Μέτρηση του εχθρικού ωκεανού κάτω από τους τυφώνες

Από τον Peter Ισπανία και τον Clayton Jones, Teledyne Marine19 Φεβρουαρίου 2020

Μη επανδρωμένα οχήματα συλλέγουν δεδομένα για τη βελτίωση των προβλέψεων για την καταιγίδα

Οι επιδράσεις των ωκεάνιων συνθηκών και ρευμάτων σε περιβάλλον διαβίωσης είναι πλέον ευρύτερα εκτιμώμενες - από το κλίμα της Γης και τις έντονες καιρικές συνθήκες για την αλιεία και τη βιοποικιλότητα. Απαιτούνται συνεχείς και ευρέως διαδεδομένες μετρήσεις για την παροχή βασικών ενδείξεων για την κατανόηση των ωκεανών, για την αποτελεσματική παρακολούθηση των περιβαλλοντικών αλλαγών και για τη διευκόλυνση της αποσαφήνισης των μακροπρόθεσμων επιπτώσεων της υπερθέρμανσης του πλανήτη.

Για να ανταποκριθούν στην πρόκληση αυτή, οι ερευνητές των ωκεανών έχουν επινοήσει διάφορους τύπους μη επιτηρούμενων πλατφορμών παρατήρησης. Δύο παραλλαγές που αναπτύχθηκαν και προμήθευσαν από την Teledyne Webb Research είναι ανεμόπτερα για τη μέτρηση των υπερυψωμένων υδάτων και τη διαμόρφωση των επιφανειών για την παρακολούθηση της παγκόσμιας κυκλοφορίας. Αυτές οι πλατφόρμες, οι οποίες υποστηρίζουν μια αυξανόμενη γκάμα εφαρμογών, ήταν ιδιαίτερα χρήσιμες για τη μέτρηση των προκλητικών υδάτων κάτω από σοβαρές καταιγίδες.

Μέτρηση των συνθηκών του ωκεανού στις διαδρομές θύελλας
Η παγκόσμια ανησυχία για το μεταβαλλόμενο κλίμα της Γης ώθησε τις τάσεις του πλανήτη στην ατμόσφαιρα και τους ωκεανούς στην προσοχή του κοινού. Οι καταιγίδες βρίσκονται στο προσκήνιο, ειδικά οι τυφώνες και οι τυφώνες. Η ακριβής πρόβλεψη της ξηράς και της δύναμης μιας καταιγίδας σώζει ζωές και μειώνει τα περιττά αμυντικά έξοδα.

Η ενέργεια που τροφοδοτεί τροπικές καταιγίδες προέρχεται από τη θερμότητα στα πάνω 50 μ. Του ωκεανού, ειδικά νερά θερμότερα από 79 ° F. Οι ερευνητές έχουν εντοπίσει ότι σημαντικά βελτιωμένη πρόβλεψη της έντασης των τροπικών καταιγίδων, ο δείκτης των καταστροφικών επιπτώσεων τους, προέρχεται από την ακριβή γνώση για τις θερμοκρασίες υπογείων υδάτων κατά μήκος της διαδρομής της καταιγίδας. Η υποκείμενη θερμοκρασία νερού δεν είναι στατική. Αντίθετα, η δράση της καταιγίδας στον ωκεανό παρασύρει βαθύτερο νερό στα επιφανειακά στρώματα, αλλάζοντας έτσι την διαθέσιμη παροχή ενέργειας. Αυτή η ανάμιξη μπορεί να δράσει είτε για να εντείνει είτε να μειώσει την καταιγίδα ανάλογα με τη θερμοκρασία του ύδατος. Έτσι, η γνώση των θερμοκρασιών των υποθαλάσσιων είναι ζωτικής σημασίας για την πρόβλεψη των καταιγίδων. Επιπλέον, η γνώση των ρευμάτων και η διάτμηση τους σε διαφορετικές φάσεις μιας καταιγίδας δίνει μεγαλύτερη εικόνα για τη δυναμική των αλληλεπιδράσεων αέρα / θάλασσας.

