Qual a profundidade do Challenger Abyss: medir a profundidade

"Precisamos entender toda a profundidade de nossas profundezas" (C) DMB

Saudações, queridos!

Sempre me surpreendi que a distância da lua fosse medida com precisão milimétrica . Mesmo quando os exoplanetas são descobertos pelo método da velocidade radial , as velocidades estelares são medidas com uma precisão de 0,97 m / s . Mas, por exemplo, a profundidade do Challenger Abyss é determinada com uma precisão de ± 10 metros .
Por que tudo é tão complicado com a água?



Lidamos com esta questão sob o corte. Como uma cereja em um bolo: um aplicativo para visualizar o movimento do som através da água com camadas de diferentes densidades com códigos-fonte em um github e uma calculadora on-line.

Deixe-me lembrá-lo de que existem exatamente duas maneiras e meia fundamentais de determinar a profundidade:

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

Aqui, com o último parágrafo de hoje, proponho resolvê-lo.

Eu gosto de sempre considerar a situação ao limite. A Fossa das Marianas em geral e o Abismo Challenger em particular - esse é o limite da situação com profundidade em nosso planeta. Muitos efeitos se tornam significativos e são claramente visíveis apenas em grandes profundidades.

Assim, a história de medir grandes profundidades se origina do próprio Challenger - HMS Challenger , cujo nome é a depressão mais profunda do oceano. Aqui, a propósito, ele está na foto :



na primavera de 1875, a expedição mediu a profundidade com uma corda , não menos que 8184 metros. A propósito, os problemas de medir a profundidade com uma corda, além dos óbvios como a deriva de um navio e correntes, são descritos em Entertaining Physics by Perelman: a corda sofre atrito com a água, contorce, torce como moléculas de proteína e não desce depois de uma certa profundidade - não aceita água .

Desde então, as pessoas não estão ociosas e, em 1952, as profundezas da Fossa das Marianas já foram medidas pelo HMS Challenger II:



com um explosivo, um cronômetro manual, um fio com uma carga de 20 kg, pé de cabra e fita adesiva, além do primeiro sonar, mediam 10.900 metros . Após o pós-processamento, o resultado foi reduzido para 10632 m com uma ambiguidade de ± 27 metros.

Escavando a atmosfera, mergulhando na história da exploração dos oceanos, em um dos meus artigos anteriores mencionei o lendário navio de pesquisa soviético Vityaz - usei a imagem de um selo postal como um KDPV:



em 1957, o Vityaz mediu a profundidade mais profunda de nossas profundidades - 11034 m . As medições foram feitas no limite da faixa do sonar, com base em uma velocidade constante do som de 1.500 m / s, após o qual foram coletadas amostras de água para criar um perfil de temperatura e salinidade, a partir do qual um valor de 11034 metros foi obtido posteriormente . Embora esse resultado seja encontrado em qualquer lugar da Fossa das Marianas, os especialistas modernos são céticos.

Então, em 1960, os aquanautas de Trieste relataram medições usando um transdutor de pressão a bordo de 10.911 metros , e o navio de escolta, usando explosivos, mediu uma profundidade de 10.915 ± 20 metros. E já em 1976, com a ajuda de uma sonda de eco, eles receberam um valor de 10933 ± 50 metros.

De onde vêm todos esses ± 20 e 50? Um leitor atencioso provavelmente já percebeu há muito tempo o que eu estava dirigindo - a velocidade do som na água depende da temperatura, salinidade e pressão, ou seja, da densidade do meio.

Um perfil de temperatura e salinidade é um conjunto de medidas com referência à profundidade.
E nem a temperatura nem a salinidade podem ser medidas remotamente - você precisa "colocar" um termômetro e um medidor de condutividade no ponto certo no oceano. É aconselhável fazer muitas medições ao longo da linha o mais verticalmente possível e através de cada medidor.

Alguns perfis têm a seguinte aparência:

Academician Ioffe , 30 de março de 2005.
Local de medição no Google maps



Navio de pesquisa americano OCEANUS , 10 de abril de 2010. Local de
medição no Google maps
A propósito, existe até uma webcam neste oceanus .



Navio NOAA “RONALD H. BROWN” , 20 de outubro de 2001. Local de
medição nos mapas do Google

A história de medir o ponto mais profundo não é ruim e esquisita

Em 1992 (ao que parece!), Os participantes da expedição da Universidade de Tóquio mediram profundidades, como nossos compatriotas em 1957, com base em uma velocidade constante do som de 1.500 m / s, mas por algum motivo não coletaram perfis de temperatura e salinidade. Em vez disso, eles corrigiram os dados nas tabelas do ano de 1980 (!) E obtiveram um valor de 10933 m sem indicar erros.

Já em 2002, uma expedição a bordo do navio Keirei da Agência Japonesa de Ciência e Tecnologia para o Estudo da Superfície do Mar (JAMSTEC) realizou uma pesquisa para procurar as profundezas mais profundas usando um sonda multi-feixe bastante avançada. Eles receberam um valor de 10920 ± 5 m . Eles coletaram um grande número de perfis, mas a falha do termômetro de condutividade os forçou a usar perfis dois anos atrás.
Os japoneses tiveram azar de tempos em tempos.

Medições posteriores

Em 2008, pesquisadores da Universidade do Havaí em um Kilo-Moana tão bonito



obtiveram uma profundidade de 10903 metros usando o ecobatímetro EM 120 da Kongsberg Maritime.

