Artikel top billede

(Foto: Computerworld)

I nærkontakt med de farlige isbjerge

Det er ikke nemt at studere isbjerge. De smelter, flytter sig, ændrer form og er dødsensfarlige. Danske forskere arbejder nu med en ny måde at 3D-scanne isbjerge ved hjælp af en specialudviklet fjernstyret mini-ubåd. Datatid TechLifes Caspar Haarløv var med på en ekspedition i Grønland.

Af Caspar Haarløv, Alt om Data

Denne artikel er oprindeligt bragt på Alt om Data. Computerworld overtog i november 2022 Alt om Data. Du kan læse mere om overtagelsen her.

Isbjergene er mildt sagt ikke svære at få øje på. Ilulissat i Vestgrønland ligger tæt på den største isfjord i verden, den Unesco-beskyttede Ilulissat Isfjord. Hver eneste dag sendes her i gennemsnit 70 millioner ton is ud i havet. Og isbjergene dominerer havet totalt. De påvirker strømforholdene og dyrelivet. Al havtrafik må tage hensyn til dem.

Men som bekendt stikker kun en tiendedel op over overfladen – resten er gemt under vandet. Det udgør ikke bare en lumsk fare for sejladsen. Det udgør også en kæmpe udfordring for vores viden om isbjerge: Hvor hurtigt de smelter, i hvilken retning de flyder, og hvordan de påvirker havene.

Man kan ikke studere noget, som man ikke har data på. Så hvad gør man, når man forsker i isbjerge?

Claus Melvad, som er ingeniørdocent ved Ingeniørhøjskolen Århus Universitet og arbejdspakkeleder ved Arktisk Resarch Center slog sig sammen med en af Danmarks førende eksperter i isbjerge, Daniel F. Carlson. De ville undersøge, om man kunne konstruere en undervandsrobot med det formål at scanne isbjerge under vandet og på den måde lære mere om, hvordan isbjergene egentlig ser ud.

Specialudviklet ubåd

Tre maskiningeniør-studerende fik til opgave at konstruere den såkaldte ROV med særlig henblik på at kunne 3D-scanne isbjerge. Og det, der startede som et bachelor-projekt, er nu blevet til rigtig forskning. Den originale ROV er blevet brugt på to ekspeditioner. Den seneste fandt sted i august i år i ishavet uden for Ilulissat på Grønlands vestkyst. Forfatteren til denne artikel var så heldig at kunne drage med på dette forsker-eventyr.

Bag betegnelsen – eller forkortelsen – ROV gemmer sig ordene Remotely Operated Vehicle. Der er med andre ord tale om en specialudviklet, fjernstyret mini-ubåd. Den er blot cirka en meter lang og konstrueret som en gennemsigtig raket med hvide lodrette vinger på siden. Øverst sidder en kugle, der ligner robottens hoved, men som i virkeligheden blot er sat på senere for at kunne holde et 360-graders kamera.

Den fjernstyrede mini-ubåd er en såkaldt tethered ROV – hvilket betegner, at den styres via et kabel, der både sender data fra robotten til kontrolstationen og power og kontrolsignaler den anden vej.

Hjernen i ROV’en er en roboRIO Advanced Robotics Controller fra National Instruments, en avanceret mikro-controller. Claus Melvad forklarer om controlleren, at ”den adskiller sig fra for eksempel en Arduino (en open source udviklingsplatform, red.) blandt andet ved at have et Field Programmable Gate Array (FPGA), så den kode, man laver, bliver dannet i hardwaren. Det er elektronik, du kan programmere med software. Det tager ret lang tid at lægge et program ind i den. Til gengæld kan den bagefter køre helt utroligt hurtig – meget hurtigere end klassiske computere.”

Mikro-controlleren er bindeleddet mellem en Xbox-controller (ja, hvorfor ikke?), som betjenes af en af de studerende, og ROV’ens thrustere, som er otte små propeller, der drives af elektriske motorer, og som styrer hastighed og retning.

Det kolde vand køler elektronikken

Komponenter, der har tendens til at blive varme, er placeret tættest på vandet. To af de studerende, Robert og Johan, inspicerer ROV’en under natoptagelser ved Grønlands vestkyst.

