ADCPs: العمل في مرصد OOI المعين

بيتر اسبانيا • 12 رجب 1439

Fig.4. تستضيف حزمة التجربة القاعية ADCP وعدة مستشعرات محيطية أصغر ضمن إطار مقاوم للخطورة. أيضا داخل هو وحدة الطاقة / comms للشبكة cabled. (الائتمان: جامعة واشنطن)

Fig.5. حزمة تجربة قاعية على قاع البحر على عمق 600 متر ، في البحر من ولاية أوريغون. على اليمين هو ADCP 75 كيلو هرتز. يمتد الاتصال المشترك إلى الإنترنت من الأبواب الواقية. (Credit: NSF-OOI / UW / CSSF، Dive 1747، VISIONS '14 expedition)

تين. 3. تقع على عمق 200 متر ، يتم تثبيت اثنين من ADCPs (150 كيلو هرتز ، 5-شعاع 600 كيلو هرتز) على منصة ثابتة من SPM. (الائتمان: NSF-OOI / UW / ISS ، الغطس R1832 ، رحلة 15 بعثة)

رسم بياني 1. في الطريق إلى مواقع قبالة ساحل ولاية أوريغون ، يمكن رؤية عدة ADCPs مثبتة في منصة ثابتة من المراعي الضحلة المحلل. (الائتمان: M. Elend ، جامعة واشنطن ، رحلة 16 بعثة)

الصورة 2. يقوم ADCPs عن بُعد بتجميع عمود المياه الذي يبلغ 200 م عن طريق رباط منشئ ملفات ضحل يرخي القرون العلمية. تجعل القرون 9 دورات في اليوم ، وتوقف مسافة قصيرة تحت السطح. (الائتمان: جامعة واشنطن ، NSF-OOI / ROPOS VISIONS '15 expedition)

Fig.6. 150 كيلوهرتز ADCP فوق مربع تقاطع ، قبل النشر في 2900 م. (الائتمان: M. Elend ، جامعة واشنطن)

Fig.7. جزء من مصفوفة صخور قاع البحر ، يقع هذا الكيلومترات بتردد 100 كيلو هرتز على عمق 3 كيلومترات بالقرب من جبل أكسيال البحري. (Credit: NSF-OOI / UW / CSSF؛ Dive R1735؛ VISIONS '14 expedition)

ADCPs هي أنظمة السونار التي تقيس الحركة تحت الماء. باستخدام الموجات الصوتية ، فإنها تعمل مثل الرادارات المحمولة التي تستخدمها الشرطة للقبض على سائقي السيارات مسرعة. لقياس الحركة ، يرسل ADCPs رشقات الصوت على طول الحزم الزاوية إلى أسفل.

يتم إرجاع أصداء بسبب تشتت قبالة الجسيمات. ولأن العوالق الحيوانية والرواسب العالقة تحملها المياه المتحركة ، فإن أصداءها المبعثرة عنهم تحمل تغيرًا في درجة الصوت. هذا هو تأثير دوبلر. يخبر مدى سرعة يتحرك التيار وفي أي اتجاه.

تنتشر الموجات الصوتية من خلال عمود الماء بحيث يتم إرجاع الأصداء ومعالجتها من أعماق كثيرة. والنطاق الرأسي لهذه المجموعة من القياسات - التي يطلق عليها صورة لسرعات المحيط الحالية - أكبر للموجات الصوتية المنخفضة التردد.

المقدمة

وبفضل وجود كادر من العلماء والمهندسين البحريين ، تعمل مراصد المحيطات عالية التقنية الآن. توفر هذه المواقع وجود مستمر في المحيط من أجل المراقبة المستمرة والتفاعلية. يجمع الكثير من البنية التحتية المبتكرة مع أجهزة الاستشعار البحرية متعددة الانضباط.

وتوجد هذه المراصد ، المثبتة على أعماق مختلفة ، في جميع أنحاء العالم في بيئات بحرية متنوعة. والغرض منها هو قياس البيئات المحيطية وقاع البحر في المواقع الاستراتيجية لفترات طويلة. بعض توريد البيانات في الوقت الحقيقي المستمر عبر اتصال كبل إلى الشاطئ.

