Wie tief der Challenger Abyss ist: Tiefe messen

„Wir müssen die gesamte Tiefe unserer Tiefen verstehen“ (C) DMB

Grüße, meine Lieben!

Ich war immer wieder erstaunt, dass die Entfernung zum Mond millimetergenau gemessen wird . Selbst wenn Exoplaneten mit der Radialgeschwindigkeitsmethode entdeckt werden , werden Sterngeschwindigkeiten mit einer Genauigkeit von 0,97 m / s gemessen . Beispielsweise wird die Tiefe des Challenger Abyss mit einer Genauigkeit von ± 10 Metern bestimmt .
Warum ist alles mit Wasser so kompliziert?



Wir beschäftigen uns mit diesem Thema unter dem Schnitt. Als Kirsche auf einem Kuchen: Eine Anwendung zur Visualisierung der Schallbewegung durch Wasser mit Schichten unterschiedlicher Dichte mit Quellcodes auf einem Github und einem Online-Rechner.

Ich möchte Sie daran erinnern, dass es genau zweieinhalb grundlegende Möglichkeiten gibt, die Tiefe zu bestimmen:

• Seil =)
• , . , . : , ( ) , .
• — .

Hier mit dem letzten Absatz heute schlage ich vor, es zu klären.

Ich betrachte die Situation immer gerne bis an die Grenzen. Der Marianengraben im Allgemeinen und der Herausforderer-Abgrund im Besonderen - dies ist die Grenze der Situation mit Tiefe auf unserem Planeten. Viele Effekte werden signifikant und sind nur in großen Tiefen deutlich sichtbar.

Die Geschichte der Messung großer Tiefen stammt also von dem Herausforderer - HMS Challenger , dessen Name die tiefste Vertiefung des Ozeans ist. Hier ist er übrigens auf dem Foto :



Im Frühjahr 1875 maß die Expedition die Tiefe mit einem Seil , nicht weniger als 8184 Meter. Übrigens werden die Probleme der Tiefenmessung mit einem Seil zusätzlich zu solchen offensichtlichen Problemen wie dem Driften eines Gefäßes und Strömungen in Entertaining Physics von Perelman beschrieben: Das Seil erfährt Reibung gegen Wasser, zappelt, dreht sich wie Proteinmoleküle und sinkt nach einer bestimmten Tiefe nicht mehr - es akzeptiert kein Wasser .

Seitdem waren die Menschen nicht untätig, und 1952 wurden die Tiefen des Marianengrabens bereits von der HMS Challenger II gemessen:



Mit einem Sprengstoff, einer manuellen Stoppuhr, einem Draht mit einer Last von 20 kg, einer Brechstange und einem Klebeband sowie dem ersten Sonar wurden 10.900 Meter gemessen . Nach der Nachbearbeitung wurde das Ergebnis mit einer Mehrdeutigkeit von ± 27 m auf 10632 m reduziert .

In einem meiner vorherigen Artikel habe ich das legendäre sowjetische Forschungsschiff Vityaz erwähnt - ich habe das Bild einer Briefmarke als KDPV verwendet:



1957 hat Vityaz die tiefste Tiefe unserer Tiefen gemessen - 11034 m . Die Messungen wurden an der Grenze des Sonarbereichs basierend auf einer konstanten Schallgeschwindigkeit von 1.500 m / s durchgeführt, wonach Flaschenwasserproben entnommen wurden, um ein Temperatur- und Salzgehaltprofil zu erstellen, aus dem anschließend ein Wert von 11034 Metern erhalten wurde . Obwohl dieses Ergebnis überall im Marianengraben zu finden ist, sehen es moderne Experten skeptisch.

1960 berichteten Aquanauten aus Triest über Messungen mit einem Borddruckmessumformer von 10.911 Metern , und das Begleitschiff mit Sprengstoff maß eine Tiefe von 10.915 ± 20 Metern. Und bereits 1976 erhielten sie mit Hilfe eines Echolots einen Wert von 10933 ± 50 Metern.

Woher kommen all diese ± 20 und 50? Ein nachdenklicher Leser hat höchstwahrscheinlich vor langer Zeit erkannt, mit was ich gefahren bin - die Schallgeschwindigkeit im Wasser hängt von Temperatur, Salzgehalt und Druck ab, d. H. aus der Dichte des Mediums.

