Постійно виконувані вимірювання з високою розподільною здатністю надають важливу інформацію про океан і про процеси, які в ньому відбуваються. Ці тривалі часові ряди дають унікальну можливість прояснити стан океану і роботу морської системи.
Постійні спостереження можуть забезпеити виключну цінність для покращення компютерних моделей для кількісної оцінки тенденцій зміни клімату і для визначення основних впливів в біогеохімії океану. Крім того, прогрес в нових областях досліджень, таких як фізико-біологічні взаємодії і арктичні дослідженняния, буде залежати від тривалих вимірювань з високою розподільною здатністю.
Сильні течії перемещають з низьких широт великі об'єми теплої води до полюсів, перерозподфляючи тепло для кліматичної системи Землі. В більш короткі терміни вони впливають на регіональну і місцеву погоду. Ці потоки переносять організми, живильні речовини, хімічні речовини, сміття і забруднюючя речовини, котрі вплияють на життя моря і вздовж берегової лінії. Також сильні течії наносять збиток морській торгівлі, впливаючи на час проходження суден.
Найважливіші океанічні течії були вивчені для вимірювання їх структури, транспорта, течій і, в останній час, їх сезонних і довготривалих змін.
Вимірювання цих течій було складною задачею. Щоб охопити їх протяжність, вимірювання мають досягати граничної глибини. Для розподільної здатності в часі вимірювання мають бути безперервними. І щоб продовжити роботу, безперервні методи вимірювання мають протистояти енергії цих потужних течій. Наприклад, поверхневі дрейфуючі буї, поплавки і глайдери швидко зносяться сильними поверхневими течіями океану.
Дослідники, що проводять тривалі вимірювання важливих течій, спираються на надійні заякорені буйкові станції. А для вимірювання сильних теченій у верхніх шарах океану ці заякоренні буйкові станції несуть ADCP компанії Teledyne RDI.
Зародження
Майже 60 років тому в Океанографічному інституті Вудс-Хоула (WHOI) Вільям С. Річардсон відкрив сучасну еру вимірювань океанських течій. Для вивчення глибоководних течій, а зокрема, Гольфстріма, він визначив і винайшов два основних інструмента: регістратор вимірювача швидкості течії і автономні заякорені буйкові станції. Ціль Річардсона при виконання заякоріння заключалась в тому, щоб підвісити вимірювачі течій на різних глибинах. Вимірювачі будуть записувати тривалі часові ряди потоків одночасно. Для вивчення течій на великих територіях Річардсон розгорнув декілька заякорених систем.
Буйкова група спеціалістів WHOI розробила цю реальність. Їх вражаючі результаты були важко вграні в суворому і невблаганному середовищі глибокого моря: https://www.whoi.edu/multimedia/i-50-years-of-thewhoi-buoy-group/.
Попутно однією з ключових проблем була втрата кріплення. Головним винуватцем була велика сила спротиву, визвана сильними течіями. На графіку нижче показаний розріз Гольфстріма у верхніх 2000 м. Швидкості направлені вздовж течії. Зверніть увагу на екстримальні швидкості течії у верхній частині океану і великі просторові градієнти.
 |
 |
||
| Вільям Річардсон, ініціатор створення буйкової групи WHOI |
Течії Гольфстріма і теплова структура. Відстань: км, швидкість: см/с |
Для точної регістрації потоків вимірювачі мають утримуватись в одному і тому ж просторовому положенні. Тому трос заякореної ADCP повинен бутиь натягнутим. Для цього до заякореної ADCP додається суттєва плавучість. Тим не менш, ці елементи плавучості неминуче збільшують сили спротиву, створювані сильними течіями.
Крім зносу заякорених станцій, сильні сили спротиву приводили до того, що троса від мертвого якоря обривались. Останні утримували буй з інструментами і елементами заякорення на великих вертикальних відхиленнях: 300-500 м вище якоря буйкової станції.
Ці відхилення ускладнювали інтерпретацію вимірювань. Гірше того, буйкова станція може затонути, коли лінійна плавучість буде подавлена високим тиском на незапланованих глибинах.
