مدى عمق الهاوية تشالنجر: قياس العمق

"يجب أن نفهم عمق أعماقنا بالكامل" (C) DMB

تحياتي أيها الأعزاء!

لقد كنت مندهشا دائما من أن المسافة إلى القمر تقاس بدقة المليمتر . حتى عندما يتم اكتشاف الكواكب الخارجية بطريقة السرعة الشعاعية ، يتم قياس السرعات النجمية بدقة 0.97 م / ث . ولكن ، على سبيل المثال ، يتم تحديد عمق الهاوية تشالنجر بدقة ± 10 متر .
لماذا كل شيء معقد للغاية بالماء؟



نتعامل مع هذه القضية تحت الخفض. ككرز على كعكة: تطبيق لتصور حركة الصوت عبر الماء بطبقات بكثافات مختلفة مع رموز مصدر على جيثوب وآلة حاسبة على الإنترنت.

دعني أذكرك بأن هناك طريقتان ونصف بالضبط لتحديد العمق:

• حبل =)
• , . , . : , ( ) , .
• — .

هنا مع الفقرة الأخيرة اليوم ، أقترح ترتيبها.

أحب دائمًا أن أفكر في الوضع إلى أقصى حد. خندق ماريانا بشكل عام و الهاوية تشالنجر بشكل خاص - هذا هو الحد من الوضع مع عمق على كوكبنا. تصبح العديد من التأثيرات مهمة ولا يمكن رؤيتها بوضوح إلا في أعماق كبيرة.

لذا ، فإن قصة قياس الأعماق العظيمة تنبع من تشالنجر - HMS تشالنجر ، الذي يعد اسمه أعمق انخفاض في المحيط. هنا ، بالمناسبة ، هو في الصورة :



في ربيع عام 1875 ، قامت البعثة بقياس العمق بحبل ، لا يقل عن 8184 متر. بالمناسبة ، مشاكل قياس العمق بحبل ، بالإضافة إلى تلك الواضحة مثل انحراف السفينة والتيار ، موصوفة في الترفيه عن الفيزياء من قبل بيرلمان: الحبل يواجه احتكاكًا ضد الماء ، يتلوى ، يلتوي مثل جزيئات البروتين ولا ينخفض ​​بعد عمق معين - لا يقبل الماء .

منذ ذلك الحين ، لم يكن الناس في حالة خمول ، وفي عام 1952 تم قياس أعماق خندق ماريانا بالفعل بواسطة HMS Challenger II:



باستخدام متفجر ، وساعة إيقاف يدوية ، وسلك بحمولة 20 كجم ، ومخرب وشريط لاصق ، وكذلك السونار الأول ، قاموا بقياس 10،900 متر . بعد المعالجة اللاحقة ، تم تخفيض النتيجة إلى 10632 متر مع غموض ± 27 متر.

بحفر ، أو الانغماس في الغلاف الجوي ، في تاريخ استكشاف المحيطات ، في إحدى مقالاتي السابقة ، ذكرت سفينة الأبحاث السوفيتية الأسطورية Vityaz - لقد استخدمت صورة طابع بريد معها باعتبارها KDPV:



في عام 1957 ، قام Vityaz بقياس أعمق عمق أعماقنا - 11034 م . تم إجراء القياسات عند حد نطاق السونار على أساس سرعة ثابتة للصوت 1500 م / ث ، وبعد ذلك تم أخذ عينات من زجاجة المياه لبناء درجة حرارة وملوحة ، والتي تم الحصول عليها بعد ذلك من قيمة 11034 مترًا . على الرغم من أن هذه النتيجة تأتي في أي مكان يتعلق بخندق ماريانا ، إلا أن الخبراء المعاصرين يشككون.

علاوة على ذلك ، في عام 1960 ، أفاد جوزاني من تريست بالقياسات باستخدام محول ضغط على متن الطائرة يبلغ 10.911 مترًا ، وسفينة المرافقة ، باستخدام المتفجرات ، قياس عمق 10915 ± 20 مترًا. وفي عام 1976 ، وبمساعدة صدى صوت ، حصلوا على قيمة 10933 ± 50 مترًا.

من أين تأتي كل هذه ± 20 و 50؟ أدرك قارئ مدروس على الأرجح منذ فترة طويلة ما كنت أقوده - سرعة الصوت في الماء تعتمد على درجة الحرارة والملوحة والضغط ، أي من كثافة الوسط.

لمحة عن درجة الحرارة والملوحة هي مجموعة من القياسات مع الإشارة إلى العمق.
ولا يمكن قياس درجة الحرارة ولا الملوحة عن بعد - تحتاج إلى "وضع" مقياس حرارة ومقياس موصلية في النقطة المناسبة في المحيط. من المستحسن إجراء العديد من القياسات على طول الخط عموديًا قدر الإمكان ومن خلال كل متر.

