НИС «Импульс» рейс № 34,и 38

7. Морские научные исследования в рейсах на НИС «Импульс»
№ 34 и № 38 (Навроцкий В.В.)
7.1 Введение
Экспедиция проводилась в рамках выполнения темы «Структура и изменчивость
океанологических полей дальневосточных морей России и северной части Тихого
океана. Изучение особенностей циркуляции, формирования структуры вод в
прибрежной зоне залива Петра Великого», Задание 3.2. Внутренние волны,
перемешивание и биопродуктивность в окраинных морях и шельфовых зонах океана.
7.2 1Цели экспедиции
Целью экспедиции было изучение пространственно-временной изменчивости
гидрофизических характеристик в шельфовой зоне моря в масштабах внутренних
равитациионных волн и процессов в придонном термоклине при выходе его на
мелководье.
7.3 Задачи экспедиции
1)
Проведение гидрологических измерений в шельфовой зоне моря и в б.Витязь для
изучения пространственной структуры внутренних и термоклина от границы шельфа до
мелководья.
2)
Постановка гирлянд термисторов, уровнемера, измерителей течений для
наблюдения фоновых гидрофизических характеристик, а также внутренних волн (ВВ) и
тонкой структуры в шельфовой зоне Японского моря.
3)
Измерения течений, температуры и электропроводности с помощью автономных
приборов, устанавливаемых на буйковых станциях и на дне, а также в режиме
зондирования.
7.4 Методы измерений и обработки данных
Измерения непосредственно с судна производились в трех режимах: а) зондирования
на пространственных разрезах с интервалом 1-2 мили; б) зондирования в фиксированных
точках – серии зондирований длительностью от 3 до 24 часов; в) регистрация временных
колебаний параметров на фиксированных горизонтах с заякоренного судна. В
зависимости от конкретной задачи временная дискретность измерений составляла 1-2
минуты для колебаний давления и скорости течений и от 10 до 30 минут для серий
зондирований в фиксированных точках.
Первичная обработка производилась с использованием программ фирмы
производителя, дальнейшая обработка и анализ производились с использованием
стандартного пакета программ «Статистика 7» фирмы «StatSoft» и программы «Гилберт»,
созданной в ТОИ ДВО РАН В.Л. Изергиным с использованием алгоритмов,
разработанных Н. Хуангом и коллегами (Huang et al, 1998).
7.5 Используемые технические средства и их краткая характеристика
1) Для длительной и детальной регистрации параметров внутренних волн и
турбулентности одновременно на нескольких горизонтах был изготовлен и испытан
комплекс аппаратуры, включающий датчики температуры и давления, телеметрическую
систему сбора и обработки данных и соответствующее математическое обеспечение для
получения оценок трансформации внутренних гравитационных волн в прибрежной зоне
моря на глубинах до 30 м при удалении от берега до 500 м. В качестве базового сенсора
температуры использован микрочип 1-Wire® Digital Thermometer DS18B20 фирмы «Dallas
semiconductor». С двухточечной калибровкой точность измерения температуры составляет
0,05°С в диапазоне от -5 до +40°С. Сенсоры были объединены в термогирлянды с
последовательным интерфейсом. Измерительная станция обычно состояла из 1-3
термогирлянд, содержащих по 10–20 датчиков и удаленных друг от друга на расстояние
до 50 м. Система опрашивалась последовательно-параллельно микропроцессором
DSTINIm410. Предварительно обработанная информация непрерывно передавалась на
берег по подводному кабелю и при помощи радиосвязи. В течение нескольких недель
были проведены измерения колебаний температуры в придонных 5-ти и 10-ти метровых
слоях с использованием гирлянд датчиков температуры с расстоянием 0,5 м между
датчиками. Гирлянды были заякорены как при обычной постановке буйковых станций с
притопленой плавучестью, так что нижний датчик находился в 0,5 м от дна, а
вертикальные смещения датчиков в придонном слое при горизонтальных движениях
гирлянды под воздействием течений были малы.
