«В.П.Коровин, В.М.Тимец М ЕТО Д Ы И С РЕД С ТВА ГИ Д Р О М ЕТЕО Р О Л О ГИ Ч ЕС К И Х И ЗМ ЕРЕН И Й ( Океанографические работы ) Рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебника для ...»

ФЕДЕРАЛЬНАЯ ЦЕЛЕВАЯ ПРОГРАММА

«ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОДДЕРЖКА ИНТЕГРАЦИИ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

ИФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ НАУКИ Н 1997-2000 ГОДЫ»

А

В.П.Коровин, В.М.Тимец

М ЕТО Д Ы И С РЕД С ТВА

ГИ Д Р О М ЕТЕО Р О Л О ГИ Ч ЕС К И Х

И ЗМ ЕРЕН И Й

( Океанографические работы ) Рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Гидрометеорология»

и специальности «Океанология»

Санкт-Петербург

ГИДРОМ ЕТЕОИЗДАТ

.: где хим— результат з измерения; х д — действительное (истинное) значение изм еряем величины ой.

Относительная погреш ность8 представляет со о отн ш и а со б й о ен е б ­ лю тной погреш ности и ер и к истинном (д стви зм ен я у ей тельн м значе­ о у) ниюи ер о вел ч н и вы аж зм яем й и и ы р аетсявпроц ентах или д олях и е­ зм р о вел чи. О яем й и ны тноси тельнуюпогреш ность находят из отнош ений:

8 = А/хдили 8 = (А/хд 100 %.

)" В зависим ости от условий и р им изм еж ов ерения различаю ста­ т тическую и динам ическуюпогреш ности.

Статической назы ваю погреш т ность, н зависящ от скорости е ую изм енения изм еряем величины в врем.

ой о ени Динамической назы ваю погреш т ность, зависящ от скоростииз­ ую м енения и еряем величины в врем.

зм ой о ени В зависим ости от характера проявления, возм ностей устране­ ож ния и причин возникновенияразличаю систем т атическуюи случай­ нуюпогреш ности.

Систематической Д назыс ваю составляю уюпогреш т щ ности из­ м ерений, остаю ую постоянной или законом щ ся ерно изм еняю ующ ся при повторны изм х ерениях од й и той ж величины но е.

Случайной А назы ° ваю составляю уюпогреш т щ ности изм ерений, изм еняю ую случайны образом при повторны измерениях щ ся м х одной и той ж величины.

е В М 1317-86 «ГСИ. Результаты ихарактеристики погренш И ости изм ерений. Ф ы представления. С орм пособы использования при ис­ пытаниях о р о продукции и контроле их парам б азц в етров» опред е­ лены следую ие группы характеристик погреш щ ностей изм ерений:

—задаваем е в качестве требуем х или допускаем х —н р ы ы ы ы ом характеристик погреш ностейизм ерений или, кратко, н р ыпогреш ом ­ ностей изм ерений;

— приписы ы совокупности изм ваем е ерений, вы полняем х пыо определенной (стандартизованной или аттестованной) м етодике, — приписанны характеристики погреш е ности изм ерений;

—отраж щ бли сть о ел о эксперим аю ие зо тд ьн го, ентально уж полу­ е ченного результата и ерени к истинном зн личины —статистические оценкихарактеристик погреш ностейизм е­ ренийили, кратко, статистическиеоценкипогреш ностейизм ерений.

ри ассовы технических изм норм погреш ы ностейизм ерений, атакж приписанны характеристи­ ки погреш ности изм ерений. О представляю со о вероятностны характеристики (характеристики генеральной совокупности) случай­ ной величины —погреш ности изм ерений.

При изм ерениях, вы полняем х при проведени научны иссле­ дований и м етрологических работ, часто прим еняю статистичес­ кие оценки погреш ности изм ерений. О представляю со о стати­ стические (вы р чн е) характеристики случайной величины—по­ греш ности изм ерений.

В качествевероятностны истатистическиххарактеристикпогреш ности изм ерени использую ср н квадратическое отклонение погреш ностии ер йилиграницы вп ед ахкоторы погреш и ерений находится с заданной вероятностью или характеристики случайнойи систем атической составляю их погреш М атическое ож ет со о систем и постоянно, то на н в результат изм других случаях использую характеристики неисклю тем атической погреш ности.

В качестве характеристик случайной составляю ей погреш ти использую ср нее квадратическое отклонение случайной со­ ставляю ейпогреш наибольш во ож значение или оценка в зависим рактеристик погреш ности изм ерений) и (при необходим ости) нор­ м ализованная автокорреляционная функция случайной составляю ­ щ погреш ей ности изм ерений или характеристики этой функции.

В качествехарактеристиксистем атическойсоставляю ейпогреш ности изм ерений использую тся:

—ср нее в:вадратическое отклонение неисклю тической составляю ей погреш —границы в которы неисклю ляю ая погреш щ ности изм ерений находится с заданной вероятнос­ тью(вчастности, с вероятностью равнойединице).

При необходим ости средние квадратические отклонения состав­ ляю их погреш нятой аппроксим ации закона распределения вероятностей погреш ­ ности или его качественны описанием (наприм сим етричны одном одальны и т. п.).

2.9. Погрешности средств измерений Погреш ности измерений определяю главны о р мпогреш ностям средств изм хож дениюразличаю инструм сти. Инструм ентальны погреш бенностям используемы в средствах изм м д в изм ето о ерений, а такж схем м конструктивны и техноло­ гическим несоверш енством средств изм ерений. К инструм енталь­ ны погреш м ностям относится погреш ность средств изм ерений в рабочих условиях, вклю щ в себя основную дополнительны (из-за влияю их величин и неинф ативны парам сигнала) и динам ическуюпогреш ности. И нструм ентальны погреш ности данного средства измерений определяю при его испы и указы тся в технической докум свидетельстве оповерке и др.). М етодические погреш ности обуслов­ лены неадекватностью приним ы м д аем х о елей реальны объектам несоверш енствомм д визм м ерения, упрощ ением зависим остей, полож енны в основу изм ний, а также взаим м влиянием средства изм следования и эксперим ентатора.

В о щ ви е погрешность средства измерений —это отклоне­ ние его реальной ф ункции преобразования от ном инальной. Бели реальнаяхарактеристика, см енаотносительноном и ту ж величину при всех значениях преобразуем величины то такая погреш ность назы ваетсяаддитивной, илипогреш ностьюнуля.

В случае, если она является систем атической, то м ет бы скор­ ректирована см ением ш ля. Если ж отклонения реальной характеристики о ном пропорциональнытекущ значениюпреобразуем величины то такая погреш ность назы вается м ультипликативной, или погреш нос­ тью чувствительности. Разделение погреш ностей на мультиплика­ тивны и аддитивны весьм сущ норм ировании погреш ностей средства изм ерений,.о в б р м оптим альной обработки получаем инф ации о значении изм ряем величины Если средству изм тивная погреш ность или она сущ ественно превы ает другие состав­ ляю ие, то погреш вать абсолю тной погреш ностью М. ультипликативная погреш ность увеличивается с увеличениемизм еряем величины поэтом е от­ носительное значение остается постоянны в всемдиапазоне. По­ греш ность средства изм ерений с превалирую ей мультипликатив­ ной погреш ностью ц елесообр азно норм ировать в ви е относитель­ ной погреш ности.

Приведенная погрешность средства измерений — относитель­ ная погреш ность, в которой абсолю тная погреш ность средства из­ м ерений отнесена к условно принятом значениювеличины посто­ янном в всем диапазоне изм ловно принятое значение величины называю норм т ирую имщ значением Часто за н р и ую ;ее значение приним т верхний предел изм ерений. П риведеннуюпогреш ность обы о вы аю в процентах.

Основная погрешность средства измерений —погреш ностьсред­ ства изм ерений, определяем в норм нения.

Дополнительная погрешность средства измерений —составля­ ю ая погреш щ вследствие отклонения какой-либо из влияю их величин о норм ального е значения или вследствие е вы м альной'области значений.

ность средства изм ерений, возникаю ая дополнительно при изм рении перем енной ф изической величины и обусловленная несоот­ ветствием его реакции на скорость (частоту) изм енения входного

И ЗМ ЕРЕН И Е СКОРОСТИ З В У К А

П распространении звука в океане всегда в бо ей или м ш степениприняты сигналп интенсивностиилиф отличается от излученного. К етого, д ееслииз о н гоитогож м разное врем излучаю одинаковы сигналы то вм прием бу­ дут приходить разны сигналы Все это вы о тем что парам ср ы вкоторойраспространяю звуковы волны изм часвоченьбольш пределах, ив вр ен ивпространстве. П ностное волнение океана представляет нам вер ю границу в д как статистически неровную изм, еняю ую в врем турбулентны п о ессо вокеанеопред казателяпрелом ления) как случайное. Внутренниеволныприводят к до чн м возм ени этогополяиещ б л услож т условия распространения звука. Во м ногих случаях сущ ественноевлияние на структуру звукового поля вокеане оказы т неровная граница сло­ и -н д о о н гогрунтаиокеаническиетечения, переносящ слу­ чайны неоднор ностях вод о толщ и е границах вы вает ф р в распространяю ихся в океане звуковы сигналов, ослабляет когерентнуюсоставляю уюполя, а такж приводит к перер лениюэнергии звукового поля в пространстве.

Таким о р м наиболее характерной особенностьюокеана как акустической средыявляется его неоднородность. М но отм ож етить два типа неоднородностей: регулярны и случайны сущ влияю ие назвуковоеполе вокеане. Так, наприм регулярное из­ м енение скорости обусловливает реф ракцию акустических лучей в океане, приводит к о р ван юп д д о звуковогоканала—уни­ кального природного явления, способствую его сверхдальнем рас­ пространению звука. Случайны неоднородности водной среды и неровности ее границ вы ваю рассеяние звуковы волн. Все это приводит к возникновениюпространственно-врем енны ф х луктуаций интенсивности и ф распространяю ихся звуковы сигналов, к изм енениюи спектральны и корреляционны характеристик.

