РАФОС поплавок

РАФОС плавает ^{[ 1 ]} — это погружные устройства, используемые для картирования океанских течений значительно ниже поверхности. Они дрейфуют вместе с этими глубокими течениями и прислушиваются к акустическим «понгам», излучаемым в определенное время от нескольких пришвартованных источников звука. Анализируя время, необходимое каждому понгу для достижения поплавка , исследователи могут точно определить его положение с помощью триангуляции . Поплавки способны обнаруживать понги на расстоянии сотен километров, поскольку они обычно нацелены на диапазон глубин, известный как канал SOFAR (Sound Fixing And Ranging), который действует как волновод для звука. Название «РАФОС» происходит от более ранних поплавков ГНФАР. ^{[ 2 ]} который издавал звуки, которые улавливали пришвартованные приемники, что позволяло отслеживать подводные объекты в режиме реального времени. Когда роли передачи и приема поменялись местами, изменилось и название: RAFOS — это SOFAR, написанное наоборот. Для прослушивания звука требуется гораздо меньше энергии, чем для его передачи, поэтому поплавки РАФОС дешевле и долговечнее своих предшественников, но они не предоставляют информацию в режиме реального времени: вместо этого они хранят ее на борту, а по завершении своей миссии сбрасывают груз. , подняться на поверхность и передать данные на берег через спутник.

Введение

О важности измерения океанских течений

Подводный мир до сих пор по большей части неизвестен. Основная причина этого — сложность сбора информации на месте, экспериментов и даже возможности добраться до определенных мест. Но океан, тем не менее, имеет решающее значение для ученых, поскольку он покрывает около 71% территории планеты.

Знание океанских течений имеет решающее значение. В важных научных аспектах, таких как изучение глобального потепления, обнаружено, что океанские течения сильно влияют на климат Земли, поскольку они являются основным механизмом передачи тепла. Они являются причиной теплового потока между горячими и холодными регионами и, в более широком смысле, управляют почти всеми понятными циркуляциями. Эти течения также влияют на морской мусор , и наоборот. С экономической точки зрения лучшее понимание может помочь снизить затраты на судоходство, поскольку течения помогут лодкам снизить расходы на топливо. В эпоху парусных кораблей знания были еще более важны. Даже сегодня участники кругосветного плавания используют поверхностные течения в своих интересах. Океанские течения также играют очень важную роль в распространении многих форм жизни. Примером может служить жизненный цикл европейского угря.

Канал ГНФАР

Канал ГНФАР (сокращение от Sound Fixing and Ranging Channel), или глубинный звуковой канал (DSC), представляет собой горизонтальный слой воды в океане, на глубине которого скорость звука минимальна, в среднем около 1200 м. ^{[ 2 ]} Он действует как волновод для звука, и низкочастотные звуковые волны внутри канала могут преодолевать тысячи миль, прежде чем рассеяться.

Канал ГНФАР расположен на глубине, где совокупное воздействие температуры и давления воды (и, в меньшей степени, солености) создает область минимальной скорости звука в толще воды. У поверхности быстро падающая температура вызывает уменьшение скорости звука или отрицательный градиент скорости звука. С увеличением глубины возрастающее давление вызывает увеличение скорости звука или положительный градиент скорости звука.

Глубина, на которой скорость звука минимальна, является осью звукового канала. Эту характеристику можно найти в оптических направляющих. Если звуковая волна распространяется от этого горизонтального канала, часть волны, наиболее удаленная от оси канала, движется быстрее, поэтому волна поворачивается обратно к оси канала. В результате звуковые волны движутся по траектории, которая колеблется поперек оси канала ГНФАР. Этот принцип аналогичен передаче света на большие расстояния по оптическому волокну. В этом канале звук имеет дальность более 2000 км.

