Profondeur du Challenger Abyss: mesure de la profondeur

«Nous devons comprendre toute la profondeur de nos profondeurs» (C) DMB

Salutations, très chers!

J'ai toujours été étonné que la distance à la lune soit mesurée avec une précision millimétrique . Même lorsque des exoplanètes sont découvertes par la méthode de la vitesse radiale , les vitesses stellaires sont mesurées avec une précision de 0,97 m / s . Mais, par exemple, la profondeur du Challenger Abyss est déterminée avec une précision de ± 10 mètres .
Pourquoi tout est-il si compliqué avec de l'eau?



Nous traitons cette question sous la coupe. Comme une cerise sur un gâteau: une application pour visualiser le mouvement du son dans l'eau avec des couches de différentes densités avec des codes sources sur un github et une calculatrice en ligne.

Permettez-moi de vous rappeler qu'il existe exactement deux façons et demie fondamentales de déterminer la profondeur:

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

Ici avec le dernier paragraphe aujourd'hui, je propose de le trier.

J'aime toujours considérer la situation à la limite. La fosse Mariana en général et le gouffre Challenger en particulier - c'est la limite de la situation avec la profondeur sur notre planète. De nombreux effets deviennent importants et ne sont clairement visibles qu'à de grandes profondeurs.

Ainsi, l'histoire de la mesure de grandes profondeurs provient du très Challenger - HMS Challenger , dont le nom est la dépression la plus profonde de l'océan. Ici, d'ailleurs, il est sur la photo :



Au printemps 1875, l'expédition a mesuré la profondeur avec une corde , pas moins de 8184 mètres. Soit dit en passant, les problèmes de mesure de la profondeur avec une corde, en plus de problèmes évidents tels que la dérive d'un navire et les courants, sont décrits dans Entertaining Physics de Perelman: la corde subit des frottements contre l'eau, se trémousse, se tord comme des molécules de protéines et ne descend pas après une certaine profondeur - elle n'accepte pas l'eau .

Depuis lors, les gens ne sont pas restés inactifs et en 1952, les profondeurs de la tranchée Mariana étaient déjà mesurées par le HMS Challenger II:



avec un explosif, un chronomètre manuel, un fil d'une charge de 20 kg, un pied-de-biche et du ruban adhésif, ainsi que le premier sonar, ils mesuraient 10900 mètres . Après post-traitement, le résultat a été réduit à 10632 m avec une ambiguïté de ± 27 mètres.

En creusant, ou atmosphérique, plongeant dans l'histoire de l'exploration des océans, dans un de mes articles précédents, j'ai mentionné le légendaire navire de recherche soviétique Vityaz - j'ai utilisé l'image d'un timbre-poste avec lui comme KDPV:



En 1957, Vityaz a mesuré la profondeur la plus profonde de nos profondeurs - 11034 m . Les mesures ont été effectuées à la limite de la plage du sonar sur la base d'une vitesse constante du son de 1500 m / s, après quoi des échantillons d'eau en bouteille ont été prélevés pour établir un profil de température et de salinité, à partir duquel une valeur de 11034 mètres a ensuite été obtenue . Bien que ce résultat se retrouve partout où il s'agit de la fosse Mariana, les experts modernes sont sceptiques.

Puis, en 1960, les aquanautes de Trieste ont signalé des mesures à l'aide d'un transducteur de pression embarqué de 10 911 mètres , et le navire d'escorte, à l'aide d'explosifs, a mesuré une profondeur de 10 915 ± 20 mètres. Et déjà en 1976, à l'aide d'un échosondeur, ils ont reçu une valeur de 10933 ± 50 mètres.

D'où viennent tous ces ± 20 et 50? Un lecteur attentionné a probablement réalisé il y a longtemps ce que je conduisais - la vitesse du son dans l'eau dépend de la température, de la salinité et de la pression, c'est-à-dire de la densité du milieu.

