по истории и философии науки На тему: “История развития системы получения и моделирования данных об океане” (стр. 4 из 6)

Практическая шкала температуры изменялась в 1887, 1927, 1948, 1968 и 1990 когда принимали всё более точные определения абсолютной температуры. Наиболее современной является Международная Температурная Шкала 1990 года

Следует заметить, что в то время как океанографы используют термометры калиброванные с точностью до милиградуса (0,001° C), сама температурная шкала имеет недостоверность в несколько милиградусов.

Приборы для измерения температуры

Температура в океане измерялась множеством способов. На кораблях и буях чаще всего используются термисторы и ртутные термометры. Перед использованием и если возможно после него, они калибруются в лабораториях, с помощью ртутных и платиновых термометров поверенных в соответствии с требованиями национальных метрологических лабораторий. В космосе для наблюдения за поверхностной температурой океана используются инфракрасные радиометры.

Ртутные термометры используются в вёдрах выбрасываемых за борт корабля для измерения поверхностной температуры, в батометрах, для измерений температуры на глубине и в лабораториях для калибровки других термометров. Точность их при хорошей калибровке составляет ±0,001° C.

Один из наиболее важных термометров является опрокидывающийся термометр. В капилляре этого термометра имеется сужение, вызывающее отрыв столбика ртути при переворачивании термометра вверх дном. Термометр погружается в океан в нормальном положении и выдерживается до принятия им температуры окружающей воды. Ртуть расширяется и её количество в капиляре становится пропорциональным температуре. Затем термометр переворачивается, столбик ртути отрывается и остаётся в капиляре, а термометр возвращают на поверхность. Показания с опрокидывающегося термометра снимаются на палубе вместе с показаниями обычного термометра, с помощью которого определяют ту температуру, при которой снимаются показания с опрокидывающегося термометра. Эти данные вместе позволяют определить температуру на глубине, на которой термометр был перевёрнут.

Опрокидывающийся термометр находится внутри стеклянной трубки, которая защищает его от воздействия океанского давления, так как оно может выжать дополнительный объём ртути в капилляр. Если термометр незащищён, мнимая температура, снятая на палубе, будет пропорциональна температуре и давлению на глубине где термометр был перевёрнут. Пара из защищённого и незащищённого термометров даёт температуру и давление на интересующей глубине.

Термистор – это полупроводниковый резистор с сопротивлением предсказуемо и быстро изменяющимся с изменением температуры. Термисторы широко используются в заякоренных и корабельных инструментах. Они обладают высоким разрешением и точностью ±0,001°C при хорошей калибровке.

Улучшенный радиометр очень высокого разрешения (Advanced Very High Resolution Radiometer AVHRR) является наиболее часто используемым инструментом для измерений температуры поверхности моря. Этот инструмент был установлен на всех полярно-орбитальных метеорологических спутниках NOAA, начиная с Tiros-N в 1978.

Инструмент представляет собой радиометр, преобразующий наблюдаемое излучение в электрические сигналы. Он включает зеркало, которое сканирует от края до края поперёк подспутникового трека (проекции пути спутника на земную поверхность) и отражает излучение от земли в телескоп, который фокусирует радиацию на детекторах, чувствительных к различным длинам волн. Эти детекторы переводят излучение на инфракрасных частотах в электрический сигнал, и электронной схемы оцифровывающей и хранящей значения излучения. Полоса сканирования в ширину составляет 2700 км и центрирована по подспутниковому треку. Все наблюдения вдоль полосы сканирования состоят из пикселов диаметром примерно 1 км у центра полосы сканирования, увеличивающимся с удалением от подспутникового трека. Разрешение примерно 1 км на пиксель.

Измерения электропроводности

Измерения электропроводности могут быть произведены с использованием электродов, но электроды имеют тенденцию отклоняться от стандартного напряжения в результате электрохимических процессов (т.к. два разных металла покружённых в электропроводящий раствор, образуют батарею). Измерения обычно проводятся с использованием индукции. Морская вода формирует одну часть трансформатора, и ток, индуцируемый в катушке трансформатора, зависит от электропроводности морской воды (Рис. 4). Эта техника устраняет электрохимические отклонения от стандартного напряжения. Измерение солёности по электропроводности дают солёность с точностью 0,005 psu.

Рис. 4. Схематичное изображение измерителя электропроводности SBE-26.

