Seberapa dalam Challenger Abyss adalah: mengukur kedalaman

"Kita harus memahami seluruh kedalaman kedalaman kita" (C) DMB

Salam sayang!

Saya selalu kagum bahwa jarak ke bulan diukur dengan akurasi milimeter . Bahkan ketika exoplanet ditemukan dengan metode kecepatan radial , kecepatan bintang diukur dengan akurasi 0,97 m / s . Tapi, misalnya, kedalaman Abyss Challenger ditentukan dengan akurasi ± 10 meter .
Mengapa semuanya begitu rumit dengan air?



Kami menangani masalah ini di bawah potongan. Sebagai ceri pada kue: aplikasi untuk memvisualisasikan pergerakan suara melalui air dengan lapisan kepadatan yang berbeda dengan kode sumber pada github dan kalkulator online.

Biarkan saya mengingatkan Anda bahwa ada dua setengah cara mendasar untuk menentukan kedalaman:

• tali =)
• , . , . : , ( ) , .
• — .

Di sini dengan paragraf terakhir hari ini, saya mengusulkan untuk menyelesaikannya.

Saya suka selalu mempertimbangkan situasi hingga batasnya. Palung Mariana secara umum dan Abyss Challenger pada khususnya - ini adalah batas situasi dengan kedalaman di planet kita. Banyak efek menjadi signifikan dan hanya terlihat jelas pada kedalaman yang luar biasa.

Jadi, kisah tentang mengukur kedalaman yang sangat dalam berasal dari Challenger - HMS Challenger , yang namanya adalah depresi terdalam samudera. Ngomong-ngomong, dia ada di foto :



Pada musim semi 1875, ekspedisi mengukur kedalaman dengan tali , tidak kurang dari 8184 meter. Ngomong-ngomong, masalah mengukur kedalaman dengan tali, selain yang jelas seperti penyimpangan kapal dan arus, dijelaskan dalam Menjamu Fisika oleh Perelman: tali mengalami gesekan terhadap air, menggeliat, berputar seperti molekul protein dan tidak turun setelah kedalaman tertentu - tidak menerima air .

Sejak itu, orang tidak pernah diam, dan pada tahun 1952 kedalaman Palung Mariana sudah diukur oleh HMS Challenger II:



Dengan bahan peledak, stopwatch manual, kawat dengan beban 20 kg, linggis dan pita perekat, serta sonar pertama, mereka mengukur 10.900 meter . Setelah pemrosesan, hasilnya dikurangi menjadi 10632 m dengan ambiguitas ± 27 meter.

Menggali, atau atmosfer, terjun ke dalam sejarah menjelajahi lautan, di salah satu artikel saya sebelumnya saya menyebutkan kapal penelitian Soviet legendaris Vityaz - Saya menggunakan gambar perangko dengan itu sebagai KDPV:



Pada tahun 1957, Vityaz mengukur kedalaman terdalam dari kedalaman kita. - 11034 m . Pengukuran dilakukan pada batas kisaran sonar berdasarkan kecepatan suara konstan 1.500 m / s, setelah itu sampel air botol diambil untuk membangun profil suhu dan salinitas, dari mana nilai 11034 meter kemudian diperoleh . Meskipun hasil ini muncul di mana pun ia datang ke Palung Mariana, para ahli modern skeptis.

Selanjutnya pada tahun 1960, aquanauts dari Trieste melaporkan pengukuran menggunakan transduser tekanan on-board 10.911 meter , dan kapal pengawal, menggunakan bahan peledak, mengukur kedalaman 10.915 ± 20 meter. Dan sudah pada tahun 1976, dengan bantuan sounder gema, mereka menerima nilai 10933 ± 50 meter.

Dari mana asal ± 20 dan 50 ini? Seorang pembaca yang bijaksana kemungkinan besar sudah lama menyadari apa yang saya kendarai - kecepatan suara dalam air tergantung pada suhu, salinitas dan tekanan, yaitu dari kepadatan medium.

Profil suhu dan salinitas adalah serangkaian pengukuran dengan mengacu pada kedalaman.
Dan baik suhu, maupun salinitas tidak dapat diukur dari jarak jauh - Anda perlu "meletakkan" meteran dan konduktivitas pada titik yang tepat di lautan. Dianjurkan untuk membuat banyak pengukuran sepanjang garis selurus mungkin dan melalui setiap meter.

