ADCPs：OOIの有線天文台での行動

ピーター・スペイン • 29 3月 2018

ADCPは水中での運動を測定するソナーシステムです。音波を使用して、彼らはスピードの運転手をつかむために警察によって使用されるハンドヘルドレーダーのように動作します。動きを測定するために、ADCPは下向きの角度のビームに沿ってサウンドバーストを放射します。

エコーはパーティクルから飛散するために返されます。動物プランクトンと浮遊した堆積物は移動する水によって運ばれるため、それらから散乱されたエコーはピッチの変化を伴います。これはドップラー効果です。それは、現在の動きの速さと方向を示します。

音波が水柱を伝播するので、エコーは多くの深さから返され、処理されます。海洋の現在の速度のプロファイルと呼ばれるこの測定値収集の垂直方向の範囲は、より低い周波数の音波に対してより大きい。

前書き

海洋科学者やエンジニアの活発な幹部のおかげで、ハイテク海洋観測所が現在稼動しています。これらのサイトは、持続的でインタラクティブな観察のために海洋に連続して存在します。多くの企業は、革新的なインフラストラクチャーと多分野の海洋センサーを組み合わせています。

様々な深度に設置されたこれらの観測所は、世界各地の多様な海洋環境に存在します。その目的は、長期にわたり戦略的な場所で海洋および海底の環境を測定することです。ケーブル接続を介して連続したリアルタイムデータを提供するものもあります。

代表的な例は、NE太平洋のケーブル配列です。この展望台は、米国国立科学財団（NSF）が資金を提供するOcean Observatories Initiative（OOI）の一部です。アプライドフィジックスラボラトリーズ/ワシントン大学（APL / UW）が設計したCabled Arrayは、専用テレコムケーブルを使用しています。これらは、海岸から最大500kmのノードへの高電圧供給と高速通信リンクを提供します。

ハイテクのインフラストラクチャの他にも、Cabled Arrayには150個の計測器があります。 4つの異なる周波数で動作する9つのADCPが含まれています。彼らは、さまざまな深さ、環境、科学目的にまたがる広範囲のサイトを装備しています。これらのADCPは、SPM（Shallow Profiler Moorings）、BEP（Benthic Experiment Packages）、およびSIA（Seafloor Instrument Arrays）の3つの方法でインストールされます。

水柱プロセス

ケーブルアレイの1つの焦点は水柱プロセスである。研究されたトピックは、海洋科学のすべての側面に及ぶ。生物学的 - 物理的結合のような異種間の協力を促進するものもあれば、市民科学を巻き込むものもある。持続的な観察は、環境への影響と予想される気候変動の理解に取り組む。高いサンプリングレートでの長期観察は、急速に変化するイベントと遅い変化するイベントの両方を明らかにする。潜在的に、これは早期警告システムの基礎と適応に関する教訓を提供することができます。

ADCPで観察される電流は、重要な水の性質を伝達する。例としては、熱、勢い、塩、栄養素、プランクトン、無脊椎動物の幼虫が挙げられます。 ADCPデータを用いた大規模な研究は、東部境界の流れのダイナミクスからエピソード的イベントまで幅広い。相互規律研究は、水流が環境とどのように相互作用しているか（粗い地形から生態系まで）を調べます。

ADCPs - 多くの用途

ADCPは、4つの異なる測定を一度に行うために、戻ってくる音響エコーを分析します。

個別にまたは一緒に使用されるこのデータ型の集団は、単一のADCPが多様な測定範囲を作ることを可能にする。

浅いプロファイラの係留

基本的な電源/通信インフラストラクチャに加えて、ケーブルアレイの画期的な革新は、シャロープロファイラーの係留です。 SPLはAPL / UWによって設計され、設置され、200mの深さに設置された大型で固定されたプラットフォームを提供します。プラットホームは、ユニークな2脚の係留の頂点に座っています。ここからサイエンスポッドが海上に周期的に巻かれています。

ムールリングの珍しいデザインは、ウインチ方法の長期的な成功に必要な運動安定性を提供します。ロボット車両は、プラットホームとポッドの両方を設置/回収するために使用される。 2脚式の係留をそのままにしておくと、SPMの計装ペイロードの保守にかかる費用とロジスティクスが軽減されます。別の係留ラインでは、計装ワイヤークローラーが海底から200m水深までの海洋性状を測定します。加えて、これらの係留施設と同じ場所に配置されているのは、海底機器アレイです。

2つの深い場所（1A、1C〜約3000m）には、SPMの大型計器プラットフォームに一対の昇降ADCPが取り付けられています。また、オンボードにはデジタルスチルカメラと、水の特性と生体音響を測定するための多分野のプローブセットがあります。 ADCPデータは、気候変動の影響から海洋酸性化に至る様々な研究に情報を提供する。その他には、生物地球化学的プロセスと生物学的に豊富な薄い層の理解が含まれます。