Η Teledyne Webb Research ήταν πρωτοπόροι της μη επανδρωμένης τεχνολογίας θαλάσσιων αεροσκαφών. Τα αεροσκάφη Slocum προχώρησαν γρήγορα από πειραματικά πρωτότυπα σε αξιόπιστες κινητές πλατφόρμες που λειτουργούσαν παγκοσμίως σε ποικίλες δραστηριότητες υπεράριων ωκεανών.

Σχήμα 2: Αεροπλάνο Teledyne Slocum σε τροπικά νερά. Πιστώσεις: Teledyne Marine

Τα αεροσκάφη Slocum αλλάζουν τον όγκο τους για να βυθιστούν ή να ανέβουν. τα προσαρτημένα πτερύγια παράγουν ανύψωση όταν το υγρό περνά πάνω από τις επιφάνειές τους Το καθαρό αποτέλεσμα είναι να μετατρέψουμε κάποια κατακόρυφη κίνηση του ολισθητήρα σε οριζόντια διαδρομή. Τα αεροσκάφη Slocum κινούνται στα 35 cm / s και μπορούν να λειτουργούν από βάθος 4 έως 1000 m. ένας προαιρετικός υβριδικός προωστικός κινητήρας παρέχει ταχύτητες έως 100 cm / s.

Τα αεροσκάφη Slocum πετούν σε ένα κυματιστό πριονωτό μοτίβο, ακολουθώντας μια προγραμματισμένη διατομή, μερικές φορές για παρατεταμένες περιόδους. Για παράδειγμα, τα αεροσκάφη Slocum έχουν πραγματοποιήσει συνεχείς διασταυρώσεις μεγάλων ωκεανών που χρειάστηκαν πάνω από τετρακόσιες ημέρες στη θάλασσα.
Με την πάροδο του χρόνου, τα αεροσκάφη Slocum έχουν εξοπλιστεί με μια αυξανόμενη ποικιλία ωκεανογραφικών αισθητήρων, συμπεριλαμβανομένου ενός ενσωματωμένου προφίλ. Οι φυσικές ιδιότητες, όπως η θερμοκρασία του νερού και η αλατότητα, μετρούνται ρουτίνα. Οι ανεμόπλοιες έχουν επίσης παρατηρήσει την ωκεάνια οξύτητα, την χλωροφύλλη, τα αιωρούμενα ιζήματα και τις βλαβερές ανθοφόρες φυλές, καθώς και τα εσωτερικά κύματα.

Πάνω από 45 σουίτες αισθητήρων έχουν ενσωματωθεί στα αεροσκάφη Slocum που τους επιτρέπουν να εξυπηρετούν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Κατά τη διάρκεια της πετρελαιοκηλίδας Macondo το 2010 στον Κόλπο του Μεξικού, τα αεροσκάφη Slocum συνέλεξαν δεδομένα υποεπιφάνειας για να υποστηρίξουν τις εργασίες ανταπόκρισης. Τα πρόσφατα ωφέλιμα φορτία έχουν συμπεριλάβει αισθητήρες στροβιλισμού για τη μέτρηση της ανάμειξης των ωκεανών, βιοακουστικούς αισθητήρες για την εκτίμηση των αποθεμάτων ζωοπλαγκτόν στα ανοικτά της Ανταρκτικής και υδρόφωνα για παρακολούθηση σχεδόν σε πραγματικό χρόνο των φαλαινών της Βόρειας Ατλαντικής από τις ανατολικές ακτές των ΗΠΑ και του Καναδά. Τα αεροσκάφη Slocum εξυπηρετούν νέους ρόλους και στους ερευνητικούς χώρους της Ανταρκτικής, ειδικά στην άκρη των φύλλων πάγου.