Следует отм етить, что распределениескорости звука вокеане от­ личается относительно м алой изм енчивостьюв горизонтальномна­ правленииизначительны иизм м енениям повертикали. Вертикаль­ ны градиенты скорости звука зачастую прим превы аю горизонтальны П прим фер, ронтальны зон струйны течений и некоторы других специф ических районов, им щ локальноераспространение. При этомн еобход м зам и о етить, что ви (проф кривойвертикального распределения скорости звука в каж точке океана и о б н распределение градиента скоростизвука п глубине, припрочих рав­ ны условиях, в м х о ногом определяю дальность распространения звукового сигнала, т. е. определяю характеристики п д д о зву­ кового канала. При о н мпроф дальность распространения зву­ ка м ет достигать сотен и даж ты килом проф звук той ж частотыим дальность распространения все­ го лиш единицы или десятки килом Д глубоководны р о о океанатипичны являетсятакойпр ­ ф когдананекоторойглубине(о ы н 1000— 1200 м наблю м иним скорости звука, об влен ы зави м стьюсвойств океа­ на от тем пературы в д и гидростатического давления. Эта глубина назы вается о юп д о н го звукового канала (ПЗК). При направле­ нии от н ввер скорость звука растет в о о н м из-за повы ения тем пературы апринаправлениивниз —из-заувеличениягидростати­ ческого давления. Если источник звука р асполож на о ПЗК или вблизин точасть звуковы волноказы распространяетсявнем некасаясьнидна, ниповерхностио а., т. е н испы вает рассеяния и поглощ Для чего ж нуж исследование распространения звзтса в океа­ не. Это, конечно ж эхолотирование, определение структуры дна с пом ьюпроф ощ илограф подводны слоев, установление характера рельеф дна. Кром того, в навигации используется акустический метод изм ерения скорости судна п значениюд гхл о го сдвига частоты отраж енного сигнала. Ры бопоисковы и пром словы суда оборудую специальны и эхолотам я гидролокаторам для по­ иска и оконтуривания ры х скоплений. Гидроакустический ка­ нал связи используется для передачи инф ации и кодированны сигналов. Акустические датчики обеспечиваю работу подводны буровы установок.

о льн ирок диапазониспользования звука ввоенны целях. х Здесь и ш опеленгование —прослуш м щ гидроф о ью онны антенн, установленны на ко аб или на д на; б льш мудалении о ш ящ объекта; использование акусти­ ческих м чувствительны к собственном звуковом излучению корабля; активны и пассивны сам педы — пассивны реагирую на ш ы корабля цели, а активны сам излучаю акустические сигналы и ориентирую на отраж ны им й пульс; гидроакустические станциим иноискания(поискобъ ек­ тов) использую вы ет обнаруж ивать объектынебольш р ер в на ф н пом и т. д И спользуется звук и для исследовани п о ессо протекаю их в М р во океане. На о о е данны прям х и ер й скорости зву­ ка м ж о рассчитать значения рядагидроф лености, плотности, сж аем ния, характеристиктечения, повёр стн говолнени грунтовокеана.

позволяет обнаруж ивать и изучать вертикальную и горизонтальную микроструктуру вод ы м турбулентность ивнутренние волны Д того чтобы использовать звук в качестве инструм изучении м норя, еобход м знать скорость егораспространения, ко­ эф ициент его затухания, представлять себе, каким о р м звук огибает препятствия и проникает в зону тени, как он отраж ается и рассеивается на границах и как проходит через них. Все эти акусти­ ческие явления зависят от ф изических характеристик толщ океа­ на, его поверхности идна.

Важ нейш акустическимпарам пространения в в д упругих гарм конечной) ам плитудыс длиной волным ного м еньш линейны раз­ м о во о а, Скорость звука вм от гидрологических условий и в среднем как правило, м диапазоне 1450— 1600 м/с. Н в ряде рай гуг наблю датьсяи значительны отклонения. Так, наприм наглу­ бинах свы е 2000 мв Красном м р скорость звука м ет превос­ ходить 1700 м/с, а в Ф инском заливе Балтийского м зим м оря ой о Скорость звука м но определить ли о непосредственны изм рениемее с по о ьюспециальны при ны горизонт, ли косвенны путем — вы ческимф улам отраж щ е зависим от тем лености и гидростатического давления.

3.3. Прямые методы измерения скорости звука щ спец ью иальны устройств, и еряю и вр я, н б д м едлярас­ пространения им пульсао ен вы короткогопути (порядкадесятковсантим етров). О н из первы и е­ ренийскоростизвукавв д вероятно, б ливы о ен Д. Колл о рии. В этомэксперим вкачестве источника звука служ п д о ­ ны колокол. ‘О вспы кап р ха. Н л д ьструбкойп в ’ вто о ш пке н расстоянии 13,487 км о п во с колоколом фиксировал в ем м ду вспы кой светаи п и о звука колокола.

С ед ее и нескольких н ю ен й д о значение 9,4 с. Тем 'в д бы 8 °С Таким о р м и еренная скорость звука в п в д при тем И в настоящ врем принцип изм новном заклю чается в том что тем или ины о р м определяет­ ся врем прохож я дения сигналом некоторого ф иксированного расстояния (базы изм ерения) в исследуем ср е. П этом изм м е значение скорости звука с вы б ок-схем п и о о дляи ер и в ем иt п ед Р с. 3. Оо щн а б о -с е аим­ зад базуи ер и Электронны 1 — излучатель; 2 — среда; 3 — приемник;

4 — преобразователь сигнала излучателя; 5 — преобразователь сигнала приемника; 6 — сравнивающее устройство; 7 — регистратор.

Д иапазониспользуем хчастот леж впред и зависит от свойств исследуем среды П енение б л низких частот нец елесообразно из-за м алой чувствительности изм ерений и чрезм ерного увеличения р ер в излучателей и прием личение рабочих частот ограничивается наличием нелинейны эф х­ верхний диапазон частот леж в пределах 5— М В настоящ врем сущ ния скорости звука, основанны наразны принципах. Средиразра­ ботанны и апробированны м д в м но вы сам х распространенны им Впервы о бы реализован в 1952 г. Н П бор(рис. 3.2) состоит из им ля (2), при нием ка-пр азователя(3), усилителясигналов{4) ичасто­ том (5). И пульс о задаю его генератора ударно возбуж из­ лучатель, короткийакустическийси ал п о д т ф кси о оер е стояние д прием о ника, там преобразуется в электрический сигнал, ра представляет со о электроакустическое кольцо, в которомчерез исследуем среду проходят последовательны им и. следования F зависит от скорости звука и б при задерж ts (врем прохож Н едостатком п и о о этош;тина является нестабильность сра­ пульса.н входе приемника, а также зависим рыявляю основойдля построения акустических изм ком плексов, предназначенны для исследования океана.

схем изма ерителя по бн го типа представлена на рис. 3.3.

В исследуем среду излу­ чается тональны сигнал с час­ тотой /. Ф принятого сигна­ ла ф= 2 п f t3, а скорость звука реализованыС П О С Т О Я Н Н О Й л б < 1 — генератор гармонических колебаний; 2 — акуио ттрпртигрртпхт хтягтптпй Т С - - егаческий излучатель; 3 — акустический приемник;

ю определенны трудностииз-занеоднозначностипоказаний, слу­ чае еслиразность ф больш 2п, а такж вы прибора к электрическим пом. На основании этого м прим созданып и о ыдляизм ты колебаний резонирую его объ а исследуем ж ф м и линейны р еров (базы и скорости звука в ж значение последней определяю из обратного о его соотнош Резонансны м е етоды подразделяю на прям е, интерф ны основанны на определениичастотыколебаний автогенератора с акустическимрезонатором Скорость звука вэтих м основе этих м ов, не отличаю В сокойточностьюипоэтом н Доплеровский метод базируется на использовании известного эф екта изм см енииисточникаиприем ного по им австрийского ф акустике иоптикев 1842 г. П перем ениипреем сительноизлучателя(илин б р т) возникает сдвиг п частоте (изм нение длиныволны м ду и ) еж злучаем ми приняты сигналам за­ висящ от скорости перем ения и скорости звука в в д ний (оптических, акустических) с м орской вод й И известны м тодов м но назвать акустический реверберационньш. Сущ этого м етода заклю чается в следую ем Короткий акустический им пульс с оченьузкой диаграм ойнаправленности распространяет­ ся от излучателя всторонудна, рассеиваясьнанеоднородностях во ­ д нойсреды(пузы рькивоздуха, взвеси, тем пературны неоднороднос­ ти ит. п.). Рассеянны (р бер и щ сигнал приним сокочувствительным приемным устройством также с узкой диаграм ой направленности.

Значение скорости звука в о бластип ересечени характеристик на­ правленности(на рис. 3.4 заш трихованная о л б асть) определяется три­ 1 — излучатель; 2 — генератор; 3 — регистратор: 4 гг- усилитель; 5 — при­ П использовании акустических м д в для исследования гид­ родинам ических парам ов вод о ср ыреш т задачу, обратную задаче теориисвязи, а им енно: п и енениюхарактеристик акусти­ ческой волны прош ей заданны объ :ср ы находят значения того или иного парам етру. Трудность реш ения этойзадачи определя­ ется неоднозначной связьюисследуем парам ср ыс и еняеого етра ед зм,м й„характеристикой волны й интегральны.влиянием изучаем парам ср ынаи ер о значениехарактеристикиволны Д м орской среды наприм скорость звука слож мо р мзависит от таких п ам о во ы как тем И звестны в настоящ врем м ы косвенны вы скорости звука рм орской в д основанына изм горизонтах вы еперечисленны парам ка на этих горизонтах п ф улам вы аю им зависим от изм еренны парам Сущ ествует рядэм пирических аналитических зависим остей, свя­ зы щ с опред ваю их еленнойточностьювнекоторы пределах скорость звука с названны и парам -группы П. ервая группа вклю чает полуэм пирические ф улы по­ лученны из известной теоретической зависим ласа для скорости звука:

где k —м одуль о ъ н й упругости; р —средняя плотность.

Для перехода от теоретической зависим ости к полуэм пирической находятся теоретические или эм пирические зависим ости которы подставляю в (3.1). П точно м е интервалы задаю значения гидроф м етров Ти.Sj, P t и из вы ения вы числяю соответствую ие значения скорости звука сг. И зуя полученны данны известны и м наим еньш квадратов) подбираю эм рости звука от гидроф изических параметров.

Ко второй группе относятся эм пирические зависим ости данны х прям х эксперим в д приразличны значениях Т, S и Р. Здесь расчет эм ф ул для определения скорости звука сводится к поиску зависи­ м ости вида где C —опорная скорость звука, вкачестве которойчасто приним ю ее значение приТ =О°С, S = 35 % и Р = 0, обозначая ее с0 Аст A cs, Аср —поправки на влияние тем пературы солености и гид­ ростатического давления соответственно; А s р — корректировоч­ ны член, учиты щ совм определяем й в процессе п д о а эм ф улыВуда, Вильсона, Д Гроссо, Л м ости с по о ьюразличны инструм им т различны погреш ф изических ф акторов. Так, несколькопервы членовф улыД Гроссо им т в д + (S - 35)(1,34435 - 1,32888 •1{Г2 Ч 1,0444-1(Г4 ) +..., где с —скоростьзвука, м/с; Т —тем пература, К; S —соленость, % о.

