З в о р о т н і й д з в і н о к
Запросити зворотній дзвінок
Ім'я*
Телефон*
Коментар
(044) 390-71-26 (044) 495-28-29

Два десятиліття південно океанського рок-н-ролу

Льодоколи з допомогою ADCP безперервно вимірюють швидкості течій
в поперечних перерізах перетинаючи пролив Дрейка

Використовуване обладнання: Встановлені на судні ADCP: 38, 150 кГц

Ціль: Довготермінові дослідження найважливіжих океанських течій

Назва проекта: Визначення структури і стійких змін в антарктичній циркумполярній течії

Виконавці: Національний науковий фонд США (NSF), Інститут океанографії імені Скріппса (США) і Гавайський університет в рамках Полярних програм.

Час збору даних: З 1999 і по тепершній час

Розміщення: Пролив Дрейка, Південнйи льодовитий океан

 

ОГЛЯД

Не дивлячись на своє віддалене розміщення у високих австралійських широтах, Південний льодовитий океан (південні частини Тихого, Атлантичного і Індийського океанів, оточуючі Антарктиду) надає далеко, що йде вплив на клімат Землі і глобальну циркуляцію океана. Недавні дослідження клімата прояснили роль Південного льодовитого океану в поглинанні великої кількості CO2 і тепла, які в протилежному випадку могли б знаходиться в атмосфері.

Океанографічні дослідження виявили широке інтенсивне змішування і значне поглинання енергії вітру, що підкреслює важливість регіону для глобальної перемішуваючої циркуляції. Кріме того, Південний льодовитий океан є чутливим індикатором реакції глобального океану на зміни клімата, особливо при зміні вітрів і потеплінні.

В Південному льодовитому океані циркулують глибокі і сильні океанські течії. Цей впливовий потік, відомий як Антарктична циркумполярна течія, з'єднує всі три основних океана. Самим вузьким з них є пролив Дрейка - місце, відоме своїми складними морями. Недивлячись на труднощі плавання, пролив Дрейка бачив декілька тривалих науково-дослідних експедицій американських, британських і французських дослідників. Протягом двох десятилітть ADCP, встановлені на американських суднах постачання в Антарктиці, постійно виконували вимірювання течій під час перетинаня проливу Дрейка.

Верхні океанічні течії в проливі Дрейка запускають різні механізми. Повторюваність вимірювань (відтворюваність) і глубина ADCP поперечників (поперечних перетинів при профілюванні) корисні для сортування різних типів водних потоків. Ці ADCP поперечники з доброю розподільною здатністю були використані для вивчення особливостей Антарктичної циркумполярної течії і її енергетичного вихрьового поля. За цими дослідженнями пішов ряд наукових робіт, в яких були описані просторове розподілення і вертикальна структура течії і планктона, а також дослідження динамічних властивостей потоків.

 

СИТУАЦІЯ

З 1999 року два судна постачання Антарктичної програми США повторяли ADCP поперечники, перетинаючи пролив Дрейка приблизно два рази в місяц. Так як кораблі рухаються зі швидкістю 5 м/с, то кожний перехід через пролив Дрейка займає близько двох днів.

Полярні програми NSF забезпечили безперервне фінансування цієї програми. Дослідники з Інституту океанографії Скріппса і Гавайського університету провели цю роботу, вимірюючи стійкі зміни швидкості, переноса тепла і розподілу переважаючих течій.

Спочатку ADCP (150 кГц), що може виконувати профілювання течії на глибину до 300 м, було змонтовано на корпусі судна. Пять років потому було добавлено другий ADCP з частотою 38 кГц, що дозволило досягнути глибини профілювання 1000 м. Дві частоти надають додаткові можливості вибору діапазону/розподільної здатності, при цьому набори даних мають вертикальну розподільну здатність 8 м і 24 м відповідно. Унікальні характеристики ціх установок включали занурення ADCP в незамерзаючі розчини (антифриз) і їх фізичий захист під час льодокольних робіт.