РАФОС поплавок

Глобальная идея

Чтобы использовать поплавок РАФОС, необходимо погрузить его в указанное место, чтобы его унесло течением. Затем время от времени (обычно каждые 6 или 8 часов) посылается 80-секундный звуковой сигнал. ^{[ 1 ]} от пришвартованных излучателей. Учитывая тот факт, что сигнал, передаваемый в океане, сохраняет свою фазовую структуру (или структуру) в течение нескольких минут, было решено использовать сигналы, в которых частота увеличивается линейно на 1,523 Гц от начала до конца с центром около 250 Гц. ^{[ 3 ]} Затем приемники будут прослушивать определенные фазовые структуры, сравнивая входящие данные с эталонным 80-секундным сигналом. Это позволяет избавиться от шума, возникающего при движении волны от плавающих частиц или рыбы.

Схему обнаружения можно упростить, сохраняя только информацию о положительном или отрицательном сигнале, что позволяет работать с одним битом новой информации на каждом временном шаге. Этот метод работает очень хорошо и позволяет использовать небольшие микропроцессоры, позволяющие самому поплавку выполнять прослушивание и вычисления, а также пришвартованный источник звука. По времени прибытия сигналов от двух или более источников звука и предыдущему местоположению поплавка можно легко определить его текущее местоположение со значительной (<1 км) точностью. Например, поплавок будет прослушивать три источника и сохранять время прибытия двух самых сильных сигналов, услышанных от каждого источника. Местоположение поплавка будет рассчитано на берегу.

Технические характеристики

Механические характеристики

Поплавки состоят из стеклянной трубы размером 8 см на 1,5–2,2 м, в которой находятся гидрофон, схемы обработки сигналов, микропроцессор, часы и батарея. Поплавок весит около 10 кг. Нижний конец закрыт плоской алюминиевой торцевой пластиной, на которой расположены все электрические и механические проникающие элементы. Толщина стекла составляет около 5 мм, что обеспечивает теоретическую максимальную глубину поплавка около 2700 м. Внешний балласт подвешивается на коротком отрезке проволоки, выбранной из-за ее устойчивости к коррозии в соленой воде. При его электролитическом растворении высвобождается 1 кг балласта, и поплавок возвращается на поверхность. ^{[ 1 ]}

Электрические характеристики

Электронику можно разделить на четыре категории: ^{[ 1 ]} спутниковый передатчик, используемый после всплытия, набор датчиков, часы отсчета времени и микропроцессор. Часы необходимы для определения местоположения поплавка, поскольку они используются в качестве эталона для расчета перемещения во времени звуковых сигналов от заякоренных излучателей. Также полезно, чтобы поплавок работал по графику. Микропроцессор управляет всеми подсистемами, кроме часов, и сохраняет собранные данные по регулярному расписанию. Спутниковый передатчик используется для отправки пакетов данных на орбитальные спутники после всплытия. Обычно спутнику требуется три дня, чтобы собрать весь набор данных.

Изобарная модель

Изобарический поплавок стремится следовать плоскости постоянного давления, регулируя вес балласта для достижения плавучести на определенной глубине. Это наиболее легко реализуемая модель. ^{[ 1 ]} Для достижения изобарного поплавка ее сжимаемость должна быть намного ниже, чем у морской воды. В этом случае, если поплавок будет перемещен вверх из состояния равновесия, он расширится меньше, чем окружающая морская вода, что приведет к возникновению восстанавливающей силы, толкающей его вниз, обратно в положение равновесия. После правильной балансировки поплавок будет оставаться в поле постоянного давления.

Изопикнальная модель

Цель изопикнального поплавка — следовать плоскостям плотности, то есть достичь нейтральной плавучести при постоянной плотности. Для достижения этого необходимо устранить восстанавливающие силы, вызванные давлением, поэтому поплавок должен иметь такую же сжимаемость, как и окружающая морская вода. Это часто достигается с помощью сжимаемого элемента, такого как поршень в цилиндре, так что ЦП может изменять объем в соответствии с изменениями давления. Ошибка в настройке около 10% может привести к перепаду глубины в 50 м при попадании в воду. Именно поэтому в цистернах, работающих под высоким давлением, поплавки балластируются. ^{[ 2 ]}^{[ 4 ]}

