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

Два десятилетия южного океанского рок-н-ролла

Ледоколы с помощью ADCP непрерывно измеряют скорости течений
в поперечных разрезах пересекая пролив Дрейка

 

Используемое оборудование: Установленные на судне ADCP: 38, 150 кГц

Цель: Долгосрочные исследования важнейших океанских течений

Название проекта: Определение структуры и устойчивых изменений в антарктическом циркумполярном течении

Исполнители: Национальный научный фонд США (NSF), Институт океанографии имени Скриппса (США) и Гавайский университет в рамках Полярных программ.

Время сбора данных: С 1999 и по настоящее время

Расположение: Пролив Дрейка, Южный ледовитый океан

 

 

ОБЗОР

Несмотря на свое отдаленное расположение в высоких австралийских широтах, Южный ледовитый океан (южные части Тихого, Атлантического и Индийского океанов, окружающие Антарктиду) оказывает далеко идущее влияние на климат Земли и глобальную циркуляцию океана. Недавние исследования климата прояснили роль Южного ледовитого океана в поглощении большого количества CO2 и тепла, которые в противном случае могли бы находиться в атмосфере.

Океанографические исследования выявили широкое интенсивное смешивание и значительное поглощение энергии ветра, что подчеркивает важность региона для глобальной перемешивающей циркуляции. Кроме того, Южный ледовитый океан является чувствительным индикатором реакции глобального океана на изменение климата, особенно при смене ветров и потеплении.

В Южном ледовитом океане циркулируют глубокие и сильные океанские течения. Этот влиятельный поток, известный как Антарктическое циркумполярное течение, соединяет все три основных океана. Самым узким из них является пролив Дрейка - место, известное своими сложными морями. Несмотря на трудности плавания, пролив Дрейка видел несколько длительных научно-исследовательских экспедиций американских, британских и французских исследователей. В течение двух десятилетий акустические доплеровские профилографы скорости течения (ADCP), установленные на американских судах снабжения в Антарктике, постоянно выполняли измерения течения во время пересечения пролива Дрейка.

Верхние океанические течения в проливе Дрейка запускают различные механизмы. Повторяемость измерений (воспроизводимость) и глубина ADCP поперечников (поперечных сечений при профилировании) полезны для сортировки различных типов водных потоков. Эти ADCP поперечники с хорошим разрешением были использованы для изучения особенностей Антарктического циркумполярного течения и его энергетического вихревого поля. За этими исследованиями последовал ряд научных работ, в которых были описаны пространственное распределение и вертикальная структура течений и планктона, а также исследования динамических свойств потоков.

 

СИТУАЦИЯ

С 1999 года два судна снабжения Антарктической программы США повторяли ADCP поперечники, пересекая пролив Дрейка примерно два раза в месяц. Так как корабли движутся со скоростью 5 м/с, то каждый переход через пролив Дрейка занимает около двух дней.

Полярные программы NSF обеспечили непрерывное финансирование этой программы. Исследователи из Института океанографии Скриппса и Гавайского университета провели эту работу, измеряя устойчивые изменения скорости, переноса тепла и распределения преобладающих течений.

Первоначально ADCP (150 кГц), позволяющий выполнять профилирование течения на глубину до 300 м, был смонтирован на корпусе судна. Пять лет спустя был добавлен второй ADCP с частотой 38 кГц, что позволило достичь глубины профилирования 1000 м. Две частоты предоставляют дополнительные возможности выбора диапазона/разрешения, при этом наборы данных имеют вертикальное разрешение 8 м и 24 м соответственно. Уникальные характеристики этих установок включали погружение ADCP в незамерзающие растворы (антифриз) и их физическую защиту во время ледокольных работ.

В различных научных исследованиях эти ADCP поперечники использовались для изучения особенностей Южного ледовитого океана, в частности Антарктического циркумполярного течения. В большинстве работ рассматривались водные потоки. Два отчета были посвящены данным об интенсивности эхо-сигналов ADCP, а также описанию закономерности распределения планктона, особенно в приповерхностном рассеивающем слое.

Отделяя Антарктиду от Южной Америки, пролив Дрейка сужает поток до ширины 800 км. Дальше вверх по течению многие фронтальные нити (отдельные струевые потоки) обозначают границы между различными водными массами. В проливе Дрейка эти нити сходятся на три преобладающих фронта: Субантарктический фронт (SAF), Полярный фронт (PF) и фронт Южно-антарктического циркумполярного течения (SACCF).

Эти фронтальные области отличаются явными изменениями в свойствах воды и сильными узкими течениями, называемыми «струями». Поле потока обогащается движениями из-за вихрей, фронтального меандрирования (изгибания) и сильных ветров. Наблюдается некоторая зональность; например, вихревая энергия больше к северу от Полярного фронта.

 

ОСОБЕННОСТИ:

  • В течение двух десятилетий два американских антарктических ледокола выполняли повторные измерения ADCP сечений через пролив Дрейка;
  • Ученые хотят описать любые устойчивые изменения в Антарктическом циркумполярном течении;
  • Двухчастотные ADCP предлагают дополнительные возможности выбора диапазона/разрешения;
  • Помимо циркумполярных течений, существуют движения из-за вихрей, фронтального меандрирования и сильных ветров.
 
На ледокольных кораблях американской антарктической программы
были установлены ADCP компании Teledyne RDI
  Географическое расположение многолетних
повторных ADCP поперечников в проливе Дрейка.
Эта эмблема программы идентифицирует американское
антарктическое судно снабжения R/V L.M. Gould.