مثال رئيسي هو مصفوفة الكوابل في المحيط الهادئ الشرقي. هذا المرصد هو جزء من مبادرة مراصد المحيطات (OOI) ، بتمويل من مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية (NSF). تستخدم Cabled Array ، التي تم تصميمها بواسطة مختبر الفيزياء التطبيقية / جامعة واشنطن (APL / UW) ، كابلات الاتصالات المخصصة. أنها توفر إمدادات عالية الجهد وروابط الاتصال عالية السرعة إلى عقد على بعد 500 كم من الشاطئ.

بالإضافة إلى البنية التحتية ذات التقنية العالية ، يضم Cabled Array 150 جهازًا. وشملت تسعة من ADCPs تعمل في أربعة ترددات مختلفة. فهي تجهز مجموعة من المواقع التي تمتد على مختلف الأعماق والبيئات والأهداف العلمية. يتم تثبيت هذه ADCPs في ثلاث طرق مختلفة: Moorings الضحلة المحلل (SPM) ، وحزم التجربة القاعية (BEP) ، و Arsys Seafloor Instrument (SIA).

عمليات عمود الماء

أحد مجالات التركيز في Cabled Array هو عمليات عمود الماء. الموضوعات التي شملتها الدراسة تغطي جميع جوانب علوم المحيطات. بعض تعزيز التعاون عبر الانضباط ، مثل اقتران البيولوجية والفيزيائية ، في حين أن البعض الآخر يكتسب العلم المواطن. يتطابق الرصد المستمر مع فهم التأثير البيئي والتغيرات المناخية المتوقعة. سيكشف الرصد على المدى الطويل عند معدلات أخذ العينات المرتفعة عن الأحداث السريعة والمتغيرة على حد سواء. ومن المحتمل أن يوفر ذلك الأساس لأنظمة الإنذار المبكر والدروس حول التكيف.

تيارات الملاحظة مع ADCPs تنقل خصائص مائية مهمة. وتشمل الأمثلة الحرارة ، والزخم ، والملح ، والمغذيات ، والعوالق ، واليرقات اللافقارية. سوف تتراوح الأبحاث واسعة النطاق التي تستخدم بيانات ADCP من ديناميات التيارات الحدودية الشرقية إلى الأحداث العرضية. سوف تدرس دراسات الانضباط المتبادل كيف تتفاعل تيارات المياه مع البيئة - من الطوبوغرافيا إلى النظم الإيكولوجية.

ADCPs - العديد من الاستخدامات

يقوم برنامج ADCPs بتحليل أصداء الصوت العائدة لعمل أربعة قياسات مختلفة في وقت واحد.

سرعة واتجاه تيارات المياه على العديد من المستويات من خلال عمق المياه - "الوضع الحالي"
التوزيع المكاني للرسوبيات أو العوالق التي تنقلها المياه (مثل عمود الرواسب)
ADCP's over-ground-ground and path of travel (by echoes dispattered the bed)
المدى إلى الحدود. يمكن أن يكون هذا عمق المياه (مثل مسبار صدى) ، أو عندما يتم توجيه حزم ADCP إلى الأعلى ، من السطح إلى السطح. وقدم الأخير طريقة جديدة لقياس الموجات السطحية.

هذه المجموعة من أنواع البيانات المستخدمة بشكل فردي ومعاشي تسمح لـ ADCP واحد بعمل مجموعة متنوعة من القياسات.

المراعي الضحلة المراعي

بالإضافة إلى البنية التحتية الأساسية للطاقة / comms ، فإن ابتكار مميز لـ Cabled Array هو Shaffow Profiler Mooring. تم تصميم وتثبيت SPMs بواسطة APL / UW ، وتوفر منصة كبيرة ثابتة ثابتة على عمق 200 متر. منصة يجلس في قمة مرساة فريدة من نوعها ارجل. من هنا ، تنتفخ جراب العلم دوريا عبر المحيط العلوي.