Ανεμοστρόβιλοι παρακολούθησης θύελλας
Για την τελευταία δεκαετία, τα αεροσκάφη Slocum από την Teledyne Webb Research έχουν παρακολουθήσει τα προκλητικά νερά που σχετίζονται με σοβαρές καταιγίδες, στέλνοντας αναφορές ακόμα και όταν συναντούν κύματα που υπερβαίνουν τα 10 μέτρα σε ύψος. Αυτά τα μη επανδρωμένα οχήματα παρέχουν ένα οικονομικά αποδοτικό τρόπο για τη λήψη μετρήσεων σταθερού ωκεανού με υψηλής χωρικής ανάλυσης. Εξίσου σημαντικό για την παρακολούθηση καταιγίδων, τα ανεμόπτερα έχουν τόσο την αρχή ελέγχου όσο και την αντοχή για να παρακολουθήσουν την τροχιά καταιγίδας. Για παρακολούθηση καταιγίδων, τα ανεμόπτερα Slocum συνεχώς περιπολούν μια καθορισμένη διατομή. Τα ανεμόπτερα μετρούν τη θερμοκρασία, την αλατότητα και άλλες ιδιότητες ενώ κατεβαίνουν και ανεβαίνουν στον πάνω ωκεανό. Η επιφάνεια ανεμοπτέρων περιοδικά για να στείλει τις μετρήσεις τους σε κέντρα πρόβλεψης καταιγίδων. Αυτά τα δεδομένα υποθαλάσσας εισάγονται σε μοντέλα υπολογιστών που παράγουν προβλέψεις για την ένταση και την τροχιά μιας καταιγίδας. Η ακρίβεια αυτών των προβλέψεων του υπολογιστή έχει βελτιωθεί λόγω των δεδομένων από ανεμόπτερα.

Στην πραγματικότητα, το Πολεμικό Ναυτικό των ΗΠΑ έχει συχνά 50 ανεμόπτερα παγκοσμίως που στέλνουν στοιχεία για την πρόβλεψη του ωκεανού καιρού. Πριν από δέκα χρόνια, η Teledyne τιμήθηκε με το συμβόλαιο του Προγράμματος Εγγραφής του Πολεμικού Ναυτικού για την επιχειρησιακή χρήση ανεμοπτέρων.

Ένα εντυπωσιακό παράδειγμα του οφέλους από τη χρήση ανεμοπλάνων παρακολούθησης καταιγίδων προέρχεται από τα δεδομένα που συλλέχθηκαν κατά τη διάρκεια του Typhoon Soulik στο Δυτικό Βόρειο Ειρηνικό το 2018. Ένα ανεμοπλάνο Slocum από το Πανεπιστήμιο Rutgers είχε αναπτυχθεί πριν από την καταιγίδα. Τα δεδομένα επί τόπου έδειξαν μια εξαιρετικά γρήγορη μεταβολή στην ανώτερη θερμοκρασία του ωκεανού νερού κατά την άφιξη της καταιγίδας. Σε σύγκριση, ένα υπολογιστικό μοντέλο πρόβλεψης έδειξε μια πολύ πιο αργή μετάβαση σε απάντηση στην καταιγίδα, οδηγώντας σε διαφορά 6 ° C για τη μεταβολή της θερμοκρασίας του νερού μεταξύ του μοντέλου και των δεδομένων που συλλέχθηκαν. Η ενημέρωση του μοντέλου με δεδομένα κοντά σε πραγματικό χρόνο επιτρέπει μια καλύτερη πρόβλεψη για την καταιγίδα.

Κατά τη διάρκεια μιας πρόσφατης εποχής τυφώνα στις ΗΠΑ, μια δωδεκάδα οργανισμών ανέπτυξε ανεμόπτερα καταιγίδων. Τα αεροσκάφη Slocum της Teledyne Webb Research ήταν διαδεδομένα λόγω της αποδεδειγμένης απόδοσής τους. Λαμβάνοντας υπόψη τις προβλέψεις καιρικών συνθηκών, οι ερευνητές κατευθύνθηκαν τα ανεμόπτερα προς την αναμενόμενη πορεία της καταιγίδας αρκετές μέρες νωρίτερα. Τα τρεμίσματα των ολισθητήρων ήταν συντονισμένα και προσανατολισμένα ώστε να περνούν κατά μήκος της πορείας της καταιγίδας, καλύπτοντας την μεσαία έως την εξωτερική υφαλοκρηπίδα, κατά μήκος μιας μεγάλης ανατολικής ακτής των ΗΠΑ.