В різних наукових дослідженнях ці ADCP поперечники використовувались для вивчення особливолстей Південного льодовитого океану, зокрема Антарктичної циркумполярної течії. В більшості робіт розглядались водні потоки. Два звіти були присвячені даним про інтенсивність ехо-сигналів ADCP, а також опису закономірности розподілення планктону, особливо в приповерхневому розсіючому шарі.

Відділяючи Антарктиду від Південної Америки, пролив Дрейка звужує поток до ширини 800 км. Далі вверх по течії багато фронтальних ниток (окремі струйові потоки) обозначають межі між різними водними масами. В проливі Дрейка ці нитки зходяться на три переважаючих фронти: Субантарктичний фронт (SAF), Полярний фронт (PF) і фронт Південно-антарктичної циркумполярної течеії (SACCF).

Ці фронтальні області відрізняються явними змінами у властивостях води і сильними вузькими течіями, що називаються «струями». Поле потоку збагачується рухами через вихрі, фронтального меандрірування (згибання) і сильних вітрів. Спостерігається деяка зональність; наприклад, вихрьова енергія більше до півночі від Полярного фронта.

 

ОСОБЛИВОСТІ:

  • Протоягом двох десятків років два американських антарктичних льодоколи виконували повторні вимірювання ADCP перерізів через пролив Дрейка;
  • Вчені хочуть описати будь-які стійкі зміни в Антарктичній циркумполярній течії;
  • Двохчастотні ADCP пропонують додаткові можливості вибору діапазону/розподільної здатності;
  • Окрім циркумполярних течій, існують рухи через вихрі, фронтального меандрірування і сильних вітрів.
 
На льодокольних кораблях американської антарктичної програми були встановлені акустичні доплерівські профілографи швидкості течії (ADCP) компанії Teledyne RDI   Географічне розміщення багатолітніх повторних ADCP поперечників в проливі Дрейка.
Ця емблема програми ідентифікує американське антарктичне судно постачання R/V L.M. Gould.

 


РІШЕННЯ

З середини 1980-х років встановлені на дослідницьких судах ADCP дозволили отримати нове двохмірне зображення течій у верхній частині океану: вздовж руху і по по глибині. Два різних типи вимірювань об'єднуються для спостереження за тим, що відбувається з течією з корабля. Перший - це вдавана швидкість води, якщо дивитись з рухомого корабля; другий - швидкість руху корабля відносно землі (дна). Вдалині від прибережних районів GPS або GNSS приймачі звичайно дозволяють отримувати останню швидкість.

За два десятиріччя наукова цінність цього типу даних була підвищена завдяки двом технологічним вдосконаленням: появою GPS приймачів з розширеними можливостями, котрі більш точно регістрували курс судна; і набагато більш глибоке профілювання, що забезпечується ADCP с фазированою антенною решіткою компанії Teledyne RDI, які працюю на набагато більш низьких частотах.

Дослідники з Гавайського університету та інших установ розробили кращі практики для отримання високоякісних ADCP поперечників (https://goo.gl/zxB5Pk).Вони також покращили розуміння впливу оточуючого середовища на вертикальне охоплення корабельних ADCP.

Точне відображення швидкості глибоких океанських течій з корабля, що рухається зі швидкістю більше 3 м/с, є складною задачою. Це потребує, щоб корабельні ADCP працювали на низькій частоті і мали вузькі акустично промені. В результаті цього були зібрані трансдюсерні системи, які мали великі розміри.

Компанія Teledyne RDI розробила більш компактну конструкцію з фазированою решіткою. Система випрмінює чотири вузьких звукових промені від однієї випрмінюючої поверхні трансдюсера. Це покращення зробило можливим встановлення на судах ADCP з 38 кГц. В свою чергу, ця частота надала можливість виконувати профілювання течій до глибин 1000 м.