يوفر التصميم غير المعتاد للرسو الاستقرار الحركي المطلوب لتحقيق النجاح طويل الأجل للطريقة التي تم الحصول عليها. يتم استخدام المركبات الروبوتية لتثبيت / استرداد النظام الأساسي والجراب. إن ترك المرسى ذات الرأسين يحد من اللوجيستية وتكلفة صيانة حمولة أجهزة القياس الخاصة بصناعة بطاقات الإنتاج. على خط إرساء منفصل ، يقيس الزاحف السلكي الآلي خصائص المحيطات من قاع البحر إلى عمق المياه البالغ 200 متر. بالإضافة إلى ذلك ، في مكان مشترك مع هذه المراسي ، هو صفيف صك Seafloor.

في موقعين عميقين (1A ، 1C - حوالي 3000 متر) ، يتم تركيب زوج من ADCPs إلى منصة الأدوات الكبيرة SPM. كما يوجد على متنها كاميرا رقمية ثابتة ومجموعة متعددة من المسابير لقياس خصائص المياه والبيولوجيا الحيوية. ستقوم بيانات ADCP بإبلاغ الدراسات المتنوعة التي تتراوح من تأثيرات تغير المناخ إلى تحمض المحيطات. وتشمل الأخرى فهم العمليات البيوجيوكيميائية والطبقات الرقيقة الغنية بيولوجياً.

التنميط في أعالي المحيط

ADCPs هي WorkHorse ذات شعاع 5-keam 600 kHz و 150 kHz quartermaster. يتضمن ADCP kHz 600 حزمة موجهة عموديًا تكمل تكوين Janus القياسي.

يقيس الشعاع الخامس الحركات الرأسية مباشرة ، وهو مثالي لدراسات الموجات الداخلية أو هجرة ثنائيات العوالق الحيوانية.

يقوم كبل ADCP من 150 كيلو هرتز عن بعد بتبديل تيارات المياه من عمق المنصة إلى سطح البحر. وبالتالي فإنه يوفر التسلسل الزمني لتدفق الخلفية داخل عمود الماء 200 م الذي تم اختباره من قبل جراب العلوم الوشيدة.

كل يوم ، يتم نشر جراب العلم من خلال 9 دورات من عمق 200 متر إلى أسفل سطح البحر. يحمل الجراب تسعة أجهزة منفردة. وبفضل عمل الرافعة ، تسجل هذه الأجهزة ملامح عالية الدقة من خلال المحيط العلوي لخصائص الماء الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية. تتوفر القيادة والتحكم التفاعليان من الشاطئ عندما يتم قياس ميزات مثيرة للاهتمام ، مثل عبور طبقة رقيقة غنية بيولوجياً. منذ أواخر صيف 2015 ، جعل كل مستودع من أجهزة العلوم أكثر من 7000 دورة.

تشتمل مجموعة البيانات المركبة SPM على 18 أداة - منصة وقاعدة. يرون مجموعة واسعة من خصائص المياه. بالإضافة إلى ذلك ، تتميز قياساتها المتزامنة بدقة عالية في الزمان والمكان. تتصل SPMs وأجهزتها (بما في ذلك جراب العلوم) بشبكة كابلات الألياف البصرية. كل SPM لديها عرض النطاق الترددي 1 جيجابت في الثانية والطاقة 3000 واط. ونتيجة لذلك ، تتوفر البيانات المباشرة على الإنترنت من أجهزة الاستشعار الموجودة على منصات إدارة الأداء الاستراتيجي وأكوام العلوم الوشيكة.

حزم التجربة القاعية

ADCPs هي أيضا على متن زوجين من بحزم التجربة القاعية (BEP) المثبتة على خط نيوبورت. وهو يمتد من المياه الضحلة إلى المياه العميقة قبالة ولاية أوريغون. يقع الموقع الخارجي العميق (1 درجة مئوية) على عمق 600 متر على المنحدر القاري ، في حين يقع موقع الشاطئ الأدنى (1D) على ارتفاع 80 مترًا على الجرف القاري.