Меры и проекты

Вычисление траектории поплавка

После того, как миссия поплавка завершена и спутники собрали данные, одним из важных шагов является расчет маршрута поплавка с течением времени. Это делается путем просмотра времени прохождения сигналов от пришвартованных громкоговорителей до поплавка, рассчитанного на основе времени излучения (известного точно) и времени приема (известного по часам поплавка и скорректированного, если часы сдвинулись). Затем, поскольку скорость звука в море известна с точностью до 0,3%, положение поплавка можно определить с точностью до 1 км с помощью итеративной процедуры кругового слежения. ^{[ 5 ]} Также можно учитывать эффект Доплера. Поскольку скорость поплавка неизвестна, первая скорость закрытия определяется путем измерения сдвига времени прибытия между двумя передачами, при этом считается, что поплавок не переместился. ^{[ 1 ]}

Проект Арго

Проект Арго ^{[ 6 ]} Это международное сотрудничество между 50 исследовательскими и оперативными агентствами из 26 стран, целью которого является измерение глобального диапазона температуры, солености и давления на верхних 2000 метрах океана. Он использует более 3000 поплавков, некоторые из которых используют RAFOS для подводной геолокации; большинство просто используют глобальную систему позиционирования (GPS) для определения местоположения при всплытии каждые 10 дней. Этот проект внес большой вклад в научное сообщество и предоставил множество данных, которые с тех пор использовались для картографии параметров океана и анализа глобальных изменений.

Другие результаты

Благодаря этим буям было достигнуто множество результатов в глобальном картировании характеристик океана или, например, в том, как буи систематически мелят (вверх) по мере приближения к антициклоническим извилинам и углубляются (вниз по волне) по мере приближения к циклоническим извилинам. ^{[ 7 ]} Слева — типичный набор данных поплавка RAFOS. Сегодня такие поплавки остаются лучшим способом систематического исследования недр океана, поскольку они являются автоматическими и самодостаточными. В недавних разработках поплавки стали способны измерять различные количества растворенных газов и даже проводить небольшие эксперименты на месте.

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Система RAFOS , Т. Россби Д. Дорсон Дж. Фонтейн, Журнал атмосферных и океанических технологий, т.3 стр.672–680
^ Jump up to: ^а ^б ^с [1] , Эволюция поплавка Swallow до сегодняшнего поплавка RAFOS.
^ [2] Проект источника звука
^ [3] Изопикнальные поплавки
^ Испания, Дайан Л., 1980: Отчет о плавающих данных SOFAR эксперимента по локальной динамике POLYMODE. Технический отчет. Университет Род-Айленда, Морская лаборатория Наррагансетта, 80-1, 197 стр.
^ «Об Арго» .
^ Пути частиц в Гольфстриме , Т. Россби А.С.Бауэр П.Т. Шоу, Бюллетень Американского метеорологического общества, том 66, № 9

Внешние ссылки

[RAFOS-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Система RAFOS , Т. Россби Д. Дорсон Дж. Фонтейн, Журнал атмосферных и океанических технологий, т.3 стр.672–680

[evolution-2] Jump up to: ^а ^б ^с [1] , Эволюция поплавка Swallow до сегодняшнего поплавка RAFOS.

[sound-3] [2] Проект источника звука

[Isopycnal-4] [3] Изопикнальные поплавки

[Spain-5] Испания, Дайан Л., 1980: Отчет о плавающих данных SOFAR эксперимента по локальной динамике POLYMODE. Технический отчет. Университет Род-Айленда, Морская лаборатория Наррагансетта, 80-1, 197 стр.

[Argo-6] «Об Арго» .

[particles-7] Пути частиц в Гольфстриме , Т. Россби А.С.Бауэр П.Т. Шоу, Бюллетень Американского метеорологического общества, том 66, № 9

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

v т и Гидроакустика
Sonar	Active acoustics Baffles (submarine) Bistatic sonar Echo sounding Fessenden oscillator GLORIA sidescan sonar Multibeam echosounder Passive acoustics Scientific echosounder Side-scan sonar Sonar beamforming Sonobuoy Surveillance Towed Array Sensor System Synthetic aperture sonar Towed array sonar Upward looking sonar
Ocean acoustics	Acoustic network Acoustic release Acoustic Doppler current profiler Acoustic seabed classification Acoustical oceanography Hydrophone Long baseline acoustic positioning system Ocean acoustic tomography Short baseline acoustic positioning system Sofar bomb SOFAR channel Sound speed gradient Sound velocity probe Ultra-short baseline acoustic positioning system Underwater acoustics Underwater acoustic communication Underwater acoustic positioning system
Acoustic ecology	Acoustic survey in fishing Acoustic tag Animal echolocation Beached whale Deep scattering layer Fishfinder Fisheries acoustics Hearing range of marine mammals Marine mammals and sonar Whale song
Related topics	Acoustic signature Bioacoustics Biophony Geophysical MASINT Hydrographic survey Noise map Soundscape