تبدو بعض الملفات الشخصية كما يلي:

الأكاديمي Ioffe ، 30 مارس 2005.
موقع القياس على خرائط Google.



سفينة الأبحاث الأمريكية OCEANUS ، 10 أبريل 2010.
مكان القياس على خرائط Google.
وبالمناسبة ، توجد كاميرا ويب على هذا المحيط .



سفينة NOAA "RONALD H. BROWN" ، 20 أكتوبر 2001.
مكان القياس على خرائط Google

تاريخ قياس أعمق نقطة ليس فقيرًا وغريبًا

في عام 1992 (على ما يبدو!) ، قام المشاركون في بعثة جامعة طوكيو بقياس الأعماق ، مثل مواطنينا في عام 1957 ، استنادًا إلى سرعة صوت ثابتة تبلغ 1500 م / ث ، ولكن لسبب ما لم يجمعوا درجات الحرارة والملوحة. بدلاً من ذلك ، قاموا بتصحيح البيانات في جداول عام 1980 (!) وحصلوا على قيمة 10933 م دون الإشارة إلى الأخطاء.

بالفعل في عام 2002 ، قامت بعثة على متن سفينة Keirei التابعة للوكالة اليابانية للعلوم والتكنولوجيا لدراسة تحت سطح البحر (JAMSTEC) بإجراء بحث للبحث عن أعمق الأعماق باستخدام مسبار صدى متعدد الحزم إلى حد ما. حصلوا على قيمة 10920 ± 5 م . قاموا بجمع عدد كبير من الملفات الشخصية ، لكن فشل مقياس الحرارة الموصلية أجبرهم على استخدام ملفات التعريف قبل عامين.
كان اليابانيون غير محظوظين من وقت لآخر.

القياسات اللاحقة

في عام 2008 ، حصل باحثون من جامعة هاواي على مثل هذا الكيلو الجميل Moana



على عمق 10903 مترًا باستخدام مسبار الصدى متعدد الحزم EM 120 من Kongsberg Maritime.

في عام 2010 ، تلقى علماء من جامعة نيو هامبشاير على USNS Sumner باستخدام نموذج EM 122 الأحدث من نفس النرويجيين عمقًا يصل إلى 10944 ± 40 مترًا في نقطة (الموقع على خرائط جوجل) .

فى النهاية

الغموض في تحديد الأعماق باستخدام مسبار الصدى عواقب للعوامل التالية:

• , , ( 1°1° 140 ), , , , . ..)
• — , — , , , , — .

هنا أنا يمكن أن تريد لمسة واحدة فقط من العوامل - الملف الشخصى درجة الحرارة والملوحة، أو، في حالتنا هي تقريبا نفس - الملف الشخصى سرعة الصوت.
فقط للتقييم البصري: ما هو التأثير؟

نحن نقبل الافتراض بأن صوتنا يشبه تقريبًا كرة من كرة الطاولة - فهي تنتقل بشكل عمودي فقط ، وترتد من الأسفل تمامًا ، والسفينة بلا حراك ، والقاع متساوي. نقيس الوقت دون أخطاء. والشيء الوحيد الذي يربكنا هو وجود ملف تعريف سرعة الصوت.
كيف ستؤثر على العمق المقاس؟

في هذه الحالة ، يمكن وصف نموذجنا من خلال صيغة بسيطة:

$$

$$s=\sum{v(t_i)\Delta t}$$

أين $$هو مسار الصوت$s$$$$v(t_i)$ هي سرعة الصوت في الفاصل الزمني الأول ، ومدتها$$$\Delta t$ .

إذا قللنا$$$\Delta t$ (ولكن لا يمكننا) ثم يصل الأمر إلى جزء لا يتجزأ من الفيزياء في المدرسة:

$$

$$s=\lim_{\Delta t\rightarrow 0}{\sum{v(t_i)\Delta t}}$$

$$

$$s=\int{v(t)dt}$$

علاوة على ذلك ، بناءً على وقت الانتشار المقاس للصوت (من بداية الإشعاع إلى استقبال الإشارة المنعكسة) نحتاج إلى:

• على فترات زمنية متساوية لتقدير العمق تقريبًا (لأقرب عشرة أو مترين)
• استيفاء (إذا لزم الأمر) من الملف الشخصي الحالي درجة الحرارة والملوحة للعمق المقدر
• عليه لحساب سرعة الصوت ، وبالتالي المسار الذي انتقله الصوت عند هذا العمق لفترة زمنية.

لهذه الأغراض (وغيرها) ، قمت بتصوير المكتبة ، التي تحدثت عنها في الجزء الأول من المقالة . في الوقت الحالي ، يتم تنفيذه في C / C # / Rust / Matlab / Octave / JavaScript.

