О б р а т н а я с в я з ь
Заказать обратный звонок
Имя*
Телефон*
Комментарий
(044) 390-71-26 (044) 495-28-29

Долгосрочные измерения важнейших океанских течений

ADCP компании Teledyne RDI позволяют получать бесценные временные ряды для исследований океана

 

Используемое оборудование: Автономные ADCP

Цель: Долгосрочные наблюдение океанских течений

Исполнители: Коллектив исследователей сервисных компаний государственных агенств

Расположение: Сан-Диего, Калифорния

 

Краткий обзор

Постоянно выполняемые измерения с высоким разрешением предоставляют важную информацию об океане и о процессах, происходящих в нем. Эти длинные временные ряды дают никальную возможность прояснить состояние океана и работу морской системы.

Постоянные наблюдения могут обеспечить исключительную ценность для улучшения компьютерных моделей для количественной оценки тенденций изменения климата и для определения основных влияний в биогеохимии океана. Кроме того, прогресс в новых областях исследований, таких как физико-биологические взаимодействия и арктические исследования, будет зависеть от длительных измерений с высоким разрешением.

Сильные течения перемещают из низких широт большие объемы теплой воды к полюсам, перераспределяя тепло для климатической системы Земли. В более короткие сроки они влияют на региональную и местную погоду. Эти потоки переносят организмы, питательные вещества, химические вещества, мусор и загрязняющие вещества, которые влияют на жизнь моря и вдоль береговой линии. Также сильные течения наносят ущерб морской торговле, влияя на время прохождения судов.

Важнейшие океанические течения были изучены для измерения их структуры, транспорта, течений и, в последнее время, их сезонных и долгосрочных изменений.

Измерение этих течений было сложной задачей. Чтобы охватить их протяженность, измерения должны достигать предельной глубины. Для разрешения изменений во времени измерения должны быть непрерывными. И чтобы продолжить работу, непрерывные методы измерения должны противостоять энергии этих мощных течений. Например, поверхностные дрейфующие буи, поплавки и глайдеры быстро сносятся сильными поверхностными течениями океана.

Исследователи, проводящие длительные измерения важных течений, полагаются на надежные заякоренные буйковые станции. А для измерения сильных течений в верхних слоях океана эти заякоренные буйковые станции несут ADCP компании Teledyne RDI.

 

Зарождение

Почти 60 лет назад в Океанографическом институте Вудс-Хоула (WHOI) Уильям С. Ричардсон открыл современную эру измерения океанских течений. Для изучения глубоководных течений, в частности, Гольфстрима, он определил и изобрел два основных инструмента: регистратор измерителя скорости течения и автономные заякоренные буйковые станции. Цель Ричардсона при выполнении заякоривания состояла в том, чтобы подвесить измерители течения на разных глубинах. Измерители будут записывать длинные временные ряды потоков одновременно. Для изучения течений на больших территориях Ричардсон развернул несколько заякоренных систем.

Буйковая группа специалистов WHOI разработала эту реальность. Их впечатляющие результаты были тяжело выиграны в суровой и неумолимой среде глубокого моря: https://www.whoi.edu/multimedia/i-50-years-of-thewhoi-buoy-group/.

Попутно одной из ключевых проблем была потеря крепления. Главным виновником была большая сила сопротивления, вызываемая сильными течениями. На графике ниже показан разрез Гольфстрима в верхних 2000 м. Скорости направлены вдоль течения. Обратите внимание на экстремальные скорости течения в верхней части океана и большие пространственные градиенты.

   
  Уильям Ричардсон,
инициатор создания буйковой группы WHOI
  Течения Гольфстрима и тепловая структура.
Расстояние: км, скорость: см/с

 

Для точной регистрации потоков измерители должны удерживаться в одном и том же пространственном положении. Поэтому трос заякоренной ADCP должен быть натянутым. Для этого к заякоренной ADCP добавляется существенная плавучесть. Тем не менее, эти элементы плавучести неизбежно увеличивают силы сопротивления, создаваемые сильными течениями.

Помимо сноса заякоренных станций, сильные силы сопротивления приводили к тому, что троса от мёртвого якоря обрывались. Последние удерживали буй с инструментами и элементами заякорения на больших вертикальных отклонениях: 300-500 м выше якоря буйковой станции.

Эти отклонения затрудняли интерпретацию измерений. Хуже того, буйковая станция может затонуть, когда линейная плавучесть будет подавлена высоким давлением на незапланированных глубинах.

