Pływak RAFOS

Pływaki RAFOS to podwodne urządzenia służące do mapowania prądów oceanicznych znajdujących się głęboko pod powierzchnią. Dryfują wraz z tymi głębokimi prądami i nasłuchują akustycznych „pongów” emitowanych w wyznaczonych porach z wielu zacumowanych źródeł dźwięku. Analizując czas potrzebny każdemu pongowi na dotarcie do pływaka , badacze mogą określić jego położenie za pomocą triangulacji . Pływaki są w stanie wykryć pongi z odległości setek kilometrów, ponieważ zazwyczaj celują w zakres głębokości znany jako SOFAR (Sound Fixing And Ranging), który działa jako falowód dla dźwięku. Nazwa „RAFOS” wywodzi się od wcześniejszych pływaków SOFAR, które emitowały dźwięki odbierane przez zacumowane odbiorniki, umożliwiając śledzenie pod wodą w czasie rzeczywistym. Kiedy role nadawania i odbioru uległy odwróceniu, zmieniła się także nazwa: RAFOS to SOFAR pisane od tyłu. Nasłuchiwanie dźwięku wymaga znacznie mniej energii niż jego przesyłanie, dlatego pływaki RAFOS są tańsze i trwalsze niż ich poprzednicy, ale nie dostarczają informacji w czasie rzeczywistym: zamiast tego przechowują je na pokładzie, a po zakończeniu swojej misji zrzucają wagę , wypłynąć na powierzchnię i przesłać dane na brzeg za pomocą satelity.

Wstęp

O znaczeniu pomiaru prądów oceanicznych

Podwodny świat jest wciąż w większości nieznany. Główną przyczyną jest trudność w zebraniu informacji na miejscu, eksperymentowaniu, a nawet dotarciu do określonych miejsc. Niemniej jednak ocean ma kluczowe znaczenie dla naukowców, ponieważ zajmuje około 71% powierzchni planety.

Znajomość prądów oceanicznych ma kluczowe znaczenie. W ważnych aspektach naukowych, takich jak badanie globalnego ocieplenia, stwierdza się, że prądy oceaniczne mają ogromny wpływ na klimat Ziemi, ponieważ stanowią główny mechanizm wymiany ciepła. Są powodem przepływu ciepła pomiędzy gorącymi i zimnymi regionami, a w szerszym sensie napędzają prawie każdy rozumiany obieg. Prądy te wpływają również na śmieci morskie i odwrotnie. Z ekonomicznego punktu widzenia lepsze zrozumienie może pomóc w obniżeniu kosztów żeglugi, ponieważ prądy pomogłyby łodziom obniżyć koszty paliwa. W epoce żaglowców wiedza była jeszcze ważniejsza. Nawet dzisiaj zawodnicy żeglujący dookoła świata wykorzystują prądy powierzchniowe na swoją korzyść. Prądy oceaniczne są również bardzo ważne w rozprzestrzenianiu się wielu form życia. Przykładem jest cykl życiowy węgorza europejskiego.

Propagacja fali dźwiękowej w kanale SOFAR i prędkość dźwięku w funkcji głębokości

Kanał SOFAR

Kanał SOFAR (skrót od Sound Fixing and Ranging channel) lub głęboki kanał dźwiękowy (DSC) to pozioma warstwa wody w oceanie, na której głębokość prędkość dźwięku jest minimalna, średnio na głębokości około 1200 m. Działa jako falowód dźwięku, a fale dźwiękowe o niskiej częstotliwości w kanale mogą pokonać tysiące mil, zanim się rozproszą.

Kanał SOFAR skupia się na głębokości, na której skumulowany wpływ temperatury i ciśnienia wody (oraz w mniejszym stopniu zasolenia) łączy się, tworząc obszar minimalnej prędkości dźwięku w słupie wody. W pobliżu powierzchni gwałtownie spadająca temperatura powoduje spadek prędkości dźwięku lub ujemny gradient prędkości dźwięku. Wraz ze wzrostem głębokości rosnące ciśnienie powoduje wzrost prędkości dźwięku lub dodatni gradient prędkości dźwięku.

Głębokość, na której prędkość dźwięku jest minimalna, to oś kanału dźwiękowego. Jest to cecha, którą można spotkać w prowadnicach optycznych. Jeżeli fala dźwiękowa rozchodzi się od tego poziomego kanału, część fali znajdująca się najdalej od osi kanału przemieszcza się szybciej, w związku z czym fala zawraca w kierunku osi kanału. W rezultacie fale dźwiękowe podążają ścieżką oscylującą w poprzek osi kanału SOFAR. Zasada ta jest podobna do transmisji światła na duże odległości w światłowodzie. W tym kanale dźwięk ma zasięg ponad 2000 km.

