ADCPs: acción en el Observatorio Cableado de OOI

Por Peter España • 29 marzo 2018

Los ADCP son sistemas de sonar que miden el movimiento bajo el agua. Usando ondas de sonido, funcionan como radares de mano usados ​​por la policía para atrapar a los automovilistas que apresuran. Para medir el movimiento, los ADCP emiten ráfagas de sonido a lo largo de haces en ángulo hacia abajo.

Los ecos se devuelven debido a la dispersión de partículas. Debido a que el zooplancton y los sedimentos suspendidos son transportados por el agua en movimiento, los ecos que se dispersan tienen un cambio en el tono; este es el Efecto Doppler. Indica qué tan rápido se mueve la corriente y en qué dirección.

Las ondas sonoras se propagan a través de la columna de agua, por lo que los ecos se devuelven y procesan desde muchas profundidades. El rango vertical de esta colección de mediciones, denominado perfil de las velocidades de la corriente oceánica, es mayor para las ondas de sonido de baja frecuencia.

Introducción

Gracias a un enérgico cuadro de científicos e ingenieros marinos, los observatorios oceánicos de alta tecnología ya están en funcionamiento. Estos sitios proporcionan una presencia continua en el océano para la observación sostenida e interactiva. Muchos combinan una infraestructura innovadora con sensores marinos multidisciplinarios.

Instalados a varias profundidades, estos observatorios existen en todo el mundo en diversos entornos marinos. Su propósito es medir los ambientes oceánicos y del lecho marino en ubicaciones estratégicas por períodos prolongados. Algunos proporcionan datos continuos en tiempo real a través de una conexión de cable a tierra.

Un buen ejemplo es la matriz cableada en el NE del Océano Pacífico. Este observatorio es parte de la Iniciativa Ocean Observatories (OOI), financiada por la Fundación Nacional de Ciencias de los EE. UU. (NSF). Diseñado por el Laboratorio de Física Aplicada / Universidad de Washington (APL / UW), Cabled Array utiliza cables de telecomunicaciones dedicados. Proporcionan un suministro de alta tensión y enlaces de comunicación de alta velocidad a nodos hasta a 500 km de la costa.

Además de su infraestructura de alta tecnología, Cabled Array tiene capacidad para 150 instrumentos. Se incluyen nueve ADCP que operan en cuatro frecuencias diferentes. Equipan una variedad de sitios que abarcan diferentes profundidades, entornos y objetivos científicos. Estos ADCP se instalan de tres formas diferentes: amarres de perfilador plano (SPM), paquetes de experimentos bentónicos (BEP) y arrays de instrumentos de fondo marino (SIA).

Procesos de columna de agua

Un enfoque de la matriz cableada son los procesos de columna de agua. Los temas estudiados abarcan todas las facetas de la ciencia del océano. Algunos promueven la cooperación entre disciplinas, como el acoplamiento biológico-físico, mientras que otros incorporan la ciencia ciudadana. La observación sostenida aborda la comprensión del impacto ambiental y los cambios climáticos anticipados. La observación a largo plazo a altas tasas de muestreo revelará eventos rápidos y lentos. Potencialmente, esto puede proporcionar la base para sistemas de alerta temprana y lecciones sobre la adaptación.

Las corrientes observadas con los ADCP transportan propiedades importantes del agua. Los ejemplos incluyen calor, momento, sal, nutrientes, plancton y larvas de invertebrados. La investigación a gran escala que utiliza los datos del ADCP abarcará desde la dinámica de las corrientes fronterizas orientales hasta los eventos episódicos. Los estudios de la disciplina transversal examinarán cómo las corrientes de agua interactúan con el medio ambiente, desde la topografía aproximada hasta los ecosistemas.

ADCP: muchos usos

Los ADCP analizan el retorno de los ecos de sonido para hacer cuatro mediciones diferentes a la vez.

Este conjunto de tipos de datos utilizados individualmente y en conjunto permite que un solo ADCP realice una amplia gama de mediciones.

Amarres de Perfiladores poco profundos

Además de la infraestructura subyacente de energía / comunicaciones, una innovación distintiva de Cabled Array es el amarre de perfil bajo. Diseñados e instalados por APL / UW, los SPM proporcionan una plataforma grande, estacionaria e instrumentada a 200 m de profundidad. La plataforma se encuentra en el ápice de un único amarre de dos patas. Desde aquí, una cápsula de ciencia se eleva cíclicamente a través del océano superior.

El diseño inusual del amarre ofrece la estabilidad motriz requerida para el éxito a largo plazo del método de winched. Los vehículos robóticos se usan para instalar / recuperar tanto la plataforma como el pod. Dejar el amarre de dos piernas en su lugar mitiga la logística y el costo del mantenimiento de la carga de instrumentación de la SPM. En una línea de amarre separada, un rastreador de alambre instrumentado mide las propiedades del océano desde el lecho marino hasta una profundidad de agua de 200 m. Además, junto con estos amarres, se encuentra una Matriz de Instrumentos del Fondo Marino.

En dos sitios profundos (1A, 1C-alrededor de 3000 m), un par de ADCPs que miran hacia arriba se instalan en la gran plataforma de instrumentos de la SPM. También a bordo hay una cámara digital y un conjunto multidisciplinario de sondas para medir las propiedades del agua y la bioacústica. Los datos del ADCP informarán diversos estudios que van desde los impactos del cambio climático hasta la acidificación de los océanos. Otros incluyen la comprensión de procesos biogeoquímicos y capas delgadas biológicas.

