fisheries, Proceedings, Volume Ι Το πρόγραμμα WOCE έθεσε τις προδιαγραφές για τέτοιου τύπου πλωτήρες προορισμένους για χρήση στην ανοιχτής θάλασσα (Niiler et al., 1991). Οι συγκεκριμένοι πλωτήρες αποτελούνται από ένα σφαιρικό επιφανειακό πλωτήρα που περιέχει τα ηλεκτρονικά και παρέχει την άνωση, και ένα υποεπιφανειακό υδραετό κυλινδρικού σχήματος που ποντίζεται στο επιθυμητό βάθος μέτρησης ρευμάτων. Παράλληλα, σε παράκτιες περιοχές, και για μέτρηση επιφανειακών ρευμάτων, χρησιμοποιείται ο πλωτήρας τύπου Davis, αποτελούμενος από υδραετό του οποίου τα ορθογώνια ιστία σχηματίζουν σταυρό, στις επιφανειακές αντένες του οποίου αναρτώνται μικροί πλωτήρες που εξασφαλίζουν την παρακολούθηση της επιφάνειας του νερού από τον πλωτήρα. Συνήθως, ο πλωτήρας τύπου Davis είναι εφοδιασμένος με σύστημα GPS για τον καθορισμό του στίγματος και ραδιοφωνικό σύστημα για την επικοινωνία. Στην παρούσα εργασία περιγράφουμε ελεύθερα παρασυρόμενους πλωτήρες για μέτρηση επιφανειακών και υποεπιφανειακών ρευμάτων, εφοδιασμένους με συνδυασμένη συσκευή GPS/GSM για χρήση σε περιοχές που καλύπτονται από σήμα κινητής τηλεφωνίας. Οι προδιαγραφές των παραπάνω πλωτήρων σχεδιάστηκαν από το Τμήμα Επιστημών της Θάλασσας, το οποίο και τους χρησιμοποίησε σε μεγάλο αριθμό μετρήσεων σε παράκτιες περιοχές και στην ανοιχτή θάλασσα. Η εμπλοκή μας με το σχεδιασμό και την κατασκευή ελεύθερα παρασυρόμενων πλωτήρων για παράκτια χρήση αρχίζει στις αρχές της δεκαετίας του 2000, όταν επιτεύχθηκε η κάλυψη του μεγαλύτερου μέρους του Αιγαίου από σήμα κινητής τηλεφωνίας. Τότε έγινε σαφές ότι η χρήση ενός drifter εφοδιασμένου με GPS για τον εντοπισμό του στίγματος και τηλεφωνική συσκευή GSM για την επικοινωνία με ένα σταθμό βάσης θα προσέφερε σημαντικά πλεονεκτήματα για χρήση στο Αιγαίο, σε σύγκριση με έναν drifter προδιαγραφών WOCE. Από την παρατήρηση αυτή προέκυψε ο πλωτήρας ΤΗΛΕΦΟΣ, προϊόν της συνεργασίας του ΕΛ.ΚΕ.Θ.Ε. και της εταιρείας ΜΑΡΑΚ Ηλεκτρονική στα πλαίσια ερευνητικού προγράμματος χρηματοδοτούμενου από τη Γ.Γ.Ε.Τ. (Zervakis et al., 2005). Όταν μετά μερικά χρόνια το Τμήμα Επιστημών της Θάλασσας (Τ.Ε.Θ.) του Πανεπιστημίου Αιγαίου αναζήτησε πλωτήρες με προδιαγραφές παρόμοιες του ΤΗΛΕΦΟΣ για ερευνητική και εκπαιδευτική χρήση σε παράκτιες περιοχές, δεν μπόρεσε να βρει τέτοιους πλωτήρες παρά την ενδελεχή έρευνα στην ελληνική και παγκόσμια αγορά. Η εταιρεία MARAC Ηλεκτρονική είχε αποφασίσει να μην προβεί στην παραγωγή και διάθεση του ΤΗΛΕΦΟΣ στην αγορά, η δε μόνη άλλη εταιρεία με παρόμοιων προδιαγραφών πλωτήρες ήταν η αμερικανική Brightwaters Instruments Corporation, με κόστος όμως ανά πλωτήρα που υπερέβαινε τις δυνατότητες του Τ.Ε.Θ.. Μετά τα απογοητευτικά αποτελέσματα της έρευνας στη διεθνή αγορά, προχωρήσαμε στο σχεδιασμό, ανάπτυξη δύο πρωτότυπων, και προμήθεια 12 πλωτήρων από την ελληνική εταιρεία Γιώργος Μεσσαρίτης. 