Εικ. 4: Σύγκριση των δεδομένων θερμοκρασίας νερού από τον άνω ωκεανό στον Δυτικό Βορειοανατολικό Ειρηνικό κατά τη διάρκεια του Typhoon Soulik το 2018. Τα in-situ δεδομένα ανώτερου παραθύρου που παρατηρήθηκαν με ένα ανεμόπτερο Slocum. Κάτω πλαίσιο: Έξοδος από μοντέλο υπολογιστή. Το κουτί υπογραμμίζει την περιοχή που συζητήθηκε στο κείμενο. Πίστωση: Πανεπιστήμιο Rutgers

Στο μέσον του Ατλαντικού όρμου, που εκτείνεται από το Cape Cod, MA έως το Cape Hatteras, NC, η υφαλοκρηπίδα είναι ρηχή. Τα βαθιά νερά της είναι καλά τεκμηριωμένα για να είναι πολύ πιο κρύα από τα επιφανειακά νερά κατά τη θερινή ώρα. Λαμβάνοντας υπόψη την ωκεάνια ανάδυση κάτω από το μάτι μιας καταιγίδας, η επικάλυψη αυτών των κρύων νερών αναμένεται να αποδυναμώσει έναν περασμένο τυφώνα.

Δύο ανεμόπτερα Slocum, που αναπτύχθηκαν μπροστά από τον τυφώνα Sandy, βοήθησαν να πούμε μια διαφορετική ιστορία σε αυτή την περίπτωση. Χρησιμοποιώντας μοντέλα υπολογιστών και δεδομένα από τα ανεμόπτερα, οι ερευνητές του Πανεπιστημίου Rutgers κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι ισχυροί άνεμοι στην αιχμή του τυφώνα δημιούργησαν μια ροή προς τα κάτω, η οποία προκάλεσε τη μεταφορά του κρύου πυθμένα στο νερό. Έτσι, δεν υπήρχε διαθέσιμο κρύο νερό για να αναμειχθεί με την επιφάνεια και έτσι να μειωθεί η ένταση της καταιγίδας όταν το μάτι της πέρασε την ίδια περιοχή. η ένταση της καταιγίδας ήταν, στην πραγματικότητα, σημαντικά ισχυρότερη από ό, τι θα είχε προβλεφθεί συμβατικά.

Η επιτυχία της χρήσης ανεμοπλάνων Slocum για παρακολούθηση καταιγίδων φαίνεται από το αυξανόμενο μέγεθος του στόλου. Το 2018, περισσότερα από τριάντα ανεμόπτερα ήταν σε υπηρεσία για την παρατήρηση τυφώνων Φλωρεντία, Ισαάκ και Ελένη. Οι συμμετέχουσες οργανώσεις ανεμοπτέρων συγκεντρώθηκαν από την κυβέρνηση, τον ακαδημαϊκό κόσμο και τη βιομηχανία σε μια ομαδική προσπάθεια να χρησιμοποιήσουν την τεχνολογία για την καλύτερη προστασία των παράκτιων κοινοτήτων.

Μέτρηση του μεταβαλλόμενου ωκεανού κάτω από τον τυφώνα Michael
Η τεχνολογία επιφανειακών μεταφορών έχει μεταμορφώσει τον τρόπο με τον οποίο παρατηρείται ο ωκεανός. Αυτή η μέθοδος πρωτοστάτησε από επιστήμονες και μηχανικούς στην Teledyne Webb Research και στο Scripps Institution of Oceanography. Το διεθνές πρόγραμμα Argo έχει αναπτύξει στόλους αυτών των συσκευών για τη συνεχή και ευρεία διερεύνηση του παγκόσμιου ωκεανού. Τα σύνολα δεδομένων που προκύπτουν αποτελούν πλούσιο πόρο για τη μελέτη των κλιματικών και ωκεάνιων διεργασιών.

Πολλές από αυτές τις συσκευές είναι οι πλωτήρες αυτόματου προφίλ εξερευνητή (APEX) που παρέχονται από την Teledyne Webb Research, η οποία έχει παραδώσει πάνω από 10.000 πλωτήρες προφίλ στο πρόγραμμα Argo - τη μεγαλύτερη ποσότητα από έναν προμηθευτή. Τα επιπλέουν APEX πραγματοποιούν περιοδικούς κάθετους κύκλους, συνήθως κάθε 10 ημέρες, αλλάζοντας τον όγκο τους (και ως εκ τούτου την πλευστότητα) να ανεβαίνουν και να βυθίζονται. Καθώς ανεβαίνουν μέσα από τη στήλη νερού, μετρούν τη θερμοκρασία και την αλατότητα.