Постоянная времени наших датчиков составляла 3 с. Для предохранения от
механических повреждений датчики температуры помещались в тонкостенный латунный
цилиндр с толщиной стенок 0,5 мм и диаметром 8 мм, которые для лучшего термического
контакта с окружающей средой заполнялись термопастой. При этом постоянная времени
составляла 8 с. Так как характерные периоды внутренних волн в районе исследований
находятся в диапазоне 10-120 мин при перепадах температуры в термоклине в несколько
градусов, то представленная конструкция обеспечивает измерение реальных волновых
процессов и турбулентности с временными масштабами больше 20 с.
2) Измерения вертикальной структуры температуры, солености и флуоресценции
производились с помощью зонда SeaBird SBE19 plus с установленными флуоресцентными
датчиками. Первичная обработка данных осуществлена программой SBEDataProcessingWin32 с последовательностью операций и параметрами, рекомендованными фирмойпроизводителем зонда.
3) Измерения колебаний давления и температуры на дне производились с помощью
прибора SBE26.
Точность измерения давления равна 0,01 % от полной шкалы. При глубине 20 м она
составляет 2 мм.
Разрешение при измерении прилива равно 0,2 мм при осреднении 1 мин и 0,01 мм при
осреднении 15 мин.
Разрешение при измерении волн равно 0,4 мм при осреднении о,25 с и 0, 1 мм при
осреднении 1 с.
Интервал измерения температуры от -5 до +35 град С, точность 0,02 град, разрешение 0,01
град С.
4) Измерения течений производились с помощью прибора S4A (InterOcean,
USA).
Интервал измерения течений 0 – 350 см/с. Частота опроса 2 Гц и 5 Гц.
Точность 2 % от значения +/- 1 см/с. Разрешение при частоте опроса 2 Гц от 0,03 до 0,35
см/с в зависимости от амплитуды, при частоте опроса 5 Гц – от 0,037 до 0,43 см/с в
зависимости от амплитуды.
Шум (сркв) меньше разрешения при осреднении 1 мин и больше,
равен 0,05 см/с при осреднении 10 с и 0,25 см/с при осреднении 2 с.
7.6 Объемы выполненных работ
-Выполнены постановки донных станций с измерителями скорости течений S4A,
колебаний давления на дне SBE26 и РУМ, а также заякоренных гирлянд термисторов в
море и в б.Витязь.
- Выполнены 5 пространственных разрезов на юг, юго-восток и юго-запад от М.Шульца
до границы шельфа с вертикальным зондированием температуры, электропроводности и
флуоресценции.
- Выполнены суточные и полусуточные серии вертикальных зондирований температуры,
солености и флуоресценции вблизи заякоренных гирлянд термисторов.
- Проведены длительные измерения колебаний давления у дна на глубине 22 м в море и на
глубине 17 м в б.Витязь.
- Проведены длительные измерения колебаний температуры на 20 горизонтах в
придонном термоклине на двух гирляндах в море и на двух гирляндах в б.Витязь
- Проведены длительные измерения скорости течений у дна вблизи гирлянд термисторов
в б.Витязь.
Характер и объемы работ на стационарных станциях, показаны в таблице:
Прибор
Координаты станций
Горизонты
измерений,
м
№
Глубина
места, м
Координаты постановок приборов, продолжительность и дискретность
измерений на МЭС м. Шульца в 2010 г.
