Теңіз физикалық параметрлерін өлшеу әдістері
Мұхит – динамикалық және күрделі табиғи жүйе. Температураның, тұздылықтың, ағындардың немесе толқын биіктігінің шамалы өзгерістері экожүйелерге, жағалаудағы ауа райына, кеме қатынасы қауіпсіздігіне, тіпті балық шаруашылығы мен ресурстарды зерттеуге айтарлықтай әсер етуі мүмкін. Сондықтан, мұхиттың физикалық параметрлерін өлшеу мұхиттану, климатология, теңіз инженериясы және жағалау аймағын басқару үшін маңызды негіз болып табылады. Бұл мақалада мұхиттың жалпы өлшенетін физикалық параметрлері және қолданылатын әдістер, соның ішінде in situ (тікелей далада), қашықтықтан зондтау және модельдеу тәсілдері талқыланады.
1. Мұхиттың жиі өлшенетін физикалық параметрлері
Мұхиттың физикалық өлшемдері әдетте бірнеше негізгі параметрлерге бағытталған:
1. Температура: Теңіз суының тығыздығын, су бағанының стратификациясын және мұхит-атмосфера жылу алмасу процестерін басқарады.
2. Тұздылық: Температурамен бірге су массаларының тығыздығын, термогалин айналымын және таралуын анықтайды.
3. Тығыздық және стратификация: Су бағанының және тік араластырудың тұрақтылығын түсіндіреді.
4. Мұхит ағындары: жылудың, қоректік заттардың, шөгінділердің және организмдердің тасымалдануына әсер етеді.
5. Толқындар мен қайтулар: Жағалау аймақтарындағы энергияны, абразияны және қайту кезіндегі су тасқынының қаупін анықтаңыз.
6. Теңіз деңгейі: Климаттың өзгеруінің және мұхит-атмосфералық динамикасының көрсеткіші.
7. Судың мөлдірлігі және оптикалық қасиеттері (байланысты физикалық параметрлер сияқты): Жарықтың енуіне және бастапқы өнімділікке әсер етеді.
Әрбір параметр мақсаттарға, кеңістік-уақыт шкаласына және су жағдайларына сәйкес әртүрлі құралдар мен өлшеу стратегияларын қажет етеді.
2. Орындық (далалық) өлшеу әдісі
a. CTD (Өткізгіштік-Температура-Тереңдік)
CTD - өткізгіштікті (тұздылыққа түрлендіріледі), температураны және қысымды (тереңдікті) өлшеуге арналған стандартты мұхиттану құралы. CTD кемеден лебедка арқылы түсіріліп, бетінен белгілі бір тереңдікке дейінгі тік профиль жазылады. CTD артықшылықтары - оның жоғары тік ажыратымдылығы және жақсы дәлдігі. Деректердің сапасын қамтамасыз ету үшін CTD көбінесе Niskin бөтелкесі бар розетка сынамасын пайдаланып су сынамасын алумен біріктіріледі, осылайша тұздылық мәндерін зертханада калибрлеуге болады.
b. XBT (шығынды батитермограф)
XBT-лер температура профильдерін тереңдікке қатысты өлшейді. CTD-лерден айырмашылығы, XBT-лер бір реттік пайдалануға арналған және қозғалатын кемелерден жылдам зерттеу үшін тиімдірек. Дегенмен, XBT-лер әдетте тұздылықты өлшемейді және зондтың түсу жылдамдығы дұрыс болмаса, тереңдікті бағалауда белгісіздіктерге ие.
c. ADCP (акустикалық доплерлік ток профилі)
ADCP ток жылдамдығы мен бағытын судағы бөлшектер шағылысқан акустикалық толқындардың Доплер ығысу принципін қолдана отырып өлшейді. ADCP келесідей орнатылуы мүмкін:
– Кемелерде (кеме бортындағы ADCP) жол бойындағы ағымдарды картаға түсіру үшін,
– Ұзақ мерзімді ағыстарды бақылау үшін арқанмен байлау кезінде (бекітілген якорь),
– Тік ағыс құрылымын көру үшін теңіз түбінде (түбіне орнатылған).
