ADCPs: Aktion in OOIs Kabelobservatorium

Von Peter Spanien • 29 März 2018

ADCPs sind Sonarsysteme, die Bewegung unter Wasser messen. Mit Hilfe von Schallwellen arbeiten sie wie Handradare, die von der Polizei verwendet werden, um die Autofahrer zu erwischen. Um Bewegung zu messen, emittieren ADCPs Schallbündel entlang von Strahlen, die nach unten abgewinkelt sind.

Echos werden aufgrund von Streuung von Partikeln zurückgegeben. Da Zooplankton und suspendierte Sedimente vom sich bewegenden Wasser getragen werden, tragen die von ihnen gestreuten Echos eine Änderung der Tonhöhe mit sich; das ist der Doppler-Effekt. Es zeigt an, wie schnell sich der Strom bewegt und in welche Richtung.

Schallwellen breiten sich durch die Wassersäule aus, so dass Echos aus vielen Tiefen zurückgeleitet und verarbeitet werden. Der vertikale Bereich dieser Sammlung von Messungen - ein Profil von Meeresströmungsgeschwindigkeiten genannt - ist für niederfrequente Schallwellen größer.

Einführung

Dank eines temperamentvollen Kaders von Meereswissenschaftlern und Ingenieuren sind High-Tech-Meeresobservatorien jetzt einsatzbereit. Diese Orte bieten eine kontinuierliche Präsenz im Ozean für nachhaltiges und interaktives Beobachten. Viele kombinieren innovative Infrastruktur mit multidisziplinären Meeressensoren.

In verschiedenen Tiefen installiert, existieren diese Observatorien weltweit in verschiedenen Meeresumgebungen. Ihr Zweck ist es, die Meeres- und Meeresumwelt an strategischen Orten über längere Zeiträume zu messen. Einige liefern kontinuierliche Echtzeitdaten über eine Kabelverbindung zu Land.

Ein Paradebeispiel ist das Cabled Array im Nordpazifik. Dieses Observatorium ist Teil der Ocean Observatories Initiative (OOI), die von der US National Science Foundation (NSF) finanziert wird. Das Cabled Array, das vom Applied Physics Laboratory / Universität von Washington (APL / UW) entwickelt wurde, verwendet dedizierte Telekommunikationskabel. Sie stellen eine Hochspannungsversorgung und Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsverbindungen zu Knoten bis zu 500 km von der Küste her bereit.

Neben seiner Hightech-Infrastruktur verfügt das Cabled Array über 150 Instrumente. Enthalten sind neun ADCPs, die mit vier verschiedenen Frequenzen arbeiten. Sie rüsten eine Reihe von Standorten aus, die unterschiedliche Tiefen, Umgebungen und wissenschaftliche Ziele umfassen. Diese ADCPs werden auf drei verschiedene Arten installiert: Shallow Profiler Moorings (SPM), Benthische Experiment Packages (BEP) und Seafloor Instrument Arrays (SIA).

Wasser-Säulen-Prozesse

Ein Schwerpunkt des Cabled Array sind Wassersäulenprozesse. Die untersuchten Themen umfassen alle Facetten der Meereswissenschaften. Einige fördern die disziplinübergreifende Kooperation, etwa die biologisch-physikalische Kopplung, während andere die Bürgerwissenschaft mitziehen. Nachhaltige Beobachtung von Maßnahmen zum Verständnis der Auswirkungen auf die Umwelt und der zu erwartenden Klimaänderungen. Langzeitbeobachtungen bei hohen Abtastraten zeigen sowohl schnelle als auch sich langsam verändernde Ereignisse. Potenziell kann dies die Grundlage für Frühwarnsysteme und Lehren zur Anpassung sein.

Mit ADCPs beobachtete Ströme transportieren wichtige Wassereigenschaften. Beispiele sind Hitze, Impuls, Salz, Nährstoffe, Plankton und wirbellose Larven. Die großangelegte Forschung mit den ADCP-Daten wird von der Dynamik der östlichen Grenzströmungen bis zu episodischen Ereignissen reichen. In interdisziplinären Studien wird untersucht, wie Wasserströme mit der Umwelt interagieren - von rauer Topographie bis hin zu Ökosystemen.