v т и Физическая океанография
Waves	Airy wave theory Ballantine scale Benjamin–Feir instability Boussinesq approximation Breaking wave Clapotis Cnoidal wave Cross sea Dispersion Edge wave Equatorial waves Fetch Gravity wave Green's law Infragravity wave Internal wave Iribarren number Kelvin wave Kinematic wave Longshore drift Luke's variational principle Mild-slope equation Radiation stress Rogue wave Rossby wave Rossby-gravity waves Sea state Seiche Significant wave height Soliton Stokes boundary layer Stokes drift Stokes wave Swell Trochoidal wave Tsunami megatsunami Undertow Ursell number Wave action Wave base Wave height Wave nonlinearity Wave power Wave radar Wave setup Wave shoaling Wave turbulence Wave–current interaction Waves and shallow water one-dimensional Saint-Venant equations shallow water equations Wind setup Wind wave model
Circulation	Atmospheric circulation Baroclinity Boundary current Coriolis force Coriolis–Stokes force Craik–Leibovich vortex force Downwelling Eddy Ekman layer Ekman spiral Ekman transport El Niño–Southern Oscillation General circulation model Geochemical Ocean Sections Study Geostrophic current Global Ocean Data Analysis Project Gulf Stream Halothermal circulation Humboldt Current Hydrothermal circulation Langmuir circulation Longshore drift Loop Current Modular Ocean Model Ocean current Ocean dynamics Ocean dynamical thermostat Ocean gyre Overflow Princeton ocean model Rip current Subsurface currents Sverdrup balance Thermohaline circulation shutdown Upwelling Wind generated current Whirlpool World Ocean Circulation Experiment
Tides	Amphidromic point Earth tide Head of tide Internal tide Lunitidal interval Perigean spring tide Rip tide Rule of twelfths Slack tide Tidal bore Tidal force Tidal power Tidal race Tidal range Tidal resonance Tide gauge Tideline Theory of tides
Landforms	Abyssal fan Abyssal plain Atoll Bathymetric chart Coastal geography Cold seep Continental margin Continental rise Continental shelf Contourite Guyot Hydrography Knoll Oceanic basin Oceanic plateau Oceanic trench Passive margin Seabed Seamount Submarine canyon Submarine volcano
Plate tectonics	Convergent boundary Divergent boundary Fracture zone Hydrothermal vent Marine geology Mid-ocean ridge Mohorovičić discontinuity Vine–Matthews–Morley hypothesis Oceanic crust Outer trench swell Ridge push Seafloor spreading Slab pull Slab suction Slab window Subduction Transform fault Volcanic arc
Ocean zones	Benthic Deep ocean water Deep sea Littoral Mesopelagic Oceanic Pelagic Photic Surf Swash
Sea level	Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis Future sea level Global Sea Level Observing System North West Shelf Operational Oceanographic System Sea-level curve Sea level rise Sea level drop World Geodetic System
Acoustics	Deep scattering layer Hydroacoustics Ocean acoustic tomography Sofar bomb SOFAR channel Underwater acoustics
Satellites	Jason-1 Jason-2 (Ocean Surface Topography Mission) Jason-3
Related	Acidification Argo Benthic lander Color of water DSV Alvin Marginal sea Marine energy Marine pollution Mooring National Oceanographic Data Center Ocean Explorations Observations Reanalysis Ocean surface topography Ocean temperature Ocean thermal energy conversion Oceanography Outline of oceanography Pelagic sediment Sea surface microlayer Sea surface temperature Seawater Science On a Sphere Stratification Thermocline Underwater glider Water column World Ocean Atlas
Oceans portal Category Commons