Эта ф ула позволяет определить скорость звука с точностью 0,013 м/с вдиапазоне тем ператур 273— К, солености 31— % и при атм ерномдавлении. Ф улаВильсона обеспечивает сред­ неквадратическуюпогреш ностьотносительносвоих эксперим енталь­ ны данны д 0,22 м Эти д ф улыпользую наибольш популярностью О. днако из-за различной точности эксперим енталь­ ны данны абсолю но. Результирую ая погреш изм ерения исходны данны (Т, S, Р) и несоответствия расчета п.ф уле относительно исходны эксперим

И ЗМ ЕРЕН И Е ГЛ У Б И Н (ПРОМ ЕР)

является р ельеф дна. Рельеф назы т совокупность неровностей зем поверхности, различны поочертаниям р ер, происхож дению возрасту и истории развития. Рельефтого или иного участка слагается из м ногократночередую ихся и повторяю ихсяпор е­ рам и внеш у виду ф р. Ф м и р ны тела, представляю иесо о о о б ен ы части зем поверх­ ности, сравни ы визвестнойстепени, сгеом Важ характеристика р сиф ицирую следую им о р м планетарны ф р ы м, акрорельеф м р ьеф м кр р рельеф определяю ие облик наш планеты О заним т ог­ ром е площ исчисляем е сотням ты и даж м квадратны киломх етров. Планетарны р ьеф представляю океа­ ны и м атерики.

Мегарельеф —крупнейш ф м рельеф площ составляет десятки или сотни тысяч квадратны килом х етров. При­ систем. ы Макрорельеф —крупны ф р ырельеф заним щ площ всотни, ты сячии, значительнореж десяткиты квадратны ки­ лом етров. К ним относятся отдельны хребты плато, абиссальны равнины.

Мезорельеф —средние ф р ыр о м ельеф заним щ площ в пределах от нескольких десятков квадратны килом х етров. О чно это небольш хребты скопленияабиссальны холм участкигря­ дового рельеф а.

Микрорельеф —м елкие ф м рельеф ослож щ поверх­ ность м езорельеф К нйм относятся береговы валы эрозионны Нанорельеф — сам е м ы елкие ф р ы рельеф возникаю ие в пределах м икро- и м езорельеф Типичны представителем такого рельеф является рябь на м Важ нейш задачейм гласностандартуСЭВ 3849-82, гидрограф —наука, изучаю аяр льефи грунт м орского дна в интересах м ореплавания и использова­ ния природны ресурсов) является подводны рельеф п которы поним т совокупность всех ф р поверхности м ское д о —часть поверхности зем коры находящ лах м ниж его уровня. П уступает суш аотдельны teW aB ia*n степени горизонтальнойи вертикальной расчлененндстицаже превосходят е *. е. • оннойопасности. К о етого, эта и орм и м ж б тьи надляв б р пунктовбази о и организац п о ы а, р д б ч полезны ископаем х, а такж ф ундам ентальны наук оЗем Б ор ьеф о р гц х проц Для изучения п одвод ного рельеф на еобход м изм нына всей обслед ой акваторий. Такая съем подводного релье­ ф назы а вается промерными работами, или просто ' ромером. Его главны задачи: определение'подводного рельеф и характера грун­ та дна; вы явление.ио бслед ван е характерны ф м гационны опасностей, участков, удобны дляподходаи йы бёрег; Д а^ о б ед в и ф ватер в, гаваней й м якорны стоянок. О днако.задача пром а состоит ещ и в достоверномвы нении взаим ного располож ения различны ф р подводного релье­ ф и правильном определении абсолю районов на зем поверхности.. Важ особенностьюпром яв­ ляется то, что подводны р й ельеф отделен от наблю дателя непро­ зрачны сло вод. Здесьуне м ет' использоваться сп со целе­ сообразного п д о а точек изм Для б л полной характеристики дна важ получить такж и сведения о грунтах, необход м е для обеспечения м других нуж В последние годыинтерес к изучениюгрунтов вы в связи с расш ирением д бы полезны ископаем х в ш овой зоне, что обосновы организациюспециальны р ваний донны грунтов—грунтовой съемки.

Важ нейш составной частью всех этих р о являю наблю дения заколебаниям уровня м р для приведения изм Первы сведения о океане в основном поступали от путеш ственников икапитанов судов, которы впервуюо ер ь интересо­ вали возм ности навигации и безопасность м на протяж ении веков накапливалась инф ация о приливах, те­ чениях и глубинах главны о р м в м сколько проста история обы чного пром настолько слож исто­ рия пром глубоководного. Ещ на заре м ручной лот — веревка с грузом па конце (в таком ви е он сущ ствует и в настоящ врем П ся ещ в «Естественной истории» Плиния Старш (23 г. д н. э. — 79 г. н. э.): «Наибольш глубина Ч на, достигает 15стадий(.2700м другие считаю чтов300 стадиях о берега зем плем кораксов Ч никто не достигал его дна». Следую ее отмщ еченное вистории изм е­ рение глубин в откры м р провел М светного плавания в Тихом океане у о о Св. Павла и Тиборона.

М онах Георг Ф урньевкниге «Гидрограф отм ия» ечает, что, даж свя­е зав все суд вы снасти* М о е, агеллан: получил лотлинь длиной 400 м р осв:их саж еней(около...7 0м и недостал дна. Д конца средних веков повсем естногосподствовалом нение, опиравш на авторитет Ари­ стотеля, что океаныявляю бездонны и пропастям В 1773 г. английский капитан.Ф пер мдоказалвозм ность изм ерять достаточно больш е глубины П таясь как м ж о глубж опуститьтер о етр в.в д ».о полож их нагрунт. Вы б линь с терм етрам о ч ез какое-то вр язам стал сбегатьчуть м едленнее. П п д ем тер ом ов, начинаяпри­ м н с того ж м линь налож м или арку и, вы р измб ав, ерили длину линя от м арки д о груза (около 1250 м которы б лпокры и.

В 1798 г. горны заседатель Никита Карелин и м Кры и Сергей См галса общ протяж из которы 5 превы али 1000 мс м Во врем плавания на ш пе «П емО Е. Коцебу в 1823— ководного пром использовал сконструированную его учителем проф ессором Д ерптского университета, Е. И. П арротом специаль­ ную лебедку с автом атическим торм, срабаты щ при дос­ тиж ении дна лотом При этом Ленц учиты угол наклона троса.

П одобны способ б л использован в 1868 г. капитаном Ф. Н. Кум ни на корвете «Л ьвица» при вы полнении глубоководного пром в ера Ч ерном м р для изы В принципе только в 50-е годы XIX в. началась «кам пания» из­ м ерения больш глубин, вы кладкой тихоокеанского телеграф ного кабеля. Возглавлял эти р або­ ты М этью Ф онтейн М ори, лейтенант ф лота США. П ервы попы оказались неудачны и, пока вм обы пользовать тонкий ш нур, а вм груза : пуш ник М м ан Брук в 1853 г., воспользовавш идеей Петра I, сконструировал лот, в котором для объективного свидетельствования одостиж ении дна трубка лота бы полой и наполнена салом что позволяло захваты вать образц грунта дна. Для увеличения точностиданного м етодаего использовали вк м л о п ехссе со специаль­ ной вертуш кой,, изм еряю ей пройденны путь и известной п д на­ званием вертуш Бауэра— ори.

В 1872 г. Том (один из учредителей И граф ком тическим то м зо и проволочны лотлинем п о б азо которой явилась лебедка П аррота и Ленца. Л ебедка Том сона успеш исно пользовалась в экспедиции Ш пиндлера в 1890— 1891 гг, для п е­ р ввЧ Прокладка п одвод ного кабеля вАтлантическом океане вы явила насущ необходим знаний оглубинах океана. Батим кая картаС евернойАтлантики, созданнаяМ ив1873 г., бы о вана прим ернона 800 изм ерениях и на ней удалось показать черты рельеф дна: ш а ельф глубоководны котловиныисрединны хребет.

Более подробная батим етрическая карта всего М р и ового океана, со­ ставленная в м табе 1:10 О ОО Отолько в 20-е годыXX в., осно­ вы валась лиш на 17 856 пром Попы использовать б л рациональны спо бы изм глубин, наприм с прим К олодоновы, М идругим неувенчалисьуспехом П лотыпоявилисьлиш в 1918— Ф ранции (эхолот с сам описцем конструкции М арти) и в Ам ерике (эхолот Ф ессендена). В 20-х годах бы созданы п ковы эхолоты(Л евен, Ш врем эхолоты различны систем являю основны средством проведения пром ерны работ.

4.3. Цели и состав гидрографических исследований Гидрограф ическиеисследованияпроводятсявотдельны районах х гидросф и вклю т всебянаучное проектирование, вы гидрограф ических работ, обработку и анализ их результатов. О ни дм из основны сп со о хранения и представления результатов гидро­ граф ических исследований является м орская карта — важ источник гидрограф ической инф ац о М р во океане.

Гидрограф ические работы вы, полняем е для получения свед о во н м ельеф с ц е елью последую его его изображ на картах, назы т съем рельеф дна. П м составляю или корректирую м Задача съем заклю нии взаим ного располож ения различны объ указании точного полож ения изученны рай Зем что осущ ли, ествляется их плановойпривязкойк единойсистем е координат зем ного эллипсоида.

И еренны при,вы кальны и расстояниям от поверхности в д д дна. Н в м р полож ение поверхности в д непреры м составлении карт эту поверхность нельзя приним за отсчетны уровень, а отсутствие вм р нивелирны сетей не позволяет осущ ствлять передачу вы традиционны и геодезическим м Все это требует разработки специф ическойм етодики вы сотного о о снования гидрограф ических работ.

П осколькум орскаяв д плохопропускает электром нывд во ьн ш о л о ирокомдиапазоне, н б д м б л создать принци­ пы конструкции и м ыиспользования изм ры которы сущ топограф ическихр о Так, напр м аэр ф то ем вм р и зуется только на м х глубинах, но и зд сказы оптических свойствдвух ср —в д ивоздуха. Н м для изм и ерений в м орскойв д являю акустические волны по­ этом соврем тралы гидролокаторы гидроакустические навигационны систем.

В организационном плане гидрограф ические исследования осу­ щ ествляю втри этапа: подготовка к исследованиям вы работ в м р и обработка полученны результатов.

Подготовительны этап вклю ящ в определении района и задач гидрограф ний, а такж визучении предш работ, м д ви средствпроведенияисследований; подготовкуплав­ средств, аппаратуры личногосостава; вы расчетов и построение рабочих планш етов.

В состав собственно гидрограф ических работ в о ем случае входят: геодезическая подготовка района работ (плановое обоснова­ ние); определение нуля глубин (ййсотное обоснование) и приведе­ ние изм еренны глубин к нулюглубин; съем рельеф дна; гидро­ граф ическое траление; м орская грунтовая съем топограф съем прибреж полосы сб р сведений для лоций.

Плановое обоснование производится с ц ельюнадеж ного и точно­ го определения полож ения обследованны акваторий на зем по­ верхности. В качестве нуля глубин на картах, издаваем х гидрогра­ ы ф ической служ наш странйвнастоящ врем приним т: на неприливны м х орях - средний м х орях —наинизш теоретический уровень, рассчитанны ис­ ходя из действия приливообразую их сил Луны и Солнца. К при­ ливны мм орям здесь относятся такие, на которы средняя величи­ на прилива равна или б л 50 смо ее.