Οι προσπάθειες για τη βελτίωση της κατανόησης και της πρόβλεψης μεγάλων τυφώνων απαιτούν συλλογή ωκεανικών και ατμοσφαιρικών δεδομένων σε εχθρικές και δύσκολες τοποθεσίες. Οι ωκεανικές ιδιότητες όπως η ταχύτητα ρεύματος του νερού, η θερμοκρασία και η αλατότητα πρέπει να μετριούνται όχι μόνο σε ολόκληρη τη στήλη του νερού αλλά πριν, κατά τη διάρκεια και μετά τη διέλευση της καταιγίδας.

Μια παραλλαγή του πλωτήρα APEX - ο πλωτήρας ηλεκτρομαγνητικής κατατομής, EM-APEX, που αναπτύχθηκε με το Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Φυσικής του Πανεπιστημίου της Ουάσιγκτον - είναι πολύ κατάλληλος για τη συλλογή αυτών των βασικών πληροφοριών. Εκτός από τη μέτρηση των ιδιοτήτων νερού, αυτή η συσκευή καταγράφει τα προφίλ της ταχύτητας ρεύματος νερού. Οι μετρήσεις EM-APEX εκμεταλλεύονται ηλεκτρικά πεδία που προκαλούνται από κίνηση, τα οποία προκύπτουν όταν το θαλάσσιο νερό μετακινείται μέσω του μαγνητικού πεδίου της Γης.

Για να εξερευνήσετε τις συνθήκες των ωκεανών κάτω από τους τυφώνες, τα πλωτά οχήματα EM-APEX πρέπει να αναπτυχθούν σε σύντομο χρονικό διάστημα μπροστά από τις κινούμενες καταιγίδες. Έτσι, πέφτουν με αλεξίπτωτο από αεροσκάφη. Όταν ο τυφώνας Michael εισήλθε στον Κόλπο του Μεξικού τον Οκτώβριο του 2018, τρεις πλωτήρες EM-APEX ξεκίνησαν από την ερευνητική ομάδα του με επικεφαλής τον καθηγητή Nick Shay (Πανεπιστήμιο του Μαϊάμι). Η διάθεση του αέρα ήταν από αεροσκάφος Hercules USAF WC-130J που λειτουργεί από τη βάση της Πολεμικής Αεροπορίας Keesler. αυτά τα αεροσκάφη τροποποιούνται για τη συλλογή πληροφοριών για τις καιρικές συνθήκες σε τυφώνες. Αρκετές αμερικανικές κυβερνητικές υπηρεσίες που παρακολουθούν και προβλέπουν τυφώνες βοήθησαν στην ανάπτυξη του αέρα. Η Teledyne Marine παρείχε υπηρεσίες φιλοξενίας για όλα τα δεδομένα που μεταδίδονται από τα αναπτυγμένα πλωτά μέσα, καθώς και άλλη τεχνική υποστήριξη.

Τα σχέδια σχηματισμού προφίλ των πλωτήρων EM-APEX ποικίλλουν κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης. Για 12 ώρες πριν από την άφιξη του τυφώνα, οι πλωτήρες συνεχώς κυμαίνονται μεταξύ της επιφάνειας και του βάθους 800 μ. Μόλις έφτασε ο τυφώνας, οι πλωτήρες μεταπήδησαν σε ποδηλασία με βάθος μεταξύ 30 μ και 300 μ., Αποφεύγοντας έτσι την επικίνδυνη περιοχή υψηλής επιφάνειας με ενέργεια, ενώ παράλληλα αποκτούσαν δεδομένα υπεράνω ωκεανού.

Μετά την περάτωση του τυφώνα, οι πλωτήρες κυλούσαν μεταξύ της επιφάνειας και του βάθους των 500 μέτρων. Αυτό το μοτίβο επιλύει τα σχεδόν αδρανειακά κύματα, τα οποία είναι το πιο ενεργητικό χαρακτηριστικό στην επαφή της καταιγίδας. Οι σχεδόν αδρανειακές κινήσεις έχουν βελτιωμένη διάτμηση ταχύτητας, καθιστώντας τους ένα βασικό οδηγό για κάθετες διαδικασίες ανάμειξης.