يتم حساب سرعة الصوت وفقًا لصيغة Chen و Millero . يعجبني لأنه يوجد الضغط الذي يقاس مباشرة ، وليس العمق ، كما هو الحال في النماذج الأخرى. بالإضافة إلى ذلك ، فإن نطاق المعلمات لهذا النموذج يغطي جميع الحالات المعقولة تقريبًا.

على سبيل المثال ، لملف التعريف الثاني الذي تم الحصول عليه في هذه المرحلة10 أبريل 2010 ، الفرق بين العمق الذي تم الحصول عليه من القيمة القياسية لسرعة الصوت والعمق الذي تم الحصول عليه من الحساب أعلاه مع وقت انتشار يبلغ 5 ثوانٍ (ذهابًا وإيابًا) هو 18 مترًا: 3750 مقابل 3768.3 مترًا ، ويزداد الفرق لمدة 6 ثوانٍ إلى 32 أمتار.
لسوء الحظ ، ليس لدي ملف شخصي من خندق ماريانا ، وعمومًا لم أجد أي ملف تعريف أعمق من 6000 متر. ولكن إذا افترضنا أنه بعد 4-5 كم من العمق تتغير المعلمات قليلاً وتتغير سرعة الصوت بشكل أساسي بسبب الضغط ، فعندئذٍ يتبين أنه بالنسبة للأعماق التي تمت مناقشتها ، يبلغ الفرق حوالي 420 مترًا ، والوقت من اللحظة التي تنبعث فيها إشارة الصدى إلى استقبال الانعكاس أكثر 14 ثانية

كما تتوفر مواد مظاهرة:

آلة حاسبة عبر الإنترنت يمكنك من خلالها إدخال ملف تعريف يدويًا أو استخدام واحد من الثلاثة ، إذا جاز التعبير ، مشفرة بشدة.

نظرًا لأنني حقًا لا أفهم أي شيء في جافا سكريبت ، كان من الأسهل بالنسبة لي أن أقوم بالتخيل في C # من خلال الأكمام . أضع المشروع على جيثب .
أعلم أن الجميع يعرف ، لكن التجربة تُظهر أنه من الأفضل إعطاء رابط مباشر للإصدار.

تبدو نافذة التطبيق كما يلي:


بشكل افتراضي ، هناك وقت انتشار يبلغ 5 ثوانٍ ونوع من الملف الشخصي من شمال المحيط الهادئ مع 13 نقطة فقط.

على اليمين يوجد 4 أعمدة ، في كل منها (بعد الضغط على زر الرسوم المتحركة بالطبع) ، يبدأ الصوت في الانتقال بسرعات مختلفة:

• في الأولى - 1500 م / ث (القيمة القياسية للمياه العذبة) ،
• — , ,
• — ,
• —

يتم بدء العرض على MMTimer مع فترة 0.01 ثانية ، وتعمل المحاكاة مع نفس الفترة.

في قائمة الملف الشخصي ، يمكنك اختيار واحد من ثلاثة ملفات تعريف تجريبية (هناك نقاط قليلة فيها) ، كما يمكنك تنزيل العديد من الملفات الشخصية التي مزقتها من قاعدة بيانات المحيط العالمي ، والتي تجمعها NOAA بعناية .
هذه الشخصية هي في شكل CSV و، من بين أمور أخرى، تحتوي على معلومات حول مكان القياس، والوقت، والبلد، معهد إدارة والسفينة التي صدر فيه. لقد كتبت بمزيد من التفصيل عن هذا في مقال "من وكيف استكشف المحيطات: تفكيك قواعد NOAA" .

تمامًا بالنسبة للكسل (أنا أتوب ، أنا نفس الشيء) جمعت رسوم متحركة GIF ، ولكن يتم عرض ملف GIF بشكل مختلف في كل مكان ، ولن يعمل "تأثير الوجود الكامل":



عند كتابة مراجعة تاريخية حول دراسة خندق ماريانا ، استخدمت مقالة جيمس جاردنر ورفاقه. أوصي بشدة للمهتمين. هناك ، يتم وصف الصعوبات جيدًا عند القياس ، على ما يبدو ، مثل هذا الشيء "البسيط" مثل العمق.

ملاحظة

أود أن أشكر كل الذين صوتوا في المقال السابق . لكي يظهر هذا ، تم الإدلاء بـ 109 أصوات - يا رفاق ، هذا لك! أولئك الذين كانوا ضد - آسف ، لقد استمعت إلى رأي الأغلبية.

PPS

تقليديا ، سأكون صادقا (بالنسبة لي هذه ليست كلمة فارغة) أنا ممتن لرسائل الخطأ والنقد البناء والأسئلة والمناقشات المثيرة للاهتمام.