2. Υλικά και Μέθοδοι 2.1 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΝΕΩΝ ΠΛΩΤΗΡΩΝ Στο σχεδιασμό των νέων πλωτήρων του Τ.Ε.Θ. διατηρήθηκε η ίδια φιλοσοφία με τους πλωτήρες ΤΗΛΕΦΟΣ, δηλαδή η χρήση κινητής τηλεφωνίας για επικοινωνία, η δυνατότητα εναλλακτικής χρήσης τους και ως επιφανειακών πλωτήρων (τύπου Davis, δηλαδή με τον υδραετό να «περικλείει» το σώμα του πλωτήρα), και ως υπο-επιφανειακών (με διαχωρισμένο τον επιφανειακό πλωτήρα από τον υδραετό) (Εικ. 1)

3 Εικ. 1: Σχέδιο των νέων πλωτήρων σε διαμόρφωση μέτρησης επιφανειακών ρευμάτων (τύπου Davis-CODE, αριστερά) και υπο-επιφανειακών ρευμάτων (δεξιά). Σύστημα κινητού τηλεφώνου εφοδιασμένου με GPS, διαθέσιμου σε μη εξειδικευμένα καταστήματα ηλεκτρονικών ειδών, αποτελεί τη βάση του συστήματος εντοπισμού και επικοινωνίας των drifters. Το σύστημα έχει τη δυνατότητα πλήρους αμφίδρομου επικοινωνίας μέσω μηνυμάτων SMS. Υπάρχει η δυνατότητα προγραμματισμού του συστήματος ώστε να στέλνει αυτόματα αναφορές της θέσης του σε τακτά χρονικά διαστήματα, π.χ. ανά λεπτά. Ο ηλεκτρονικός αυτός πομποδέκτης τοποθετείται σε μικρού μεγέθους αδιάβροχη θήκη στην κορυφή του πλωτήρα, ώστε να εξασφαλίζεται η λήψη των δορυφορικών σημάτων για το GPS και των τηλεφωνικών σημάτων για το GSM πομποδέκτη. Καθώς το διαθέσιμο σύστημα έχει τη δυνατότητα αποστολής μόνο 12 μηνυμάτων χωρίς αλλαγή της μπαταρίας ή εξωτερική παροχή, η πρώτη μας παρέμβαση ήταν η τροφοδότηση του συστήματος από εξωτερικούς συσσωρευτές, τοποθετημένους σε αδιάβροχη θήκη στο κάτω άκρο των πλωτήρων, εξασφαλίζοντας έτσι λειτουργία τουλάχιστον μιας εβδομάδας με ωριαία αναφορά στίγματος. Τέσσερα κυλινδρικά στοιχεία κατασκευασμένα από αδιάβροχο αφρώδες εξηλασμένο πολυστυρένιο, τοποθετούνται είτε διαδοχικά γύρω από τον κορμό του πλωτήρα στην υπο-επιφανειακή διαμόρφωση είτε στις τέσσερεις πάνω άκρες του υδραετού στην επιφανειακή διαμόρφωση τύπου Davis CODE (Εικ.1) ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ Παρά το γεγονός ότι η ανταλλαγή μηνυμάτων μέσω κινητού τηλεφώνου εξασφαλίζει εξαιρετική ευελιξία και εναλλακτικές λύσεις στην επικοινωνία με τους πλωτήρες, και επίσης ότι το λογισμικό που συνοδεύει τους κωδικοποιητές / αποκωδικοποιητές σήματος GSM που κυκλοφορούν στην αγορά επιτρέπει την καταγραφή και αρχειοθέτηση των μηνυμάτων που αποτελούν την επικοινωνία με τους drifters, οι drifters συνοδεύονται από φιλικό προς το χρήστη λογισμικό για χρήση από ηλεκτρονικό υπολογιστή σε συνδυασμό με τις παραπάνω συσκευές. Το συγκεκριμένο λογισμικό συνεργάζεται με το λογισμικό των συσκευών GSM για ανταλλαγή μηνυμάτων SMS μέσω ηλεκτρονικού υπολογιστή, ανιχνεύει πόσοι drifters συμμετέχουν στο πείραμα, διαχωρίζει τις διαδοχικές -335-