Beberapa profil terlihat seperti ini:

Akademisi Ioffe , 30 Maret 2005.
Situs pengukuran di Google maps.



Kapal penelitian Amerika OCEANUS , 10 April 2010.
Tempat pengukuran di Google maps.
Omong-omong, bahkan ada webcam di oceanus ini .



Kapal NOAA "RONALD H. BROWN" , 20 Oktober 2001.
Tempat pengukuran di peta Google

Sejarah mengukur titik terdalam bukanlah miskin dan keanehan

Pada tahun 1992 (kelihatannya!), Para peserta ekspedisi Universitas Tokyo mengukur kedalaman, seperti rekan kami pada tahun 1957, berdasarkan kecepatan suara konstan 1.500 m / s, tetapi untuk beberapa alasan tidak mengumpulkan profil suhu dan salinitas. Sebagai gantinya, mereka mengoreksi data dalam tabel tahun 1980 (!) Dan mendapatkan nilai 10933 m tanpa menunjukkan kesalahan.

Sudah pada tahun 2002, ekspedisi Keirei dari Badan Sains dan Teknologi Jepang untuk Studi Bawah Permukaan Laut (JAMSTEC) melakukan penelitian untuk menemukan kedalaman terdalam menggunakan sounder multi-beam echo yang cukup canggih. Mereka menerima nilai 10920 ± 5 m . Mereka mengumpulkan sejumlah besar profil, tetapi kegagalan termometer konduktivitas memaksa mereka untuk menggunakan profil dua tahun lalu.
Orang Jepang tidak beruntung dari waktu ke waktu.

Pengukuran selanjutnya

Pada tahun 2008, para peneliti dari Universitas Hawaii pada Kilo-Moana yang



begitu indah mencapai kedalaman 10903 meter menggunakan multi-beam echo sounder EM 120 dari Kongsberg Maritime.

Pada tahun 2010, para ilmuwan dari University of New Hampshire di USNS Sumner menggunakan model EM 122 yang lebih baru dari Norwegia yang sama menerima kedalaman 10.944 ± 40 m pada satu titik (posisi pada peta Google) .

Pada akhirnya

Ketidakjelasan dalam menentukan kedalaman menggunakan echo sounders adalah konsekuensi dari faktor-faktor berikut:

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

Di sini saya hanya ingin menyentuh salah satu faktor - profil suhu dan salinitas, atau, dalam kasus kami hampir sama - profil kecepatan suara.
Hanya untuk mengevaluasi secara visual: apa efeknya?

Kami menerima asumsi bahwa suara kami hampir seperti bola dari ping-pong - ia bergerak secara vertikal, memantul dari bawah sepenuhnya, kapal tidak bergerak, bagian bawahnya rata. Kami mengukur waktu tanpa kesalahan. Dan satu-satunya hal yang membingungkan kita adalah keberadaan profil kecepatan suara.
Bagaimana pengaruhnya terhadap kedalaman yang diukur?

Dalam hal ini, model kami dapat dijelaskan dengan rumus sederhana:

$$

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

Dimana $$$s$- jalur suara $$$v(t_i)$Apakah kecepatan suara dalam interval waktu ke-i, durasi yang $$$\Delta t$.

Jika kita mengurangi$$$\Delta t$ (dan kami tidak bisa) maka datang ke integral fisika sekolah:

$$

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

$$

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

Selanjutnya, berdasarkan pada waktu rambat suara yang diukur (dari awal radiasi hingga penerimaan sinyal yang dipantulkan) kita perlu:

• pada interval waktu yang sama untuk memperkirakan kedalaman (ke sepuluh atau dua meter terdekat)
• interpolasi (jika perlu) dari profil yang ada suhu dan salinitas untuk perkiraan kedalaman
• di atasnya untuk menghitung kecepatan suara, dan sesuai dengan jalur bahwa suara telah melakukan perjalanan pada kedalaman ini untuk interval waktu.

Untuk tujuan ini (dan lainnya), saya memfilmkan perpustakaan , yang saya bicarakan di bagian pertama artikel . Saat ini, ini diimplementasikan dalam C / C # / Rust / Matlab / Octave / JavaScript.

