Cuán profundo es el Abismo Challenger: medir la profundidad

"Debemos comprender toda la profundidad de nuestras profundidades" (C) DMB

¡Saludos, queridos!

Siempre me sorprendió que la distancia a la luna se midiera con precisión milimétrica . Incluso cuando se descubren exoplanetas por el método de velocidad radial , las velocidades estelares se miden con una precisión de 0,97 m / s . Pero, por ejemplo, la profundidad del Abismo Challenger se determina con una precisión de ± 10 metros .
¿Por qué todo es tan complicado con el agua?



Nos ocupamos de este problema bajo el corte. Como guinda del pastel: una aplicación para visualizar el movimiento del sonido a través del agua con capas de diferentes densidades con códigos fuente en un github y una calculadora en línea.

Permítame recordarle que hay exactamente dos formas y media fundamentales para determinar la profundidad:

• cuerda =)
• , . , . : , ( ) , .
• — .

Aquí con el último párrafo de hoy, propongo resolverlo.

Me gusta considerar siempre la situación al límite. La Fosa de las Marianas en general y el Abismo del Desafiador en particular: este es el límite de la situación con profundidad en nuestro planeta. Muchos efectos se vuelven significativos y son claramente visibles solo a grandes profundidades.

Entonces, la historia de medir grandes profundidades se origina en el mismo Challenger: HMS Challenger , cuyo nombre es la depresión más profunda del océano. Aquí, por cierto, está en la foto :



en la primavera de 1875, la expedición midió la profundidad con una cuerda , no menos de 8184 metros. Por cierto, los problemas de medir la profundidad con una soga, además de los obvios como la deriva de un vaso y las corrientes, se describen en Entretenimiento de Física por Perelman: la soga experimenta fricción contra el agua, se retuerce, se retuerce como las moléculas de proteínas y no baja después de cierta profundidad : no acepta agua .

Desde entonces, la gente no ha estado inactiva, y en 1952 el HMS Challenger II ya midió las profundidades de la Fosa de las Marianas:



con un explosivo, un cronómetro manual, un cable con una carga de 20 kg, palanca y cinta adhesiva, así como el primer sonar, midieron 10.900 metros . Después del procesamiento posterior, el resultado se redujo a 10632 m con una ambigüedad de ± 27 metros.

Excavando, o atmosférico, sumergiéndome en la historia de la exploración de los océanos, en uno de mis artículos anteriores mencioné el legendario buque de investigación soviético Vityaz : utilicé la imagen de un sello postal como un KDPV:



en 1957, Vityaz midió la profundidad más profunda de nuestras profundidades. - 11034 m . Las mediciones se realizaron en el límite del rango del sonar con base en una velocidad de sonido constante de 1,500 m / s, luego de lo cual se tomaron muestras de agua embotellada para construir un perfil de temperatura y salinidad, del cual se obtuvo posteriormente un valor de 11034 metros . Aunque este resultado aparece en cualquier parte de la Fosa de las Marianas, los expertos modernos son escépticos.

Además, en 1960, los acuanautas de Trieste informaron mediciones utilizando un transductor de presión a bordo de 10.911 metros , y la embarcación de escolta, con explosivos, midió una profundidad de 10.915 ± 20 metros. Y ya en 1976, con la ayuda de un ecosonda, recibieron un valor de 10933 ± 50 metros.

¿De dónde vienen todos estos ± 20 y 50? Un lector reflexivo muy probablemente hace mucho tiempo se dio cuenta de a qué conducía: la velocidad del sonido en el agua depende de la temperatura, la salinidad y la presión, es decir. de la densidad del medio.

Un perfil de temperatura y salinidad es un conjunto de mediciones con referencia a la profundidad.
Y ni la temperatura ni la salinidad se pueden medir de forma remota: debe "colocar" un termómetro y un medidor de conductividad en el punto correcto del océano. Es aconsejable realizar muchas mediciones a lo largo de la línea lo más verticalmente posible y a través de cada medidor.

Algunos perfiles se ven así:

Académico Ioffe , 30 de marzo de 2005.
Sitio de medición en mapas de Google.



Buque de investigación estadounidense OCEANUS , 10 de abril de 2010.
Lugar de medición en mapas de Google.
Por cierto, incluso hay una cámara web en este océano .



Buque NOAA "RONALD H. BROWN" , 20 de octubre de 2001.
Lugar de medición en los mapas de Google

La historia de medir el punto más profundo no es pobre y las rarezas

En 1992 (¡parecería!), Los miembros de la expedición de la Universidad de Tokio midieron profundidades, como nuestros compatriotas en 1957, en función de una velocidad de sonido constante de 1.500 m / s, pero por alguna razón no recopilaron perfiles de temperatura y salinidad. En cambio, corrigieron los datos en las tablas de 1980 (!) Year y obtuvieron un valor de 10933 m sin indicar errores.

Ya en 2002, una expedición de Keirei de la Agencia de Ciencia y Tecnología de Japón para el Estudio de la Subsuperficie del Mar (JAMSTEC) realizó una investigación para encontrar las profundidades más profundas utilizando un ecosonda multihaz bastante avanzado. Recibieron un valor de 10920 ± 5 m . Recolectaron una gran cantidad de perfiles, pero la falla del termómetro de conductividad los obligó a usar perfiles hace dos años.
Los japoneses tenían mala suerte periódicamente.

Mediciones posteriores

En 2008, los investigadores de la Universidad de Hawái en un Kilo-Moana tan guapo



obtuvieron una profundidad de 10903 metros utilizando el ecosonda multihaz EM 120 de Kongsberg Maritime.

