06.5 Измерения температуры, электропроводности и давления

Температура в океане измерялась множеством способов. На кораблях и буях чаще всего используются термисторы и ртутные термометры. Перед использованием и если возможно после него, они калибруются в лабораториях, с помощью ртутных и платиновых термометров поверенных в соответствии с требованиями национальных метрологических лабораторий. В космосе для наблюдения за поверхностной температурой океана используются инфракрасные радиометры.

Ртутные термометры Вероятно самые распространённые неэлектрические термометры. Они используются в вёдрах выбрасываемых за борт корабля для измерения поверхностной температуры, в батометрах, для измерений температуры на глубине и в лабораториях для калибровки других термометров. Точность их при хорошей калибровке составляет ±0,001° C.

 

Один из наиболее важных термометров – это опрокидывающийся термометр устанавливаемый на батометрах, описанный в следующей секции. В капиляре этого термометра имеется сужение, вызывающее отрыв столбика ртути при переворачивании термометра вверх дном. Термометр погружается в океан в нормальном положении и выдерживается до принятия им температуры окружающей воды. Ртуть расширяется и её количество в капиляре становится пропорциональным температуре. Затем термометр переворачивается, столбик ртути отрывается и остаётся в капиляре, а батометр с термометром возвращают на поверхность. Показания с опрокидывающегося термометра снимаются на палубе вместе с показаниями обычного термометра, с помощью которого определяют ту температуру при которой снимаются показания с опрокидывающегося термометра. Эти данные вместе позволяют определить температуру на глубине на которой термометр был перевёрнут.

Опрокидывающийся термометр находится внутри стеклянной трубки, которая защищает его от воздействия океанского давления, так как оно может выжать дополнительный объём ртути в капиляре. Если термометр незащищён, мнимая температура снятая на палубе, будет пропорциональна температуре и давлению на глубине где термометр был перевёрнут. Пара из защищённого и незащёщённого термометров даёт температуру и давление на этой глубине.


Рисунок 6.13 Левый: Закрытый и открытый опрокидывающиеся термометры в положении до опрокидывания. Правый: Суженная часть капиляра в изначальном и перевёрнутом положении (Взято из von Arx, 1962).

Платиновый Термометр Сопротивления Это стандартный измеритель температуры. Он используется национальными метрологическими лаборатории для интерполирования между определёнными точками практической температурной шкалы. Он также используется в приборах устанавливаемых на кораблях, так как данные с него можно снимать при помощи электроники с большой точностью.

Термистор Термистор – это полупроводниковый резистор с сопротивлением предсказуемо и быстро изменяющимся с изменением температуры. Термисторы широко используются в стационарных (заякоренных) инструментах и корабельных инструментах. Они обладают высоким разрешением и точностью ±0,001°С при хорошей калибровке.

Bucket Temperatures температура поверхности моря обычно измеряется с помощью ртутного термометра помещённого в ведро опущенное за борт, его выдерживают на глубине около метра в течении нескольких минут, а затем поднимают на борт и снимают показания пока температура в ведре не успела измениться. Точность около 0,1°С.

Ship Injection Temperature (Температура забираемой (инжекторной) воды)– Температура воды вливаемой в корабль для охлаждения машины (его устройств) регулярно записывается в течении десятилетий и эти наблюдения собираются в архивы. Эти значения темературы называют инжекторной температурой. Ошибки здесь появляются оттого что коммуникации корабля нагревают воду перед измерением. Это происходит когда датчик температуры находится далеко от точки забора на корпусе судна.

Улучшенный радиометр очень высокого разрешения (Advanced Very High Resolution Radiometer AVHRR) Является наиболее часто используемым инструментом для измерений температуры поверхности моря. Этот инструмент был установлен на всех полярно-орбитальных метеорологических спутниках управляемых NOOA, начиная с Tiros-N в 1978.
Инструмент был изначально разработан для измерения температуры облаков, а следовательно их высоты. Тем не менее у него была достаточная точность и чёткость которые вскоре были использованы для того чтобы измерять температуру поверхности моря в глобальном и региональном масштабе.