В районахс относительном м глубинам (0— м ислож м р ьеф мдна, если в этих районах осущ ходство, прим еняю следую и сп со ы съ ки для обесп и н б ее полной гарантии навигационной б —от уреза во ыд глубин естественной прозрачности вод вы полняется площ адное о бследование аэроф отосъем кой. П олученны е при этомм атериалыпозволяю определитьглубиныивы ки.со слож мхарактером рельеф которы дополнительно обсле­ дую эхотралам при необходим производится также гидро­ граф ическое траление, а на отдельны небольш участках —во о лазное обследование. Гидрограф ическое траление заклю чается в сплош, б разры обследованииотдельны акваторийс пом щ специальны устройств (гидрограф их явить все навигационны опасности, глубина над которы и м еньш допустим —на глубинах от естественной прозрачностид 30 мврайонах, о им щ важ навигационное значение, проводится площ обследование эхотралам внеобходим х случаях вы рограф ическое траление, а на отдельны небольш участках—всх их долазное обследование. В остальны районах вы инструм ентальной оценкойрельеф дна. На вы признакам навигационны опасностейпроводятся п ер со сгу­ щ ениемгал в площ дим ости водолазам и;

. —на глубинах 30— мврайонах, им щ важ навигаци­ онное значение й слож й рельеф вы м ентальной оценкой рельеф дна; а признакам Н и авигационной опасности сгущ т галсы пром ко­ торы вдиапазоне глубин 50— мпроводят всочетании с инстру­ м ентальной оценкой рельеф дна. а П адное обслед стно с разряж енны пр ер м а сгущ ле обработки м атериалов аэроф отосъем (определени глубий) ф ­ тограм етрическим И и стереоф районах, гдетребуетсявы полнени п о ер синструм кой рельеф а'дна:, Ьнипроизводятся о н ем н с од При площ адном обследовании аэроф отосъ кой маршруту про­ клады тся;вд ь о его направления берега, а п о о ьн е, пере­ кры сним дбй й составлять не м ее 60 %. Разряж про ервы м полняется с условием чтобына каж й сним приходи­ лось не м ее Трех галсов пром а.

При площ адном обследовании эхотралам ТЭТ-2 съем произ­ водится о н м покры, прй инструм лом'типаТЭТ-1 —двум систем и пересекаю ихся галсов. П кры двух см ны полос о зо а долж бы не м средних квадратических погреш ностей определения м еста.

со е расстояния рассчиты тся исходя из ш средств инструм ентальной оценки и величиныперекры см ы тия езкн х полос о зо а. При п о е е м д гал iы расстояния о кры вы тия бираю в зависим бин с учащ ением галсов при ум еньш ений глубин и изрезанности р е­ льеф (диапазон расстояний м ет бы от 0,05 д 20 км И ерение глубин при Съ ке с использованием эхолотов или эхотралов ведется непреры с записью их на аналоговом сам писце или М агнитном носителе. При использовании наметок и ручны лотов глубины изм верти м дугалсового расстояния, при резкомизм больш уклонах дна расстояние ум чальны сооруж от-стенки и далее через 5 м, а на откосах и бровках каналов — не реж чем через 5 м Съем рельеф дна и гидрограф м ацию только о глубинах и характере изрезанности рельеф и не а позволяю судить огенетических признаках рельеф данны око­ торы м нополучить лиш путемизучения донны грунтов (м кая грунтовая съем Сведенияодонны грунтах им т не Только научны н и прикладны цели: вы о м районовпокладкинагрунт глубоководны аппаратов, строительство гидротехнических сооруж ений, прокладканеф газо р во о ип ­ водны кабелей. Кром того, изучение донны грунтов н связи с ростом поиска и д чи полезны ископаем х.

На третьем последнем этапе производятся: обработкавсейполу­ ченной в м р инф ации с ц сти и достоверности вы полненны изм ны планш х етов и описаний; научны анализ полученны результа­ тов; составление научно-технического отчета с оценкой полученных м атериалов.

4,4. Средства для съемки рельефа дна О сновны требования к соврем рельеф дна м но сф улировать следую им о р м получе­ ние надеж х данны в пределах всегодиапазона глубин М океана(0— О Ом обеспечиваю ихнуж картограф реш ение научны и производственны задач; проведени изм ний, регистрации и архивирования получаем инф ации вавто­ м атическом реж е с возм ностью ее представления в реальном м табеврем возм ностьнепреры тельноговрем ограниченны габариты м ипотреблениеэнер­ гии; невы сокая стоим аппаратурыиееэксплуатации. П своем принципу действия все сущ ествую ие в настоящ врем средства для съем рельеф дна м но подразделить на м роакустические и оптические.

М еханические средства изм еряю глубины непосредственно в линейной м е. О являю первы и пр б р и для изм глубин. И м з ногочисленны п и о о этой группы д наш дней дош наметка, ручнойим Наметка представляет со о еловы бам ниевы ш диам производят в децим етрах, точность отсчета глубины составляет д о 0,1 м При изм ниж ний конец наметки (пятку) надеваю баш ак — диск диам р м 10— см Нам катеров, когда использование эхолотов или эхотралов невозм но, ож наприм из-загустых вод о.

Ручной и механический лоты co стальны лотлинем диам р м 2— м и свинцовы грузом м глубинывдоль причальны стенок, на отм ших портах и гаванях, где возм но перем аться только с пом щ ш пок, а также при п о ер со льда и в проц тарировки эхолотов. При п о ер лотам отсчет глубиныпроизводитсяп бли ж ей погруж вертикальном полож ении лота в м ент касания им дна.

Гидроакуст ические средст ва основаны на закономерностях распространения акустического им пульса в м орской во е и его отраж ения от поверхностей раздела двух сред. В настоящ врем ее я они являются основны инструм рельеф Среди гидроакустических средств' различаю эхолоты м ноголучевы гидроакустические устройства и эхограф боково­ го обзора.

Эхолот ^ судовой навигационны пр б р для изм бин, представляю ий со о од лучевое гидроакустическое устрой­ ство для изм ерения вертикальны расстояний о излучателя д дна по скорости V распространения звука в в д Глубину м И м ­ но определить как отнош ение где t — врем прохож от излучателя д дна и обратно.

Д точного и ерениянебольш пром утков вр ен исполь­ зую м т еханическуюили электроннуюразвертки. П м ри еханической развертке м енты излучения акустических им на эхограм е в ви е прям линии, служ ей началом отсчета, а м енты п и !а отраж Электроннойразвертке врем регистрируется с п м ьювы бильны генераторов кодовы им глубин (ЦУГ), на технических носителях данны или подается не­ посредственно на ЭВМдля последую ей обработки.

Эхолоты классиф ицирую по тактйко-техническим парам Таким, как диапазонизм еряем хглубин, направленностьизлучения, разреш щ способность, частота посы им тальная точность. Все эти парам етрызависим и их подбираю так, чтобы с по о ью данного типа эхолота наилучш о р шить узкую задачу.

П диапазону изм ны (пром е ерны предназначенны для изм 500 м.(ПЭЛ-3; ПЭЛ-4); среднеглубинны (навигационны —для глу­ бин д 2000 м (НЭЛ-10); глубоководны —для глубин д 12 000 м (ГЭЛ-3). Для п О ер на реках и озерах использую или пром ны (ПЭЛ-4, ЦЭЛ:5), или специальны речны эхолоты(ИРЭЛ).

Улучш ение свойств эхолотов, в том числе увеличение точности изм еренийиразреш щ способности, достигается, вчастности, пу­ темнаправленного излучения акустического им пульса. Степень на­ правленности характеризуется углом раствора диаграм ы в преде­ лах которого интенсивность колебаний изм еняется от м аксим а д нуля. Различаю эхолотыс ш колучевы (прецизионны эхолоты Н лотов ограничиваю углом 9 « 10 ” что позволяет изм в условиях небольш качки. У прецизионны эхолотов угол излу­ чения составляет 1 — и м енее, что требует использования гироста­ билизирую их устройств для удерж весной линии.

Разреш щ способность эхолотов —м м ду объектам регистрируем м раздельно, —определяется из соотнош ения где I — разреш щ способность эхолотов; т—длительность им пульса. У соврем енны эхолотов г колеблется в пределах от 10~4 д 10 5 с..

Частота посы им ки рельеф дна, ограничивается м определяется из соотнош ений ^тш: —0,5^тах; fmx—a 2Hmax/V', fn < 1/ тахО да расстояние м ду см ны и точкам изм ны окаж ется равны м где Vc —скорость судна при съем рельеф дна, м Инструм ентальны погреш ленны несоверш е енствомконструкции и неизбеж нестабильнос­ тьюотдельны ееэлем м арной погреш ности изм ерения глубин, состоящ кром того, из внеш и м них етодических погреш ностей. Вы явление, учет и оценка двух последних погреш ностей —важ нейш задача гидрограф в проц съем Среднее квадратическое значение инструм ной погреш ности определяется с п о ьюспециальны исследова­ ний и заносится в паспорт каж дого при бора.

К недостаткам эхолотов, при всей их точности и детальности съем вдоль пром ки ерны галсов, относится наличие пространства м ду галсами, которое остается необследованны.

Многолучевые гидроакустические устройства объединяю при­ т боры создаю ие втолщ м излучение, и ею ее значительную протяж диам етральной плоскости судна. Акустическое поле здесь создается некоторы числом узко направленны излучателей (от 3 д 10 0 в зависим ости от конкретны целей и, р которы работает на принципе отдельного эхолота, либоф ирует­ ся с п ощ специальны антенны систем М ноголучевы гидроакустические устройства п своим особен­ ностям геом етрии поля подразделяю на приборы ф ирую ие акустическое поле вертикальны и лучам с п ощ некоторого числа прием оизлучателей, разм енны на забортны носителях, и приборы ф ирую ие акустическое поле наклонны и лучам с пом ьювибраторов или специальны гидроакустических антенн, установленны непосредственно на судах.

П структуре акустическогополяразличаю п и о ы о р щ з сплош сектор за счет перекры щ диаграм направленности, и п и о ысо см ны и д аграм ам на­ правленности, находящ исяна некото о удалениидруг от друга.

У нас встране использую эхотралыи м о луч е эхолоты рельеф бы гидроакустические устройства',' названны п анало­ гии с м еханическим тралам эхотралам Среди эхотралов встре­ чаю о а типа м Эхотралы первого типа объ единяю бо о число эхотралов с вы несенны и за пределы судна вибраторам установленны и на ж естких конструкциях в 1 — 2 модин о другого п траверзамлево­ го и правого бортов. О течественны представителем данного типа п и ор в является эхотрал ГЭТ-2, основны и недостаткам которо­ го являю низкая м нии акваторий и ограничения из-за погоды.

Вибраторы в эхотралах второго типа крепятся на подводной ча­ сти судна, что обеспечивает ж есткую ориентациюо й линии ха­ рактеристики направленности каж дого канала п д заданны углом у относительно вещ цкал;^ Специальны п д о углов у и углов диаграм ынаправленности позволяет, начиная с некоторой неболь­ ш глубины образовать взаим перекры акустических лучей см ны каналов для получения глубиныпогруж ны объектов в проц траления. В этомслучае собственно глуби­ ны изм еряю только центральны и вертикальны и каналами, а остальны изм е еряю наклонны расстояния которы м но перевести в глубины с п о ьювы ения где у —угол падения; кратчайш луча в заданном канале.