En 2010, los científicos de la Universidad de New Hampshire en el USNS Sumner que usaban el modelo EM 122 más nuevo de los mismos noruegos recibieron una profundidad de 10,944 ± 40 m en un punto (posición en los mapas de Google) .

En el final

Las ambigüedades en la determinación de profundidades utilizando ecosondas son consecuencia de los siguientes factores:

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

Aquí puedo querer tocar solo uno de los factores: el perfil de temperatura y salinidad, o, en nuestro caso es casi el mismo, el perfil de velocidad del sonido.
Solo para evaluar visualmente: ¿cuál es el efecto?

Aceptamos la suposición de que nuestro sonido es casi como una pelota de ping-pong: viaja exclusivamente verticalmente, rebota desde el fondo por completo, el barco está inmóvil, el fondo es uniforme. Medimos el tiempo sin errores. Y lo único que nos confunde es la presencia de un perfil de velocidad del sonido.
¿Cómo afectará la profundidad medida?

En este caso, nuestro modelo puede describirse mediante una fórmula simple:

$$

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

Dónde $$$s$- la ruta de sonido $$$v(t_i)$Es la velocidad del sonido en el intervalo de tiempo i-ésimo, cuya duración $$$\Delta t$.

Si reducimos$$$\Delta t$ (y no podemos) entonces se trata de la integral de la física escolar:

$$

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

$$

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

Además, en función del tiempo de propagación medido del sonido (desde el comienzo de la radiación hasta la recepción de la señal reflejada) necesitamos:

• a intervalos de tiempo iguales para estimar aproximadamente la profundidad (a los diez o dos metros más cercanos)
• interpolar (si es necesario) del perfil existente la temperatura y la salinidad para la profundidad estimada
• en él para calcular la velocidad del sonido y, en consecuencia, la ruta que el sonido ha recorrido a esta profundidad durante un intervalo de tiempo.

Para estos (y otros) propósitos, filmé la biblioteca , de la cual hablé en la primera parte del artículo . Por el momento, se implementa en C / C # / Rust / Matlab / Octave / JavaScript.

La velocidad del sonido se calcula según la fórmula de Chen y Millero . Me gusta porque allí va la presión, que se mide directamente, y no la profundidad, como en otros modelos. Además, el rango de parámetros para este modelo cubre casi todos los casos razonables.

Por ejemplo, para el segundo perfil que se obtiene en este punto10 de abril de 2010, la diferencia entre la profundidad obtenida por el valor estándar de la velocidad del sonido y la profundidad obtenida por el cálculo anterior con un tiempo de propagación de 5 segundos (ida y vuelta) es de 18 metros: 3750 frente a 3768.3 metros, y durante 6 segundos la diferencia aumenta a 32 metros
Desafortunadamente, no tengo un perfil de la Fosa de las Marianas y, en general, todavía no he encontrado ningún perfil de más de 6000 metros de profundidad. Pero si suponemos que después de 4-5 km de profundidad los parámetros cambian débilmente y la velocidad del sonido cambia principalmente debido a la presión, resulta que para las profundidades discutidas la diferencia es de aproximadamente 420 metros, y el tiempo desde el momento en que la señal es emitida por el ecosonda hasta la recepción de la reflexión es más 14 segundos

Como materiales de demostración están disponibles:

una calculadora en línea en la que puede ingresar manualmente un perfil o usar uno de los tres, por así decirlo, codificado.

Como realmente no entiendo nada en JavaScript, fue más fácil para mí visualizar en C # a través de las fundas . Puse el proyecto en GitHub .
Sé que todos lo saben, pero la experiencia muestra que es mejor dar un enlace directo a Release.

La ventana de la aplicación se ve así:


por defecto, hay un tiempo de propagación de 5 segundos y algún tipo de perfil del Pacífico Norte con solo 13 puntos.

A la derecha hay 4 columnas, en cada una de las cuales (después de presionar el botón ANIMACIÓN, por supuesto), el sonido comienza a viajar a diferentes velocidades:

• en el primero - 1500 m / s (valor estándar para agua dulce),
• — , ,
• — ,
• —

La visualización se inicia en MMTimer con un período de 0.01 sy la simulación funciona con el mismo período.

En el menú PERFIL, puede elegir uno de los tres perfiles de demostración (hay pocos puntos en ellos), también puede descargar varios perfiles extraídos por mí de la Base de datos del océano mundial, que NOAA recopila cuidadosamente .
Estos perfiles están en forma de CSV y, entre otras cosas, contienen información sobre el lugar de medición, la hora, el país, el instituto de gestión y el buque en el que se realizó. Escribí con más detalle sobre esto en el artículo "Quién y cómo exploraron los océanos: desmantelar las bases de NOAA" .

Absolutamente para los perezosos (me arrepiento, soy el mismo) armé una animación GIF, pero el GIF se muestra de manera diferente en todas partes, y el "efecto de presencia total" no funcionará:



Al escribir una reseña histórica sobre el estudio de la Fosa de las Marianas, utilicé el artículo de James Gardner y sus asociados. Lo recomiendo para aquellos interesados. Allí, las dificultades están muy bien descritas al medir, parece, algo tan "simple" como la profundidad.

PD

Quiero agradecer a todos los que votaron en el artículo anterior . Para que este aparezca, se emitieron 109 votos, chicos, ¡esto es para ustedes! Los dos que estaban en contra, lo siento, escuché la opinión de la mayoría.

PPS

Tradicionalmente, sinceramente (para mí esta no es una palabra vacía) Estoy agradecido por los mensajes de error, la crítica constructiva, las preguntas interesantes y las discusiones.