Инструмент представляет собой радиометр, преобразующий наблюдаемое излучение в электрические сигналы. Он включает зеркало которое сканирует от края до края поперёк подспутникового трека (проэкции пути спутника на земную поверхность) и отражает излучение от земли в телескоп, телескопа, который фокусирует радиацию на детекторах чуствительных к различным длинам волн, которые переводят излучение на этих частотах в электрический сигнал, и электронной схемы оцифровывающей и хранящей значения излучения. Полоса сканирования в ширину составляет 2700 км и центрирована по подспутниковому треку. Все наблюдения вдоль полосы сканирования состоят из пикселов диаметром примерно 1 км у центра полосы сканирования, увеличивающимся с удалением от подспутникового трека.

Радиометры измеряют инфракрасную радиацию, излучаемую поверхностью в пяти каналах: трёх инфракрасных каналах: 3.55–3.99 mm, 10.3–11.3 mm, и 11.5–12.5mm; одном канале ближней инфракрасной части спектра на 0,725–1,10mm; и видимом канале на 0,55–0,90mm. Все инфракрасные каналы измеряют раиацию излучённую поверхностью моря и водяным паром в воздухе на всём пути от спутника до земли. Канал 3,7mm менее чуствителен к водяному пару и другим ошибкам, но он работает только ночью, так как солнце излучает в этом канале. Два самых длинноволновых канала на 10,8mm и 12,0mm используются для наблюдения за температурой поверхности моря и водяным паром при дневном свете.

Данные с разрешением 1 км передаются непосредственно на наземную станцию в поле зрения которой находится пролетающий спутник. Это Режим Покрытия Ограниченного Района (Local Area Coverage mode). Данные также осредняются для получения наблюдений с размерами пикселей 4*4 км. Эти данные сохраняются на магнитных носителях и позже передаются на принимающие станции NOAA. Это Режим Глобального Покрытия (масштаба).

Полоса сканирования достаточно широка для того чтобы спутник обследовал все районы Земли дважды в день, приблизительно в 9,00 и 21,00 часов местного времени. Районы в высоких широтах могут быть обследованы более восьми раз за день.

Причины ошибок при измерении температуры поверхности океана.

  1. Не до конца распавшиеся или необнаруженные облака: большие толстые облака хорошо видны на изображениях температуры воды. Тонкие облака, такие как низкие слоистые и высокие перистые вызывают маленькие ошибки которые трудно или почти невозможно обнаружить. Облака диаметром меньше 1 км, такие как пассатные кучевые, также трудно обнаружить. Для обнаружения небольших облаков разработана специальная техника (Рисунок 6,14).
  2. Водяной пар, который абсорбирует часть энергии излучаемой поверхностью моря: водяной пар уменьшает получаемую температуру морской поверхности. Его влияние разное для каналов 10,8mm и 12,0mm, это позволяет использовать разницу для уменьшения ошибки.
  3. Аэрозоли, поглощающие инфракрасную радиацию. Они излучают на температурах встречающихся в высокой атмосфере. Стратосферные аэрозоли порождённые извержениями вулканов, могут понизить наблюдаемые температуры на несколько градусов Цельсия. Частички пыли от пылевых бурь в Сахаре распространяемые над Атлантикой, также могут приводить к ошибкам.
  4. Инструментальные помехи стремяться уменьшить, ограничевая температурное разрешение на изображениях локальных районов.
  5. Ошибки температуры скин слоя. Инфракрасная радиация фиксируемая инструментом приходит от слоя на морской поверхности толщиной в несколько микрометров. Температура в этом слое не такая же как в метре под поверхностью. При слабом ветре она может отличаться на несколько градусов (Emery and Schussel, 1989).