ADCP-нің артықшылығы - ол бір уақытта көптеген тереңдік қабаттарында ток профильдерін бере алады, бұл айналымды, көтерілуді және саға динамикасын зерттеуге жарамды.
d. Ток өлшегіш және дрейф
ADCP-ден басқа, токтарды нүктелік ток өлшегіштері (мысалы, роторлық немесе электромагниттік) және дрифтерлерді (жер үсті ағындарын бақылайтын қалқымалылар) пайдаланып өлшеуге болады. Дрифтерлер әсіресе Лагранждың жер үсті тасымалының заңдылықтарын, мысалы, ластаушы заттардың таралуын немесе мұхиттық фронттардағы су массаларының қозғалысын бақылау үшін пайдалы.
e. Толқын өлшегіш және қысым датчигі
Теңіз толқыны мен деңгейі жағажайларда немесе айлақтарда толқын өлшегіштерді пайдаланып өлшенеді. Датчиктер механикалық буйлар, радар немесе қысым датчиктері болуы мүмкін. Теңіз жағалауындағы жерлерде теңіз түбіндегі қысым датчиктері су деңгейінің өзгеруі мен толқындарға байланысты қысымның ауытқуларын тіркей алады. Толқын туралы деректер навигация, портты жоспарлау және толқын су тасқынын талдау үшін өте маңызды.
f. Толқындық буй және толқындық радар
Толқындар теңіз бетінің тік қозғалысы мен көлбеуін тіркейтін толқын буйларын пайдалану арқылы өлшенеді. Алынған параметрлерге толқынның айтарлықтай биіктігі (Hs), период және толқын бағыты кіреді. Жағалау аймақтарында толқындық радиолокациялық жүйелер немесе X-диапазонды радарлар белгілі бір аумақтың айналасындағы толқын өрісі мен беткі ағындарды картаға түсіре алады.
g. Оптикалық қасиеттерді өлшеу: Secchi дискісі және PAR сенсоры
Судың мөлдірлігі жай ғана Secchi дискісін пайдаланып өлшенеді, ақ диск көрінбейтінше төмен түсіріледі. Бұл әдіс арзан және жылдам, бірақ оған жарықтандыру жағдайлары мен бақылаушының субъективтілігі әсер етеді. Толығырақ зерттеулер үшін судың физикалық жағдайының индикаторлары ретінде жарықтың енуі мен лайлылығын өлшеу үшін PAR (Фотосинтетикалық белсенді сәулелену) сенсоры немесе турбидиметр қолданылады.
3. Қашықтықтан зондтау
a. Теңіз бетінің температурасын (ТБТ) өлшейтін спутник
Инфрақызыл және микротолқынды сенсорлары бар спутниктер теңіз бетінің температурасын (ТБТ) өлшей алады. ТБТ деректері Эль-Ниньо-Ла-Ниньо, көтерілу және температуралық фронттар сияқты ірі көлемді құбылыстарды бақылау үшін пайдалы. Оның артықшылықтарына кең қамту және жоғары жиілік жатады, бірақ инфрақызыл өлшеулер бұлттармен жасырылады және тек беткі қабатты көрсетеді.
b) Теңіз деңгейін өлшеу үшін спутниктік альтиметрия
Спутниктік альтиметрлер теңіз бетінің биіктігін радар импульстарын шығару және олардың шағылысу уақытын есептеу арқылы өлшейді. Бұл оларға геострофиялық ағымдар мен климаттың өзгергіштігіне байланысты теңіз деңгейінің ауытқуларын анықтауға мүмкіндік береді. Альтиметрия жаһандық айналымды түсіну үшін өте маңызды, бірақ оның ажыратымдылығы күрделі жағалау аймақтарында шектеулі.