Измерение давления

Давление измеряется различными приборами. В системе СИ единицей измерения давления является Паскаль, однако океанологи обычно используют Децибары (dbar, 1 dbar = 104 Па). Такая единица измерения выбрана потому что давление в децибарах обычно равняется глубине в метрах. Для измерения давления применяются такие приборы, как вибротрон, который измеряет собственную частоты колебаний вытянутой в магнитном поле вольфрамовой проволочки, закрепленной между мембранами, закрывающими концы цилиндра. Внешнее давление изгибает проволочку и меняет собственную частоту ее колебаний, что отражается как изменение напряжения магнитного поля. С помощью вибротрона может быть измерены очень малые колебания давления на больших глубинах, с разрешением до 3 мм на глубине в 3 км.

Очень точные измерения давления также можно провести, измеряя частоту среза (а не проволочки, для уменьшения влияния температуры) кристалла кварца. Лучшая точность, до 0.01% от измеряемой величины, достигается, когда температура кристалла остается постоянной. Способ измерения похож на вибротрон. На текущий момент кварцевый кристалл является самым популярным способом измерения давления на различных глубинах.

Можно считать что давление, температура, электропроводность и соленость – связанные между собой величины, поэтому определять одну из них, не зная другие, некорректно и приводит к очень большим ошибкам измерений. Для совместной синхронизированной записи этих параметров были изобретены CTD зонды.

CTD

Системы для записи вышеописанных физико-химических параметров измерений обычно называется CTD (conductivity, temperature, and depth) (Рис. 5), хотя первые модели назывались STD (salinity, temperature, depth). Измерения записываются в электронной форме или внутри инструмента во время погружения или на корабле. Температура обычно измеряется термистором, электропроводность с помощью электромагнитной индукции, давление – кварцевым кристаллом.

Приборы для комплексного наблюдения нескольких величин, такие как зонды CTD, сейчас наиболее популярны среди исследователей. Это обусловлено тем, что такие характеристики, как например соленость и температура очень сильно взаимосвязаны и определяют плотность, которая, в свою очередь, взаимосвязана с давлением. Наблюдая эти величины не совместно мы не сможем правильно их проинтерпретировать и, как следствие, будем делать ошибки при анализе.

Рис. 5. Использование CTD прибора SBE-26 (перед спуском в воду).

Можно также считать, что течения и уровень воды связан с CTD данными. Например, существуют термохалинные течения (т.е. течения из-за разности плотностей воды в различных точках Мирового океана). Уровень воды, в свою очередь, тесно связан с плотностью, но поскольку уравнения учитывающие плотность воды достаточно сложны, их часто упрощают, такое приближение называется приближением Бусинеска. Упрощения приводят к ошибкам в математических моделях, вследствие чего модели Бусинеска не могут точно прогнозировать изменения уровня воды.

Из вышесказанного напрашивается вывод, что все физико-химические параметры океана связаны между собой и оказывают друг на друга огромное влияние. Такие связанные параметры нельзя рассматривать отдельно, а анализировать их возможно только как часть сложной системы, требующей систематизации всех наблюдаемых параметров и упорядочения наблюдений в хронологическом порядке.

Систематизация получаемых данных

Набор данных, полученных с помощью вышеописанных приборов сам по себе бесполезен, так как нуждается в дополнительной обработке. Такой обработкой может служить простая проверка данных на корректность, чтобы знать, не сломался ли измеряющий прибор. Однако зачастую простой проверки недостаточно, требуется не просто проверить данные, а проанализировать их и сделать выводы о гидродинамических или физико-химических характеристиках точки, в которой проводились измерения.

Несмотря на то, что получаемых данных для исследования океана целиком недостаточно, одна экспедиция может добыть до нескольких сотен мегабайт разнородных данных, получаемые со спутников данные исчисляются гигабайтами. Для комплексного анализа таких объемов данных требуются мощные вычислительные устройства, способные хранить и быстро обрабатывать эти объемы данных, а также высокопроизводительные сети для передачи результатов обработки заинтересованным в них научным и хозяйственным организациям.

Также для полного анализа состояния океана и его взаимодействия с атмосферой требуется получать целый комплекс данных, таких как соленость, температура, давление, течения, на разных глубинах, ветер на поверхности и многих других. Для анализа динамики изменений, происходящих в океане, необходимо получать такие данные в течение длительного периода времени.

Существует не очень много мест, где проводится комплексный мониторинг океана в течение длительного времени. Одним из таких мест является залив Монтерей на Тихоокеанском побережье США. Эксперименты там проводятся с 1987 года, а с 2000 года работает система непрерывного мониторинга состояния залива [8] (см Рис. 6).