ADCPs: Ação no Observatório de Cabos da OOI

Peter Espanha • 29 março 2018

Fig.4. Um Benthic Experiment Package hospeda um ADCP e vários sensores oceânicos menores dentro de um quadro resistente a perigos. Também dentro é uma unidade de energia / comunicação para a rede cabeada. (Crédito: Universidade de Washington)

Fig.5. Um Benthic Experiment Package no fundo do mar a 600 m de profundidade, no mar do Oregon. À direita está um ADCP de 75 kHz. A conexão por cabo à Internet se estende das portas de proteção. (Crédito: NSF-OOI / UW / CSSF, Mergulho 1747, Expedição VISIONS '14)

Fig.3. Localizado a 200 m de profundidade, dois ADCPs (150 kHz, 5 feixes, 600 kHz) são instalados na plataforma fixa de um SPM. (Crédito: NSF-OOI / UW / ISS; Mergulho R1832, Expedição VISIONS '15)

Figura 1. A caminho de locais fora da costa do Oregon, vários ADCPs podem ser vistos instalados na plataforma fixa de Ancoragem de Perfil Profundo. (Crédito: M. Elend, Universidade de Washington, expedição de VISIONS '16)

Figura 2. ADCPs remotamente amostra da coluna de água de 200 m através do qual uma amarração Profiler Shallow guinchos ciência pods. As vagens fazem 9 ciclos por dia, parando a uma curta distância abaixo da superfície. (Crédito: Universidade de Washington, NSF-OOI / ROPOS VISIONS '15 expedição)

Fig.6. Um ADCP de 150 kHz no topo de uma caixa de junção, antes da implantação a 2900 m. (Crédito: M. Elend, Universidade de Washington)

Fig.7. Parte de um instrumento Seafloor Instrument Array, este ADCP de 150 kHz fica a 3 km de profundidade perto de Seamount Axial. (Crédito: NSF-OOI / UW / CSSF; Mergulho R1735; Expedição VISIONS '14)

Os ADCPs são sistemas de sonar que medem o movimento subaquático. Usando ondas sonoras, eles funcionam como radares de mão usados pela polícia para pegar motoristas em alta velocidade. Para medir o movimento, os ADCPs emitem rajadas de som ao longo dos feixes em ângulo para baixo.

Ecos são retornados devido à dispersão de partículas. Como o zooplâncton e os sedimentos suspensos são transportados pela água em movimento, os ecos espalhados por eles carregam uma mudança de tom; este é o efeito Doppler. Ele diz quão rápido a corrente está se movendo e em que direção.

As ondas sonoras se propagam através da coluna de água, de modo que os ecos são retornados e processados a partir de várias profundidades. A faixa vertical desta coleção de medições - chamada de perfil das velocidades da corrente oceânica - é maior para ondas sonoras de freqüência mais baixa.

Introdução

Graças a um grupo vigoroso de cientistas e engenheiros marinhos, os observatórios oceânicos de alta tecnologia estão agora operacionais. Esses sites fornecem uma presença contínua no oceano para observação contínua e interativa. Muitos combinam infraestrutura inovadora com sensores marítimos multidisciplinares.

Instalados em várias profundidades, esses observatórios existem em todo o mundo em diversos ambientes marinhos. Sua finalidade é medir os ambientes oceânicos e do leito marinho em locais estratégicos por períodos prolongados. Alguns fornecem dados contínuos em tempo real através de uma conexão por cabo para terra.

Um bom exemplo é o Array com Cabo no NE do Oceano Pacífico. Este observatório faz parte da Ocean Observatories Initiative (OOI), financiada pela National Science Foundation (NSF) dos EUA. Projetado pelo Laboratório de Física Aplicada da Universidade de Washington (APL / UW), o Cabled Array usa cabos de telecomunicações dedicados. Eles fornecem um fornecimento de alta tensão e links de comunicação de alta velocidade para nós a até 500 km da costa.

Além de sua infraestrutura de alta tecnologia, o Cabled Array possui 150 instrumentos. Estão incluídos nove ADCPs operando em quatro freqüências diferentes. Eles equipam uma variedade de sites que abrangem diferentes profundidades, ambientes e objetivos científicos. Esses ADCPs são instalados de três maneiras diferentes: Amarrações de Perfil Profundo (SPM), Pacotes de Experimentos Bentônicos (BEP) e Arrays de Instrumento para o Mar (SIA).