ADCPs - viele Anwendungen

ADCPs analysieren zurückkehrende Echos, um vier verschiedene Messungen gleichzeitig durchzuführen.

Dieses Kollektiv von Datentypen, die einzeln und zusammen verwendet werden, ermöglicht es einem einzelnen ADCP, eine Vielzahl von Messungen durchzuführen.

Shallow Profiler Moorings

Neben der zugrunde liegenden Power / Comms-Infrastruktur ist das Shallow Profiler Mooring eine herausragende Innovation des Cabled Array. Die von APL / UW entwickelten und installierten SPMs bieten eine große, stationäre, instrumentierte Plattform in 200 m Tiefe. Die Plattform sitzt an der Spitze eines einzigartigen zweibeinigen Liegeplatzes. Von hier aus wird eine Wissenschaftsstation zyklisch durch den oberen Ozean gezogen.

Das ungewöhnliche Design des Liegeplatzes bietet die für den langfristigen Erfolg der Windenmethode erforderliche Bewegungsstabilität. Roboterfahrzeuge werden zum Installieren / Wiederherstellen der Plattform und des Pods verwendet. Wenn die zweibeinige Anlegestelle an ihrem Platz bleibt, werden die Logistik und die Kosten für die Wartung der Nutzlast der SPM gering gehalten. An einer separaten Festmacherleine misst eine instrumentierte Seilraupe Meereseigenschaften vom Meeresboden bis 200 m Wassertiefe. Zusätzlich befindet sich ein Seafloor Instrument Array an diesen Liegeplätzen.

An zwei tiefen Standorten (1A, 1C - ca. 3000 m) wird ein Paar aufstrebender ADCPs an der großen Instrumentenplattform des SPM angebracht. Mit an Bord sind eine digitale Standbildkamera und eine multidisziplinäre Sondenserie zur Messung von Wassereigenschaften und Bioakustik. Die ADCP-Daten werden in verschiedene Studien einfließen, die von den Auswirkungen des Klimawandels auf die Versauerung der Ozeane reichen. Andere umfassen das Verständnis biogeochemischer Prozesse und biologisch-reicher dünner Schichten.

Profilierung des Oberen Ozeans

Die ADCPs sind ein 5-strahliges 600 kHz WorkHorse und ein 150 kHz Quartermaster. Das 600-kHz-ADCP enthält einen vertikal gerichteten Strahl, der die Standard-Janus-Konfiguration ergänzt.

Der fünfte Strahl misst vertikale Bewegungen direkt, ideal für Untersuchungen von inneren Wellen oder der Migration von Zooplankton.

Das 150-kHz-ADCP profiliert Wasserströmungen von der Tiefe der Plattform bis zur Meeresoberfläche. Somit liefert es Zeitreihen des Hintergrundflusses innerhalb der 200 m Wassersäule, die von dem winked science pod abgetastet wurden.

Jeden Tag wird die Forschungsstation in 9 Zyklen von 200 m Tiefe bis knapp unter die Meeresoberfläche gezogen. Die Kapsel enthält neun Einzelpunktinstrumente. Aufgrund der Windenfunktion zeichnen diese Geräte hochaufgelöste Profile durch den oberen Ozean physikalischer, chemischer und biologischer Wassereigenschaften auf. Interaktive Steuerung und Kontrolle von Land aus ist verfügbar, wenn interessante Merkmale gemessen werden, wie beispielsweise das Durchqueren einer biologisch reichen dünnen Schicht. Seit dem Spätsommer 2015 hat jeder Wissenschafts-Pod> 7000 Zyklen gemacht.

Der zusammengesetzte Datensatz des SPM umfasst 18 Instrumente - Plattform und Pod. Sie sehen eine breite Palette von Wassereigenschaften. Außerdem haben ihre simultanen Messungen eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung. Die SPMs und ihre Instrumenten-Suites (einschließlich des Wissenschafts-Pods) sind mit dem Netzwerk von Glasfaserkabeln verbunden. Jeder SPM hat 1 Gbit / s Bandbreite und 3000 Watt Leistung. Dadurch sind Live-Daten im Internet von Sensoren auf den SPM-Plattformen und ihren win- ked science pods verfügbar.