Facebook-Cambridge Analytica dataskandalen er navnet på en skandale, der omhandlede en politikerbestilt indsamling af langt over 87 mio. identificerbare persondata. Affæren begyndte i 2012 med, at den unge post-doc psykolog Aleksandr Kogan ansat som lektor ved universitetet i Cambridge, udviklede en umiddelbart uskyldig app kaldet ”This Is Your Digital Life”, som han bl.a. demonstrerede for Cambridge Analytica.

Visse politikere indså hurtigt nytteomfanget af denne app og bestilte i 2014 en undersøgelse, hvor adskillige hundredetusind Facebook-brugere deltog under løfte om, at alle oplysninger alene var til brug for et afgrænset videnskabeligt og akademisk projekt. Problemet var bare, at den måde Facebook er opbygget på, ikke blot tillod appen at indsamle personlige profiloplysninger fra de brugere, der var indforstået (inkl. tidslinje, venner osv), men også fra hele deres netværk i øvrigt.

På den måde nåede antallet af personer, der mere eller mindre frivilligt kom til at afgive personlige oplysninger, op på millioner. En del af deltagerne gav desuden appen lov til - udover at indsamle hvilke opslag, de havde liked, deres fødselsdag, nuværende bopælsby og fysiske position - at tilgå News feed, timeline og messenger-meddelelser. Og disse oplysninger gav fuldt tilstrækkeligt grundlag til, at Cambridge Analytica kunne udarbejde psykografiske profiler af deltagerne, der gav mulighed for at opstille en skabelon for hvilken form for markedsføring, der mest sandsynligt ville påvirke deltagerne til at tage en given politisk retning.

De indhentede data er angiveligt blevet brugt i forbindelse med kampagner, der involverede såvel de daværende præsident-kandidater Ted Cruz og Donald Trump som den britiske Brexit-kampagne. Affæren affødte naturligvis enorm folkelig protest, hvilket igen førte til en ophedet offentlig diskussion om politikeres og rådgiveres moral og etik. Cambridge Analytica lukkede sig selv i maj 2018.

Film til virtual reality

Det øverste 360-graders kamera kan udføre nogle hidtidig usete optagelser, som kan ses med virtual reality-briller. Men de vigtigste kameraer sidder forrest på maskinen. Det ene er et fiskeøje-kamera med en synsvinkel på 176 grader. Det signal bruges til at styre med.
”Vi er nødt til hele tiden at kunne se, hvad der sker ved siden af,” forklarer Claus Melvad.

”Isbjerge har ikke altid en flad overflade. Der kan være is, der strækker sig ud og som man ikke ville kunne se med en normal linse. Vi vil gerne undgå at brage ind i isbjerget.”

Det andet kamera foran på ROV’en tager billeder af høj opløsning, som bruges til den egentlige scanning. Scanningen foregår ved, at ROV’en styres i lodrette bevægelser op og ned langs isbjerget, mens man møjsommeligt tager det ene billede efter det andet, indtil man efter nogle timer er nået hele vejen rundt.

Det er ikke den hurtigste metode, men til gengæld opnår man en hidtil uset detaljeringsgrad. Resultatet er titusinder af delvist overlappende billeder, som derefter sammensættes til store billeder ved hjælp af såkaldt photo-stitching.

Photo-stitching er en teknik, hvor computeren bruger de overlappende dele af billederne til at sammensætte et stort 3D-billede ud fra mange små billeder. Det kræver stor computerkraft, og forskerteamet booker derfor tid på en supercomputer for at løse opgaven.

”For at kunne scanne isbjerget ordentligt, skal man så tæt på, at man får et skarpt billede. Det skal vi, fordi vi vil undgå, at softwaren glatter overfladen ud. Tidligere har man multibeam-scannet langt væk fra og fået et meget groft billede. Nu har vi 100 til 1000 gange flere detaljer. Det betyder, at vores isbjergsscanning har flere millioner polygoner. Tidligere havde man f.eks. 100. Det er vigtigt, fordi det netop er overfladens kvalitet, som er afgørende: En flad overflade smelter ikke lige så hurtigt, som en ru overflade,” siger Claus Melvad.