4 9 th Symposium on Oceanography & Fisheries, Proceedings, Volume Ι θέσεις του κάθε οργάνου σε διαφορετικά αρχεία κειμένου, και (εφ όσον υπάρχει πρόσβαση στο διαδίκτυο) προβάλλει τις διαδοχικές θέσεις του κάθε οργάνου σε χάρτη του Google-maps TM (εικ. 2). Στην περίπτωση που ο Η/Υ δεν είναι συνδεδεμένος με το διαδίκτυο, για την απεικόνιση των θέσεων των πλωτήρων γίνεται χρήση του ρουτινών του συστήματος GMT. Εικ. 2: Δείγμα οθόνης από το συνοδευτικό λογισμικό των drifters, από πείραμα που έλαβε χώρα στις 10 και 11 Οκτωβρίου στα Νοτιοδυτικά της Λήμνου στα πλαίσια του προγράμματος SESAME. Η σε πραγματικό χρόνο απεικόνιση των θέσεων και πορειών των drifters επιτρέπει καλύτερη αξιολόγηση της κατάστασης στο πεδίο και δίνει τη δυνατότητα τεκμηριωμένων αναθεωρήσεων των αρχικών σχεδίων δειγματοληψίας. 3. Αποτελέσματα Στα πλαίσια δύο ερευνητικών προγραμμάτων, το Τμήμα Επιστημών της Θάλασσας απέκτησε ένα στολίσκο 12, με κόστος πολύ χαμηλότερο από ό,τι κυκλοφορεί στην παγκόσμια αγορά, και πολύ μεγάλη ευελιξία χρήσης. Οι πλωτήρες χρησιμοποιήθηκαν σε σειρά πειραμάτων στην παράκτια περιοχή της Λέσβου στα πλαίσια ερευνητικών και εκπαιδευτικών δραστηριοτήτων. Επίσης, έγινε χρήση τους στην παράκτια περιοχή της Λεμεσσού. Εκτός όμως από παράκτιες εφαρμογές, οι πλωτήρες χρησιμοποιήθηκαν και στην ανοιχτή θάλασσα του Αιγαίου, το μεγαλύτερο μέρος της επιφάνειας του οποίου καλύπτεται από σήμα κινητής τηλεφωνίας. Συγκεκριμένα, στα πλαίσια του ερευνητικού έργου SESAME, έγιναν δύο Λαγκρανζιανά πειράματα εντός του ριπιδίου των υδάτων της Μαύρης Θάλασσας στη θαλάσσια περιοχή της Λήμνου. Παρά το γεγονός ότι, ιδιαίτερα στο πρώτο πείραμα, τον Απρίλιο του 2008, οι drifters κατευθύνθηκαν στην ανοιχτή θάλασσα, η παρακολούθησή τους από το Ω/Κ Αιγαίο συνεχίστηκε σχεδόν αδιάλειπτα. Σε σύγκριση με τους πλωτήρες τύπου ΤΗΛΕΦΟΣ (Zervakis et al., 2000), οι συγκεκριμένοι drifters επέδειξαν πολύ μεγαλύτερη αξιοπιστία, ιδιαίτερα όσον αφορά την επικοινωνία. Θα πρέπει βέβαια εδώ να σημειωθεί ότι ενώ τα ηλεκτρονικά των πλωτήρων ΤΗΛΕΦΟΣ ήταν εργαστηριακά πρωτότυπα, αυτά των νέων πλωτήρων είναι εργοστασιακά προϊόντα. Επίσης οι νέοι πλωτήρες έχουν ένα σημαντικό μειονέκτημα έναντι των ΤΗΛΕΦΟΣ, τη αδυναμία εσωτερικής καταγραφής των μετρήσεων του GPS και μαζικής αποστολής των δεδομένων, σε περίπτωση λειτουργίας σε -336-

5 περιοχή χωρίς σήμα GSM. Η χρήση των οργάνων αυτών δεν περιορίστηκε στην καταγραφή της θαλάσσιας κυκλοφορίας. Στα πλαίσια του προγράμματος SESAME στο Βόρειο Αιγαίο, τέτοιοι πλωτήρες αποτέλεσαν συνιστώσες δύο πιο σύνθετων πειραματικών διατάξεων των οποίων η θέση έπρεπε να παρακολουθείται συνέχεια, καθώς τα πειράματα έγιναν Λαγκρανζιανά. Η πρώτη διάταξη ήταν μια ελεύθερα παρασυρόμενη ιζηματοπαγίδα, στην οποία προστέθηκε πλωτήρας και υδραετός, ώστε να παρασύρεται όσο το δυνατόν καλύτερα από το επιφανειακό μεικτό στρώμα. Η δεύτερη διάταξη, όπου δεν έγινε χρήση υδραετού, ήταν μια συστοιχία φιαλών με καλλιέργειες φυτοπλαγκτού, για την μέτρηση της πρωτογενούς παραγωγής βιομάζας στην περιοχή. Και στις δύο παραπάνω εφαρμογές, όπως και στην κανονική τους χρήση, οι πλωτήρες αποδείχθηκαν πολύ αξιόπιστοι και πρακτικοί. 