Отечественны представитель данного типа п и о о — гидро­ граф ический эхотрал ГЭТ-1.

Главной назначение эхотралов заклю чается в обнаруж ении под­ водны опасностей и о зо е м,дугалсовы пром утков д опре­ деления участков, где н бход м увеличение подробности съем Эхотралы п сравнению с эхолотам рину обследования на о н м галсе. В эхотралах первого типа она определяется числом ви братор и.расстоянием м ду ним а в эхотралах второго типа она зависит о об ей ш направленности в вертикальной плоскости и м еняется пропорцио­ нально глубине в районе исследований.. Так, у эхотралов ГЭТ-1 при работе всех каналов ш ирина полосыобследований составляет 2,4Н.

Н ГЭТ-1 им т сущ глубин за‘счет дополнительного.искаж ения изм ерений реф ракцией, которая’увеличивается от центрального канала к крайним В усло­.

виях качки погреш ность увеличивается, что требует ограничения допустим х условий р т или создания стабилизации ориентиро­ вания каналов и учета углов качки.

М ноголучевы эхолотыф м рую в сохраняю заданное направ­ лениевертикального ибольш числаузких наклонны лучей, рас­ полож енны п норм к диам Щюiспециальны гидроакустических антенн. Разреш щ спо­ собность устройства в полосе Сканирования определяется ш ириной луча, а число регистрируем х зД глубий при одно?! зондирова­ нии — общ м числом лучей. Устройство м ет работать только при отсутствии диф ерента, что позволяет устранить воздействие килевой качки, а бортовая качка учиты вается при вы числении глу­ бин по изм еренном углу качки Д. ’ Эхографы бокового обзора — это гидролокационны систем с е ы листообразной характеристикой направленности. В вертикальной плоскости ее раствор составляет несколько десятков градусов, а в горизонтальной м ее 2 П к диам етральнойплоскости судна. Ультразвуковы им е: пульсыпери­ одически:1излучаю п емтся ри опередаю идш антеннам эхограф и при своемраспространении в пределах диаграм ы направленности последовательно облучаю узкую полосу дна. При этом от каж участка дна к антенне последовательно возвращ тся эхосигналы За врем м ду см ны и посы в новуюточку, что позволяет о черед у им полосу дна: Врем от м ента излучения д прием эхосигнала из­ м еряется с п ощ м ом ью еханической развертки. Эхосигналы регист­ рирую на движ ейся ленте, прож эхО м пропорциональна ам удаление от нулевой линии пропорционально наклонном расстоя­ у нию от прием ника д соответствую ей точки м н евое изображ ение рельеф дна и обеспечивает принципиальную возм ностьдеш рированиярельеф которая, правда, остается о ­ ной из наиболее слож х задач при использовании эхограф Кро­ м того, эхографыне позволяю получать количественную оценку глубин. В настоящ врем эхографы бокового обзора использу­ ю для обследования подводного рельеф впромеж съем очны игалсам с ц щ увеличенной подробности. К отечественны устройствам б ­ кового об аотносятся гидрограф рограф ические ком плексы ГКБО-500 и ГКБО-2000.

Оптические средства для съем п д о н го р ьеф основаны на законом ерностях распространения света и свойствах оптического поля. В этомслучае использую ф то аф р О сновны и ф м акторам определяю им характеристику и возм ­ ностиоптических средствсъем рел адна, являю оптические свойства м орской вод ; м ность и энергетический спектр оптичес­ ких излучателей; р ер и отраж щ свойства ф р п д д о рельеф контрастная чувствительность оптических прием Ф отограф ирование п одводного рельеф в о ся средствам аэрофотосъемки (АФС) со специальны серийны сам олетов и вертолетов с использованием соврем енны аэроф паратов (АФА). Результаты АФС п одвод ного рельеф и побереж представляю в ви е контактных отпечатков с аэроф ильм Д п др ля о обного изучения м икрорельеф дна использую п ны стереофотоаппараты, заклю сы В качестве источникасвета зд прим ны устройства, работаю ие синхронно с ф тоснимки позволяю получить о ъ н м д ь м К достоинствамм д в ф м ность получения больш количества инф ации за короткое врем Недостатки в осн вно объясняю м во ы (м м глубинам разны и спектральны и характеристи­ кам грунтов и отраж того, изображ ение рельеф м ет бы полученотолько вф ратории после обработки пленки, а картограф ирование сопряж ено со слож м п ессом обработки.

В последнее врем для обслед новы ме етоды ультразвуковая локация рельеф и акустическая голография. Ультразвуковая локация заклю чается воблучении уль­ тразвуковы и волнам с последую им п ны сигналов в электрические и синхронны ф м ровани ви­ зуального изображ ения на телевизионном экране. П акустичес­ койголограф д ооблучаетсязвуково во н й аотраж наклады вается на когерентнуюопорнуюволну, создавая диф ракци­ онную картину объекта. Эта картина регистрируется и после облу­ чения когерентны источником света, чащ всего лазером создает ви и ое о ъ н еизображ ванны на подобны м слож ности. О позволяю получить крупном табное изображ ние небольш участков дна и производить съем на расстояниях д 40— мс больш разреш щ способностью ция) даю возм ность изм лавоздух— д прибольш скоростях носителейаппаратуры П этом используется изм ерение интервала врем t м ду м ента­ м начала отраж в каж дом отдельном случае. Благодаря практически постоянной скорости распространения света в в д устраняю погреш обусловленны ф е луктуациям терм и охалинны условий; м сеивание лазерного луча исклю чает погреш ности за счет наклона дна, а м алая длительность им пульсов обеспечивает вы сокую разре­ ш щ способность.

НАБЛЮ ДЕНИЯ ЗА КОЛЕБАНИЯМ И УРОВНЯ МОРЯ

Колебания уровня м уж в глубокой древности обращ на себя вним ание прибреж х ж ны ителей и м ореплавателей. В м естах с больш и, в томчисле и с приливо-отливны и, колебаниям уров­ ня, в устьях судоходны рек, в заливах и бухтах, служ их есте­ ственны иубеж ам длям наблю дения за уровнем Сначала их вели, вероятно, б всяких при­ б р в —п обнаж щ ся и вновь покры щ ся в д юскалам кам ит. п., а затем и уж д во ьн давно,,появилисьпростейш устройства — уровенные рейки (изм ерительное устройство в ви е д рейки с делениям предназначенное для непосредственного отсчета уровня м оря).

Кром задачм ны при прибреж гидротехническом строительстве и д б ч по­ лезны ископаем х на ш ходим при гидрограф ны пром глубин к определенной уровенной поверхности. В научном отнош ении изм ерения уровня важ для поним зических процессов, происходящ в М р во океане: приливо-от­ ливны динам водны м их трансф ации и т. п.

П уровенной поверхностью поним океанов, норм альная к направлению силы тяж ести. Уровнем моря принято назы вать вы соту поверхности м сво д уюот влияния ветровы волнизы изм та. В качестве условного горизонта м но использовать или так назы ы нуль поста (условная, постоянная для данного уровенваем й ногопостаповерхность, о которойотсчиты тсяуровним единый нуль постов моря (единая условная поверхность, от которой производитсяотсчет уровня м на всех уровенны постах данного м или ряда м м орях, им щ связь с океанам принят горизонт, леж ий на 5,00 мниж нуля Кронш сте, где впервы в России стали производиться систем блю дения за уровнем За нуль Кронштадтского футштока приня­ та горизонтальная черта на м еталлической пластине, укрепленной наустое м вКронш ю ей среднем уровнюза пери 1825— ского футш тока ф иксирует полож ение нулевой поверхности систе­ м абсолю х отм Такимо р м основны требования к изм а в данны м ент определяется м ят в исклю - чений корО ОтЙ периодны колебаний, вы ваем х вет­ ровы и волнам и волнам зы и в постоянстве условного гори­ зонта (принятого нуля отсчета). Гидром етеорологические и ф изико-географические условия района проведения наблю дений определяю требования к точности, дискретности и м изводства наблю дений, т. е. возм ность использовать тот или иной вид приборов.

'При исследовании колебаний уровня м р преж всего необхо­ д м учиты ио вать величину и характер колебаний.. П величиной колебаний уровня поним т разность м ду наибольш м еньш значениям уровня м за определенны и м ени, которы являю результатом налож ний различного происхож дения.

Н аиболее сущ ественны изм рях с наличием приливо-отливных явлений (динам ические и ф изи­ ко-хим ические процессы в водах м р и океанов, вы ливообразую им силам когда периодические повы ения и по­ ниж ения уровня м огут составлять от 10 д 130 см Значительное влияние на колебания уровня оказы т и сгонно-нагонные явле­ ния —изм енение уровня м р и океанов п д воздействиемветра и атм ерного давления. При этом изм гать 30— см Кром того, м л н отм лебания уровня моря —изм ененияуровняМ ирового океана, связан­ ны с изм сти м р и океанов; плотностные колебания уровня — изм вые колебания уровня моря — сгонно-нагонны колебания уровня м оря, вы званны воздействием бризовы ветров; сейшевые колеба­ ния уровня моря — сво о н е колебания уровня м ячих волн в замкнуты и полузам п инерции после воздействия внеш сил.

И ерения колебаний уровня м долж вы обходим для реш ой ения определенной задачиточностью достаточ­, ной, наприм дляобеспечения нуж м располож ение и эксплуатация причалов и якорны стоянок), гид­ рограф (картография, лоции, средства навигационного о уд ­ вания), океанограф (реж ны обобщ дования, расчетыи прогнозы геофизики, гидротехнического про­ ектирования и строительства, добы полезны ископаем х вм р и т. п.

П остояннуюинф ац о уровне н бхо и о получать не м нее четы р в сутки, т. е. р в ш ны колебаниях наблю при опасны для района повы ениях или пониж чащ На практике часто приходится пользоваться и среднимуров­ немм —величиной, полученнойврезультате осреднения наблю денны значений уровня за определенны интервал врем 5.2. Методы измерения колебаний уровня моря Колебания уровня м р отличаю ам рактеристикам и требую специально организованны систем ческих изм ерений. Практическивовсех прим орских странах органи­ зована, как правило, сетьпостоянны б х ерего хи островны уровен­ ны х постов (м есто, о о уд ван о длянаблю йзауровнемм Все эти изм ерения производятся различны и типам при вклю и простую уровенную рейку. При этом н тить, что проведение систематических изм еренийуровня связано со значительны и’затруднениям вы ваем м ф ким гидроф нойзоны Это больш осуш иоткры йберег, больш скорости течений, переностверды частиц, л о еявления, разруш гов, обрастание изм ерительны п и о о и т. п. В связи с этимдля установки изм ерительны п и о ов н бхо и о строить капиталь­ ны дорогостоящ сооруж ся созданием врем енны сезонны уровенны постов, н и это не всегда оказы вается возм ны.