Οι πλωτήρες EM-APEX αναπτύχθηκαν περίπου 12 ώρες πριν ο τυφώνας έφθασε στη θέση τους. Κατά τη διάρκεια της εκστρατείας, οι επιθυμητοί κύκλοι προφίλ και στις τρεις φάσεις εκτελέστηκαν σωστά, διασφαλίζοντας ότι κανένα από τα πλωτά οχήματα EM-APEX δεν υπέστη ζημιά από τη μανία της καταιγίδας. Ενώ ο επιπλέων ήταν στην επιφάνεια, οι μεταδόσεις δεδομένων του λήφθηκαν από το dataserver Teledyne. Τα πλωτά οχήματα EM-APEX κατέγραψαν περισσότερα από 600 προφίλ σε διάστημα έξι ημερών. Αυτό το ρεύμα δεδομένων βοήθησε τους ερευνητές να κατανοήσουν και να προβλέψουν τα χαρακτηριστικά ενός μεγάλου τυφώνα, καθώς και να δουν, σχεδόν σε πραγματικό χρόνο, τον τρόπο με τον οποίο οι ωκεανοί ανταποκρίθηκαν σε ενεργειακές ατμοσφαιρικές πιέσεις.

Προστασία των παράκτιων κοινοτήτων
Οι προηγούμενοι λογαριασμοί εξηγούν τις αξιοσημείωτες εξελίξεις στις δυνατότητες παρατήρησης των ωκεανών που προέρχονται από μη επιτηρούμενες πλατφόρμες παρατήρησης. Αυτές οι φορητές, κινητές συσκευές έχουν χρησιμοποιηθεί για να λάβουν εκτεταμένες μετρήσεις σε ύδατα που είναι πολύ προκλητικά για τα πλοία και είναι πολύ επικίνδυνα για τον άνθρωπο. Οι ανεμόσκαλες και οι επιπλέουσες επιφάνειες επιτρέπουν την αξιολόγηση και την αναφορά σε σχεδόν πραγματικό χρόνο των εχθρικών ωκεάνιων συνθηκών κάτω από τυφώνες και τυφώνες. Εκτός από την αξία αυτών των δεδομένων για την έρευνα των ωκεανών, το ενημερωτικό τους περιεχόμενο αποδίδει σημαντικό κοινωνικό όφελος. Έχουν συμβάλει σε ακριβέστερες προβλέψεις για την ξηρασία και τη δύναμη των καταιγίδων, προστατεύοντας έτσι τις παράκτιες κοινότητες, μειώνοντας τις περιττές αμυντικές δαπάνες και εξοικονομώντας ακόμη και ζωές.

Σχετικά με τους συγγραφείς:

Από τη γη κάτω από κάτω, ο Δρ. Πέτρος Ισπανία σπούδασε Ocean Physics στο Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Φυσικής του Πανεπιστημίου της Ουάσινγκτον. Εργάστηκε με νέα όργανα μέτρησης των ωκεανικών ρευμάτων. Μετά από ένα μεταδιδακτορικό στο Ωκεανογραφικό Ίδρυμα Scripps, ο Πέτρος εντάχθηκε στην RD Instruments το 1990. Έχει εργαστεί στο Sales & Marketing όπου προχώρησε από το προσωπικό πωλήσεων στη διαχείριση μονάδων και μονάδων επιχειρήσεων. Σήμερα, το κοινό θέμα στις διάφορες δραστηριότητές του είναι το Τεχνικό Μάρκετινγκ.

Ο Clayton Jones, Ανώτερος Διευθυντής Τεχνολογίας για την Teledyne Marine, έχει συμμετάσχει στη δημιουργία, το σχεδιασμό και την ανάπτυξη πλατφορμών ωκεανογραφικών αισθητήρων, συμπεριλαμβανομένων πλωμάτων και αεροπλάνων.

Εικ. 7: Αερομεταφερόμενη ανάπτυξη ενός πλωτήρα EM-APEX. Πιστοποίηση: Προσωπικό των Πολεμικών Αεροποριών των ΗΠΑ Sgt. Julianne Μ. Showalter, DVIDS. Η εμφάνιση των ΗΠΑ
Οι οπτικές πληροφορίες του Υπουργείου Άμυνας (DoD) δεν συνεπάγονται ή συνιστούν θεώρηση της DoD















Κατηγορίες: Υπεράκτια Ενέργεια