Processos de Coluna de Água

Um dos focos do Cabled Array são os processos de coluna de água. Os tópicos estudados abrangem todas as facetas da ciência do oceano. Alguns promovem a cooperação entre disciplinas, como o acoplamento físico-biológico, enquanto outros desenvolvem a ciência cidadã. A observação sustentada aborda a compreensão do impacto ambiental e as mudanças climáticas previstas. A observação de longo prazo em altas taxas de amostragem revelará eventos de mudança rápida e lenta. Potencialmente, isso pode fornecer a base para sistemas de alerta antecipado e lições sobre adaptação.

Correntes observadas com ADCPs transportam importantes propriedades da água. Exemplos incluem calor, momento, sal, nutrientes, plâncton e larvas de invertebrados. Pesquisas em larga escala, usando os dados do ADCP, vão desde a dinâmica das correntes fronteiriças orientais até os eventos episódicos. Estudos de disciplina cruzada examinarão como as correntes de água interagem com o meio ambiente - da topografia áspera aos ecossistemas.

ADCPs - muitos usos

ADCPs analisam retornando ecos sonoros para fazer quatro medições diferentes de uma só vez.

Velocidade e direção das correntes de água em muitos níveis através da profundidade da água - um “perfil atual”
Distribuição espacial de sedimentos ou plâncton transportados pela água (por exemplo, uma pluma de sedimentos)
Velocidade do solo do ADCP e caminho de viagem (revelado por ecos espalhados da cama)
Faixa para limite. Isso pode ser a profundidade da água (como um ecobatímetro) ou, quando os feixes do ADCP estiverem direcionados para cima, vão para a superfície. Este último forneceu uma nova maneira de medir ondas de superfície.

Esse coletivo de tipos de dados usados individualmente e juntos permite que um único ADCP faça uma gama diversificada de medições.

Ancoragem Profiler Amarras

Além da infra-estrutura de energia / comunicações subjacente, uma inovação distintiva da matriz de cabos é a amarração de perfis rasos. Projetados e instalados pela APL / UW, os SPMs fornecem uma plataforma grande, estacionária e instrumentada a 200 m de profundidade. A plataforma fica no topo de uma amarração única de duas pernas. A partir daqui, um pod científico é guinchado ciclicamente pelo oceano.

O projeto incomum da amarração oferece a estabilidade motional necessária para o sucesso a longo prazo do método de guincho. Veículos robóticos são usados para instalar / recuperar a plataforma e o pod. Deixar a amarração de duas pernas no lugar atenua a logística e o custo de manutenção da carga útil de instrumentação do SPM. Em uma linha de ancoragem separada, um rastreador de arame instrumentado mede as propriedades oceânicas do fundo do mar até 200 m de profundidade da água. Além disso, co-localizado com essas amarras, é um instrumento Seafloor Instrument Array.

Em dois locais profundos (1A, 1C - cerca de 3.000 m), um par de ADCPs de uplooking é instalado na grande plataforma de instrumentos do SPM. Também a bordo estão uma câmera fotográfica digital e um conjunto multidisciplinar de sondas para medir propriedades de água e bioacústica. Os dados do ADCP irão informar diversos estudos que vão desde os impactos da mudança climática até a acidificação dos oceanos. Outros incluem o entendimento de processos biogeoquímicos e camadas finas ricas em biológicos.

Perfilamento do Oceano Superior

Os ADCPs são um WorkHorse de 5 feixes de 600 kHz e um Quartermaster de 150 kHz. O ADCP de 600 kHz inclui um feixe direcionado verticalmente que complementa a configuração padrão do Janus.

O quinto feixe mede movimentos verticais diretamente, ideal para estudos de ondas internas ou migração diária do zooplâncton.

O ADCP de 150 kHz perfila remotamente as correntes de água desde a profundidade da plataforma até à superfície do mar. Assim, fornece séries temporais do fluxo de fundo dentro da coluna de água de 200 m amostrada pelo pod científico.

A cada dia, o pod científico é guiado através de 9 ciclos de 200 m de profundidade até logo abaixo da superfície do mar. O pod contém nove instrumentos de ponto único. Devido à ação do guincho, esses dispositivos registram perfis de alta resolução através do oceano superior de propriedades físicas, químicas e biológicas da água. Comando interativo e controle da costa estão disponíveis quando recursos interessantes são medidos, como cruzar uma camada fina biologicamente rica. Desde o final do verão de 2015, cada pod científico atingiu> 7.000 ciclos.