Benthische Experimentierpakete

ADCPs befinden sich auch an Bord einiger Benthic Experiment Packages (BEP), die auf der Newport Line installiert sind. Es läuft von flachem bis zu tiefem Wasser vor Oregon. Der tiefe Offshore-Standort (1C) liegt in 600 m Tiefe auf dem Kontinentalhang, während der flachere küstennahe Standort (1D) auf 80 m auf dem Kontinentalschelf liegt.

Diese ADCP-Daten werden zur Untersuchung weitreichender wissenschaftlicher Fragen verwendet. Beispiele umfassen den Fluss von Strömen auf das Regal und Hypoxieereignisse. In jedem Fall wird die ADCP-Frequenz ausgewählt, um die volle Wassersäule zu profilieren. So sitzt ein 75 kHz Long Ranger an der tiefen Stelle, während sich ein 300 kHz Sentinel am küstennahen Standort befindet.

In einem hazardresistenten Rahmen spielt das BEP eine doppelte Rolle. Es ist eine Halterung für das ADCP und mehrere kleinere Sensoren. Es enthält auch einige der Stromversorgungs- / Kommunikationsinfrastrukturen, die diese Geräte mit dem verkabelten Netzwerk verbinden. Die Sensoren messen chemische Signaturen im Ozean: Säure (pH), Kohlendioxid, Salzgehalt und Sauerstoffkonzentrationen. In der Nähe installierte Sonden adressieren die Physik der unteren Grenzschicht. Außerdem sitzt ein Hydrophon außerhalb des Rahmens, um als benthisches Ohr zu fungieren.

Meeresboden-Instrumenten-Arrays

Die kabelgebundenen Seafloor Instrument Arrays (SIA) erlauben die Untersuchung von Prozessen in Bodennähe und in Wasserspalten. Beispiele sind interne Gezeiten und die Freisetzung von Methan vom Meeresboden in den Ozean.

Es gibt drei dieser Arrays (Sites 1A, 1B, 3A). Sie tragen auch eine Reihe von Instrumenten. Zwei SIAs, die in 3 km Tiefe (1A, 3A) eingesetzt werden, sind mit 150 kHz Quartermaster ADCP ausgestattet. Diese Websites befinden sich zusammen mit SPMs. in der Nähe ist ein Drahtseilwinde-Liegeplatz. Ein dritter SIA (1B) trägt auf dem Kontinentalhang bei 800 m einen 75 kHz Long Ranger ADCP.

Sie können in der Abbildung sehen, dass der ADCP auf einer Anschlussdose für das Power / Comms-Netzwerk sitzt. Aufgrund der verkabelten Verbindung sind diese ADCP-Daten nahezu in Echtzeit und für eine lange Dauer von zwei Jahren verfügbar. Dies hat zu einer innovativen Nutzung der ADCP-Daten geführt.

Ein Beispiel ist eine bio-geologische Studie am Southern Hydrate Ridge (1B). Marine Geologen an der Universität von Washington benutzen die akustischen Echos des ADCP, um Blasenbläschen von Methan zu sehen.

Die Federn sickern aus Gashydratvorkommen im Meeresboden. Gashydrate sind eine feste, eisartige Form von Wasser, das Methanmoleküle enthält.

Diese Lagerstätten unterstützen biologische Gemeinschaften auf und in den Sedimenten. Die ADCP-Profile zeigen Blasenfahnen durch einen Großteil der Wassersäule. Eine Hypothese ist, dass diese aufsteigenden Methangaswolken die biologische Produktivität im darüberliegenden Ozean fördern könnten.

Ich freue mich auf

Das Cable Observatory von OOI soll 25 Jahre lang funktionieren. Dank seiner einzigartigen Power / Comms-Infrastruktur ermöglicht dieses vernetzte Array die interaktive Überwachung verschiedener Meeresstandorte - vom oberen Ozean bis hin zu den Tiefen des Meeres. Die Fernabtastfähigkeit von ADCPs, die im gesamten Array eingesetzt werden, erweitert die Reichweite von Beobachtern durch die Wassersäule. Und dank der Glasfaserverbindung zum Internet werden diese Daten nahezu in Echtzeit für eine globale Nutzergemeinschaft verfügbar sein.

Der Autor

Peter Spanien Ph.D., Teledyne RD Instrumente

(Wie in der März 2018 Ausgabe von Marine Technology Reporter veröffentlicht )