ADCPs: Δράση στο αλεξίπτωτο παρατηρητήριο του OOI

Από τον Πέτρο Ισπανία • 29 Μαρτίου 2018

Τα ADCP είναι συστήματα ηχομέτρων τα οποία μετρούν την κίνηση υποβρύχια. Χρησιμοποιώντας ηχητικά κύματα, λειτουργούν σαν ραντάρ χειρός που χρησιμοποιούνται από την αστυνομία για να πιάσουν την ταχύτητα των αυτοκινητιστών. Για να μετρήσετε την κίνηση, οι ADCPs εκπέμπουν ήχους εκρήξεις κατά μήκος των δοκών προς τα κάτω.

Οι ηχηρές επιστροφές οφείλονται στο σκεδασμό των σωματιδίων. Επειδή το ζωοπλαγκτόν και τα αιωρούμενα ιζήματα μεταφέρονται από το κινούμενο νερό, οι ηχώ διασκορπισμένες από αυτά φέρουν αλλαγή στο βήμα. αυτό είναι το φαινόμενο Doppler. Λέει πόσο γρήγορα κινείται το ρεύμα και σε ποια κατεύθυνση.

Τα ηχητικά κύματα διαδίδονται μέσω της στήλης ύδατος, έτσι ώστε οι ηχώ να επιστρέφονται και να επεξεργάζονται από πολλά βάθη. Το κατακόρυφο εύρος αυτής της συλλογής μετρήσεων - που ονομάζεται προφίλ ταχύτητας ρεύματος στον ωκεανό - είναι μεγαλύτερο για ηχητικά κύματα χαμηλότερης συχνότητας.

Εισαγωγή

Χάρη σε έναν πνευματικό σκηνοθέτη θαλάσσιων επιστημόνων και μηχανικών, τα παρατηρητήρια ωκεανών υψηλής τεχνολογίας λειτουργούν τώρα. Αυτές οι τοποθεσίες παρέχουν συνεχή παρουσία στον ωκεανό για συνεχή και διαδραστική παρακολούθηση. Πολλοί συνδυάζουν καινοτόμες υποδομές με θαλάσσιους αισθητήρες πολλαπλών κλάδων.

Εγκατεστημένα σε διάφορα βάθη, αυτά τα παρατηρητήρια υπάρχουν παγκοσμίως σε ποικίλα θαλάσσια περιβάλλοντα. Σκοπός τους είναι να μετρήσουν τα ωκεάνια και θαλάσσια περιβάλλοντα σε στρατηγικές τοποθεσίες για παρατεταμένες περιόδους. Ορισμένα παρέχουν συνεχόμενα δεδομένα σε πραγματικό χρόνο μέσω σύνδεσης καλωδίου στην ακτή.

Ένα πρωταρχικό παράδειγμα είναι η συστοιχία καλωδιώσεων στον Βορειοανατολικό Ειρηνικό Ωκεανό. Αυτό το παρατηρητήριο αποτελεί μέρος της Πρωτοβουλίας Παρατηρητών Ωκεανών (OOI), η οποία χρηματοδοτείται από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ (NSF). Σχεδιασμένο από το Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Φυσικής / Πανεπιστήμιο της Ουάσινγκτον (APL / UW), η Καλωδίωση Array χρησιμοποιεί αποκλειστικά καλώδια τηλεπικοινωνιών. Παρέχουν συνδέσεις υψηλής τάσης και υψηλής ταχύτητας επικοινωνίας με κόμβους μέχρι 500 χλμ. Από την ακτή.

Εκτός από την υποδομή υψηλής τεχνολογίας, το καλωδιακό Array διαθέτει 150 όργανα. Περιλαμβάνονται εννέα ADCP που λειτουργούν σε τέσσερις διαφορετικές συχνότητες. Εξοπλίζουν μια σειρά από τοποθεσίες που καλύπτουν διαφορετικά βάθη, περιβάλλοντα και επιστημονικούς στόχους. Αυτά τα ADCPs εγκαθίστανται με τρεις διαφορετικούς τρόπους: Μικρά προφίλ αγκυροβόλησης (SPM), πακέτα πειραμάτων βενθικού (BEP) και συστοιχίες οργάνων Seafloor (SIA).