Карты температуры созданные на основе измерений районного масштаба при отсутствии облаков, показывает изменчивость температуры с точностью 0,1°С. Эти карты используются для изучения локальных явлений, включая структуры образованные местными течениями. Рисунок 10,17 демонстрирует такие структуры у побережья Калифорнии.

Глобальные карты создавать гораздо труднее. Американский Naval Oceanographic Office получает глобальные данные с AVHRR напрямую из National Environmental Satellite Data and Information Service, в режиме близком к реальному времени, каждый день. Данные тщательно обрабатываются для устранения влияния облаков, водяного пара, аэрозолей, и других источников ошибок. Затем они используются для создания карт между ±70° с точностью ±0,6°С (May et al 1998). Карты температуры поверхности океана пересылаются в Американский Морской Флот и в NOAA’s National Centers for Environmental Prediction. Кроме того офис ежедневно создаёт 100 км глобальные и 14 км региональные карты температуры.


Рисунок 6.14 Влияние облаков на инфракрасные наблюдения. Слева: Стандартное отклонение излучения для небольших частично облачных районов, содержащих по 64 пиксела каждый. Основанием для наиболее вероятного распределения точек являются температура поверхности моря и верхних облаков. (Следуя Coakley and Bretherton (1982). Справа: Максимальные различия между локальными значениями T11- T3.7 и локальными средними значениями того же параметра. Пунктирный квадрат ограничевает значения пикселов свободных от влияния облаков. T11 и T3.7 мнимые температуры на 11.0 и 3.7 микрометрах (данные K. Kelly). Взято из Stewart (1985).

Глобальные карты температуры поверхности океана Глобальные, ежемесячные карты поверхностной температуры создаются National Centers for Environmental Prediction, с использованием метода оптимальной интерполяции Рейнольдса (1988, 1993, 1994). Эта техника использует корабельные и буйковые наблюдения поверхностной температуры вместе с данными AVHRR обработанными Naval Oceanographic Office в 1° районах за месяц. Доступны карты с ноября 1981 года по настоящее время. Рисунки 6,3–6,5 были сделаны на основе данных расчитанных NOAA по методу Рейнольдса.

Аномалии поверхностной температуры расчитываются и использованием средних поверхностных температур за период 1950–1979 взятых из COADS, дополненных четерёхлетними спутниковыми данными 1982–1985 (Reynolds and Smith,1995).

6.7 Измерения электропроводности

Измерения электропроводности могут быть произведены с использованием электродов, но электроды имеют тенденцию отклоняться от стандартного напряжения в результате электрохимических процессов. Помните, два разных металла покружённых в электропроводящий раствор, образуют батарею.

Измерения обычно проводятся с использованием индукции. Морская вода формирует одну часть трансформатора, и ток индуцируемый в катушке трансформатора зависит от электропроводности морской воды (Рисунок 6,15). Эта техника устраняет электрохимические отклонения от стандартного напряжения. Лучшие измерения солёности по электропроводности дают солёность с точностью 0,005 psu

Иногда солёность измеряют используюя химическое титрование пробы воды с солями серебра. Максимальная точность этого способа составляет ±0,02 psu

Калибровка инструментов измеряющих солёность может быть проведена путём погружения их в глубинную водную массу с известной постоянной солёностью. Например Саундерс (Saunders 1986) заметил что температура сильно зависит от солёности для больших объёмов вобы которые находятся в глубоких бассейнах северозападной Атлантики под средиземноморским противотечением. Он использовал соответсятвие измерений температуры и солёности произведённых на большом количестве гидрографических станций в этом районе, для того чтобы оценить точность измерений температуры солёности и содержания кислорода. Он сделал вывод что наиболее тщательные измерения произведённые с 1970 имеют точность 0,005 п.е.с. для солёности и 0,005°С для температуры. Самым большим источником ошибок солёности была ошибка при определении стандартной воды используемой для калибровки.

