文章

追踪海洋运动的五种方法

泡沫状的海面
海洋运动受到许多因素的影响,包括风、太阳和月亮的引力以及地球的自转。 (Pixabay)

从亚里士多德时代到欧洲文艺复兴,大约有1000年的时间,世界上的科学家和海洋航海家都认为,所有的洋流都在不断地向西运动,这与一个被称为“第一移动”的概念有关。这种想法一直流行到18世纪初,冒险家威廉·丹皮尔详细描述了世界上的风和海洋,人们开始意识到这有点复杂——风似乎对海洋的运动方式有影响。从那以后,我们在了解海洋运动的方式和原因方面取得了很大的进展。

海洋一直在运动,并不只是海浪撞击海岸。风推动着海面上的水,在温度和盐度的驱动下,水下深处的洋流穿过海洋盆地。月球和太阳从地球大气层之外吸引海洋,因此,在地球上,我们会经历潮汐。甚至地球的自转也会影响海洋的运动,导致流动的水在北半球向右弯曲,在南半球向左弯曲。

有如此多的因素影响着海水的运动,科学家们仍然努力想知道它在地球上的任何一个点会如何运动。这一点在2010年深水地平线(Deepwater Horizon)石油泄漏事件中表现得尤为明显,当时预测洋流将如何携带泄漏的石油对快速有效的清理工作至关重要。随着泄漏的持续增加,灾难反应小组需要知道石油最终会到哪里——它会留在墨西哥湾还是会被席卷到佛罗里达周围的大西洋?做出这类预测是一个挑战。

今天,海洋学家继续研究洋流,以便在未来发生石油泄漏时能更好地做好准备。环境中碳氢化合物运输高级研究联盟(CARTHE)的研究人员使用各种方法来帮助更多地了解洋流和波浪如何移动水。CARTHE是一个由墨西哥湾研究计划资助的组织。下面是一些帮助科学家完成这项任务的现代技术的综述。

GPS流浪者

船上的科学家将漂流者抛入水中
漂流者被抛入海中,然后通过卫星追踪。 (由CARTHE)


在20世纪之交,海洋学家转向瓶子信息寻求关于洋流的答案。亨特·布朗船长向发现这条信息的人留下了将近2000个玻璃瓶的请求。他要求他们记下瓶子被找到的日期和时间,并将信息送回所列的地址。今天,科学家们仍然依靠漂浮物来了解洋流,然而,回收方法是最新的一点。现在,“漂流者”是一种带有GPS的类似浮标的小仪器,当它们在洋流中漂流时,可以通过卫星定位它们的位置。它们的位置每次会被跟踪几周或几个月,它们为建模提供了前所未有的数量的基于位置的数据。这些信息可以用来更好地预测未来发生泄漏时的石油运移。CARTHE漂流器具有可生物降解、易于组装、精度极高、成本低廉等特点,这些都是大型海洋实验的重要特点。

声学多普勒电流剖面仪

一种自主水下航行器
REMUS自主水下航行器(AUV)配备了许多传感器,包括一个声学多普勒电流剖面仪。 (由CARTHE)

在一艘小船的船尾拖拽下,声波多普勒流剖面仪(ADCP)可以利用声音计算水下水流的速度。和声纳一样,ADCP发出阵阵声音,一旦声音从移动的水中反弹回来,就会记录下来。与声纳不同,ADCP是在寻找声音频率的变化,而不是记录声音返回所需的时间。频率的变化与水的速度有关,因此科学家可以从声音的变化量来计算水的移动速度。ADCPs还可以安装在一种鱼雷形状的机器人上,这种机器人被称为自主水下航行器(AUV),可以在水下进行更广泛的研究。

飞机

一艘从上面来的船
一艘船穿过前方,可能还带着石油。 (由CARTHE)


有时研究洋流最好的方法是鸟瞰。在释放数百个CARTHE漂流器的前一天,科学家们将从天空中确定释放这个类似浮标的小装置的最佳地点。通过简单地观察海洋表面,科学家们能够看到前沿或漩涡,这将显示出有趣的结果。飞机上的仪器可以显示海洋表面温度的具体剧烈变化,这可能是海洋或大气流的指示器。海水温度的鲜明对比会刺激海水运动,因为密度大的冷水在温暖的海水下运动。温度对比也会导致风的产生,因为温暖的海水上方的热空气上升,而较冷的空气会冲进来取代它。由于风影响海洋运动,CARTHE的科学家对此非常感兴趣。

航空器

船后面的气球
一个浮空器已经准备就绪。 (由CARTHE)


竹盘子,小可生物降解的磁盘大小的餐盘,分散在集群海洋表面帮助科学家理解海洋表面运动的规模3英尺(1米)至656英尺(200米),一旦竹板块发布了一个大型ship-tethered气球称为航空器从背后的船。它能够使用高分辨率摄像机从上方记录磁盘的运动。之后,板块的运动可以用来建立洋流模型。

无人驾驶飞机

一艘十二生肖船和竹板在海里
一架无人机从上面跟踪了这些钢板。 (由CARTHE)


海岸线是一个很难预测的地方。科学家们求助于有色染料来帮助他们更好地了解石油在上岸时是如何移动的。科学家们在冲浪区释放了一种生物可降解染料,然后观察它向陆地移动的过程。船和染料传感器是监测染料运动的关键,但跟踪染料运动的最好方法之一是从天空。从上面,两架无人机用GoPro相机捕捉到了染料扩散的过程。这让科学家们可以看到在不同的情况下,比如激流的情况下,石油是如何到达海岸的。无人机也被用来追踪竹板和漂流者的运动。

CARTHE的科学家们现在正在研究一种不需要向海洋中放入任何东西就能研究洋流的方法。其目标是通过无人机拍摄的海浪视频数据来观察海洋表面洋流。用一架简单而经济的“现成”无人机拍摄的视频将提供可以用来测量海浪特性的图像,如海浪运动的方向,两个波峰之间的长度和它的速度。有了这些测量数据,科学家们就可以计算出水面洋流,而不用把脚趾甚至漂浮物放入水中。

______________

海洋门户网站得到了墨西哥湾研究计划(GoMRI)的支持,以发展和分享有关GoMRI和漏油科学的故事。墨西哥湾研究计划(GoMRI)是一个为期10年的独立研究项目,旨在研究碳氢化合物释放对环境和公共健康的影响及其潜在的相关影响,并开发改进的泄漏缓解、石油检测、特性描述和补救技术。

欲了解更多信息,请访问http://gulfresearchinitiative.org

2019年2月