Ein Temperatur- und Salzgehaltprofil ist eine Reihe von Messungen in Bezug auf die Tiefe.
Und weder Temperatur noch Salzgehalt können aus der Ferne gemessen werden - Sie müssen ein Thermometer und ein Leitfähigkeitsmessgerät an der richtigen Stelle im Ozean "platzieren". Es ist ratsam, viele Messungen entlang der Linie so vertikal wie möglich und durch jeden Meter durchzuführen.

Einige Profile sehen folgendermaßen aus:

Akademiker Ioffe , 30. März 2005. Messseite
auf Google Maps.



Amerikanisches Forschungsschiff OCEANUS , 10. April 2010. Messort
auf Google Maps.
Übrigens gibt es auf diesem Oceanus sogar eine Webcam . NOAA-



Schiff „RONALD H. BROWN“ , 20. Oktober 2001. Messort auf Google Maps

Die Geschichte der Messung des tiefsten Punktes ist nicht schlecht und seltsam

1992 (so scheint es!) Haben Mitglieder der Expedition der Universität Tokio wie unsere Landsleute im Jahr 1957 Tiefen gemessen, basierend auf einer konstanten Schallgeschwindigkeit von 1.500 m / s, aber aus irgendeinem Grund keine Temperatur- und Salzgehaltprofile gesammelt. Stattdessen korrigierten sie die Daten in den Tabellen des Jahres 1980 (!) Und erhielten einen Wert von 10933 m, ohne Fehler anzuzeigen .

Bereits im Jahr 2002 führte eine Keirei-Expedition der japanischen Agentur für Wissenschaft und Technologie zur Untersuchung des Untergrunds des Meeres (JAMSTEC) Forschungen durch, um die tiefsten Tiefen mit einem ziemlich fortschrittlichen Mehrstrahl-Echolot zu finden. Sie erhielten einen Wert von 10920 ± 5 m . Sie sammelten eine große Anzahl von Profilen, aber der Ausfall des Leitfähigkeitsthermometers zwang sie vor zwei Jahren, Profile zu verwenden.
Die Japaner hatten von Zeit zu Zeit Pech.

Spätere Messungen

Im Jahr 2008 erreichten Forscher der Universität von Hawaii auf einem so schönen Kilo-Moana



mit dem Mehrstrahl-Echolot EM 120 von Kongsberg Maritime eine Tiefe von 10903 Metern .

Im Jahr 2010 erhielten Wissenschaftler der University of New Hampshire am USNS Sumner, die das neuere Modell EM 122 von denselben Norwegern verwendeten, an einem Punkt eine Tiefe von 10.944 ± 40 m (Position auf Google Maps) .

Schlussendlich

Die Unklarheiten bei der Tiefenbestimmung mit Echoloten sind auf folgende Faktoren zurückzuführen:

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

Hier hat ich kann nur einen der Faktoren , die berühren will - das Profil von Temperatur und Salzgehalt, oder in unserem Fall ist fast das gleiche - das Schallgeschwindigkeitsprofil.
Nur um visuell zu bewerten: Was ist der Effekt?

Wir akzeptieren die Annahme, dass unser Sound fast wie ein Ball von einem Tischtennis ist - er bewegt sich ausschließlich vertikal, er springt vollständig vom Boden ab, das Schiff ist bewegungslos, der Boden ist eben. Wir messen die Zeit ohne Fehler. Und das einzige, was uns verwirrt, ist das Vorhandensein eines Schallgeschwindigkeitsprofils.
Wie wirkt es sich auf die gemessene Tiefe aus?

In diesem Fall kann unser Modell durch eine einfache Formel beschrieben werden:

$$

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

Wo $$$s$- der Schallweg $$$v(t_i)$Ist die Schallgeschwindigkeit im i-ten Zeitintervall, dessen Dauer $$$\Delta t$.

Wenn wir reduzieren$$$\Delta t$ (und wir können nicht) dann kommt es zum Integral der Schulphysik:

$$

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

$$

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

Basierend auf der gemessenen Ausbreitungszeit des Schalls (vom Beginn der Strahlung bis zum Empfang des reflektierten Signals) benötigen wir ferner:

• in gleichen Zeitintervallen, um die Tiefe ungefähr abzuschätzen (auf die nächsten zehn oder zwei Meter)
• interpolieren Sie (falls erforderlich) aus dem vorhandenen Profil die Temperatur und den Salzgehalt für die geschätzte Tiefe
• darauf, um die Schallgeschwindigkeit und dementsprechend den Weg zu berechnen, den der Schall für ein Zeitintervall in dieser Tiefe zurückgelegt hat.