Som bekendt stikker kun en tiendedel af et isbjerg op over havet. Af sikkerhedshensyn blev kun små isbjerge scannet.

Revner og golfbolde-mønster

Kameraet afslører, at isbjergene langt fra ligner store isterninger med en ensartet, glat overflade. Overfladerne har mange komplekse former. Et mønster, der ofte ses, er små fordybninger ved siden af hinanden, der minder om overfladen på en golfbold, men med fordybninger på størrelse med tennisbolde.

En anden karakteristisk form er lange revner, der til sammen minder om en radiator. Revnerne opstår formentlig, fordi luftbobler glider langs isbjergets væg mod overfladen og med tiden danner lange fordybninger.

At luftboblerne overhovedet findes, skyldes, at isen oprindelig er dannet som indlandsis. Indlandsis er sammenpresset sne og i modsætning til almindelig frossent vand fyld med ilt. Det er derfor, at man kan opleve, at en isterning, som er hugget ud af indlandsisen, knirker og sprutter i glasset – det er de bittesmå luftbobler, der presser sig ud. Isbjergene er på samme måde fyldt med luft, hvilket selvsagt har stor indflydelse på, hvordan de smelter, og hvordan de ligger i vandet. Det skal den detaljerede 3D-scanning blandt andet være med til at gøre forskerne klogere på.

Riller, buler og huller i isen giver afgørende viden for eksempelvis skibsfarten. Aldrig er de blevet scannet så præcist som på denne ekspedition.

Alle detaljer er vigtige

Claus Melvad forklarer, at forbedrede 3D-modeller kan tjene mange formål. For eksempel smelter en overflade med form som en radiator langt hurtigere end en glat overflade. Desuden afgiver isbjergene en masse ferskvand.

”Nu skal vi køre nogle CFD-simuleringer og finde ud af, hvilken indflydelse de her data har på helhedsbilledet.”

CFD står for Computa-tional Fluid Dynamics, som er en gren af væskemekanik, der bruger numerisk analyse og datastrukturer til at løse og analysere problemer, som involverer interaktionen mellem væsker og gasser og hårde overflader. Eller sagt på en anden måde: Det er en måde, hvorpå man kan beregne, hvordan en væske (som vand) eller en gasart (som luft) strømmer rundt om en genstand som et skib, en flyvemaskine eller et isbjerg.

3D-scanningerne er taget på små isbjerge. De helt store isbjerge kræver en sikkerhedsafstand på op til to kilometer, og dermed er scanningen med denne teknik ikke mulig. Men simuleringerne kan bruges til at foretage de samme beregninger på de enorme ismassiver.

”Vi skal lave sammenligninger med smeltemodeller på de gamle flademodeller i forhold til de nye. Og så kan vi bruge simuleringer til at skalere op. Ved hjælp af de små, kan vi sige noget om de store. Alle detaljer er vigtige,” understreger Claus Melvad.

En bedre forståelse af hvirvelstrømmene omkring isbjerge kan være relevant til at beregne sikkerhedsafstande til skibe. Det er nemlig ikke kun isbjerget, der er farligt, men også de hvirvler, der dannes omkring isbjerget.

”Det smarte ved det her er, at det vi laver, kan bruges til en masse forskellige ting. Ud over scanningen kan videooptagelserne fortælle os om luftbobler og den totale form. Man antager nogle ret simple former, men isbjerge kan i virkeligheden have meget komplekse former. Og de kan accelerere afsmeltningen. Når et isbjerg smelter, kan der opstå degradation. Isbjerget knækker og bliver til mange små. De nuværende modeller medregner slet ikke nogen degradation. Det kan vi prøve at korrigere.”

I sidste ende kan en bedre forståelse af isbjergenes form og smelterate også bruges til at forudsige, hvilken vej isbjerge vil drive. Og det er især relevant i forholdt til kæmpeisbjergene.

”Nogle af de her isbjerge er jo på størrelse med Fyn. Derfor vil man gerne vide, hvor de flyder hen. Det kan jo være, at man skal flytte en hel boreplatform,” beretter Claus Melvad.