Pływak RAFOS

Korelacja fal dźwiękowych

Globalny pomysł

Aby skorzystać z pływaka RAFOS należy zanurzyć go w określonym miejscu tak aby był niesiony przez prąd. Następnie co jakiś czas (zwykle co 6 lub 8 godzin) z zacumowanych emiterów wysyłany jest 80-sekundowy sygnał dźwiękowy. Wykorzystując fakt, że sygnał przesyłany w oceanie zachowuje swoją strukturę fazową (lub wzór) przez kilka minut, sądzono, że wykorzystuje się sygnały, w których częstotliwość wzrasta liniowo o 1,523 Hz od początku do końca, wyśrodkowane wokół 250 Hz. Następnie odbiorniki będą nasłuchiwać określonych struktur fazowych, porównując przychodzące dane z referencyjnym sygnałem 80-sekundowym. Pozwala to pozbyć się hałasu powstającego podczas przemieszczania się fali przez pływające cząstki lub ryby.

Schemat detekcji można uprościć, zachowując jedynie informację o sygnale dodatnim lub ujemnym, co pozwala na pracę z pojedynczym bitem nowej informacji w każdym kroku czasowym. Metoda ta sprawdza się bardzo dobrze i pozwala na wykorzystanie małych mikroprocesorów, dzięki którym sam pływak może nasłuchiwać i wykonywać obliczenia, a także zacumowanego źródła dźwięku. Na podstawie czasu nadejścia sygnałów z dwóch lub więcej źródeł dźwięku oraz wcześniejszej lokalizacji pływaka można łatwo określić jego aktualną lokalizację ze znaczną (<1 km) dokładnością. Na przykład pływak będzie nasłuchiwał trzech źródeł i zapamiętywał czas przybycia dwóch największych sygnałów słyszanych z każdego źródła. Położenie pływaka zostanie obliczone na lądzie.

Charakterystyka techniczna

Wnętrze podstawowego pływaka RAFOS

Właściwości mechaniczne

Pływaki składają się ze szklanej rurki o wymiarach 8 cm na 1,5 do 2,2 m, która zawiera hydrofon, obwody przetwarzania sygnału, mikroprocesor, zegar i baterię. Pływak waży około 10 kg. Dolny koniec jest uszczelniony płaską aluminiową płytą końcową, w której znajdują się wszystkie penetratory elektryczne i mechaniczne. Grubość szkła wynosi około 5 mm, co daje pływakowi teoretyczną maksymalną głębokość około 2700 m. Zewnętrzny balast jest zawieszony na krótkim kawałku drutu wybranego ze względu na jego odporność na korozję słoną wodą. Rozpuszczając go elektrolitycznie, uwalnia się 1 kg balast, a pływak powraca na powierzchnię.

Parametry elektryczne

Elektronikę można podzielić na cztery kategorie: nadajnik satelitarny używany po wynurzeniu, zestaw czujników, zegar odniesienia czasu i mikroprocesor. Zegar jest niezbędny do zlokalizowania pływaka, ponieważ służy jako punkt odniesienia do obliczenia podróży w czasie sygnałów dźwiękowych z zacumowanych emiterów. Przydatne jest również, aby pływak pracował zgodnie z harmonogramem. Mikroprocesor steruje wszystkimi podsystemami z wyjątkiem zegara i przechowuje zebrane dane według regularnego harmonogramu. Nadajnik satelitarny służy do wysyłania pakietów danych do satelitów na orbicie po wynurzeniu. Zebranie całego zbioru danych przez satelitę zajmuje zwykle trzy dni.

Sprężyna balastowa izopiknalna

Model izobaryczny

Pływak izobaryczny ma na celu podążanie za płaszczyzną stałego ciśnienia, dostosowując ciężar balastu w celu uzyskania pływalności na określonej głębokości. Jest to najłatwiejszy do osiągnięcia model. Aby uzyskać pływak izobaryczny, jego ściśliwość musi być znacznie niższa niż w przypadku wody morskiej. W takim przypadku, jeśli pływak zostanie przesunięty w górę od stanu równowagi, rozszerzy się w mniejszym stopniu niż otaczająca go woda morska, co doprowadzi do wytworzenia siły przywracającej, która wypchnie go w dół, z powrotem do położenia równowagi. Po prawidłowym wyważeniu pływak pozostanie w polu stałego ciśnienia.