 

Заякорененные ADCP

К середине 1980-х годов конструкции заякоренных буйковых станций и измерителей скорости течений существенно изменились. Снижение сопротивления заякоренных буйковых станций было основной целью проектирования, чтобы уменьшить потери. Основные течения имеют сильные приповерхностные скорости. Учитывая, что сопротивление увеличивается пропорционально квадрату скорости, были разработаны заякоренные буйковые станции, которые были ограничены нижним горизонтом установки. Многие были увенчаны большими сферическими буями, которые обеспечивают ту же плавучесть при меньшем сопротивлении, чем их меньшие варианты.

ADCP предоставили новое решение для измерения сильных течений верхней части океана. Среди других преимуществ, включая обработку данных на борту, ADCP могут измерять потоки воды дистанционно, посылая звуковые волны. Эхо-сигналы, генерируемые последовательно вдоль пути звуковых волн, сообщают о скоростях водных потоков на расстоянии от ADCP.

Ученые поняли, что ADCP, смотрящий вверх, можно использовать для измерения сильных поверхностных течений при развертывании станции в более медленных водах ниже. Такое размещение помогло уменьшить сопротивление заякоренных буйковых станций, но в то же время позволило выполнить жизненно важные измерения в верхней части океана. С этой целью ADCP были установлены внутри больших плавающих заякоренных буев. Пионерами этого подхода были Фридрих Шотт и Уильям Джонс (университет Майами), которые применили его в Гольфстриме и в Сомалийском течении (у Восточной Африки).

Заякоренный ADCP записывает временные ряды профилей скорости через толщу воды в одном месте. Аналогичным образом, несколько заякоренных ADCP могут собирать такую информацию о сильных течениях в пространственном масштабе. Фактически, массивы ADCP предоставляют уникальное решение для измерения узких, глубоких и энергичных течений, таких как те, что обнаружены у восточных берегов континентов.

 

Временный ряд долгосрочных наблюдений океана

За последние два десятилетия в Атлантическом океане было установлено несколько трансокеанских наблюдательных поперечников. Эти долгосрочные поперечники дают толчок к лучшему пониманию изменений в Атлантической меридиональной перемешивающей циркуляции (AMOC), которая представляет собой большую систему океанских течений, которые переносят теплую воду из тропиков на север в Северную Атлантику). Теоретические и компьютерные модели связывают изменчивость AMOC с выраженными и широко распространенными изменениями условий окружающей среды: от изменения температуры и уровня моря до изменения интенсивности штормов, осадков и засух. Измерения косвенного потока могут быть надежно рассчитаны на основе гидрографических данных внутри океана. Однако на западном краю этих трансокеанских поперечников динамический баланс сил более сложен. Необходимы постоянные измерения потока.

   
ADCP Teledyne RDI, установленный в верхней части
заякоряемого буя ASCA
  Заякоренные ADCP для контроля переноса в Атлантике   Заякоренные станции вдоль части участка OSNAP
сечение около 60N;
глубина: м, расстояние: км

 

Эти поперечники включают в себя заякоренные ADCP, где сильные узкие течения могут внести ключевой вклад в общий перенос. В некоторых поперечниках также добавлены постоянные измерения потока, когда крутые изменения морского дна могут управлять течениями, такими как Срединно-Атлантический хребет.

Некоторые из этих трансокеанских поперечников (16N, 26,5N) существовали в течение длительных периодов времени. Неожиданные результаты включали значительные краткосрочные изменения в переносе AMOC и сильный сезонный сигнал. Это указывало на необходимость постоянного мониторинга. Кроме того, низкая согласованность между севером и югом между колебаниями переноса AMOC на этих участках мотивировала другие трансокеанские линии.

Впечатляющим недавним дополнением являюся результаты OSNAP (Перемешивание в рамках приполярной североатлантической программы) около 60N, которые включают в себя множество заякоренных буйковых станций, многие из которых имеют ADCP Teledyne RDI. (смотрите рисунок выше)

Измерение устойчивых временных рядов в океане подкрепляет усилия по прояснению долгосрочных изменений в глобальной окружающей среде. Несмотря на то, что для крупномасштабного сбора данных необходимо сочетание методов, заякоренные ADCP Teledyne RDI, развернутые в важнейших океанских течениях, являются важным компонентом.