по истории и философии науки На тему: “История развития системы получения и моделирования данных об океане” (стр. 3 из 6)

(русифицировать рисунок!!!)

Рис. 1. Подповерхностный измеритель течений, температуры и солености “Арго”. Для всплытия, гидравлическая помпа перекачивает масло из внутреннего резервуара во внешнюю камеру, уменьшая общую плотность измерителя. Для погружения, защелкивающийся клапан открывается, и масло перетекает обратно во внутренний резервуар. Антенна смонтирована в верхней части измерителя [7].

Существует много различных типов измерителей, использующий гидродинамический подход Эйлера и работающих как на судах, так и на якорных станциях.

Якорные станции устанавливаются с судов на время от нескольких месяцев до года и более. Установка и последующий демонтаж оборудования делают эту методику дорогостоящей, поэтому в настоящее время развернуто всего несколько измерителей подобного типа.

Результаты измерений заякоренных датчиков подвержены ошибкам, основными источниками которых являются:

1) Перемещения датчиков, которые для подводных измерителей заметно меньше, чем у датчиков с поверхностным поплавком, в силу чего последние используются редко. (Еще одной причиной непопулярности поплавковых датчиков является частое их попадание в трал рыболовных судов)

2) Рабочий период заякоренных измерителей недостаточно длителен, чтобы корректно оценить среднюю скорость или межгодовую изменчивость скорости.

3) Датчики довольно быстро облепляются морскими организмами, особенно у измерителей, расположенных вблизи от поверхности – в течение нескольких недель и более.

Наиболее распространенным типом измерителей скоростей течений и профилей их параметров, работающих на Эйлеровом принципе, являются акустические измерители. Обычно, такие измерители излучают звук в виде трех или четырех узких пучков в различных направлениях и принимают отраженный планктоном и мелкими пузырьками воздуха сигнал, частота которого сдвинута относительно частоты излучения на величину пропорциональную радиальной скорости отражателя. Комбинируя данные по трем или четырем пучкам, оценивают горизонтальную скорость течения, в предположении малости скорости отражателя относительно морской воды.

Обычно применяются два типа акустических измерителей: ADCP и Доплеровские акустические измерители скорости.

ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) измеряет скорость и направление течений в океане используя эффект который называется “Доплеровским смещением”. Его можно наблюдать при паровозном гудке. Когда поезд приближается, – звук гудка кажется выше, – когда поезд удаляется, – звук гудка, напротив, кажется ниже. Изменения высоты звука пропорциональны скорости поезда. ADCP (Рис. 3.) излучает последовательность высокочастотных звуковых импульсов которые отражаются от движущихся в воде частиц (это может быть планктон или частицы осадочных пород или вообще любая растворённая в воде примесь). В зависимости от того движутся частички по направлению от источника звука или к нему, частота или иными словами высота звука отражённого сигнала, принимаемого ADCP, увеличивается или уменьшается. Частички, движущиеся от инструмента, производят сигнал с меньшей частотой и наоборот. Поскольку частички передвигаются с той же скоростью, что и вода в которой они находятся, сдвиг частоты пропорционален скорости звука. ADCP обладает четырьмя акустическими излучателями, которые излучают и принимают акустические импульсы в четырёх направлениях. Тригонометрические соотношения используются для перевода отражённого сигнала полученного четырьмя излучателями в течения относительно земных координат (север-юг, запад-восток, верх-низ) с помощью встроенного компаса. Поскольку излучаемый звук может проникать на довольно большую глубину, ADCP способен одновременно измерять течения на нескольких горизонтах. Таким образом, имеется возможность определить скорость и направление течения от поверхности до значительной глубины.

Рис. 3. ADCP фирмы Aanderaa без водозащиты (слева), ADCP фирмы RD Instruments, устанавливаемый на дно (справа).

Существует два способа установки ADCP. Излучателями вниз – для проведения измерений от поверхности до глубины до 100 метров, или, если поставить ADCP на буйковую станцию, то от глубины 150 до 250 метров. Излучателями вверх обычно устанавливают заякоренную станцию на дно, где она будет измерять течения от дна до поверхности, или насколько хватит мощности излучения, либо подвешивают на притопленной буйковой станции, чтобы наблюдать поверхностные течения. Если установка произведена излучателями вверх близко к поверхности, то можно измерить движение льда и даже движение ветра над местом постановки (для этого в воздухе должна присутствовать какая-либо примесь, например снег).