Kecepatan suara dihitung sesuai dengan rumus Chen dan Millero . Saya suka karena ada tekanan, yang diukur secara langsung, dan bukan kedalaman, seperti pada model lain. Plus, rentang parameter untuk model ini mencakup hampir semua kasus yang masuk akal.

Misalnya, untuk profil kedua yang diperoleh pada saat ini10 April 2010, perbedaan antara kedalaman yang diperoleh dengan nilai standar kecepatan suara dan kedalaman yang diperoleh dengan perhitungan di atas dengan waktu propagasi 5 detik (pulang pergi) adalah 18 meter: 3750 versus 3768,3 meter, dan selama 6 detik perbedaannya meningkat menjadi 32 meter.
Sayangnya, saya tidak memiliki profil dari Palung Mariana, dan secara umum saya belum menemukan profil yang lebih dalam dari 6000 meter. Tetapi jika kita mengasumsikan bahwa setelah kedalaman 4-5 km parameter berubah sedikit dan kecepatan suara terutama berubah karena tekanan, maka ternyata untuk kedalaman yang dibahas perbedaannya adalah sekitar 420 meter, dan waktu dari saat sinyal dipancarkan oleh gema sounder ke penerimaan refleksi lebih 14 detik

Karena bahan demonstrasi tersedia:

kalkulator online di mana Anda dapat secara manual memasukkan profil atau menggunakan salah satu dari ketiganya, sehingga bisa dikatakan, hard-coded.

Karena saya benar-benar tidak mengerti apa pun dalam JavaScript, lebih mudah bagi saya untuk melakukan visualisasi dalam C # melalui lengan baju . Saya menempatkan proyek di GitHub .
Saya tahu semua orang tahu, tetapi pengalaman menunjukkan bahwa lebih baik memberikan tautan langsung ke Rilis.

Jendela aplikasi terlihat seperti ini:


Secara default, ada waktu propagasi 5 detik dan beberapa jenis profil dari Pasifik Utara dengan hanya 13 poin.

Di sebelah kanan ada 4 kolom, di mana masing-masing (setelah menekan tombol ANIMASI tentu saja), suara mulai bergerak dengan kecepatan yang berbeda:

• dalam pertama - 1500 m / s (nilai standar untuk air tawar),
• — , ,
• — ,
• —

Layar dimulai pada MMTimer dengan periode 0,01 detik, dan simulasi bekerja dengan periode yang sama.

Di menu PROFIL, Anda dapat memilih salah satu dari tiga profil demo (ada beberapa poin di dalamnya), Anda juga dapat mengunduh beberapa profil yang saya robek dari World Ocean Database, yang dikumpulkan dengan hati-hati oleh NOAA .
Profil ini dalam bentuk CSV dan, antara lain, berisi informasi tentang tempat pengukuran, waktu, negara, lembaga pengelola dan kapal tempat pembuatannya. Saya menulis lebih detail tentang ini di artikel "Siapa dan bagaimana menjelajahi lautan: membongkar pangkalan-pangkalan NOAA" .

Benar-benar untuk yang malas (saya bertobat, saya sama) saya mengumpulkan animasi GIF, tetapi GIF ditampilkan secara berbeda di mana-mana, dan "efek kehadiran penuh" tidak akan berfungsi:



Saat menulis ulasan sejarah tentang studi tentang Palung Mariana, saya menggunakan artikel oleh James Gardner dan rekan-rekannya. Saya sangat merekomendasikan bagi yang berminat. Di sana, kesulitan digambarkan dengan sangat baik ketika mengukur, tampaknya, hal yang "sederhana" seperti kedalaman.

PS

Saya ingin mengucapkan terima kasih kepada semua yang memberikan suara di artikel sebelumnya . Agar yang ini muncul, 109 suara diberikan - semuanya, ini untuk Anda! Dua yang menentang - maaf, saya mendengarkan pendapat mayoritas.

PPS

Secara tradisional, saya akan dengan tulus (bagi saya ini bukan kata-kata kosong) Saya bersyukur atas pesan kesalahan, kritik yang membangun, pertanyaan menarik dan diskusi.