Διαδικασίες νερού-στήλης

Μια εστίαση της συστοιχίας καλωδίων είναι οι διεργασίες νερού-στήλης. Τα θέματα που μελετήθηκαν καλύπτουν όλες τις πτυχές της επιστήμης των ωκεανών. Κάποιοι προωθούν τη διατομεακή συνεργασία, όπως η βιολογική-σωματική σύζευξη, ενώ άλλες εμπλέκουν την επιστήμη των πολιτών. Η συνεχής παρακολούθηση αντιμετωπίζει την κατανόηση του περιβαλλοντικού αντίκτυπου και των αναμενόμενων αλλαγών του κλίματος. Η μακροπρόθεσμη παρακολούθηση με υψηλά ποσοστά δειγματοληψίας θα αποκαλύψει τόσο ταχείες όσο και αργές αλλαγές. Ενδεχομένως, αυτό μπορεί να αποτελέσει τη βάση για συστήματα έγκαιρης προειδοποίησης και διδάγματα για την προσαρμογή.

Τα ρεύματα που παρατηρούνται με τα ADCPs μεταφέρουν σημαντικές ιδιότητες νερού. Παραδείγματα περιλαμβάνουν θερμότητα, ορμή, άλατα, θρεπτικές ουσίες, πλαγκτόν και προνύμφες ασπόνδυλων. Η έρευνα μεγάλης κλίμακας που χρησιμοποιεί τα δεδομένα ADCP θα κυμαίνεται από τη δυναμική των ανατολικών οριακών ρευμάτων έως τα επεισοδιακά συμβάντα. Οι μελέτες διασταυρούμενης πειθαρχίας θα εξετάσουν πώς αλληλεπιδρούν τα ρεύματα του νερού με το περιβάλλον - από την ακατέργαστη τοπογραφία έως τα οικοσυστήματα.

ADCPs - Πολλές χρήσεις

Τα ADCPs αναλύουν τις επαναλαμβανόμενες ηχητικές ηχούς για να κάνουν τέσσερις διαφορετικές μετρήσεις ταυτόχρονα.

Αυτός ο συλλογικός τύπος δεδομένων που χρησιμοποιείται ξεχωριστά και μαζί επιτρέπει σε ένα μόνο ADCP να κάνει ένα ευρύ φάσμα μετρήσεων.

Μικρά προφίλ αγκυροβόλια

Εκτός από την υποκείμενη υποδομή power / comms, μια ξεχωριστή καινοτομία της καναλιού Array είναι η Shallow Profiler Mooring. Σχεδιασμένο και εγκατεστημένο από το APL / UW, οι μονάδες SPM παρέχουν μια μεγάλη, σταθερή πλατφόρμα με όργανα σε βάθος 200 μέτρων. Η πλατφόρμα κάθεται στην κορυφή μιας μοναδικής πρόσδεσης με δύο πόδια. Από εδώ, ένα σκάφος επιστήμης κυλάει κυκλικά μέσω του πάνω ωκεανού.

Ο ασυνήθιστος σχεδιασμός της αγκυροβόλησης προσφέρει τη σταθερότητα κίνησης που απαιτείται για την μακροπρόθεσμη επιτυχία της μεθόδου που κατασκευάστηκε με το ξύλο. Ρομποτικά οχήματα χρησιμοποιούνται για την εγκατάσταση / ανάκτηση τόσο της πλατφόρμας όσο και του κορμού. Η έξοδος από την αμφίδρομη αγκυροβόληση στη θέση του μετριάζει την εφοδιαστική και το κόστος εξυπηρέτησης του ωφέλιμου φορτίου οργάνων του SPM. Σε μια ξεχωριστή γραμμή πρόσδεσης, ένα ερπυστριοφόρο εργαλείο μετρητών μετρά τις ωκεάνιες ιδιότητες από τον βυθό μέχρι το βάθος των 200 μέτρων. Επιπλέον, σε συνδυασμό με αυτές τις αγκυροβόλια, είναι ένας πίνακας εργαλείων Seafloor.

Σε δύο βαθιές θέσεις (1Α, 1C - περίπου 3000 μ.), Ένα ζευγάρι ανοδικών ADCPs τοποθετούνται στη μεγάλη πλατφόρμα οργάνων SPM. Επίσης βρίσκονται στο επίκεντρο μια ψηφιακή φωτογραφική μηχανή και μια πολυδιάστατη σουίτα ανιχνευτών για τη μέτρηση των ιδιοτήτων του νερού και της βιοακουστικής. Τα δεδομένα ADCP θα ενημερώσουν διάφορες μελέτες που κυμαίνονται από τις επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής στην οξίνιση των ωκεανών. Άλλοι περιλαμβάνουν την κατανόηση των βιογεωχημικών διεργασιών και των βιολογικών πλούσιων λεπτών στρωμάτων.