سيتم استخدام بيانات ADCP هذه لفحص أسئلة علمية واسعة النطاق. وتشمل الأمثلة تدفق التيارات على الرف وأحداث نقص الأكسجة. في كل حالة ، يتم تحديد تردد ADCP لتوصيف عمود الماء الكامل. وهكذا يجلس الحارس الطويل الذي يبلغ 75 كيلوهرتز في الموقع العميق ، في حين يقع الحارس الحديدي 300 كيلو هرتز في الموقع الساحلي.

في إطار مقاوم للخطورة ، يلعب BEP دورًا مزدوجًا. هو تصاعد ل ADCP وعدة أجهزة استشعار أصغر. كما تحتوي أيضًا على بنية تحتية للقدرة / comms تربط هذه الأجهزة بالشبكة المتسلسلة. تقيس أجهزة الاستشعار التوقيعات الكيميائية في المحيط: الحموضة (pH) وثاني أكسيد الكربون والملوحة وتركيز الأكسجين. تحقيقات في مكان قريب تعالج فيزياء الطبقة الحدودية السفلى. كذلك ، يجلس الهيدرو outsideر خارج الإطار ليكون بمثابة أذن قاعية.

صفيف صك قاع البحر

تسمح دراسة صفائف صخور الكومابل (SIA) بعمليات قاع البحر والقاع. وتشمل الأمثلة المد والجزر الداخلي وإطلاق غاز الميثان من قاع البحر إلى المحيط.

هناك ثلاثة من هذه الصفائف (المواقع 1A ، 1B ، 3A). هم أيضا يحملون مجموعة من الأدوات. تم تجهيز اثنين من SIAs ، نشر على عمق 3 كم (1A ، 3A) ، مع ADCPs ربع كيلو هرتز 150 كيلوهرتز. هذه المواقع مشتركة مع SPMs ؛ في مكان قريب مرساة الساحب الزاحف. يحمل SIA (1B) الثالث ، على المنحدر القاري على ارتفاع 800 متر ، ناقل طوله 75 كيلوهرتز.

يمكنك أن ترى في الشكل أن ADCP يجلس فوق صندوق التوصيل لشبكة الطاقة / comms. ونظرًا للارتباط المتصل بالشبكة ، فإن بيانات ADCP هذه متوفرة في الوقت الفعلي تقريبًا ولمدة طويلة - سنتان حتى الآن. وقد أدى ذلك إلى الاستخدام المبتكر لبيانات ADCP.

أحد الأمثلة على ذلك هو دراسة جيولوجية حيوية في سلسلة هيدرات ريدج (1B). يستخدم علماء الجيولوجيا البحرية في جامعة واشنطن الأصداء الصوتية العائدة لبروتوكول ADCP لرؤية أعمدة فقاعات الميثان.

تتسرب الأعمدة من رواسب هيدرات الغاز في قاع البحر. هيدرات الغاز هي عبارة عن شكل صلب يشبه ثلج يحتوي على جزيئات الميثان.

هذه الرواسب تدعم المجتمعات البيولوجية في الرواسب وداخلها. تعرض ملفات تعريف ADCP أعمدة الفقاعة عبر جزء كبير من عمود الماء. إحدى الفرضيات هي أن هذه الأعمدة المتصاعدة من الميثان يمكن أن تعزز الإنتاجية البيولوجية في المحيط.

يتطلع

من المرتقب تشغيل مرصد OOI لمدة 25 سنة. وبفضل البنية التحتية الفريدة للطاقة / comms ، ستسمح هذه المجموعة الشبكية بالمراقبة التفاعلية للمواقع المتنوعة للمحيط - من أعالي المحيط إلى أعماق القاع. إن قدرة أخذ العينات عن بعد من ADCPs المنتشرة في جميع أنحاء المصفوفة ستمتد من وصول المراقبين عبر عمود الماء. وبفضل اتصال الألياف البصرية بالإنترنت ، ستكون هذه البيانات متاحة في الوقت الفعلي تقريبًا لمجتمع عالمي من المستخدمين.

المؤلف

بيتر إسبانيا دكتوراه ، Teledyne RD Instruments

(كما نشر في طبعة مارس 2018 من مراسل التكنولوجيا البحرية )

العلوم البحرية, المعدات البحرية, تقنية, مراقبة المحيطات الاقسام