上層海のプロファイリング

ADCPは、5ビーム600 kHzワークホースと150 kHzクォータマスターです。 600 kHzのADCPには、標準的なJanus構成を補完する垂直方向のビームが含まれています。

第5梁は、内部波の研究や動物プランクトンの移動に理想的な垂直運動を直接測定します。

150 kHzのADCPは、プラットフォームの深さから海面までの水流を遠隔地でプロファイルします。したがって、ウインチされたサイエンスポッドによってサンプリングされた200m水柱内のバックグラウンドフローの時系列を提供します。

毎日、サイエンスポッドは200mの深さから海面のすぐ下までの9サイクルにわたってウィンチされています。ポッドには9つのシングルポイント楽器が搭載されています。ウインチングのために、これらのデバイスは、物理的、化学的、および生物学的な水の特性の上部海洋を通して高解像度プロファイルを記録する。生物学的に豊富な薄層を横切るなど、興味深いフィーチャが測定されたときに、海岸からのインタラクティブなコマンドと制御が利用できます。 2015年の夏の終わり頃から、各サイエンスポッドは7,000回を超えています。

SPMの複合データセットには、プラットフォームとポッドの18個の計測器が含まれています。彼らは水の特性の広い範囲を参照してください。さらに、それらの同時測定は、時間と空間において高い分解能を有する。 SPMとその機器スイート（サイエンスポッドを含む）は、光ファイバーケーブルのネットワークに接続します。各SPMには1 Gbpsの帯域幅と3000ワットの電力があります。その結果、ライブデータは、SPMプラットフォーム上のセンサとそのウィンチされたサイエンスポッドからインターネット上で利用可能になります。

底生実験パッケージ

ADCPsはまた、Newport Lineに設置されたいくつかのBenthic Experiment Packages（BEP）に乗っています。それは、オレゴンから浅い水から深い水まで続く。深海域（1C）は大陸斜面の600mの深さに位置し、浅海の陸地（1D）は大陸棚の80mに位置する。

これらのADCPデータは、幅広い科学的質問を調べるために使用されます。例としては、棚への電流の流れや低酸素症が挙げられる。いずれの場合も、ADCP周波数は全水柱をプロファイルするように選択される。したがって、75 kHzのロングレンジャーは深い場所にあり、300 kHzのセンチネルは沿岸にあります。

ハザード耐性フレームに収容されたBEPは、二重の役割を果たす。それはADCPといくつかの小さなセンサーのためのマウントです。また、これらの機器をケーブルネットワークに接続する電源/通信インフラストラクチャの一部を保有しています。センサーは、海洋の化学シグニチャー、すなわち酸性度（pH）、二酸化炭素、塩分および酸素濃度を測定します。近くに設置されたプローブは、ボトム境界層の物理学に対応します。同様に、ハイドロホンはフレームの外にあり、底生耳として機能します。

海底機器アレイ

ケーブル式海底機器アレイ（SIA）は、底面付近および水柱工程の研究を可能にします。例としては、内部の干潮や海底から海洋へのメタンの放出などがあります。

これらのアレイは3つあります（サイト1A、1B、3A）。彼らはまた、一連の楽器を持っています。深度3km（1A、3A）に配置された2つのSIAには、150kHzのQuartermaster ADCPが装備されています。これらのサイトはSPMと同じ場所にあります。近くにワイヤークローラー係留があります。 800mの大陸斜面にある第3のSIA（1B）には、75kHzロングレンジャーADCPが搭載されています。

図では、ADCPが電源/通信ネットワークの接続箱の上にあることがわかります。有線接続のため、これらのADCPデータは、ほぼリアルタイムで、かつこれまで2年間の長期間使用可能です。これにより、ADCPデータの革新的な使用がもたらされました。

1つの例は、Southern Hydrate Ridge（1B）での生物地質学的研究である。ワシントン大学の海洋地質学者は、メタンの泡を見るためにADCPの戻ってくる音響エコーを使用しています。

プルームは、海底のガスハイドレート堆積物から湧き出る。ガスハイドレートはメタン分子を含む固体の氷のような形の水です。

これらの堆積物は、堆積物上および堆積物内の生物学的コミュニティを支援する。 ADCPプロファイルは、水柱の大部分を介して気泡プルームを示す。一つの仮説は、メタンのこれらの上昇プルームが、上層の海洋における生物生産性を高めるかもしれないということである。

楽しみにしている

OOIのCabled Observatoryは25年間活動する予定です。独自の電力/通信インフラストラクチャにより、このネットワーク化されたアレイは、海上から底生深部までの多様な海洋地点の相互監視を可能にします。アレイ全体に展開されたADCPの遠隔サンプリング能力は、水柱を通してオブザーバーの到達範囲を拡大する。そして、インターネットへの光ファイバー接続のおかげで、これらのデータは、世界のユーザーコミュニティのためにほぼリアルタイムで利用可能になります。

著者

ピーター・スペイン博士、Teledyne RD Instruments

（ Marine Technology Reporterの 2018年3月版に掲載されているように）