Προφίλ του Άνω Όρους

Τα ADCPs είναι ένα 5-beam 600 kHz WorkHorse και ένα 150 kHz Quartermaster. Το ADCP 600 kHz περιλαμβάνει μια δοκού κατευθυνόμενη κάθετα που συμπληρώνει την τυπική διαμόρφωση του Janus.

Η πέμπτη δέσμη μετράει κάθετες κινήσεις άμεσα, ιδανικές για μελέτες εσωτερικών κυμάτων ή μετανάστευση του ζωοπλαγκτού.

Το ADCP 150 kHz απομακρυσμένα αποδίδει ρεύματα νερού από το βάθος της πλατφόρμας μέχρι την επιφάνεια της θάλασσας. Έτσι παρέχει χρονικές σειρές της ροής του υποβάθρου μέσα στη στήλη νερού των 200 μέτρων που δειγματοληφθηκε από το κονσερβοποιημένο επιστημονικό pod.

Κάθε μέρα, το σκάφος της επιστήμης περνάει μέσα από 9 κύκλους από βάθος 200 μ. Ακριβώς κάτω από την επιφάνεια της θάλασσας. Το pod φέρει εννέα όργανα ενός σημείου. Λόγω της δράσης της βαρίδισης, οι συσκευές αυτές καταγράφουν προφίλ υψηλής ανάλυσης μέσω του ανώτερου ωκεανού των φυσικών, χημικών και βιολογικών ιδιοτήτων νερού. Η διαδραστική εντολή και έλεγχος από την ακτή είναι διαθέσιμη όταν μετρώνται ενδιαφέροντα χαρακτηριστικά, όπως η διέλευση ενός πλούσιου σε βιολογικά λεπτό στρώμα. Από τα τέλη του καλοκαιριού του 2015, κάθε επιστημονική σχολή έχει κάνει> 7.000 κύκλους.

Το σύνθετο σύνολο δεδομένων SPM περιλαμβάνει 18 πλατφόρμες-όργανα και pod. Βλέπουν ένα ευρύ φάσμα ιδιοτήτων νερού. Επιπλέον, οι ταυτόχρονες μετρήσεις τους έχουν υψηλή ανάλυση χρόνου και χώρου. Τα SPM και οι σουίτες οργάνων τους (συμπεριλαμβανομένου του pod pod) συνδέονται με το δίκτυο καλωδίων οπτικών ινών. Κάθε SPM έχει ισχύ 1 Gbps και 3000 watts. Ως αποτέλεσμα, υπάρχουν διαθέσιμα ζωντανά δεδομένα στο Διαδίκτυο από αισθητήρες στις πλατφόρμες SPM και τους κερκοφόρους δίσκους επιστήμης.

Βενθικά πακέτα πειραμάτων

Τα ADCPs είναι επίσης μέσα σε μερικά Benthic Packages Experiment (BEP) εγκατεστημένα στη Γραμμή Newport. Τρέχει από ρηχά έως βαθιά νερά έξω από το Όρεγκον. Η βαθιά περιοχή ανοικτής θάλασσας (1C) κάθεται σε βάθος 600 μέτρων στην ηπειρωτική πλαγιά, ενώ η ρηχή περιοχή παράκτιων περιοχών (1D) βρίσκεται στα 80 μέτρα στην υφαλοκρηπίδα.

Αυτά τα δεδομένα ADCP θα χρησιμοποιηθούν για την εξέταση ευρέων θεμάτων επιστήμης. Παραδείγματα περιλαμβάνουν ροή ρευμάτων στα συμβάντα ραφιών και υποξίας. Σε κάθε περίπτωση, η συχνότητα ADCP επιλέγεται για να παρουσιάσει την πλήρη στήλη νερού. Έτσι ένας Long Ranger 75 kHz κάθεται στην βαθιά περιοχή ενώ ένα Sentinel 300 kHz είναι στην παράκτια θέση.