Продолжительность
измерений
период
Дискрет
ность
измерен
ий
сутки
минут
30
2
34
2
30
2
Полигон в бухте Витязь (А)
1
2
3
Электромагнитный
измеритель
42° 35.104 / N
31.0819
17
/
течений S4D
131° 09.142 E
30.09.2010
(Interocean,
США)
Измеритель
уровня моря,
/
температуры и
N
27.0815
13
/
солености воды
E
30.09.2010
SBE26+
(СШ А)
Полигон в бухте юго-восточнее м. Шульца (В)
Измеритель
уровня моря и
42° 34.609/ N
31.08 температуры
19
19
131° 09.758/ E
30.09.2010
воды РУМ
(ТОИ)
7.7 Предварительные научные результаты
- Анализ пространственных изменений вертикальной структуры температуры и солености
показывает, что тонкий термоклин с большим градиентом температуры, наблюдающийся
в море перед границей шельфа, распадается на два термоклина в шельфовой зоне, образуя,
как правило, двухступенчатую тонкую вертикальную структуру. Но этот процесс
происходит только при наличии внутренних волн, интенсивное развитие которых
происходит а) при высоком приливе, б) при достаточно сильном ветре, в) при больших
скоростях течений, которые наблюдаются при прохождении мезомасштабных вихрей
вблизи граница и в зоне шельфа (см. рис.1).
-
Рис.1. Пространственная структура термоклина при слабом (вверху) и сильном
приливе.
- Вертикальные колебания глубины изотерм в шельфовой зоне, отражающие амплитуду
внутренних гравитационных волн, достигают 8-10 м как в верхнем слое с максимумом
частоты Вяисяля, так и в придонном термоклине. Максимальные амплитуды наблюдаются
для волн с длинами 25-35 км (внутренние приливы) и 5-10 км (см. рис.1, 2).
Рис.2. Временные колебания глубины изотерм в различные периоды (фазы лунного
цикла).
- Серии вертикальных зондирований с интервалом 10-30 мин показали, что максимальные
амплитуды колебаний изотерм наблюдаются для периодов, близких к приливным (8-14 ч),
колебания с периодами 30-200 мин могут иметь амплитуды до 3-5 м.
- Колебания давления вблизи дна имеют широкий спектр от приливных периодов до 1020 мин. Максимумы в высокочастотном интервале этих колебаний обусловлены
нелинейными внутренними волнами в придонном термоклине (рис.3).
Рис.3. Нормированный на дисперсию спектр колебаний давления на глубине 20 м.
-Результаты зондирования на глубинах, где термоклин приближается ко дну, и результаты
длительных наблюдений колебаний температуры на 20 горизонтах с использованием
гирлянд датчиков показали, что перенос импульса и массы внутренними волнами может
происходить дальше зоны контакта термоклина с дном, т.е. в область, где отсутствует
стратификация жидкости. Такой захлест внутренних волн приводит к распространению
больших объемов холодной воды в виде «болюсов», которые оказывают большой эффект
на перенос примесей и на вертикальное и горизонтальное перемешивание в прибрежной
зоне моря (рис. 4, 5, .
Рис.4. Большие амплитуды квазиволновых колебаний. Поверхностные воды
начинают проникать до дна, разделяя объемы холодной воды.
Бухта Витязь
Море
Рис.5. Временные разрезы колебаний температуры в придонном термоклине в море
и в б.Витязь, показывающие распространение в однородных прибрежных водах
объемов холодной воды (болюсов), образующихся при выходе на мелководье
внутренних волн различных периодов.
7.8 Выводы
Проведенные нами измерения в различных зонах шельфа и в различные периоды
времени показали, что вертикальная и горизонтальная структура гидрофизических и
гидробиологических параметров в шельфовой зоне моря формируется при значительном
воздействии внутренних гравитационных волн. При этом особенно большое значение
имеют процессы, происходящие при выходе термоклина и распространяющихся в нем
внутренних волн на мелководье. Возникающие при этом непосредственно вблизи дна
большие скорости горизонтальных течений и интенсивное горизонтальное и вертикальное
перемешивание имеют большое значение как для формирования средней вертикальной
структуры поля плотности, так и для насыщения шельфовых вод необходимыми для
биопродуктивности органическими и минеральными веществами.