RAFOS flyta

RAFOS-flottar är dränkbara enheter som används för att kartlägga havsströmmar långt under ytan. De driver med dessa djupa strömmar och lyssnar efter akustiska "pongs" som sänds ut vid bestämda tidpunkter från flera förtöjda ljudkällor. Genom att analysera hur lång tid det tar för varje pong att nå en flöte kan forskare fastställa dess position genom triangulering . Flytarna kan upptäcka pongerna på hundratals kilometers avstånd eftersom de i allmänhet riktar sig mot ett djupområde som kallas SOFAR -kanalen (Sound Fixing And Ranging), som fungerar som en vågledare för ljud. Namnet "RAFOS" kommer från de tidigare SOFAR-floaten, som avgav ljud som förtöjda mottagare fick upp, vilket möjliggör realtidsspårning under vattnet. När sändnings- och mottagningsrollerna byttes om, var namnet så: RAFOS stavas SOFAR bakåt. Att lyssna efter ljud kräver mycket mindre energi än att överföra det, så RAFOS-flottor är billigare och håller längre än sina föregångare, men de tillhandahåller inte information i realtid: istället lagrar de den ombord, och när de har slutfört sitt uppdrag tappar de en vikt , stiga upp till ytan och överföra data till land via satellit.

Introduktion

Om vikten av att mäta havsströmmar

Undervattensvärlden är fortfarande mestadels okänd. Den främsta anledningen till det är svårigheten att samla information på plats, att experimentera och till och med att nå vissa platser. Men havet är ändå av avgörande betydelse för forskare, eftersom det täcker cirka 71 % av planeten.

Kunskap om havsströmmar är av avgörande betydelse. I viktiga vetenskapliga aspekter, som studien av global uppvärmning, visar sig havsströmmar i hög grad påverka jordens klimat eftersom de är den huvudsakliga värmeöverföringsmekanismen. De är orsaken till värmeflödet mellan varma och kalla regioner, och driver i större mening nästan varje förstådd cirkulation. Dessa strömmar påverkar också marint skräp och vice versa. I en ekonomisk aspekt kan en bättre förståelse hjälpa till att minska fraktkostnaderna, eftersom strömmarna skulle hjälpa båtar att minska bränslekostnaderna. Under segelskeppseran var kunskap ännu viktigare. Än idag använder seglingskonkurrenterna jorden runt ytströmmar till sin fördel. Havsströmmar är också mycket viktiga för spridningen av många livsformer. Ett exempel är den europeiska ålens livscykel.

Ljudvågsutbredning i SOFAR-kanalen och ljudhastighet i funktion av djup

SOFAR-kanalen

SOFAR-kanalen (förkortning för Sound Fixing and Ranging channel), eller deep sound channel (DSC), är ett horisontellt lager av vatten i havet på vilket djup ljudhastigheten är minimal, i genomsnitt runt 1200 m djup. Den fungerar som en vågledare för ljud, och lågfrekventa ljudvågor inom kanalen kan färdas tusentals mil innan de försvinner.

SOFAR-kanalen är centrerad på djupet där den kumulativa effekten av temperatur och vattentryck (och, i mindre utsträckning, salthalt) kombineras för att skapa området med lägsta ljudhastighet i vattenpelaren. Nära ytan orsakar den snabbt fallande temperaturen en minskning av ljudhastigheten, eller en negativ ljudhastighetsgradient. Med ökande djup orsakar det ökande trycket en ökning av ljudhastigheten, eller en positiv ljudhastighetsgradient.

Djupet där ljudhastigheten är som minimum är ljudkanalaxeln. Detta är en egenskap som kan hittas i optiska guider. Om en ljudvåg fortplantar sig bort från denna horisontella kanal, rör sig den del av vågen som är längst bort från kanalaxeln snabbare, så att vågen vänder tillbaka mot kanalaxeln. Som ett resultat spårar ljudvågorna en bana som svänger över SOFAR-kanalens axel. Denna princip liknar långdistanstransmission av ljus i en optisk fiber. I denna kanal har ett ljud en räckvidd på över 2000 km.

RAFOS flyta

Ljudvågskorrelation

Global idé

För att använda en RAFOS-flottör måste man sänka den på den angivna platsen, så att den bärs av strömmen. Då, då och då (vanligtvis var 6:e ​​eller 8:e timme) skickas en 80-sekunders ljudsignal från förtöjda sändare. Med hjälp av det faktum att en signal som sänds i havet bevarar sin fasstruktur (eller mönster) i flera minuter, har man tänkt använda signaler där frekvensen ökar linjärt med 1,523 Hz från början till slut centrerad kring 250 Hz. Sedan skulle mottagare lyssna efter specifika fasstrukturer genom att jämföra inkommande data med en referenssignal på 80 sekunder. Detta gör det möjligt att bli av med allt brus som uppstår under vågens färd av flytande partiklar eller fisk.

Detekteringsschemat kan förenklas genom att endast behålla informationen om positiv eller negativ signal, vilket gör det möjligt att arbeta med en enda bit ny information vid varje tidssteg. Den här metoden fungerar mycket bra och tillåter användning av små mikroprocessorer, vilket gör att flottören själv kan lyssna och beräkna, och en förtöjd ljudkälla. Från ankomsttiden för signalerna från två eller flera ljudkällor, och den tidigare placeringen av flottören, kan dess nuvarande position lätt bestämmas med avsevärd (<1 km) noggrannhet. Till exempel kommer flottören att lyssna efter tre källor och lagra ankomsttiden för de två största signalerna som hörs från varje källa. Placeringen av flottören kommer att beräknas på land.