Гуретский и Жанк (Gouretski and Jancke 1995) оценили точность измерений солёности как функцию времени. Они использовали высококачественные измерения с 16 000 гидрографических станций в северной Атлантике с 1912 по 1991 годы для создания последовательного набора дынных. Для небольших изменений температуры солёность была линейной функцией температуры. Точность измерений солёности была посчитана из стандартного отклонения значений солёности относительно оптимальной прямой линии проходящий через данные. График точности как функции времени с 1920 показал последовательное улучшение точности начиная с 1950 (Рисунок 6,16). Современные измерения солёности – наиболее точные. Стандартное отклонение современных данных по солёности собранных во всех районах Южной Атлантики с1970 по 1993 исправленные как описывают Гуретский и Жанк (1995) составляло 0,0033 п.е.с. Более современные инструменты такие как Sea-Bird Electronics Model 911 Plus, обладают точностью боле чем 0,005 psu без поправок. Тщательное сравнение солёности измеренной на 43° 10’N14° 4.5’W при помощи Sea-Bird Electronics Model 911 Plus с историческими данными собранными Саундерсом (Saunders 1986) даёт точность в 0,002 psu (Рисунок 6.7)


Figure 6.13 A conductivity cell. Current flows through the seawater between platinum electrodes in a cylinder of borosilicate glass 191mm long with an inside diameter between the electrodes of 4mm. The electric field lines (solid lines) are confined to the interior of the cell in this design making the measured conductivity (and instrument calibration) independent of objects near the cell. This is the cell used to measure conductivity and salinity shown in Figure 6.15. From Sea-Bird Electronics.


Рисунок 6.16. Стандартное отклонение измерений солёности на глубине 1500 м в Южной Атлантике с 1920 по 1993 год. Каждая точка – среднее данных собранных за десятилелие. Значение для 1995 года представляет собой точность современных измерений. Взято из Таблицы 1 в Gouretski and Jancke (1995).


Рисунок 6.17. Результаты тестирования Sea-Bird Electronics 911 Plus CTD выполненного в Северо Атлантических глубинных водах в 1992 году. (Взято из Sea-Bird Electronics, 1992).

6.8 Измерения давления

Давление измеряется разными типами инструментов. Единицей давления в системе СИ является Паскаль, но океанографы обычно используют децибары (дцбар), где:

1 dbar = 104 Pa (6.10)

Так как давление в децибарах почти точно соответствует глубине в метрах. Таким образом 1000 децибар – это давление на глубине около 1000 метров.

Датчик Деформации или Тензодатчик Это наиболее простой и широко используемый инструмент. Точность около 1%.

Вибратрон Гораздо более точные измерения давления могут быть выполнены при измерении естественной частоты вибрирующей вольфрамовой проволоки натянутой в магнитном поле между мембранами закрывающими концы цилиндра. Давление изгибает которая меняет натяжение проволоки а следовательно и её частоту. Частоту можно узнать из напряжения вызываемого вибрирующей в магнитном поле проволокой. Точность около ±0,1% а при контроле температуры ещё выше. Разрешение в 100–1000 раз выше чем точность. Инструмент используется для обнаружения малых изменений давления на больших глубинах. Snodgrass (1968) получил разрешение в ±0,8мм на 3 км глубине.

Кварцевый Кристал Очень точные измерения давления можно также произвести измеря естественную частоту среза (для уменьшения зависимости от температуры) кристала кварца. Лучшая точность получается когда температура кристала остаётся постоянной. Точность составляет ±0,015% и разрешение 0,001% (от значения величины).

Кварцевый манометр Бурдона имеет точность и стабильность сравнимую с кварцевыми кристалами. Этот прибор используется для долговременных измерений давления в глубине моря.

 

 

Be the first to comment on "06.5 Измерения температуры, электропроводности и давления"

Leave a comment

Your email address will not be published.


*