اولین شبیه ساز جو اقیانوس در جهان که در داخل یک ساختمان چوبی غاردار در سن دیگو، کالیفرنیا، در فاصله چند قدمی موج سواری اقیانوس آرام قرار دارد، جان گرفت. با تکان دادن یک سوئیچ و هجوم صداها، امواجی به ارتفاع یک متر در مخزنی به طول 120 فوت که به مجموعه‌ای از حسگرها، چراغ‌ها و رایانه‌ها متصل شده بود به جریان افتادند.
شبیه ساز تحقیقاتی اتمسفر اقیانوس اسکریپس یا SOARS از تعامل آب، آب و هوا، شوری، شیمی و موجودات دریایی میکروبی در سطح دریا در یک محیط آزمایشگاهی تقلید می کند. این بیوم مینیاتوری که توسط موسسه اقیانوس شناسی اسکریپس در دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو طراحی شده است، می تواند امواج قابل توجهی ایجاد کند، بادهایی با نیروی طوفان ایجاد کند، دمای هوا و آب را برای تکرار شرایط قطبی و گرمسیری کنترل کند و شکوفه های فیتوپلانکتون را با آرایه وسیعی ایجاد کند. از گونه ها علاوه بر این، SOARS به محققان اجازه می دهد تا متغیرهایی مانند گازهای گلخانه ای و سایر آلاینده های هوا را برای مطالعات در مورد سناریوهای آب و هوایی آینده آزمایش کنند.
به گفته تیم سازنده، شبیه ساز با پتانسیل تطبیق و بازتولید فیزیک، زیست شناسی و شیمی در سراسر هفت دریا و همچنین در طول زمان، به عنوان یک کاتالیزور برای اکتشافات بین رشته ای و مرتبط با اقیانوس عمل می کند. به طور خاص، این پتانسیل را دارد که درک ما را از تعاملات بین دریا و جو عمیق تر کند – لایه ای که نقش بزرگی در عملکردهای سیاره ایفا می کند.
آنچه در سطح آب اتفاق می افتد به همان اندازه مهم است که در زیر آن اتفاق می افتد.
آزمایشگاه هیدرولیک SIO، که محل نگهداری SOARS است، در سال 1964 دقیقاً برای این نوع دستگاه آزمایشی بزرگ ساخته شد. در طول دهه‌ها، انواع کانال‌ها و حوضه‌های موج، مخازن جریان و کانال‌های باد ساده‌تر را ذخیره کرده است. با قدیمی شدن تجهیزات و از کار افتادن آن، دانشگاه فضا را به ابزارهای پیشرفته تری مانند شبیه ساز جدید واگذار می کند.
دیل استوکس، اقیانوس شناس اسکریپس و محقق اصلی SOARS می گوید: «SOARS کاملاً منحصر به فرد و اولین در نوع خود است. کانال‌های موج یا تونل‌های باد دیگری در اطراف وجود دارد، اما هیچ چیز با کنترل کامل محیطی و پیچیدگی که SOARS دارد و همچنین توانایی آن برای تکرار سطح دریا در هر نقطه‌ای از این سیاره وجود ندارد.
این ماشین که تکمیل آن پنج سال به طول انجامید، عمدتاً با کمک مالی 2.8 میلیون دلاری از بنیاد ملی علوم تامین شد و توسط شرکت تولید تونل باد Aerolab ساخته شد. پل واسیلسکو، معاون Aerolab و مهندس اصلی SOARS، به ندرت تحت تأثیر یکی از اختراعات خود قرار گرفته است.
Vasilescu می‌گوید: «ما با یک لوح تمیز شروع کردیم و به طور کامل این را از ابتدا تا طراحی کلی توسعه دادیم. «بی شک هیجان انگیز است که بتوانیم با این دستگاه بیایم و واقعاً بتوانیم تحقیقاتی را انجام دهیم که [اسکریپس] بتواند از آن استفاده کند.»
مخزن آب شور 36000 گالن مستقیماً از یارو لا جولا سن دیگو پر شده است. دارای یک دست و پا زدن بزرگ است که امواج را به دستور تولید می کند، و با نورگیرهای قابل تنظیم و لامپ های روشن که برخورد نور طبیعی به سطح اقیانوس را شبیه سازی می کنند، روشن می شود.
وقتی صحبت از اکوسیستم های دریایی می شود، آنچه روی سطح آب اتفاق می افتد به همان اندازه مهم است که در زیر آن اتفاق می افتد. مطالعه مرز هوا و دریا، محل تلاقی جو و اقیانوس، انگیزه اصلی در ساخت شبیه ساز بود. به عنوان یکی از پویاترین محیط‌های شیمیایی و فیزیکی در جهان، مرز هوا و دریا برای زندگی در اقیانوس‌ها و هر جای دیگر ضروری است.
