ADCP: действие в обсерватории COD OOI

Пётр Испания • 29 марта 2018

ADCP - это системы сонара, которые измеряют движение под водой. Используя звуковые волны, они работают, как ручные радары, используемые полицией для ускорения передвижения автомобилистов. Для измерения движения АЦПР излучают звуковые всплески вдоль лучей, наклоненных вниз.

Отголоски возвращаются из-за рассеяния частиц. Поскольку зоопланктон и взвешенные отложения переносятся движущейся водой, эхо-рассеяние от них несут изменение высоты тона; это эффект Допплера. Он рассказывает, как быстро движется ток и в каком направлении.

Звуковые волны распространяются через водный столбец, поэтому эхо-сигналы возвращаются и обрабатываются со многих глубин. Вертикальный диапазон этой коллекции измерений, называемый профилем скоростей потока океана, больше для низкочастотных звуковых волн.

Введение

Благодаря энергичным кадрам морских ученых и инженеров в настоящее время работают высокотехнологичные океанические обсерватории. Эти участки обеспечивают постоянное присутствие в океане для устойчивого и интерактивного наблюдения. Многие объединяют инновационную инфраструктуру с мультидисциплинарными морскими датчиками.

Эти обсерватории, установленные на разных глубинах, существуют во всем мире в различных морских условиях. Их цель - измерять океанические и морские экосистемы в стратегических местах в течение длительного времени. Некоторые обеспечивают непрерывную передачу данных в реальном времени через кабельное соединение с берегом.

Ярким примером является Cabled Array в северо-восточной части Тихого океана. Эта обсерватория является частью Инициативы океанических обсерваторий (OOI), финансируемой Национальным научным фондом США (NSF). Разработанная Лабораторией прикладной физики / Университет Вашингтона (APL / UW), Cabled Array использует специализированные кабели для телекоммуникаций. Они обеспечивают высоковольтное питание и высокоскоростные линии связи с узлами до 500 км от берега.

Помимо высокотехнологичной инфраструктуры, в Cabling Array имеется 150 инструментов. Включены девять ADCP, работающих на четырех разных частотах. Они оборудуют ряд сайтов, которые охватывают разные глубины, окружающую среду и научные цели. Эти контроллеры ADCP устанавливаются тремя различными способами: швартовые швартовые швартовы (SPM), бентосные экспериментальные пакеты (BEP) и массивы инструментов Seafloor Instrument Arrays (SIA).

Процессы водяных колонок

Одним фокусом Cabled Array являются процессы с водяными колоннами. Изученные темы охватывают все аспекты океанической науки. Некоторые способствуют междисциплинарному сотрудничеству, таким как биологическая физическая связь, в то время как другие увлекают гражданскую науку. Устойчивое наблюдение позволяет понять воздействие на окружающую среду и ожидаемые изменения климата. Долгосрочное наблюдение при высоких частотах дискретизации выявит как быстрые, так и медленно меняющиеся события. Потенциально это может служить основой для систем раннего предупреждения и уроков об адаптации.

Токи, наблюдаемые с ADCP, переносят важные свойства воды. Примеры включают тепло, импульс, соль, питательные вещества, планктон и личинки беспозвоночных. Крупномасштабные исследования с использованием данных ADCP будут варьироваться от динамики восточных пограничных течений до эпизодических событий. Исследования кросс-дисциплины будут изучать, как водные потоки взаимодействуют с окружающей средой - от грубой топографии до экосистем.

ADCP - много использования

ADCP анализируют возвратные звуковые эхо-сигналы, чтобы выполнить четыре разных измерения одновременно.

Этот коллектив типов данных, используемых индивидуально и совместно, позволяет одному ADCP выполнять широкий диапазон измерений.

Мелкие швартовы

Помимо базовой инфраструктуры / comms, отличительной новинкой Cabled Array является Showow Profiler Mooring. Разработанный и установленный APL / UW, SPM обеспечивают большую стационарную инструментальную платформу на глубине 200 м. Платформа находится на вершине уникального двухногий швартовки. Отсюда, через верхний океан, циклически прокладывается научный стручок.

Необычный дизайн швартовки обеспечивает стабильность движения, необходимую для долгосрочного успеха лебединого метода. Роботизированные транспортные средства используются для установки и восстановления как платформы, так и контейнера. Оставляя двухъярусную швартовку на месте, смягчает логистику и затраты на обслуживание полезной нагрузки инструментальной аппаратуры SPM. На отдельной швартовной линии гусеничный прибор с измерительной проволокой измеряет свойства океана от морского дна до глубины 200 м. Кроме того, расположенная рядом с этими причалами, представляет собой приборный массив на морском дне.

На двух глубинных участках (1A, 1C - около 3000 м) пара перспективных ADCP устанавливается на платформу больших инструментов SPM. Также на борту находятся цифровая фотокамера и мультидисциплинарный набор зондов для измерения свойств воды и биоакустики. Данные ADCP будут информировать о различных исследованиях, которые варьируются от воздействия изменения климата до подкисления океана. Другие включают в себя понимание биогеохимических процессов и богатых биологией тонких слоев.