Em 2010, cientistas da Universidade de New Hampshire no USNS Sumner usando o novo modelo EM 122 dos mesmos noruegueses receberam uma profundidade de 10.944 ± 40 m em um ponto (posição no Google maps) .

No final

As ambigüidades na determinação de profundidades usando eco-sonda são consequências dos seguintes fatores:

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

Aqui eu posso querer tocar somente um dos fatores - o perfil de temperatura e salinidade, ou, no nosso caso é quase o mesmo - o perfil da velocidade do som.
Apenas para avaliar visualmente: qual é o efeito?

Aceitamos a suposição de que nosso som é quase como uma bola de pingue-pongue - viaja exclusivamente verticalmente, salta completamente do fundo, o navio está imóvel, o fundo está nivelado. Medimos o tempo sem erros. E a única coisa que nos confunde é a presença de um perfil de velocidade do som.
Como isso afetará a profundidade medida?

Nesse caso, nosso modelo pode ser descrito por uma fórmula simples:

$$

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

Onde $$$s$- o caminho do som $$$v(t_i)$É a velocidade do som no i-ésimo intervalo de tempo, cuja duração é $$$\Delta t$.

Se reduzirmos$$$\Delta t$ (e não podemos), trata-se da integral da física da escola:

$$

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

$$

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

Além disso, com base no tempo de propagação medido do som (desde o início da radiação até a recepção do sinal refletido), precisamos:

• em intervalos de tempo iguais para estimar aproximadamente a profundidade (até os dez ou dois metros mais próximos)
• interpolar (se necessário) do perfil existente a temperatura e salinidade para a profundidade estimada
• nele para calcular a velocidade do som e, consequentemente, o caminho que o som percorreu nessa profundidade por um intervalo de tempo.

Para esses (e outros) propósitos, filmei a biblioteca , sobre a qual falei na primeira parte do artigo . No momento, ele é implementado em C / C # / Rust / Matlab / Octave / JavaScript.

A velocidade do som é calculada de acordo com a fórmula de Chen e Millero . Eu gosto porque lá a pressão vai, que é medida diretamente, e não a profundidade, como em outros modelos. Além disso, a gama de parâmetros para este modelo abrange quase todos os casos razoáveis.

Por exemplo, para o segundo perfil que é obtido neste momentoEm 10 de abril de 2010, a diferença entre a profundidade obtida pelo valor padrão da velocidade do som e a profundidade obtida pelo cálculo acima com um tempo de propagação de 5 segundos (ida e volta) é de 18 metros: 3750 versus 3768,3 metros e, por 6 segundos, a diferença aumenta para 32 metros.
Infelizmente, não tenho um perfil da Fossa das Marianas e, em geral, ainda não encontrei nenhum perfil com profundidade superior a 6000 metros. Mas se assumirmos que, após 4-5 km de profundidade, os parâmetros mudam levemente e a velocidade do som muda principalmente devido à pressão, acontece que, para as profundidades discutidas, a diferença é de cerca de 420 metros, e o tempo desde o momento em que o sinal é emitido pelo eco para a recepção do reflexo é mais 14 segundos

Como materiais de demonstração estão disponíveis:

uma calculadora on-line na qual você pode inserir manualmente um perfil ou usar um dos três, por assim dizer, codificados.

Como eu realmente não entendo nada de JavaScript, era mais fácil fazer visualização em C # pelas mangas . Eu coloquei o projeto no GitHub .
Sei que todos sabem, mas a experiência mostra que é melhor fornecer um link direto para o Release.

A janela do aplicativo fica assim:


por padrão, há um tempo de propagação de 5 segundos e algum tipo de perfil do Pacífico Norte com apenas 13 pontos.

À direita, existem 4 colunas, em cada uma das quais (depois de pressionar o botão ANIMATION, é claro), o som começa a viajar em velocidades diferentes:

• no primeiro - 1500 m / s (valor padrão para água doce),
• — , ,
• — ,
• —

O mapeamento é iniciado no MMTimer com um período de 0,01 s, a simulação também funciona com o mesmo período.

No menu PERFIL, você pode escolher um dos três perfis de demonstração (há alguns pontos neles), também pode fazer o download de vários perfis extraídos por mim do World Ocean Database que a NOAA coleta cuidadosamente .
Esses perfis estão na forma de CSV e, entre outras coisas, contêm informações sobre o local de medição, hora, país, instituto de gerenciamento e a embarcação em que foi feito. Escrevi com mais detalhes sobre isso no artigo “Quem e como explorou os oceanos: desmontando as bases da NOAA” .

Absolutamente para os preguiçosos (eu me arrependo, sou o mesmo), montei a animação GIF, mas o GIF é exibido de maneira diferente em todos os lugares, e o "efeito de presença total" não funciona:



Ao escrever uma resenha histórica sobre o estudo da Fossa das Marianas, usei o artigo de James Gardner e seus associados. Eu recomendo para os interessados. Lá, as dificuldades são muito bem descritas ao medir, ao que parece, uma coisa "simples" como profundidade.

PS

Quero agradecer a todos que votaram no artigo anterior . Para que este apareça, foram votados 109 votos - pessoal, isto é para você! Aqueles dois que eram contra - desculpe, eu ouvi a opinião da maioria.

PPS

Tradicionalmente, sinceramente (para mim isso não é uma palavra vazia) sou grato pelas mensagens de erro, críticas construtivas, perguntas e discussões interessantes.