O conjunto de dados compostos do SPM inclui 18 instrumentos - plataforma e pod. Eles vêem uma ampla gama de propriedades da água. Além disso, suas medições simultâneas têm alta resolução no tempo e no espaço. Os SPMs e seus conjuntos de instrumentos (incluindo o pod científico) conectam-se à rede de cabos de fibra ótica. Cada SPM tem largura de banda de 1 Gbps e potência de 3000 watts. Como resultado, os dados em tempo real estão disponíveis na Internet a partir de sensores nas plataformas SPM e em seus pods científicos.

Pacotes de Experiências Bentônicas

Os ADCPs também estão a bordo de alguns Pacotes de Experimentos Bentônicos (BEB) instalados na Linha Newport. Corre de raso para águas profundas fora de Oregon. O local profundo (1C) situa-se a 600 m de profundidade na encosta continental, enquanto o local mais raso na costa (1D) está a 80 m na plataforma continental.

Estes dados do ADCP serão usados para examinar questões científicas abrangentes. Exemplos incluem fluxo de correntes nos eventos de prateleira e hipoxia. Em cada caso, a freqüência do ADCP é selecionada para fazer o perfil da coluna de água cheia. Assim, um Long Ranger de 75 kHz fica no local profundo enquanto um Sentinel de 300 kHz está no local da costa.

Instalado em um quadro resistente a riscos, o BEP desempenha um papel duplo. É uma montagem para o ADCP e vários sensores menores. Ele também possui parte da infraestrutura de energia / comunicação que conecta esses instrumentos à rede cabeada. Os sensores medem as assinaturas químicas no oceano: acidez (pH), dióxido de carbono, salinidade e concentrações de oxigênio. As sondas instaladas nas proximidades abordam a física da camada limite inferior. Além disso, um hidrofone fica fora do quadro para funcionar como um ouvido bentônico.

Matrizes de Instrumento Seafloor

O Seafloor Instrument Arrays (SIA) com cabo permite o estudo de processos de fundo próximo e de coluna de água. Exemplos incluem as marés internas e a liberação de metano do fundo do mar para o oceano.

Existem três dessas matrizes (Sites 1A, 1B, 3A). Eles também carregam um conjunto de instrumentos. Dois SIAs, implantados a 3 km de profundidade (1A, 3A), são equipados com ADCPs Quartermaster de 150 kHz. Esses sites são co-localizados com SPMs; Nas proximidades, há uma amarração com rastreadores de arame. Um terceiro SIA (1B), na encosta continental a 800 m, transporta um ADCP Long Ranger de 75 kHz.

Você pode ver na figura que o ADCP fica no topo de uma caixa de junção para a rede de energia / comunicações. Devido à conexão cabeada, esses dados do ADCP estão disponíveis quase em tempo real e por um longo período - dois anos até o momento. Isso levou ao uso inovador dos dados do ADCP.

Um exemplo é um estudo biogeológico na Southern Hydrate Ridge (1B). Os geólogos marinhos da Universidade de Washington estão usando os ecos acústicos do ADCP para ver as plumas de bolhas de metano.

As plumas se infiltram dos depósitos de hidratos de gás no fundo do mar. Os hidratos gasosos são uma forma sólida de água semelhante a gelo que contém moléculas de metano.

Estes depósitos suportam comunidades biológicas dentro e dentro dos sedimentos. Os perfis ADCP mostram plumas de bolhas em grande parte da coluna de água. Uma hipótese é que essas plumas crescentes de metano podem aumentar a produtividade biológica no oceano sobreposto.

Ansioso

O OOI's Cabled Observatory está planejado para operar por 25 anos. Devido à sua infra-estrutura exclusiva de energia / comunicações, esse conjunto de redes permitirá o monitoramento interativo de diversos locais oceânicos - da parte superior do oceano até as profundidades bentônicas. A capacidade de amostragem remota dos ADCPs implantados em todo o array aumentará o alcance dos observadores através da coluna de água. E graças à conexão de fibra ótica à Internet, esses dados estarão disponíveis quase em tempo real para uma comunidade global de usuários.

O autor

Peter Spain Ph.D., Teledyne RD Instruments

(Conforme publicado na edição de março de 2018 da Marine Technology Reporter )

Categorias: Ciência Marinha, Equipamento Marítimo, Observação do oceano, Tecnologia

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