Tekniska egenskaper

Interiören i en grundläggande RAFOS-flotta

Mekaniska egenskaper

Flottörerna består av 8 cm gånger 1,5 till 2,2 m långt glasrör som innehåller en hydrofon, signalbehandlingskretsar, en mikroprocessor, en klocka och ett batteri. En flottör väger ca 10 kg. Den nedre änden är tätad med en platt ändplatta av aluminium där alla elektriska och mekaniska penetratorer är placerade. Glastjockleken är ca 5 mm, vilket ger flottören ett teoretiskt maximalt djup på ca 2700 m. Den externa ballasten är upphängd av en kort bit tråd vald för dess motståndskraft mot saltvattenkorrosion. Genom att lösa det elektrolytiskt släpps ballasten på 1 kg och flottören återgår till ytan.

Elektriska egenskaper

Elektroniken kan delas in i fyra kategorier: en satellitsändare som används efter ytan, uppsättningen sensorer, en tidsreferensklocka och en mikroprocessor. Klockan är väsentlig för att lokalisera flottören, eftersom den används som referens för att beräkna tidsrörelsen för ljudsignalerna från de förtöjda sändarna. Det är också användbart att ha flottören att fungera enligt schemat. Mikroprocessorn styr alla delsystem utom klockan och lagrar insamlad data enligt ett regelbundet schema. Satellitsändaren används för att skicka datapaket till satelliter som kretsar runt efter ytan. Det tar vanligtvis tre dagar för satelliten att samla in all datauppsättning.

En isopycnal ballastfjäder

Den isobariska modellen

En isobarisk flottör syftar till att följa ett konstant tryckplan, genom att justera ballastens vikt för att uppnå flytkraft till ett visst djup. Det är den lättast uppnådda modellen. För att uppnå en isobar flytning måste dess kompressibilitet vara mycket lägre än för havsvatten. I så fall, om flottören skulle flyttas uppåt från jämvikt, kommer den att expandera mindre än det omgivande havsvattnet, vilket leder till att en återställande kraft trycker den nedåt, tillbaka till dess jämviktsläge. När den väl är korrekt balanserad kommer flottören att förbli i ett konstant tryckfält.

Den isopyknala modellen

Syftet med en isopycnal flottör är att följa densitetsplanen, det vill säga att uppnå neutral flytkraft för konstant densitet. För att uppnå detta är det nödvändigt att avlägsna tryckinducerade återställande krafter, varför flottören måste ha samma kompressibilitet som det omgivande havsvattnet. Detta uppnås ofta genom ett komprimerbart element, som en kolv i en cylinder, så att CPU:n kan ändra volymen efter förändringar i trycket. Ett fel på ca 10 % i inställningen kan leda till 50 m djupskillnad en gång i vatten. Det är därför flottörer ballasteras i tankar som arbetar under högt tryck.

Åtgärder och projekt

Beräknar flottörens bana

När flottörens uppdrag är över och data samlas in av satelliterna är ett stort steg att beräkna flottörens rutt över tiden. Detta görs genom att titta på färdtiden för signalerna från de förtöjda högtalarna till flottören, beräknad från emissionstiden (känd exakt), mottagningstiden (känd från flottörens klocka och korrigerad om klockan hade rört sig). Sedan, eftersom ljudhastigheten är känd till 0,3 % i havet, kan flottörens position bestämmas till cirka 1 km genom en iterativ cirkulär spårningsprocedur. Dopplereffekten kan också tas med i beräkningen. Eftersom flottörens hastighet inte är känd bestäms en första stängningshastighet genom att mäta förskjutningen i ankomsttid mellan två transmissioner, där flottören anses inte ha rört sig.

Argo-projektet

Argo - projektet är ett internationellt samarbete mellan 50 forsknings- och operativa organ från 26 länder som syftar till att mäta ett globalt utbud av temperatur, salthalt och tryck i de översta 2000 m i havet. Den använder över 3000 flottörer, av vilka några använder RAFOS för geolokalisering under vattnet; Använd helt enkelt Global Positioning System ) för att få en position när du kommer upp var tionde dag. Detta projekt har i hög grad bidragit till det vetenskapliga samfundet och har gett ut många data som sedan har använts för kartografi av havsparametrar och analys av globala förändringar.

Övriga resultat

En flytbana och motsvarande data.

Många resultat har uppnåtts tack vare dessa flöten, på den globala kartläggningen av havets egenskaper, eller till exempel hur flöten systematiskt stimmar (uppåt) när de närmar sig anticykloniska meander och fördjupas (downwell) när de närmar sig cykloniska meander. Till vänster finns en typisk uppsättning data från en RAFOS-float. I dag är sådana flöten fortfarande det bästa sättet att systematiskt undersöka havets inre, eftersom det är automatiskt och självförsörjande. Under den senaste utvecklingen har flottörerna kunnat mäta olika mängder lösta gaser och till och med utföra små experiment på plats.

Se även

  1. ^ a b c d e f RAFOS-systemet , T. Rossby D. Dorson J. Fontaine, Journal of atmospheric and oceanic technology, v.3 s.672–680
  2. ^ a b c [1] , Utvecklingen av Swallow-flottan till dagens RAFOS-flotta
  3. ^ [2] Ljudkällans projekt
  4. ^ [3] Isopycnal flöten
  5. ^ Spanien, Diane L., 1980: SOFAR float datarapport av POLYMODE Local Dynamics Experiment. Teknisk rapport. University of Rhode Island, Narragansett Marine Laboratory, 80-1, 197 s.
  6. ^ "Om Argo" .
  7. ^ Partikelbanor i golfströmmen , T. Rossby ASBower PT Shaw, Bulletin American Meteorological Society, vol 66, n 9

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=RAFOS_float&oldid=1125755746 "