Perfilando el Océano Superior

Los ADCP son un WorkHorse de 5 haces a 600 kHz y un Quartermaster de 150 kHz. El ADCP de 600 kHz incluye un haz dirigido verticalmente que complementa la configuración estándar de Janus.

El quinto rayo mide los movimientos verticales directamente, ideal para estudios de ondas internas o la migración diel del zooplancton.

El ADCP de 150 kHz forma de forma remota las corrientes de agua desde la profundidad de la plataforma hasta la superficie del mar. Por lo tanto, proporciona series de tiempo del flujo de fondo dentro de la columna de agua de 200 m muestreada por la cápsula de ciencia con cabrestantes.

Todos los días, la cápsula de ciencia se eleva a través de 9 ciclos desde 200 m de profundidad hasta justo debajo de la superficie del mar. La cápsula lleva nueve instrumentos de un solo punto. Debido a la acción del cabrestante, estos dispositivos registran perfiles de alta resolución a través del océano superior de las propiedades físicas, químicas y biológicas del agua. El comando interactivo y el control desde la orilla están disponibles cuando se miden características interesantes, como cruzar una capa delgada biológicamente rica. Desde finales del verano de 2015, cada pod de ciencia ha realizado> 7,000 ciclos.

El conjunto de datos compuestos de la SPM incluye 18 instrumentos: plataforma y pod. Ellos ven una amplia gama de propiedades de agua. Además, sus mediciones simultáneas tienen una alta resolución en tiempo y espacio. Los SPM y sus conjuntos de instrumentos (incluido el pod de ciencia) se conectan a la red de cables de fibra óptica. Cada SPM tiene un ancho de banda de 1 Gbps y una potencia de 3000 vatios. Como resultado, los datos en vivo están disponibles en Internet a través de los sensores en las plataformas SPM y sus cápsulas científicas.

Paquetes de experimentos bentónicos

Los ADCP también están a bordo de un par de paquetes de experimentos bentónicos (BEP) instalados en la línea Newport. Funciona desde aguas poco profundas a aguas profundas frente a Oregon. El sitio profundo en alta mar (1C) se encuentra a 600 m de profundidad en la pendiente continental, mientras que el sitio costero más profundo (1D) se encuentra a 80 m en la plataforma continental.

Estos datos de ADCP se usarán para examinar preguntas científicas de gran alcance. Los ejemplos incluyen el flujo de corrientes en el estante y los eventos de hipoxia. En cada caso, la frecuencia de ADCP se selecciona para perfilar la columna de agua completa. Por lo tanto, un Long Ranger de 75 kHz se encuentra en el sitio profundo, mientras que un Sentinel de 300 kHz se encuentra en la ubicación costera.

Ubicado en un marco resistente a peligros, el BEP juega un papel doble. Es un montaje para el ADCP y varios sensores más pequeños. También contiene parte de la infraestructura de alimentación / comunicaciones que conecta estos instrumentos a la red cableada. Los sensores miden las firmas químicas en el océano: acidez (pH), dióxido de carbono, salinidad y concentraciones de oxígeno. Las sondas instaladas cerca abordan la física de la capa límite inferior. Además, un hidrófono se encuentra fuera del marco para actuar como un oído bentónico.

Matrices de instrumentos del fondo marino

Las matrices de instrumentos del lecho marino (SIA) cableadas permiten el estudio de los procesos de fondo y columna de agua. Los ejemplos incluyen mareas internas y la liberación de metano desde el fondo del mar hacia el océano.

Hay tres de estos arreglos (Sitios 1A, 1B, 3A). Ellos también llevan un juego de instrumentos. Dos SIA, desplegados a 3 km de profundidad (1A, 3A), están equipados con un ADCP Quartermaster de 150 kHz. Estos sitios comparten la ubicación con SPM; cerca hay un amarradero de alambre. Un tercer SIA (1B), en la pendiente continental a 800 m, lleva un ADCP Long Ranger de 75 kHz.

Puede ver en la figura que el ADCP se encuentra encima de una caja de conexiones para la red de poder / comunicación. Debido a la conexión por cable, estos datos de ADCP están disponibles casi en tiempo real y por una larga duración, dos años hasta el momento. Esto ha llevado a un uso innovador de los datos de ADCP.

Un ejemplo es un estudio biogeológico en Southern Hydrate Ridge (1B). Los geólogos marinos de la Universidad de Washington están utilizando los ecos acústicos que regresan del ADCP para ver las burbujas de metano.

Las plumas se filtran de los depósitos de hidratos de gas en el fondo marino. Los hidratos de gas son una forma sólida de agua que contiene moléculas de metano.

Estos depósitos soportan comunidades biológicas en y dentro de los sedimentos. Los perfiles ADCP muestran penachos de burbujas en gran parte de la columna de agua. Una hipótesis es que estos crecientes penachos de metano podrían impulsar la productividad biológica en el océano suprayacente.

Viendo hacia adelante

El Observatorio Cableado de OOI está planificado para operar durante 25 años. Debido a su infraestructura única de poder / comunicaciones, esta matriz en red permitirá el monitoreo interactivo de diversos sitios oceánicos, desde el océano superior hasta las profundidades bentónicas. La capacidad de muestreo remoto de los ADCP desplegados a lo largo de la matriz extenderá el alcance de los observadores a través de la columna de agua. Y gracias a la conexión de fibra óptica a Internet, estos datos estarán disponibles casi en tiempo real para una comunidad global de usuarios.

El autor

Peter Spain Ph.D., Teledyne RD Instruments

(Según se publicó en la edición de marzo de 2018 de Marine Technology Reporter )