П рибреж е наблю на специально оборудованны уровенны постах. П устройствураз­ личаю реечны свайны свайно-реечны посты атакж уровенны постыс установкой различного типа сам описц уровня м —ма­ реографов (приборыдля изм ерения и непреры вной регистрации ко­ лебаний уровня м оря). Д реш блю дений на стационарной сети ведутся и эпизодические наблю де­ ния на дополнительны и врем х енны уровенны постах.

Реечны уровенны посты как правило, оборудую в портах, у приглубого б ерегаи снабж тся постоянны иуровенны ирейкам Свайны уровенны посты оборудую при пологомд е м р и от­ сутствии гидротехнических сооруж енийи состоят из рядасвай, уста­ навливаем хвствор с пронивелированны проф, с расстояния­ долж бы на 25— см ниж м головка сам верхней сваи —на 25— смвы е м м ного уровня. Н м : рейкам С и и. вайно-реечны уровенны посты оборудую при по­ логомд и значительны колебаниях уровня, когда дополнительно к сваяМустанавливаю постоянны уровенны рейки, а при необхо­ дим ости м но использовать и переносны уровенны рейки.

Вы типа уровенного поста и его конкретное вы м х наблю ы дений. зачастуюприходится идти на устройство капи­ тальны установок несм полностью оправды вается при организации м ноголетних наблю де­ ний. И ногдап д б ы установкивклю тсянепосредственновплан строительства портовы сооруж х ений (м, волнолом и т. п.) и возводятся вм с ним При экспедиционны работах использу­ ю естественна, сам е просты установки. П налаж те (своеврем енное нивелирование впервуюо ер ь) риск устройства подобны постов, так как велика возм ность потери п и о ов в ш овую погоду, оправды м и степени и орм вности О сновноетребование ковсемприбреж мнаблю ны дениямза ур в­ нем м — 1 это надеж связь их е сам б его. Вы лож ение нуля каж дого уроненного поста долж бы точно опре­ делено'относительно ближ ей вы айш сотной м арки (р ер государ­ ственнойнивелировки(триангуляционной сети). В случаеотсутствия вблизирасполож енияуровенного поста м арки государственнойниве­ лирной сети здесь заклады тся специальны (основны р ыс расчетом обеспечения их сохранности на срок не м ее 20— лет.ен Закладка'основного,реперауровенногопортаосущ ествляется о м ки государственной опорной сети двойны ходом IV класса при длине х& а д 3 км и III класса при длине хода от 3 д 10 км.

Кром того, для повседневного контроля вы стовы устройств и нуля поста заклады противном случае наблю дения на уровенномпосту, не связанны с е репером П, озволяю получить лиш относительны данны околеба­ ниях уровня м и ею ие сравнительно н П принципу изм типа при боров: приборы непосредственно изм уровня м оря, наприм с п м щ уровенны реек, поплавковы системиT п.; приборы с п м щ которы колебанияуровня м р изм еряю косвенны путем наприм путем изм статического давления, затухания радиоактивного излучения ит. д.!

Н аиболее просты п и о о для изм м с по о ьюкоторого ведутся систем уровенны постах б автом наблю дёниянапостах с автом атическим регистраторам являю уровенные рейки. О бы ни ваю постоянны и (футш крепятся вертикально к неподвиж м основаниям или скале, и переносны и устанавливаем м вм м т и ер йнаголовкусваи.

Поплавковые измерители колебаний уровня торя д во о про­ о льн стыпо своем устройству и надеж в эксплуатации. Чувствитель­ ны элем м ентальны ош е ибки составляю 1 3 см Работа прибора основана на принципе м еханическойпередачиизм ененийполож ения поплав­ ка относительно нуля отсчета, вы ваем х колебаниям уровня, на регистрирую ее устройство, т. е. изм ся поплавку, соединенном с противовесом с по о ью троса или цепи, перекинуты через поплавочное колесо.

Условие равновесия всей этой систем в статическом р им будет (по Г. Н. М ору) где Fx —сила тяжести поплавка; F 2 —сила тяжести груза проти­ вовеса; F s —подъем сила поплавка при его погруж бину I I.

Подъем сила, поплавка постоянного сечения при чистой от­ кры поверхности где а —удельны вес поверхностного слоя воды S —площ сече­ ния поплавка. Учитывая, что S =nd2/4, получим где d — диам рабочей части поплавка. При колебаниях уровня м поплавок следит за ним только при наличии равновесия сис­ те ы Так, при паденииуровня.

а при повы ении где AF3 — приращ ение подъ ной силы поплавка. Здесь важ м ф актором является соблю е неравенств при крайних значениях диапазона изм ерений где АН =АН' + АН" —сум арное приращ поплавка; АН' и АН " —приращ ение глубин погруж ения поплавка при падении и повы ении уровня соответственно. Д м движ и, ение поплавканачнется привы уровнявы е илиниж начального на АН.

Согласно (5.3)— (5.4), сила тяжести поплавка в пределах F - = (-P “ ^ -- AFa м ж ения, Ч автом то атическирегулируется подъ нойсилойпоплавка.

О чевидно, что изм енение глубины погруж ения поплавка является источником погреш ности в изм ерении колебаний уровня. П рира­ щ ение глубиныпогруж ения поплавкане является постоянной вели­ чиной, а зависит от м ногих ф акторов. Из (5.5) видно, чтодляум ень­ ш ения АН необход м ум лее эф ективно. В о щМви е где F[, F2 —силатяж ести лево иправойчаститроса соответственно;

AF2 —подъ ная сила части троса и груза противовеса в во е; FT — сила трения, в узлах систем ; А1 — линейное терм ние части тррса с подвеш енны поплавком Следовательно, ф оказы щ влияние на погреш вы изм х ерителей: F t, F 2, AF3 ивкакой-том еFT, —связаныс коле­ баниям уровням ad иА1 —с колебаниям тем воздуха.

О т эксплуатации ирезультатырасчетов поплавковы изм телейпозволяю сделатьвы, что оптим сти поплавка h долж бы б л или равна АНтах, а точность из­ меренийвосновномзависит от внеш него диам поплавка, т. е. о приращ ения его подъ ной силыF 3, а такж от ам ний уровня и м ет бы довед д ± см Сила тяж противовесадолж бы равнам нойсилыпоплавка, т. е. F 2= AF3max при соблю иусловия равно­ весия и неравенств систем. П на асим етрическая погреш чета) элементов п и о а., Электроконтактный метод измерения колебаний уровня моря позволяет преобразовать полож ения уровня вод в электрические им пульсы Чувствительны элем прибора, использую его этот М д представляет со о ряд электрических контактов, располо­ ж енны на ж ниж уровня вод. Систем постоянны резисторов электрические контакты соединены со схем питания при При подъ е уровня контактып о ер н зам каю на «зем », врезультатечегоэлектрическое сопротивлениевцепидатчикаум ень­ ш ается скачкообразно. При падении уровня н аблю дается; обратны й процесс.

Достоинством подобны изм х ерителей является возм ность ож определения с вы сокойточностьюполож енияуровня м я в м ент замы кания контактов. Уровень м р определяется числом замкну­ тых контактов и расстоянием м ду ним При наличии ветровы волн прибор не позволяет изм ерять уровень непосредственно. Д ля определения колебанийуровня м р сигналы поступаю ие с датчи­ ка, подвергаю ф тся ильтрации. В этом случае регистрация колеба­ ний с периодам б л 30 с м ет производиться с точностьюдаж 1— м (при расстоянии м ду контактами 7 м ). О с обрастанием контактов точность изм ерений м ет резко снизить­ ся. Поэтом приу борып д б о типа требую постоянного наблю ния за их состоянием.

Метод измерения полож ения уровня м р путем регистрации изм енений гидростатического давления. Д анны м й етод использу­ ется в океанологии и для изм ерения других парам етров. П оэтом у представляется необход ы привести зд описание сп гистраций гидростатического давления, которы использую не тся е только для ф иксации уровня м я.ор И ерение колебаний гидростатического давления чащ всего базируется на использовании упругой д орм ии (перем ения) чувствительного элем ента п д действием прилож давлений, т. е. м о прилож занная с ним деф ац Упругим элем ния являю м бр (плоские или гоф трубчаты пруж. В сво о ер ь разм д орм ии изм о о ью еханических, электрических, м агнитны оптических и других систем, а п использованном м классиф ицирую на резистивны индуктивны ем нансны и пьезоэлектрические. Рассм м енты и м етодыпреобразования инф ации.

Упругая мембрана является универсальны датчикомдавления.

Варьируя ее толщ и диам а такж прим щмие атериалы удается использовать датчики этого типа для очень ш ирокого диапазона изм еряем х давлений. Д получения одина­ ковы тем х пературны коэф ициентов расш готовлять м бранны преобразователи и корпуса этих преобразо­ вателей из одного и того ж м ленной степени репрезентативность измерений.

Возьм плоскуюкруглуюм брану с ж стве чувствительного элем ента, на которую действует равном ерно распределенное давление (рис. 5.1 а). В случае если м аксимальны е прогибым браны(у0 м (сравним с толщ обы о наблю чн дается вдатчиках, м но записать где Р —давление, действую ее на м брану, кгс/см2 ]х —коэф­ фициент Пуассона; Е — м одуль упругости материала м браны кге/см2 R —радиус м браны см h —толщ м браны см ос­ новная резонансная частота колебаний м бр ем аны где р — плотность м атериала м браны При этом влияние присо­ единенной к м бр м м браны м ет бы учтено введени поправки где pi/p — отнош ение плотности м орской вод к плотности м ­ браны.

Собственная частота м браны определяет верхний частотны диапазон прим енения прибора. Вы сокие частоты м но получить путемувеличения толщ и умины еньш ениядиам м браны что, правда, связано с ум еньш ениемчувствительности. Практическииде­ альная линейность зависим ости м аксим ального прогиба м бр от давления обеспечивается, если разм прогиба не превы ает 0, ее толщ.

М аксим ально допустим см ение в центре м бр м но, увеличить за счет б л эф ективного распределения деф ац по диам етру.м браны что обеспечивает гоф рованная; м брана илим бранная коробка. П ещ браны (рис. 5.1 б) м ет достигать 4 % радиуса. П или го р могут бы синусоидальны и,, пилообразны и,, трапециевидны и.

П реим ественное влияние на характеристику оказы гоф рирования и число гоф о при заданном диам Гоф рированны м бр ым соединяться вкоробке при пропор­ циональном возрастании перем ения центра. М бр ы ан о сравнениюс м аксимально возм ны для одиночной м браны н наряду с вы сокой чувствительностью они о бладаю сущ нелинейностью Их ц м ерения м алой изм енчивости давлений, наприм при использова­ нии волновы пульсаций давления.

Сам м распространенны датчиком с упругим чувствительны элем ентом о б н при зондировании и исследованиях колебаний уровня, являю сильфонные преобразователи (рис. 5.2 а), облада­ ю ие м щ алой ж есткостью и позволяю ие получать больш линей­ ны перем енияцентраус. П гидростатическомдавленииР, числе гоф ров, равномп, н уж омрадиусе Л внутреннемi?B и толщ м атериала гоф ов hc величина ус о р е.