Für diese (und andere) Zwecke habe ich die Bibliothek gefilmt , über die ich im ersten Teil des Artikels gesprochen habe . Derzeit ist es in C / C # / Rust / Matlab / Octave / JavaScript implementiert.

Die Schallgeschwindigkeit wird nach der Formel von Chen und Millero berechnet . Ich mag es, weil dort der Druck geht, der direkt gemessen wird, und nicht die Tiefe, wie bei anderen Modellen. Darüber hinaus deckt der Parameterbereich für dieses Modell fast alle vernünftigen Fälle ab.

Zum Beispiel für das zweite Profil, das an dieser Stelle erhalten wirdAm 10. April 2010 beträgt die Differenz zwischen der Tiefe, die durch den Standardwert der Schallgeschwindigkeit erhalten wird, und der Tiefe, die durch die obige Berechnung mit einer Laufzeit von 5 Sekunden (Hin- und Rückfahrt) erhalten wird, 18 Meter: 3750 gegenüber 3768,3 Metern, und für 6 Sekunden erhöht sich die Differenz auf 32 Meter.
Leider habe ich kein Profil aus dem Marianengraben und im Allgemeinen habe ich noch kein Profil gefunden, das tiefer als 6000 Meter ist. Wenn wir jedoch annehmen, dass sich die Parameter nach 4 bis 5 km Tiefe schwach ändern und sich die Schallgeschwindigkeit hauptsächlich aufgrund des Drucks ändert, stellt sich heraus, dass die Differenz für die besprochenen Tiefen etwa 420 Meter beträgt und die Zeit vom Moment, in dem das Signal vom Echolot bis zum Empfang der Reflexion ausgesendet wird, größer ist 14 Sekunden

Als Demonstrationsmaterial stehen zur Verfügung:

ein Online-Rechner, in den Sie manuell ein Profil eingeben oder sozusagen einen der drei fest codierten verwenden können.

Da ich in JavaScript wirklich nichts verstehe, war es für mich einfacher, die Visualisierung in C # durch die Ärmel durchzuführen . Ich habe das Projekt auf GitHub gestellt .
Ich weiß, dass jeder weiß, aber die Erfahrung zeigt, dass es besser ist, einen direkten Link zu Release zu geben .

Das Anwendungsfenster sieht folgendermaßen aus:


Standardmäßig gibt es eine Laufzeit von 5 Sekunden und eine Art Profil aus dem Nordpazifik mit nur 13 Punkten.

Auf der rechten Seite befinden sich 4 Spalten, in denen (nach natürlichem Drücken der ANIMATION-Taste) der Ton mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten zu laufen beginnt:

• im ersten - 1500 m / s (Standardwert für Frischwasser),
• — , ,
• — ,
• —

Die Anzeige wird auf MMTimer mit einer Zeitspanne von 0,01 s gestartet, und die Simulation arbeitet mit derselben Zeitspanne.

Im Menü PROFIL können Sie eines von drei Demoprofilen auswählen (es enthält nur wenige Punkte). Sie können auch mehrere von mir zerrissene Profile aus der World Ocean Database herunterladen , die NOAA sorgfältig sammelt .
Diese Profile haben die Form von CSV und enthalten unter anderem Informationen über den Ort der Messung, die Zeit, das Land, das Verwaltungsinstitut und das Schiff, auf dem sie hergestellt wurden. Ich habe darüber ausführlicher in dem Artikel „Wer und wie hat er die Ozeane erforscht: Zerlegen von NOAA-Basen“ geschrieben .

Absolut für die Faulen (ich bereue, ich bin derselbe) habe ich eine GIF-Animation zusammengestellt, aber das GIF wird überall anders angezeigt und der „volle Präsenz-Effekt“ funktioniert nicht:



Als ich einen historischen Bericht über das Studium des Marianengrabens schrieb, verwendete ich den Artikel von James Gardner und seinen Mitarbeitern. Ich kann es allen Interessierten nur empfehlen. Dort werden Schwierigkeiten sehr gut beschrieben, wenn es darum geht, eine so "einfache" Sache wie die Tiefe zu messen.

PS

Ich möchte allen danken, die im vorherigen Artikel abgestimmt haben . Damit dieser erscheint, wurden 109 Stimmen abgegeben - Leute, das ist für euch! Die beiden, die dagegen waren - Entschuldigung, ich habe der Mehrheitsmeinung zugehört.

PPS

Traditionell werde ich aufrichtig (für mich ist dies kein leeres Wort) dankbar für die Fehlermeldungen, konstruktive Kritik, interessante Fragen und Diskussionen.