Model izopiknalny

Celem pływaka izopiknalnego jest podążanie za płaszczyznami gęstości, czyli osiągnięcie neutralnej pływalności przy stałej gęstości. Aby to osiągnąć, konieczne jest usunięcie sił przywracających wywołanych ciśnieniem, dlatego pływak musi mieć taką samą ściśliwość jak otaczająca woda morska. Często osiąga się to za pomocą elementu ściśliwego, takiego jak tłok w cylindrze, dzięki czemu procesor może zmieniać objętość w zależności od zmian ciśnienia. Błąd ustawienia wynoszący około 10% może prowadzić do różnicy głębokości wynoszącej 50 m po zanurzeniu w wodzie. Z tego powodu w zbiornikach pracujących pod wysokim ciśnieniem pływaki są obciążane.

Działania i projekty

Obliczanie trajektorii pływaka

Po zakończeniu misji pływaka i zebraniu danych przez satelity jednym z głównych kroków jest obliczenie trasy pływaka w czasie. Dokonuje się tego poprzez sprawdzenie czasu podróży sygnałów z zacumowanych głośników do pływaka, obliczonego z czasu emisji (znanego dokładnie) i czasu odbioru (znanego z zegara pływaka i skorygowanego o przesunięcie zegara). Następnie, ponieważ prędkość dźwięku w morzu wynosi 0,3%, położenie pływaka można określić z dokładnością do około 1 km za pomocą iteracyjnej procedury śledzenia po okręgu. Można również uwzględnić efekt Dopplera. Ponieważ prędkość pływaka nie jest znana, pierwszą prędkość zamykania określa się poprzez pomiar przesunięcia czasu przybycia pomiędzy dwiema przekładniami, gdzie uznaje się, że pływak się nie poruszył.

Projekt Argo

Projekt Argo to międzynarodowa współpraca 50 agencji badawczych i operacyjnych z 26 krajów, której celem jest pomiar globalnego zakresu temperatury, zasolenia i ciśnienia w górnej części oceanu na głębokości 2000 m. Wykorzystuje ponad 3000 pływaków, z których część wykorzystuje RAFOS do podwodnej geolokalizacji; większość po prostu korzysta z globalnego systemu pozycjonowania (GPS), aby uzyskać pozycję podczas wynurzania się co 10 dni. Projekt ten wniósł ogromny wkład do społeczności naukowej i dostarczył wielu danych, które od tego czasu wykorzystano w kartografii parametrów oceanów i analizie zmian globalnych.

Inne wyniki

Trajektoria pływaka i odpowiadające jej dane.

Dzięki tym pływakom osiągnięto wiele wyników w zakresie globalnego mapowania charakterystyki oceanów lub na przykład tego, jak pływaki systematycznie wypływają na mielizny (w górę), gdy zbliżają się do meandrów antycyklonicznych i pogłębiają się (w dół), gdy zbliżają się do meandrów cyklonicznych. Po lewej stronie znajduje się typowy zestaw danych z pływaka RAFOS. Dziś takie pływaki pozostają najlepszym sposobem systematycznego badania wnętrza oceanu, ponieważ jest on automatyczny i samowystarczalny. Dzięki najnowszym udoskonaleniom pływaki umożliwiły pomiar różnych ilości rozpuszczonych gazów, a nawet przeprowadzanie niewielkich eksperymentów na miejscu.

Zobacz też

  1. ^ a b c d e f System RAFOS , T. Rossby D. Dorson J. Fontaine, Journal of atmosferycznej i oceanicznej technologii, t. 3, s. 672–680
  2. ^ a b c [1] , Ewolucja pływaka Swallow do dzisiejszego pływaka RAFOS
  3. ^ [2] Projekt źródła dźwięku
  4. ^ [3] Pływaki izopikalne
  5. ^ Hiszpania, Diane L., 1980: Raport danych pływakowych SOFAR z eksperymentu dynamiki lokalnej POLYMODE. Raport techniczny. Uniwersytet Rhode Island, Laboratorium Morskie Narragansett, 80-1, 197 s.
  6. ^ „O Argo” .
  7. ^ Ścieżki cząstek w Prądzie Zatokowym , T. Rossby ASBower PT Shaw, Bulletin American Meteorological Society, tom 66, nr 9

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=RAFOS_float&oldid=1125755746 ”