Профилирование верхнего океана

ADCP - это 5-лучевой 600KHz WorkHorse и Quartermaster 150 кГц. В ADCP с частотой 600 кГц включен луч, направленный вертикально, который дополняет стандартную конфигурацию Janus.

Пятый луч непосредственно измеряет вертикальные движения, идеально подходящие для изучения внутренних волн или миграции диола зоопланктона.

АЦПР 150 кГц дистанционно проецирует потоки воды с глубины платформы на морскую поверхность. Таким образом, он обеспечивает временные ряды фонового потока в 200-миллиметровом водяном столбе, отобранном пронизанным научным корпусом.

Каждый день научный корабль прокладывается через 9 циклов с глубины 200 м только под поверхностью моря. В стручке содержится девять одноточечных инструментов. Из-за действия лебедки эти устройства регистрируют профили высокого разрешения через верхний океан физических, химических и биологических свойств воды. Интерактивная команда и управление с берега доступны, когда измеряются интересные функции, такие как пересечение биологически богатого тонкого слоя. С конца лета 2015 года каждый научный блок сделал более 7000 циклов.

Составной набор данных SPM включает 18 инструментов - платформу и стручок. Они видят широкий диапазон свойств воды. Кроме того, их одновременные измерения имеют высокое разрешение во времени и пространстве. SPM и их комплекты инструментов (включая научный блок) подключаются к сети волоконно-оптических кабелей. Каждый SPM имеет пропускную способность 1 Гбит / с и мощность 3000 Вт. В результате данные в реальном времени доступны в Интернете с датчиков на платформах SPM и их внедренных научных модулей.

Бентические экспериментальные пакеты

ADCP также находятся на борту пары Bentic Experiment Packages (BEP), установленной на Newport Line. Он проходит от мелкой до глубокой воды в Орегоне. Глубокий морской участок (1С) находится на глубине 600 м на континентальном склоне, тогда как более мелкий прибрежный участок (1Д) находится на высоте 80 м на континентальном шельфе.

Эти данные ADCP будут использоваться для изучения широких научных вопросов. Примеры включают поток течений на полку и события гипоксии. В каждом случае частота ADCP выбирается для профилирования полного столбца воды. Таким образом, длинный рейнджер длиной 75 кГц сидит на глубоком участке, в то время как Sentinel 300 кГц находится в прибрежном месте.

Размещенный в устойчивой к опасности раме, BEP играет двоякую роль. Это установка для ADCP и нескольких меньших датчиков. Он также содержит некоторую инфраструктуру power / comms, которая соединяет эти инструменты с кабельной сетью. Датчики измеряют химические сигнатуры в океане: кислотность (pH), углекислый газ, соленость и концентрации кислорода. Зонды, установленные поблизости, касаются физики нижнего пограничного слоя. Кроме того, гидрофон сидит за рамкой, чтобы действовать как бентическое ухо.

Инструментальные массивы Seafloor

Кабельные массивы Seafloor Instrument Arrays (SIA) позволяют изучать процессы придонных и водяных колонн. Примеры включают внутренние приливы и выброс метана из морского дна в океан.

Существуют три из этих массивов (сайты 1А, 1В, 3А). У них тоже есть набор инструментов. Два SIA, развернутые на глубине 3 км (1A, 3A), оснащены АЦПК Quartermaster 150 кГц. Эти сайты расположены совместно с SPM; Рядом находится швартовка для тротуаров. Третий SIA ​​(1B), на континентальном склоне на 800 м, имеет ACK с длинным рейнджером 75 кГц.

Вы можете видеть на рисунке, что ADCP находится на распределительной коробке для сети питания / сети связи. Благодаря кабельному соединению эти данные ADCP доступны почти в режиме реального времени и в течение длительного времени - два года. Это привело к инновационному использованию данных ADCP.

Одним из примеров является биогеологическое исследование на Южном гидратном хребте (1B). Морские геологи из Вашингтонского университета используют возвращающиеся акустические эхо-сигналы ADCP, чтобы увидеть пузырьковые выбросы метана.

Плюмы просачиваются из газогидратных отложений на морском дне. Газовые гидраты представляют собой твердую ледяную форму воды, содержащую молекулы метана.

Эти отложения поддерживают биологические сообщества на отложениях и внутри них. Профили ADCP показывают пузырьковые шлейфы через большую часть водяного столба. Одна из гипотез заключается в том, что эти восходящие выбросы метана могут повысить биологическую продуктивность в вышележащем океане.

Жду с нетерпением

Кабинетная обсерватория OOI планируется работать в течение 25 лет. Благодаря своей уникальной инфраструктуре питания / связи этот сетевой массив позволит осуществлять интерактивный мониторинг различных океанических объектов - от верхнего океана до донных глубин. Удаленная выборка ADCP, развернутых по всему массиву, расширит охват наблюдателей через столбец воды. Благодаря оптоволоконному подключению к Интернету эти данные будут доступны почти в режиме реального времени для глобального сообщества пользователей.

Автор

Peter Spain Ph.D., Teledyne RD Instruments

(Как опубликовано в марте 2018 года издание « Морской репортер технологий» )