گرانت دین، اقیانوس‌شناس اسکریپس و محقق اصلی SOARS می‌گوید: «این یک مکان خاص است، رقصی پیچیده بین آب و هوا. از آنجایی که مرز هوا و دریا 71 درصد از زمین را پوشش می دهد، آنچه در آنجا اتفاق می افتد به سرنوشت این سیاره گره خورده است. تقریباً 90 درصد گرمای محبوس شده توسط گازهای گلخانه ای اضافی و یک سوم کل دی اکسید کربنی که در سراسر سیاره آزاد می شود از طریق مرز به اقیانوس می رود. تأثیر بسیار بسیار مهمی بر آب و هوا و آب و هوا دارد. ”
همانطور که آب و سایر ذرات از مرز هوا و دریا تبخیر می شوند، برای کنترل تشکیل ابر یا بخار متراکم می شوند. این آب سپس از طریق بارندگی به زمین بازمی گردد، گیاهان، میکروب ها، حیوانات و انسان ها را حفظ می کند.
پیش از این، زیست شناسان دریایی و سایر دانشمندان تحقیقات خود را در مورد مرز هوا و دریا در کشتی ها و رایانه های پیچیده انجام می دادند. اما مطالعه پویایی‌های شیمیایی و فیزیکی ظریف روی سطح آب در رحمت مادر طبیعت می‌تواند بسیار دشوار باشد – البته گران نیست. در حالی که تیم SOARS می گوید شبیه ساز قرار نیست جایگزینی برای اکتشافات اقیانوس پیما باشد، می تواند به عنوان پلی بین آزمایشگاه و عناصر وحشی عمل کند.
ردیف‌هایی از لامپ‌ها در بالای مخزن غول‌پیکر آب شور در موسسه اقیانوس‌شناسی اسکریپس
لامپ های فوتون نور طبیعی را روی سطح مخزن آب شور ساطع می کنند. نور یکی از بسیاری از متغیرهای تجربی موجود در SOARS است. اوری شلویر نون
تیموتی برترام، شیمیدان اتمسفر در دانشگاه ویسکانسین، یکی از دانشمندان بسیاری است که مشتاق هستند هم SOARS را در عمل ببینند و هم در تحقیقات آتی آن در مورد مرز دریا-هوا مشارکت داشته باشند.
برترام می‌گوید: «مرزهای محیطی از جذاب‌ترین مناطق برای تحقیق هستند، زیرا جرم و انرژی بین بخش‌های سیستم زمین رد و بدل می‌شود. با این حال، مطالعه فرآیندها در این رابط‌ها بسیار سخت است که به روشی سیستماتیک و کنترل شده انجام شود. SOARS به تعداد زیادی از زمینه ها علاقه ایجاد می کند و اجازه مطالعات بین رشته ای را می دهد که اغلب به سختی سازماندهی می شوند.
یکی از بزرگ‌ترین فرصت‌هایی که شبیه‌ساز ارائه می‌دهد، غواصی عمیق درباره آنچه در قطب‌ها اتفاق می‌افتد است. در مناطق قطبی، مرز هوا و دریا شامل صفحات یخی است که هم به پایداری اقیانوسی و هم به پایداری جوی وابسته است. با تنظیمات منجمدتر SOARS، محققان قادر خواهند بود تعاملات بین ذوب شدن یخ و افزایش سطح دریا و همچنین انتقال میکروارگانیسم ها از آب به هوا را مطالعه کنند. گروه های علاقه مند به مطالعه اقیانوس قطب جنوب نیز می توانند دستگاه را به حالت قطبی تغییر دهند و دمای آب شور را به 34 درجه فارنهایت و دمای باد را به -2 درجه فارنهایت کاهش دهند.
استوکس می‌گوید: «ما می‌توانیم دستگیره‌ها را بچرخانیم و مانند ماشین زمان از آن استفاده کنیم. ما می‌توانیم شرایطی را که در گذشته نزدیک داشتیم شبیه‌سازی کنیم یا مثلاً می‌توانیم سطح CO2 را محاسبه کنیم و ببینیم در آینده چه اتفاقی برای این میکروارگانیسم‌ها خواهد افتاد.»
با فراهم کردن دسترسی به شبیه ساز برای شیمیدانان، زیست شناسان، اقیانوس شناسان و غیره، اسکریپس امیدوار است که SOARS نه تنها به عنوان یک مرکز تحقیقاتی ابتکاری، بلکه به عنوان یک دیگ ذوب الهام بخش برای آینده علم عمل کند.
ظرف چند هفته آینده، دین، استوکس و واسیلسکو با محققان و آزمایشگاه‌های خارجی برای پیکربندی دستگاه برای طیف متنوعی از آزمایش‌ها کار خواهند کرد. این شبیه ساز در حال حاضر برنامه ریزی شده است که به ارتقای انرژی باد برای تقلید بهتر از طوفان ها و طوفان های استوایی دست یابد. این می تواند منجر به بهبود کدهای ساختمانی برای سازه ها در دنیای واقعی شود تا به آنها کمک کند تا در برابر رویدادهای آب و هوایی شدید که در طول زمان شایع تر می شوند، مقاومت کنند.
دین می گوید: «در حالی که هیچ چیز دیگری مانند SOARS در این سیاره وجود ندارد، ما واقعا امیدواریم که کشورهای دیگر بخواهند یکی از خود را بسازند. اقیانوس یک سیستم بسیار پیچیده است و اهمیتی ندارد که ما خود را به این بخش‌ها یا میدان‌های مختلف تقسیم کنیم. ما می‌توانیم کارهای زیادی با [شبیه‌سازمان] انجام دهیم، اما اگر این تلاش بازتولید و مشارکت شود، می‌توانیم کارهای بیشتری انجام دهیم.»