4. Συμπεράσματα - Συζήτηση H εμπειρία μας με τους νέους drifters είναι πολύ θετική όσον αφορά την αξιοπιστία, την ευελιξία (ιδιαίτερα στην επικοινωνία) και την ποιότητα των μετρήσεων. Όσον αφορά την ευκολία πόντισης, τα όργανα απαιτούν τουλάχιστον δύο άτομα και προετοιμασία πριν την πόντιση. Για μικρής διάρκειας πειράματα όπου η μεθοδολογία κατά Lagrange είναι απλώς μια εναλλακτική λύση, η χρήση τέτοιων πλωτήρων δεν είναι απαραίτητα η πλέον πρακτική, σε σχέση με τη χρήση π.χ. ακουστικών ρευματογράφων Doppler. Αντίθετα, σε πειράματα μεθοδολογίας Lagrange, όπως π.χ. η διασπορά ρύπων ή η εξέλιξη οικοσυστημάτων, τα όργανα αυτά αποτελούν μια πολύ πρακτική λύση. Οπωσδήποτε, η εμπειρία μας έδειξε ότι πλωτήρες με τηλεπικοινωνιακό σύστημα κινητής τηλεφωνίας είναι προτιμότερο να χρησιμοποιούν ανταλλαγή μηνυμάτων SMS παρά σύνδεση δεδομένων για την ανταλλαγή των πληροφοριών και την αμφίδρομη επικοινωνία τους. Επιπλέον, θα πρέπει να κινηθούμε προς την εξεύρεση λύσης στο θέμα της εσωτερικής καταγραφής των θέσεων των πλωτήρων, ώστε να μην υπάρχει πρόβλημα σε περιοχές χωρίς σήμα GSM. Τέλος, στο μέλλον θα εξετάσουμε τη δυνατότητα χρήσης δορυφορικού τηλεφώνου, για την ανταλλαγή SMS μηνυμάτων, ώστε να εξελιχθεί κάποιος πλωτήρας ανοιχτής θάλασσας. 5. Ευχαριστίες Η προμήθεια των νέων drifters από το τμήμα έγινε μέσω των ερευνητικών έργων: (α) «Σύστημα Εκτίμησης Περιβαλλοντικών Επιπτώσεων από τις Ιχθυοκαλλιέργειες (AQUA-PLANNER)», χρηματοδοτούμενο από το μέτρο 3.2 του προγράμματος INTERREG III Α Ελλάδα-Κύπρος , και (β) «Εκτίμηση μεταναστευτικού πρότυπου μεσαίων και μεγάλων πελαγικών ειδών στο Αιγαίο με βάση την κατανομή της αλιευτικής προσπάθειας και περιβαλλοντικών παραμέτρων που το επηρεάζουν, με τη βοήθεια δορυφορικών εικόνων (FISHSAT)», χρηματοδοτούμενου από το μέτρο 4.6 του Επιχειρησιακού Προγράμματος Αλιείας. 6. Βιβλιογραφικές Αναφορές Davis, R. E., An inexpensive drifter for surface currents. p In: Proceedings of the IEEE Second Working Conf. On Current Measurement, M. Dursi & W.E. Woodward (Eds), (82), Hilton Head, U.S.A.: Jan , Leger, G. T., Surface-tracked Lagrangian Drifters. Sea Technology, 32 (8): Niiler, P. P., Paduan, J. D., Sybrandy, A. L. & Sombardier, L., The WOCE/TOGA Lagrangian surface drifter. Oceans Conference Record (IEEE), 2: Rossby, T., Dorson D. & Fontain, J., The RAFOS System. Journal of Atmospheric and Oceanic Technlogy, 3, Swallow, J.C., A neutral buoyancy float for measuring deep currents. Deep Sea Research, 3 (1): Zervakis, V., Ktistakis M. Georgopoulos, D., TELEFOS: A new design for coastal drifters. Sea Technology, 46 (2): pp