На больших научно-исследовательских кораблях ADCP установлен на постоянной основе и находится на днище. Типичный прибор (75 кГц) достаточно мощный, для того чтобы проводить измерения на глубину до 500 метров. Во время работы ADCP посылает и принимает несколько акустических импульсов в секунду. Встроенный компьютер обрабатывает принятый сигнал и выводит скорость и направление течений в столбе воды под кораблём в реальном времени. Таким образом, учёные могут наблюдать меняющуюся структуру океанских течений во время движения корабля практически беспрерывно.

Технология ADCP очень надёжна и система нуждается в минимальном техническом сопровождении.

Доплеровские акустические измерители течений (ADCS) значительно проще ADCP систем. Они излучают непрерывный сигнал и измеряют локальную скорость вблизи самого измерителя, а не профиль скорости на различных расстояниях. Они устанавливаются на заякоренных платформах и, иногда, совмещаются с электронными измерителями температуры, плотности и солености (CTD) и передают данные о скорости как функции времени в течение многих дней и месяцев.

Измерение профилей CTD данных

Измерения солености

Соленость и температура океана оказывают огромное влияние на всю хозяйственную деятельность человека, в качестве примера можно привести Гольфстрим, увеличивающий температуру в Норвегии, относительно регионов на той же широте, на 8-15˚C в зимний период. Несмотря на это до XX-го века измерения этих параметров на регулярной основе не проводилось.

В основном изменения солёности для воды в океане колеблются от 34,60 до 34,80 частей на тысячу (‰), что соответствует 200 частям на миллион. Для классификации воды с разной солёностью необходимы инструменты, способные проводить измерения, с точностью до одной части на миллион. Для сравнения, амплитуда изменений температуры составляет около 1ºС и измерять её гораздо легче. В результате на протяжении прошедшего века термин “солёность” определяли по-разному. Изначально, солёность определяли как “Общее количество растворённого материала в граммах в одном килограмме морской воды”. Это определение не годится, так как растворённый материал на практике измерить почти невозможно. Специальная комиссия Международного Совета по Исследованию Моря в 1902 году рекомендовала понимать солёность как “Общее количество твёрдых веществ в граммах на килограмм морской воды при условии, что все карбонаты переведены в оксиды, бром и йод замещены хлором и всё органическое вещество окислено”. Это определение лучше предыдущего, но им очень сложно пользоваться на практике.

Затем соленость определяли через хлорность, поскольку солёность прямо пропорциональна содержанию хлора в морской воде, а содержание хлора можно точно измерить путём несложного химического анализа. Однако, вскоре выяснилось, что для заранее определенной плотности изменения хлорности составляли до 0,03 промилле, а изменения электропроводности были эквивалентны всего 0,004 промилле. Это показывает, что плотность может быть рассчитана по электропроводности с большей точностью, чем при использовании хлорности.

К началу 70-х точные измерители электропроводности уже можно было устанавливать на кораблях для определения солёности на глубине. Необходимость переоценки шкалы солёности привела к тому, что в 1978 году была принята практическая шкала солёности Spsu1978 в практических единицах солёности PSU (practical salinity units). В шкале 1978 года соленость определялась через электропроводность, давление и температуру. Калибровка инструментов измеряющих солёность может быть проведена путём погружения их в глубинную водную массу с известной постоянной солёностью. Самым большим источником ошибок в расчете солёности была ошибка при определении стандартной воды используемой для калибровки. Также было замечено, что соленость сильно зависит от температуры для больших объёмов воды. Эксперименты проводились для глубинных вод в бассейнах северо-западной Атлантики под средиземноморским противотечением.

При определении шкалы абсолютных температур в интервале температур встречающихся в океане были использованы следующие фундаментальные процессы: закон отношения давления к температуре с поправкой на плотность; и помехи напряжения в сопротивлении. Абсолютные измерения используются для создания практических температурных шкал, основанных на температуре нескольких фиксированных точек и интерполирующих приборов, которые калибруются в фиксированных точках.

Для температур обычно наблюдаемых в океане интерполирующим прибором является платиновый термометр сопротивления. Он состоит из недеформированной платиновой проволоки, сопротивление которой является функцией температуры. Калибруется он на фиксированных точках между тройной точкой равновесия водорода – 13,8033К и температурой плавления серебра – 961,78К: тройной точке воды – 0,060ºС, точке плавления Галлия – 29,7646ºC и точке плавления индия – 156,5985ºС.