Сильф часто использую в м изм ерения уровня. Их рабочий диапазон давлений составляет 104 — 106 Па, а погреш ность изм ерений 0,5— %. В качестве преобразователей распространенытакж трубчатые пружины, так назы ваем етрубкиБурдона (рис. 5.2 б), представляю щ со о трубки эллиптического или овального,сечения, согнуты по дуге окруж ности с центральны углом 180— пруж ины неподвиж другой связан с м щ систем Такие С-образны трубки прим ния давления от 3-104 д 108 Ц с погреш Таким образом м ой значения давления при использовании м бранны преобразователей 'Является упругая деф ация, или м аксим альны прогиб. Рассм за исклю чением механических, м д в регистрации разм про­ гиба м браны Реостатные преобразователи отличаю тся простотой конструк­ ции и использую при больш перем ениях ж (сильф ) или некоторой точки (трубки Бурдона). О представля­ ю со о резистор из вы ны тем м пературны коэф ициентомсопротивления (ТКС), которы нам отан на цилиндрический каркас с изолированны и виткам а м и, ползунок реостата скользит п очищ о енном от изоляции участку.

Резистивные преобразователи м но подразделить на прово­ лочны и полупроводниковы тензорезисторы Принцип действия проволочны тензорезисторов основанна изм металлических проводников при их деф ац Так, сопротивле­ где р — удельное электрическое сопротивление; I — длина; S — площ поперечного сечения. При наличии продольной и попереч­ ной деф ац (растяж площ поперечного сечения, т. е, сопротивление. М тензом етры о ы о изготовляю из м ны сопротивлением и м мТКС (константан, манганин, нихром и т.; п.) в ви е проволочной сетки или сетки из узких полосок ф ги, наклеиваем х на подлож или в ви е тонких м пленок (20. 50 м ), напы торуюв сво о ед приклеиваю к упругом элем к м бране.

чувствительности почти на два порядка вы е,, чем проволочны Различаю продольную поперечнуюи сдвиговуютензочувствительт, зопластинкавы резанаиз кристалла. О ы н делаю так,.чтобысдви­ говая чувствительность бы близка к нулю Зависим сопротив­ ления полупроводникового тензорезистора от деформаций в направлении продольной оси где R0 — сопротивление ненагруж енного тензорезистора; kx и k2 — коэф ициенты s —относительная деф ац Для изм ерения гидростатического давления довольно ш ироко использую интегральны тензорезисторны преобразователи(ТП), как правило, на базе м онокристаллического крем ния. В о сновном это объясняется вы сокой степенью изученности его характеристик и апробированностьютехнологииизготовлениядатчиковнаегоб азе.

Н аиболее полно возм ности этого м пользовании полупроводниковы чувствительны элем на о снове гетероэпитаксиальны структур класса «крем на ди­ электрике» и о б н «крем на сапф Врем енная нестабильность ТП ПЧЭ на о о структур КНС м ­ ж бы не хуж +0,005 % за полгода, а м н превы ает 0,04 % диапазона изм ТП на о о КНС использую ПЧЭ практически только в ви е плоских м бр с тензочувствителъной схем При этом ПЧЭ ж ёстко связан с упругим элем ентомТП, О из сущ бенностей интегральны крем х ниевы TII — нестабильность схем ной ком пенсации погреш ностей (осо н тем ний. О днако в настоящ врем использование м позволяет избавиться от этих недостатков и даж расш е ирить функ­ циональны возм ности датчиков.

ВВ оронеж ском политехническом институте р або мазр тан алогаба­ ритны (дли 5 м и д ам о 0,05 м ) датчик с нитевидны кристалломкрем в качестве п чного п ео р вателя. В таком датчике нитевидны кристалл крем наклеивается на м куюм б ан герм зи И енениегидростатическогодавленияпри и к прогибум б ан и соответственно к д о м и растяж тевидного кристалла крем и и енени напряж напряж ение п о о ц о альн д вания около 1 ~. Д давления 0— Па с чувствительностью 10~8— В/Па.

Так ж ше ироко использую датчики давления на о ове пье­ зорезисторногоэф екта. В качестве чувствительного элем вних чащ всего прим анизотропны травлением в крем ти. На поверхности м бр ы с п м ью диф узии или ионной им плантации ф ируется схем из четы резисторов, образую щ м Уитсона. При этомрезисторырасполагаю так, чтобыдва из них испы вали растяж (СШ использует в таких датчиках не од ор н п толщ специальны о р м проф рам м и еханических напряж ений в м располож ет получить б л вы ственной резонансной частотыл бо увеличить резонанснуючастоту при сохранении чувствительности.

П ьезорези сторны датчики о л аю ш рения(0— м вы вы сокой резонанснойчастотой (45 кГц—1М вы Гц), сокойточностью изм ерений (+0,25 %), тем пературной ком пенсацией, виброустойчи­ востью м м габаритны и разм и и м Индуктивные преобразователи использую воздействие п е­ м ения чувствительного элем ляю их парам дуктивности. О ы оиспользую диф еренциальны схем, вкото­ ры ем х'м брана располагается м дудвум катуш сти, когдаизменениеразм прогибао н вр ен оувеличивает ин­ дуктивность од й катушки и ум Резонансные преобразователи использую струны тонкие м лические пластины цилиндрыи пьезокварцевы пластины в кото­ ры резонансная частота колебаний пропорциональна изм давлению Н. аибольш распространение в океанологической прак­ тике наш струнны преобразователи(вибротроны вкоторы со ­ ственная частота колебаний натянутой струныf соответствует вы ра­ ж ению метрической геликоидальной полой пружины. Вся система запол­ няется толуолом. Капиллярная трубка длиной 20— 25 м и наруж­ ным диаметром 1,2 мм уложена в несколько слоев на гребенках, радиально расположенных в хвостовой части прибора. Термосисте­ ма защищается от механических повреждений ребрами стабилиза­ тора. Геликоидальная пружина представляет собой трубку из бериллиевой бронзы, свернутую в виде спирали с тремя витками. Один конец пружины, связанный с капиллярной трубкой, закреплен не­ подвижно, ко второму — свободному— концу припаяна стрелка с иглой на конце. При колебаниях температуры изменяется и объем толуола, которым заполнена термосистема. Возникающая при этом упругая деформация геликоидальной пруж,ины приводит к пере­ мещению иглы, которая, скользя по покрытию стекла, процарапы­ вает его рабочую поверхность, покрытую чернильным раствором.

В термоблоке установлена также и фиксирующая стрелка, предназ­ наченная для вычерчивания базисной линии. Эта линия служит для проверки правильности установки стекла в отсчетном приспо­ соблении.

Багиблок (рис. 6.9 б) служит для записи глубины погружения прибора. Он состоит из цилиндрической пружины, надетой на не­ подвижный стержень. Поверх пружины укреплен блок, состоящий из трех спаянных между собой сильфонов. Пружины и сильфоны воспринимают меняющееся давление воды при изменении глубины погружения прибора. Неподвижный конец сильфонов припаян к стакану головки, подвижный конец закрыт втулкой, к которой с по­ мощью направляющего угольника прикреплен столик с устанавли­ ваемым на нем стеклом для записи вертикального профиля темпе­ ратуры. При погружении прибора втулка под воздействием гидро­ статического давления перемещается по стержню на расстояние, пропорциональное гидростатическому давлению, а вместе с ней пере­ мещается и стекло. Стрелка, которой заканчивается геликоидальная пружина, вычерчивает кривую линию, соответствующую изменению температуры с глубиной.

Для отсчета и обработки записи батитермографа используется спе­ циальное отсчетное приспособление. Основной его частью является тарировочная сетка, горизонтальные линии которой соответствуют глубинам, а вертикальные — температурам. Сетка жестко установле­ на в рамке с пазами. Над рамкой в конической оправе укреплена лупа.

Основные технические характеристики ГМ-9-III Диапазон измерения температуры, °С

Погрешность измерения температуры, °С.....

Диапазон измерения глубины, м

Погрешность измерения:

глубины до 30 м, м

глубины свыше 30 м, % от измеренной глубины................ + Масса прибора в воздухе, к г

Габаритные размеры, мм

Уже длительное время благодаря простоте изготовления и эксп­ луатации, которая зачастую по силам даже экипажам коммерчес­ ких судов, в океанологической практике для исследования верхнего слоя океана широко используются теряемые батитермографы (ХВТ), выпускаемые многими фирмами.

Впервые теряемый зонд был выпущен американской корпора­ цией «Сиппикан» в 1960 г., и с тех пор появилось множество типов судовых и авиационных систем, позволяющих определять ход тем­ пературы, температуры и электропроводности, температуры и скоро­ сти звука с глубиной. Преимуществом использования подобных си­ стем является возможность проведения измерений на ходу судна.

В состав теряемых зондов (рис. 6.10) входят: сами зонды; борто­ вой блок, состоящий из персонального компьютера со специализиро­ ванным программным обеспечением; ручное (рис. 6.11) или палуб­ ное стационарное метательное устройство (рис. 6.12). Зонды в виде обтекаемого корпуса состоят из измери­ тельного блока, пенала и катушки с сиг­ нальным кабелем. Последний через ме­ тательное устройство, в котором устанав­ ливается вторая катушка с кабелем, связывает погружаемый зонд с бортовым блоком. Подобное размещение катушек с сигнальным кабелем позволяет произво­ дить измерения точно в заданной точке не­ зависимо от скорости и курса носителя.

Скорость зондирования в различных мо­ делях может варьировать от 2 до 7 м/с.

После достижения определенной глубины кабель обрывается, а зонд теряется.

В настоящее время большое распростра­ нение получили теряемые термозонды типа Т-5 и Т-7 «Deep Blue» фирмы «Сиппикан».

Зонды Т-5 способны работать до глуби­ ны 1000 м при скорости судна до 20 уз­ Рис. 6.11. Ручное метательное устройство. Рис. 6.12. Стадионарное метательное устройство.

760 м. Разретление зондов но глубине 65 см, по температуре 0,01 °С..

Постоянная времени датчика температуры (чаще? всего термистор) 150 мс. Точность по глубине 2 %, по температуре'±0,15 °С..

Среди „Отечественных приборов имеется измеритель, схожий с зарубежными йнадогичными образцами, — термозонд обрывной. В основном он используется при проведении океанографических ра­ бот на судах Главного угфавления навигации и океанографии Ми­ нистерства оборон ы.

Для примера в табл. "6.5 приведены технические характеристи­ ки ХВТ-зондов фирмы «Огава Сейки» (Япония) модели OSK 3260.

Характеристика модификаций модели OSK.