Un profil de température et de salinité est un ensemble de mesures en référence à la profondeur.
Et ni la température, ni la salinité ne peuvent être mesurées à distance - vous devez "mettre" un thermomètre et un conductimètre au bon endroit dans l'océan. Il est conseillé de faire de nombreuses mesures le long de la ligne aussi verticalement que possible et à travers chaque mètre.

Certains profils ressemblent à ceci:

Académicien Ioffe , 30 mars 2005.
Site de mesure sur Google maps.



Navire de recherche américain OCEANUS , 10 avril 2010.
Lieu de mesure sur Google maps.
Au fait, il y a même une webcam sur cet océan .



Navire de la NOAA «RONALD H. BROWN» , 20 octobre 2001.
Lieu de mesure sur Google maps

L'histoire de la mesure du point le plus profond n'est pas mauvaise et les bizarreries

En 1992 (il semblerait!), Les participants à l'expédition de l'Université de Tokyo ont mesuré les profondeurs, comme nos compatriotes en 1957, sur la base d'une vitesse constante du son de 1500 m / s, mais pour une raison quelconque, ils n'ont pas collecté les profils de température et de salinité. Au lieu de cela, ils ont corrigé les données dans les tableaux de l'année 1980 (!) Et ont obtenu une valeur de 10933 m sans indiquer d'erreurs.

Déjà en 2002, une expédition à bord du navire Keirei de l' Agence japonaise pour la science et la technologie pour l'étude du sous-sol de la mer (JAMSTEC) a effectué des recherches pour rechercher les profondeurs les plus profondes à l'aide d'un écho-sondeur multifaisceaux assez avancé. Ils ont reçu une valeur de 10920 ± 5 m . Ils ont collecté un grand nombre de profils, mais la défaillance du thermomètre à conductivité les a obligés à utiliser des profils il y a deux ans.
Les Japonais n'ont pas eu de chance de temps en temps.

Mesures ultérieures

En 2008, des chercheurs de l'Université d'Hawaï sur un si beau Kilo-Moana ont



atteint une profondeur de 10903 mètres en utilisant l'écho-sondeur multifaisceaux EM 120 de Kongsberg Maritime.

En 2010, des scientifiques de l'Université du New Hampshire sur l' USNS Sumner utilisant le nouveau modèle EM 122 des mêmes Norvégiens ont reçu une profondeur de 10 944 ± 40 m en un point (position sur Google maps) .

À la fin

Les ambiguïtés dans la détermination des profondeurs à l'aide d'échosondeurs sont les conséquences des facteurs suivants:

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

Ici, je ne veux toucher qu'à un seul des facteurs - le profil de température et de salinité, ou, dans notre cas, il est presque le même - le profil de vitesse du son.
Juste pour évaluer visuellement: quel est l'effet?

Nous acceptons l'hypothèse que notre son est presque comme une balle de ping-pong - il se déplace exclusivement verticalement, il rebondit entièrement par le bas, le navire est immobile, le fond est uniforme. Nous mesurons le temps sans erreurs. Et la seule chose qui nous déroute, c'est la présence d'un profil de vitesse du son.
Comment cela affectera-t-il la profondeur mesurée?

Dans ce cas, notre modèle peut être décrit par une formule simple:

$$

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

Où $$$s$- le chemin sonore $$$v(t_i)$Est la vitesse du son dans le i-ème intervalle de temps, dont la durée $$$\Delta t$.

Si nous réduisons$$$\Delta t$ (et nous ne pouvons pas), il s'agit de l'intégrale de la physique scolaire:

$$

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

$$

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

De plus, en fonction du temps de propagation mesuré du son (depuis le début du rayonnement jusqu'à la réception du signal réfléchi), nous avons besoin:

• à intervalles de temps égaux pour estimer approximativement la profondeur (à dix ou deux mètres près)
• interpoler (si nécessaire) à partir du profil existant la température et la salinité pour la profondeur estimée
• dessus pour calculer la vitesse du son, et par conséquent le chemin parcouru par le son à cette profondeur pendant un intervalle de temps.