c. Жел мен толқындарға арналған спутниктер
Теңіздегі желдің жылдамдығын шашыратқыштар арқылы бағалауға болады, ал толқын параметрлерін альтиметрлер мен ассимиляция модельдерінен алуға болады. Бұл ақпарат теңіз ауа райын болжауда және апаттардың салдарын жоюда кеңінен қолданылады.
d. Қашықтықтан зондтаудың шектеулері
Қашықтықтан зондтау кеңістікті қамтуда жақсы нәтиже көрсетеді, бірақ әдетте тек жер бетінің жағдайларын ғана көрсетеді. Сондықтан, әрі қарай талдау үшін дәлдік пен пайдаланудың ыңғайлылығын қамтамасыз ету үшін спутниктік деректерді in situation өлшеулерімен тексеру керек.
4. Арқан тарту, автоматты станциялар және ұзақ мерзімді бақылаулар
Ұзақ мерзімді үрдістерді түсіну үздіксіз бақылауды қажет етеді. Айлақтар - теңіз түбіндегі салмақталған кабельдерге және үстінде буйларға орнатылған бірқатар құралдар. CTD тіркеушілері, ADCP және температура датчиктері сияқты құралдар айлар немесе жылдар бойы деректерді жаза алады. Жағалау аймақтарында автоматтандырылған станциялар (мысалы, метеорологиялық-мұхиттық буйлар) желді, толқындарды, температураны және ағындарды нақты уақыт режимінде бақылай алады, ерте ескерту жүйелері мен теңіз ақпарат қызметтерін қолдайды.
5. Сандық модельдеу және деректерді ассимиляциялау
Тікелей өлшеулерден басқа, қазіргі заманғы мұхиттану ағындарды, температураны, тұздылықты және тіпті толқындарды модельдеу үшін сандық модельдерге сүйенеді. ROMS, HYCOM немесе SWAN сияқты модельдер сұйықтық физикасы теңдеулерін пайдаланады және жел, толқын және шекаралық жағдай деректерімен мәжбүрленеді. Модельдің дәлдігін арттыру үшін деректерді ассимиляциялау қолданылады, модельге бақылауларды (CTD, буйлар, спутниктер) енгізеді. Бұл тәсіл мұхиттың физикалық параметрлерінің, соның ішінде тікелей өлшеу қиын аймақтардың кешенді карталарын жасауға мүмкіндік береді.
6. Қиындықтар және ең жақсы тәжірибелер
Мұхиттың физикалық параметрлерін өлшеу тұзды судың коррозиясы, биологиялық ластану (өсімдік/организмнің байланысы), ауа райының бұзылуы және уақыттың тез өзгеруі сияқты қиындықтарға тап болады. Деректер сапасын жақсарту үшін бірнеше ең жақсы тәжірибелерді енгізу қажет:
– Зерттеуге дейін және кейін құралдарды калибрлеу,
– Деректерді жинау процедураларын стандарттау,
– Сапаны бақылау (қателерді тексеру, ауытқу, сенсордың ауытқуы),
– Бір-бірін толықтыратын әдістердің үйлесімі (in-situ + спутник + модель),
– Деректерді көшіру және салыстыру үшін толық метадеректер (уақыт, орын, ауа райы жағдайлары, құрал параметрлері).
Қорытынды
Мұхиттың физикалық параметрлерін өлшеу әдістері Secchi дискілері сияқты қарапайым құралдардан CTD, ADCP, автоматтандырылған буйлар және спутниктік альтиметрия сияқты күрделі жүйелерге дейін дамыды. Әрқайсысының өзіндік артықшылықтары мен шектеулері бар, сондықтан әдісті таңдау зерттеу мақсаттарына, бақылау ауқымына және далалық жағдайларға бейімделуі керек. Климаттың өзгеруі және теңіз белсенділігінің артуы дәуірінде in situation өлшеулерін, қашықтықтан зондтауды және сандық модельдеуді біріктіру мұхит динамикасын жан-жақты түсіну және ғылыми негізделген шешім қабылдауды қолдау үшін ең тиімді стратегия болып табылады.