Заякорені ADCP
До середини 1980-х років конструкції заякорених буйкових станцій і вимірювачів швидкості течій суттєво змінились. Зниження спротиву заякорених буйкових станцій було основной метою проектування, щоб зменшити втрати. Основні течії мають сильні приповерхневі швидкості. Враховуючи, що спротив збільшується пропорціонально квадрату швидкості, були розроблені заякорені буйкові станції, які були обмежені нижнім горизонтом встановлення. Багато було увінчано великими сферичними буями, які забезпечують ту ж плавучість при меншому спротиві, чім їх менші варіанти.
ADCP надали нове рішення для вимірювання сильних течій верхньої частини океану. Серед інших переваг, включно з обробкою даних на борту, ADCP можуть вимірювати потоки води дистанційно, посилаючи звукові хвилі. Ехо-сигнали, що генеруються послідовно вздовж шляху звукових хвиль, повдомляють про швидкості водних потоків на відстанях від ADCP.
Вчені зрозуміли, що ADCP, спостерігаючий вверх, можна використовувати для вимірювання сильних поверхневих течій при розгортанні станції в більш повільних водах нижче. Таке розташування допомогло зменшити спротив заякорених буйкових станцій, але в той же час дозволило виконати життєво важливі вимірювання у верхній частині океану. З цією метою ADCP були встановлені всередині великих плаваючих заякорених буїв. Піонерами цього підходу були Фрідріх Шотт і Вільям Джонс (університет Майамі), які застосували його в Гольфстримі і в Сомалійській течії (поблизу Східної Африки).
Заякорений ADCP записує часові ряди профілів швидкості через товщу води в одному месті. Аналогічнмм чином, декілька заякорених ADCP можуть збирати таку інформацію про сильні течії в просторовому масштабі. Фактично, масиви ADCP надають унікальне рішення для вимірювання вузьких, глибоких і енергічних течій, таких як ті, що виявлені поблизу східних берегів континентів.
Часовий ряд довготривалих спостережень океану
За останні два десятиліття в Атлантичному океані було встановлено декілька трансокеанських спостережних поперечників. Ці довготривалі поперечники дають поштовх до кращого розуміння змін в Атлантичній меридіональній перемішуючій циркуляції (AMOC), яка являє собою велику систему океанських течій, котрі переносять теплу воду з тропіків на північ в Північну Атлантику). Теоретичні і компьютерні моделі звязують мінливість AMOC з вираженими і широко розповсюдженими змінами умов оточуючого середовища: від змін температури і рівня моря до змін інтенсивності штормів, осадків і засух. Вимірюваня дотичного потоку можуть бути надійно розраховані на основі гідрографічних даних всередині океану. Однак на західному краю цих трансокеанських поперечників динамічний баланс сил більш складний. Необхідні постійні вимірювання потоку.
 |
 |
 |
||
| ADCP Teledyne RDI, встановлений у верхній частині заякореного буя ASCA |
Заякоренні ADCP для контролю переноса в Атлантиці | Заякорені станції вздовж частини ділянки OSNAP перетин близько 60N; глибина: м, відстань: км |
Ці поперечники включають в себе заякорені ADCP, де сильні вузькі течії можуть внести ключовий вклад в загальний перенос. В деяких поперечниках також добавлені постійні вимірювання потоку, коли круті зміни морського дна можуть керувати течіями, такими як Срединно-Атлантичний хребет.
Деякі з цих трансокеанських поперечників (16N, 26,5N) існували протягом тривалих періодів часу. Несподівані результати включали значні короткотермінові зміни в переносі AMOC і сильний сезонний сигнал. Це показувало на необхідність постійного моніторингу. Крім того, низька погодженність між північчю і півднем між коливаннями переносу AMOC на цих ділянках мотивувала ігші трансокеанські лінії.
Вражаючим недавнім додатком є результати OSNAP (Перемішування в рамках приполярної північноатлантичної програми) близько 60N, котрі включають в себе множину заякорених буйкових станцій, багато з яких мають ADCP Teledyne RDI. (дивіться малюнок вище)
Вимірювання стійких часових рядів в океані підкріплює зусилля по виясненню довготривалих змін в глобальному оточуючому середовищі. Не дивлячись на те, що для великосмасштабного збору даних необхідно поєднання методів, заякорені ADCP Teledyne RDI, розгорнуті в найважливіших океанських течіях, є важливим компонентом.