Спостерігаємий діапазон профілювання може варіюватись в залежності від умов акустичного звіротнього розсіювання. Самий глибокий діапазон профілювання, зарегістрований для ADCP компанії Teledyne RDI, складає 1600 м.

Декілька недавніх доповнень до американського дослідницького флоту несуть ADCP з фазированою решіткою 38 кГц, включаючи судна Neil Armstrong і Sally Ride. Можливість профілювання до глибини більш 1000 м, дозволила цим ADCP отримати деякі вражаючі поперечні розрізи. В одном рейсі по Гольфстріму були записані детальні поперечники цієї широко відомої глибоководної течії, в котрій один потік тече в протилежном напрямку відносно вищележачих вод.

 

 

КОРАБЕЛЬНІ ADCP

  • Корабельні ADCP дозволяють отримувати детальні схеми циркуляції систем течій;
  • Вони також надають дані в реальному часі, щоб допомогти приняттю рішень і адаптації польових операцій;
  • Точне картографуровання глибоких течій з швидко рухаючогося корабля вимагає наявності низькочастотної акустики і вузьких променів;
  • Самий глибокий діапазон профілювання, зарегістрований для ADCP компанії Teledyne RDI, склав 1600 м.
  • Недавні поповнення в американському науково-дослідному флоті несуть ADCP з фазированою решіткою 38 кГц

 

РЕЗУЛЬТАТИ

Вимірювання протягом тривалого часу в океанографії бувають рідко, так як збір даних і финансування ускладнені. Тем не менш, такі серії ціняться за оцінку того, як океан реагує на зміни клімату. Відмінною особливістю ADCP поперечників в проливі Дрейка є їх 20-річна тривалість. Іншими відмінностями є їх висока просторова розподільна здатність (5 км), глибина (1000 м) і точність (1 см/с).

 
ADCP з фазированою решіткою (38 кГц) компанії TeledyneRDI, встановлений на американському антарктичному льодоколі R/V Palmer.   Середні течії вище 300 м в проливі Дрейка.
Обробка об'єднаних даних ADCP з більш чім 250 поперечників, охоплюючих десяток років.
Сірими лініями показані фронтальні зони (див. текст).

 

Під керівництвом доктора Терези Черескін вчеін Інституту океанографії ім. Скріппса використовували ADCP поперечники для вивчення динамічних особливостей. Однією них була постійна структура Антарктичної циркумполярної течії. Досліджуючи вертикальну структуру верхнього кілометра, дослідники визначили відмінні особливості поля течій.

Наприклад, рівні енергії вихрьових рухів показали помітні зміни в глибині, тоді як середні умови потоку не зробили. На справді швидкість до 20 см/с зберігалась на глибині одного кілометра.

Домінуючий вертикальний напрямок розповсюдження енергії переключався між верхньою частиною океану і більшими глибинами. Це погоджуєтьсмя з джерелами внутрішніх хвиль: шторми на поверхні і підводні хребти на глибині.

Через чітко визначену просторову структуру в ADCP поперечниках вчені могли надійно кількісно оцінити фронтальні області і енергетичні вихрьові поля. Зокрема, швидкості потоків вузьких фронтальних струй здаються більш точними, чем размытыми, а малошумные области вблизи фронтальных струй не обнаруживаются.

Довготривалість програми ADCP дозволяє проводити більш надійні статистичні розрахунки і дає більш відчутні результати. Один з них заключався в лся в розрізненні характеристик середнього шару Экманаіи звязаного з ним теплового потоку. Ці особливості, як правило, приховані в середніх широтах океану.

Було видно, що вихрі визивають сходимість швидкості руху, котра підсилює фронтальні зони. І, обєднавши дані ADCP з профілями температури від XBT (батітермограф одноразового використання), вчені виявили великий тепловий потік в напрямку полюса в приповерхневому шарі.

З ростом наукового інтересу до Південного льодовитого океану стабільні ADCP поперечники в проливі Дрейка, ймовірно, будуть притягувати більшу увагу.