Τοποθετημένο σε ανθεκτικό σε κίνδυνο πλαίσιο, το BEP παίζει έναν διπλό ρόλο. Είναι ένα στήριγμα για το ADCP και αρκετούς μικρότερους αισθητήρες. Διαθέτει επίσης κάποια από την υποδομή power / comms που συνδέει αυτά τα όργανα με το καλωδιακό δίκτυο. Οι αισθητήρες μετρούν τις χημικές υπογραφές στον ωκεανό: οξύτητα (pH), διοξείδιο του άνθρακα, αλατότητα και οξυγόνο. Οι ανιχνευτές που είναι εγκατεστημένοι πλησίον αφορούν τη φυσική του κάτω οριακού στρώματος. Επίσης, ένα υδροφώνιο κάθεται έξω από το πλαίσιο για να λειτουργεί ως βενθικό αυτί.

Σετ εργαλείων Seafloor

Οι καλωδιωμένες σειρές οργάνων Seafloor (SIA) επιτρέπουν τη μελέτη διεργασιών κοντά στο βυθό και στη στήλη νερού. Παραδείγματα περιλαμβάνουν εσωτερικές παλίρροιες και η απελευθέρωση μεθανίου από το θαλασσινό νερό στον ωκεανό.

Υπάρχουν τρεις από αυτές τις συστοιχίες (Sites 1A, 1B, 3A). Και αυτοί φέρουν μια σειρά από όργανα. Δύο SIA, που αναπτύσσονται σε βάθος 3 χλμ. (1Α, 3Α), είναι εξοπλισμένα με ADCPs Quartermaster 150 kHz. Αυτές οι τοποθεσίες βρίσκονται μαζί με τα SPM. σε κοντινή απόσταση είναι ένα αγκυροβόλιο με συρματόσχοινο. Ένα τρίτο SIA (1Β), στην ηπειρωτική κλίση στα 800 μ., Φέρει ένα ADCP Long Ranger 75 kHz.

Μπορείτε να δείτε στο σχήμα ότι το ADCP κάθεται στην κορυφή ενός κουτιού σύνδεσης για το δίκτυο power / comms. Λόγω της καλωδιακής σύνδεσης, αυτά τα δεδομένα ADCP είναι διαθέσιμα σχεδόν σε πραγματικό χρόνο και για μεγάλη διάρκεια - δύο χρόνια μέχρι τώρα. Αυτό έχει οδηγήσει σε καινοτόμο χρήση των δεδομένων ADCP.

Ένα παράδειγμα είναι μια βιογεωλογική μελέτη στο νότιο υδραγωγείο Ridge (1Β). Οι γεωλόγοι της θάλασσας στο Πανεπιστήμιο της Ουάσινγκτον χρησιμοποιούν τις ηχητικές ηχούς της ADCP για να δουν φουσκάλες μεθανίου.

Οι λοφίσκοι απορροφούν από τις ενυδατωμένες αερίων στο θαλάσσιο βυθό. Τα ένυδρα αέρια είναι μια στερεή μορφή πάγου νερού που περιέχει μόρια μεθανίου.

Αυτές οι κοιλότητες υποστηρίζουν βιολογικές κοινότητες εντός και εντός των ιζημάτων. Τα προφίλ ADCP εμφανίζουν φούσκες με φυσαλίδες σε μεγάλο μέρος της στήλης νερού. Μια υπόθεση είναι ότι αυτές οι αυξανόμενες μάζες μεθανίου μπορεί να ενισχύσουν τη βιολογική παραγωγικότητα στον υπερκείμενο ωκεανό.

Ανυπομονώ

Το αλεξίπτωτο παρατηρητήριο του OOI σχεδιάζεται να λειτουργεί για 25 χρόνια. Λόγω της μοναδικής υποδομής ισχύος / επικοινωνίας, αυτή η δικτυακή πύλη θα επιτρέψει τη διαλογική παρακολούθηση διάφορων ωκεάνιων τοποθεσιών - από τα βουνά μέχρι τα βυθικά βάθη. Η δυνατότητα απομακρυσμένης δειγματοληψίας των ADCPs που αναπτύσσονται σε ολόκληρη τη συστοιχία θα διευρύνει την εμβέλεια των παρατηρητών μέσω της στήλης ύδατος. Και χάρη στη σύνδεση οπτικών ινών με το Διαδίκτυο, αυτά τα δεδομένα θα είναι διαθέσιμα σχεδόν σε πραγματικό χρόνο για μια παγκόσμια κοινότητα χρηστών.

Ο συγγραφέας

Peter Ισπανία Ph.D., Teledyne RD Instruments

(Όπως δημοσιεύθηκε στην έκδοση του Μαρτίου 2018 του Reporters Marine Technology )