À ces fins (et à d'autres), j'ai filmé la bibliothèque , dont j'ai parlé dans la première partie de l'article . Pour le moment, il est implémenté en C / C # / Rust / Matlab / Octave / JavaScript.

La vitesse du son est calculée selon la formule de Chen et Millero . Je l'aime parce que là, la pression va, qui est mesurée directement, et non la profondeur, comme dans d'autres modèles. De plus, la gamme de paramètres pour ce modèle couvre presque tous les cas raisonnables.

Par exemple, pour le deuxième profil obtenu à ce stadeLe 10 avril 2010, la différence entre la profondeur obtenue par la valeur standard de la vitesse du son et la profondeur obtenue par le calcul ci-dessus avec un temps de propagation de 5 secondes (aller-retour) est de 18 mètres: 3750 contre 3768,3 mètres, et pendant 6 secondes la différence passe à 32 mètres.
Malheureusement, je n'ai pas de profil de la fosse Mariana, et en général je n'ai pas encore rencontré de profil plus profond que 6000 mètres. Mais si nous supposons qu'après 4-5 km de profondeur, les paramètres changent légèrement et que la vitesse du son change principalement en raison de la pression, il s'avère que pour les profondeurs discutées, la différence est d'environ 420 mètres, et le temps entre le moment où le signal est émis par l'écho-sondeur et la réception de la réflexion est plus 14 secondes

Comme le matériel de démonstration est disponible:

une calculatrice en ligne dans laquelle vous pouvez saisir manuellement un profil ou utiliser l'un des trois, pour ainsi dire, codé en dur.

Comme je ne comprends vraiment rien en JavaScript, il m'a été plus facile de faire de la visualisation en C # à travers les manches . J'ai mis le projet sur GitHub .
Je sais que tout le monde le sait, mais l'expérience montre qu'il vaut mieux donner un lien direct vers Release.

La fenêtre de l'application ressemble à ceci:


Par défaut, il y a un temps de propagation de 5 secondes et une sorte de profil du Pacifique Nord avec seulement 13 points.

Sur la droite, il y a 4 colonnes, dans chacune desquelles (après avoir bien sûr appuyé sur le bouton ANIMATION), le son commence à voyager à différentes vitesses:

• dans le premier - 1500 m / s (valeur standard pour l'eau douce),
• — , ,
• — ,
• —

L'affichage démarre sur MMTimer avec une période de 0,01 s, et la simulation fonctionne avec la même période.

Dans le menu PROFILE, vous pouvez choisir l'un des trois profils de démonstration (il y a peu de points dedans), vous pouvez également télécharger plusieurs profils déchirés par moi à partir de la base de données World Ocean que la NOAA recueille soigneusement .
Ces profils sont au format CSV et contiennent, entre autres, des informations sur le lieu de mesure, l'heure, le pays, l'institut gestionnaire et le navire sur lequel il a été réalisé. J'ai écrit plus en détail à ce sujet dans l'article «Qui et comment ont exploré les océans: démonter les bases de la NOAA» .

Absolument pour les paresseux (je me repens, je suis le même) J'ai mis en place une animation GIF, mais le GIF est affiché différemment partout, et «l'effet de présence complète» ne fonctionnera pas:



Lors de la rédaction d'une revue historique sur l'étude de la tranchée Mariana, j'ai utilisé l' article de James Gardner et ses associés. Je le recommande vivement aux personnes intéressées. Là, les difficultés sont très bien décrites lors de la mesure, semble-t-il, d'une chose aussi "simple" que la profondeur.

PS

Je remercie tous ceux qui ont voté dans l' article précédent . Pour que celui-ci apparaisse, 109 votes ont été exprimés - les gars, c'est pour vous! Ces deux qui étaient contre - désolé, j'ai écouté l'opinion de la majorité.

PPS

Traditionnellement, je serai sincèrement (pour moi, ce n'est pas un mot vide) je suis reconnaissant pour les messages d'erreur, les critiques constructives, les questions intéressantes et les discussions.