 


РЕШЕНИЕ

С середины 1980-х годов установленные на исследовательских судах ADCP позволили получить новое двухмерное изображение течений в верхнем части океана: вдоль движения и по глубине. Два различных типа измерений объединяются для наблюдения за происходящим течением с корабля. Первый - это кажущаяся скорость воды, если смотреть с движущегося корабля; второй - скорость движения корабля относительно земли (дна). Вдали от прибрежных районов GPS или GNSS приемники обычно позволяют получать последнюю.

За два десятилетия научная ценность этого типа данных была повышена благодаря двум технологическим усовершенствованиям: появление GPS приемников с расширенными возможностями, которые более точно регистрировали курс судна; и гораздо более глубокое профилирование, обеспечиваемое ADCP с фазированной антенной решеткой компании Teledyne RDI, которые работают на гораздо более низких частотах.

Исследователи из Гавайского университета и других учреждений разработали лучшие практики для получения высококачественных ADCP поперечников (https://goo.gl/zxB5Pk). Они также улучшили понимание влияния окружающей среды на вертикальный охват корабельных ADCP.

Точное отображение скорости глубоких океанских течений с корабля, движущегося со скоростью более 3 м/с, является сложной задачей. Это требует, чтобы корабельные ADCP работали на низкой частоте и имели узкие акустические лучи. В результате этого были собраны трансдьюсерные системы, которые имели большие размеры.

Компания Teledyne RDI разработала более компактную конструкцию с фазированной решеткой. Система излучает четыре узких звуковых луча от одной излучающей поверхности трансьюсера. Это улучшение сделало возможным установку на судах ADCP с 38 кГц. В свою очередь, эта частота предоставила возможность выполнять профилирование течений до глубин 1000 м.

Наблюдаемый диапазон профилирования может варьироваться в зависимости от условий акустического обратного рассеяния. Самый глубокий диапазон профилирования, зарегистрированный для ADCP компании Teledyne RDI, составляет 1600 м.

Несколько недавних дополнений к американскому исследовательскому флоту несут ADCP с фазированной решеткой 38 кГц, включая суда Neil Armstrong и Sally Ride. Возможность профилирования до глубины более 1000 м, позволила этим ADCP получить некоторые впечатляющие поперечные сечения. В одном рейсе по Гольфстриму были записаны подробные поперечники этого широко известного глубоководного течения, в который один поток течет в противоположном направлении относительно вышележащих вод.

 

 

КОРАБЕЛЬНЫЕ ADCP

  • Корабельные ADCP позволяют получить подробные схемы циркуляции систем течений;
  • Они также предоставляют данные в реальном времени, чтобы помочь принятию решений и адаптации полевых операций;
  • Точное картографирование глубоких течений с быстро движущегося корабля требует наличия низкочастотной акустики и узких лучей;
  • Самый глубокий диапазон профилирования, зарегистрированный для ADCP компании Teledyne RDI, составил 1600 м.
  • Недавние пополнения в американском научно-исследовательском флоте несут ADCP с фазированной решеткой 38 кГц

 

РЕЗУЛЬТАТЫ

Измерения в течение длинного времени в океанографии редки, так как сбор данных и финансирование затруднены. Тем не менее, такие серии ценятся за оценку того, как океан реагирует на изменение климата. Отличительной особенностью ADCP поперечников в проливе Дрейка является их 20-летняя продолжительность. Другими отличиями являются их высокое пространственное разрешение (5 км), глубина (1000 м) и точность (1 см/с).

 
ADCP с фазированной решеткой (38 кГц) компании Teledyne RDI,
установленный на американском антарктическом ледоколе R/V Palmer.
  Средние течения выше 300 м в проливе Дрейка.
Обработка объединенных данных ADCP из более чем
250 поперечников, охватывающих десяток лет.
Серыми линиями показаны фронтальные зоны.

 

Под руководством доктора Терезы Черескин ученые Института океанографии им. Скриппса использовали ADCP поперечники для изучения динамических особенностей. Одним из них было постоянная структура Антарктического циркумполярного течения. Исследуя вертикальную структуру верхнего километра, исследователи определили отличительные особенности поля течений.

Например, уровни энергии вихревых движений показали заметные изменения в глубине, тогда как средние условия потока не сделали. На самом деле скорость до 20 см/с сохранялась на глубине одного километра.

Доминирующее вертикальное направление распространения энергии переключалось между верхней частью океана и большими глубинами. Это согласуется с источниками внутренних волн: штормы на поверхности и подводные хребты на глубине.

Из-за четко определенной пространственной структуры в ADCP поперечниках ученые могли надежно количественно оценить фронтальные области и энергетические вихревые поля. В частности, скорости потоков узких фронтальных струй кажутся более точными, чем размытыми, а малошумные области вблизи фронтальных струй не обнаруживаются.

Долговечность программы ADCP позволяет проводить более надежные статистические расчеты и дает более ощутимые результаты. Один из них заключался в различении характеристик среднего слоя Экмана и связанного с ним теплового потока. Эти особенности, как правило, скрыты в средних широтах океана.

Было видно, что вихри вызывают сходимость скорости движения, которая усиливает фронтальные зоны. И, объединив данные ADCP с профилями температуры от XBT (батитермограф одноразового использования), ученые обнаружили большой тепловой поток в направлении полюса в приповерхностном слое.

С ростом научного интереса к Южному ледовитому океану стабильные ADCP поперечники в проливе Дрейка, вероятно, будут привлекать больше внимания.