М ЕТОДЫ И ПРИ БОРЫ

Д Л Я Н АБЛЮ Д ЕН И Й З А ВО ЛНЕН И ЕМ

7.1. История наблюдений за волнением Волнение моря является одной из тех океанографических ха­ рактеристик, которой человек стая интересоваться сразу же, как только вышел в море. Так как состояние поверхности моря для моряка всегда было связа!но с силой ветра, то эти две характеристи­ ки долгое время оценивались совместно. Все это нашло свое отра­ жение даже в общепринятых ^выражениях. Так, например, слова «штиль», «буря»,' «шторм» у каждого человека, связанного с морем, вызывают определенные представления о ветре по соответствую­ щим ему состояниям моря. Подобную ситуацию, как заметил еще.

В. А. Снежинский (Практическая океанография. — JI.:; Гидроме­ теоиздат, 195-1), очень изящно выразил А. С. Пушкин в «Сказке о рыбаке и рыбке» (1833 г.). Здесь Пушкин подбирает не только наи­ более краткие и выразительные, но и' по самому своему существу верные характеристики состояния поверхности моря, сводя их при этом в пятибалльную шкалу.

В первый раз: Пошел он к синему морю, В четвертый раз: Старичок отправился к морю, Собранные моряками парусного флота с помощью визуальных или полуинструментальных измерений многочисленные количе­ ственные оценки элементов морских ветровых волн, несмотря на свою приближенность, имеют определенное значение и в настоящее время.

В 1853 г. в Брюсселе состоялась первая Морская международная метеорологическая конференция, много сделавшая для упорядоче­ ния гидрометеорологических наблюдений. Многие ее решения со­ хранили свое значение и до наших;дней, например 12-балльная шка­ ла Бофорта для наблюдений за ветром. Десятибалльная шкала оцен­ ки состояния поверхности моря появилась в 1858— -1859 гг., после чёго, претерпев значительные внутренние изменения, она сохрани­ лась до настоящего времени., Впервые вопрос об единообразии массовых наблюдений за эле­ ментами волн серьёзно обсуждался на второй Международной кон­ ференции в Лондоне в 1874 г. Н а ней впервые была предложена десятибалльная шкала степени волнения, которая, претерпев незна­ чительные изменения, используется и поныне. К этому времени по­ явились первые работы по исследованию влияния волнения на кач­ ку, прочность судов и гидротехнические сооружения. Тогда же по­ явились и первые волномерные приборы: веха Фруда, волномер Пари, динамометры Стивенсона и-Тайярда и т. п. ;> Воздействию ветровых волн и зыби подвергаются в первую оче­ редь плавающие в море суда и различные сооружения, находящиеся в прибрежной черте. Кроме того, поверхностное волнение оказывает., влияние на формирование квазиоднородного слоя; передачу энер­ гии; интенсивность и глубину перемешивания; интенсивность газо­ обмена океана с атмосферой; проникновение загрязняющих веществГ., с поверхности моря в глубинные слои; изменение отражательной ' способности морской поверхности, что особенно сказывается при использований неконтактных методов исследования океана, и т. п.

Кроме того, данные о ветровом волнении и зыби необходимы для многих практических целей (судостроение, гидротехническое строи­ тельство на морях, навигация, рыбный промысел, расчет гидрофизи­ ческих и гидрохимических процессов в океане и т. д.). Размеры, форма волн, скорость их перемещения, т е. все основные элементы волн, зависят от целого ряда внешних причин: от силы и продол­ жительности ветра, от формы и размеров исследуемой акватории и т. п. Изучение указанных зависимостей совершенно необходимо для решения основной задачи океанологии в этой области Про­ гноза и расчета волнения в различных, но конкретных условиях.

Решение задачи требует, естественно, законченной теории образова­ ния и развития волнения, для чего Крайне необходимо проведение непосредственных наблюдений за волнением как в открытом море, так и в прибрежной зоне. Получение достоверных данных невоз­ можно без измерений основных элементов волн. Такими элемента­ ми являются:

высота волны — превышение вершины волны над соседней по­ дошвой на волновом профиле, проведенном в генеральном направ­ длина волны — горизонтальное расстояние между вершинами двух смежных гребней на волновом профиле, проведенном в гене­ ральном направлении распространения волн;

период волны — интервал времени между прохождением двух смежных вершин волн через фиксировавшую вертикаль;

направление распространения волны — направление перемеще­ ния волны, определяемое за короткий интервал времени порядка периода волны;

скорость волны — скорость перемещения гребня волны в.на­ правлении ее распространения, определяемая за короткий интервал времени порядка периода Волны;

крутизн а волны — отношение высоты данной волны к ее длине;

тип волнения — различают ветровое волнение, зыбь, мертвую зыбь, смешанное волнение. Вепгровыеволны ( вв) — вызванные вет­ ром волны, находящиеся под его.воздействием. К ним относятся также гравитационные ветровые волны (вызванные ветром волны j в формировании которых основную роль играет сила тяжести), ка­ пиллярно-гравитационные ветровые волны (вызванные ветром вол­ ны, в формировании которых принимают участие сила тяжести и сила поверхностного натяжения) и капиллярные ветровые волны (вызванные ветром волны, в формировании которых основную роль играет сила поверхностного натяжения). Зыбь (3) — вызванные вет­ ром волны, распространяющиеся в области волнообразования после ослабления ветра и (или) изменения его направления, или вызван­ ные ветром волны, пришедшие из области волнообразования в дру­ гую область, где дует ветер с другой скоростью и (или) другим на­ правлением. М ертвая зыбь (М 3 ) — вызванные ветром волны, рас­ пространяющиеся при отсутствии ветра. Смешанное волнение — волнение, образующееся в результате взаимодействия ветровых волн и зыби;

форма волнения — различают регулярное, нерегулярное и тол­ чею. Регулярное волнение — волнение, в котором форма и элементы всех волн одинаковы. Нерегулярное волнение — волнение, в кото­ ром форма и элементы волн меняются от одной волны к Другой.

Толчея — беспорядочное волнение, возникающее вследствие взаимо­ действия волн, бегущих в разных направлениях;

степень волнения определяется в баллах по высоте наиболее за­ метных крупных ветровых волн, зыби и волн мелководья (прибой­ ных волн), находящихся в поле зрения наблюдателя;

состояние поверхности моря (с. п. м.) — элемент поверхностно­ го волнения, выражаемый в баллах, отражает не степень взволнован­ ности моря, а эффект воздействия ветра на морскую поверхность независимо от размеров волн.

Весь комплекс современных наблюдений за волнением обычно выполняют визуально и с помощью различных приспособлений и приборов. Наблюдения за волнением проводятся и с берега, и в от­ крытом море — на судах различного типа и назначения, а также на буйковых станциях и стационарных платформах.

Визуальные наблюдения за волнением заключаются в глазомер­ ной оценке следующих элементов волнения: степени, состояния по­ верхности моря, типа и формы волнения, высоты, периода, направле­ ния и скорости распространения волненйя.' Степень волнения определяется по высоте наблюдаемых высот волн с округлением до 0,25 м — при высоте волн до 1,5 м; до 0,5 м — при высоте волн от 1,5 до 4 м; до 1 м — при высоте волн более 4 м. Наиболь­ шая высота волн определяется по оценке пяти наиболее заметных круп­ ных волн, прошедших перед глазом наблюдателя в течение 5 мин.

Высота волн определяется на глаз, по последовательным отметкам греб­ ня и цоДошвы на борту судна или по визуальной проекции гребня на надстройки или мачты судна. Перевод высоты волны в степень волнёнияйроизводится с помощью шкалы степени волнения (табл. 7.1).

Примечание. Градации «от» и «до» следует донимать так: «от» — включитель­ но, «до»— исключительно.

Состояние поверхности моря (с. п. м.) определяется в баллах по специальной шкале, а критерием для его оценки является вид поверхности моря под действием на нее ветра (табл. 7.2). При этом необходимо обращать внимание на внешние признаки: вид греб­ ней, появление и распределение по водной.поверхности «бараш­ ков», брызг и пены. По с. п. м. можно судить р силе ветра.

Определение состояния поверхности моря производится только при ветре. При штиле с. п. м. всегда равно нулю. При мертвой зыби с. п. м. не определяется.

Тип волнения обычно определяют по следующим прийнакам.

Ветровое волнение — подветренный склон волн более крутой, чем наветренный. Верхушки гребней волн обычно заваливаются, об­ разуя пену, или даже срываются сильным ветром. Направления вет­ ровых волн и ветра приблизительно совпадают.

Зыбь — волны имеют правильную форму, пологи щ имеют длин­ ные гребни, направления волн зыби йветра могут не совпадать.

Мертвая зыбь распространяется при безветрии.

Смешанное волнение наблюдается при одновременном присут­ ствии на водной поверхности ветрового волнения и зыби, причем направление распространения этих типов,волн может не совпадать.

Этот тип волнения чаще всего встречается в открытом море. Запись в книжке наблюдений производится в виде дроби, например, вв/3, причем в числителе ставится преобладающий тип. :

Характеристика состояния поверх­ ности моря, баллы 2 Небольшие гребни волн начинают опрокидываться,- но пена не 3 Хорошо заметны небольшие волны, гребни некоторых из них опроки­ дываются, образуя местами белую клубящуюся пену — «барашки»

4 Волны принимают хорошо выраженную, форму, повсюду образу­ 5 Появляются гребни большой высоты, их пенящиеся вершины за­ Гребни очерчивают длинные валы ветровых волн, пена, срывае­ мая с гребней ветром, начинает вытягиваться полосами по скло­ Длинные полосы пены, срываемой ветром, покрывают,склоны волн Пена широкими, плотными сливающимися полосами покрывает склоны волн, отчего поверхность становится белой, только места­ Вся поверхность покрыта плотным слоем пены, воздух наполнен водяной пылью и брызгами, видимость значительно уменьшена Форма волнения определяется по расположению на поверхности моря гребней и впадин волн. Волны зыби и хорошо развитые ветро­ вые волны при большой степени волнения являются примером ре­ гулярного волнения, когда на водной поверхности хорошо заметны сравнительно длинные гребни, следующие в виде параллельных ва­ лов друг за другом. При нерегулярном волнений гребни волн разо­ рваны на отдельные части неодинаковой высоты и длины по фронту движения, расстояние между соседними гребнями волн больше, чем длина этих гребней по фронту движения.

Направление распространения волн может быть определено пу­ тем непосредственного пеленгования по судовому компасу и фикси­ руется по восьми румбам: С, СВ, В, ЮВ, Ю, Ю З, 3, СЗ. При этом следу­ ет отметить, что на поверхности воды чайки, как правило, сидят но­ сом на волну, Кроме того, необходимо учитывать, что направление указывается в соответствии с тем, откуда идут волны. Если наблюда­ ется смешанное волнение, то направление определяется для каждого типа, а запись производится в виде дроби.

Длина волны определяется путем, сравнивания с длиной судна.

При длине волны больше длины судна с кормы вытравливается буек на такое расстояние, чтобы он находился на гребне волны, когда вто­ рой гребень находится под наблюдателем.

Период волнения определяется путем засечки секундомером времени прохождения через определенную, четко зафиксированную на поверхности моря, точку одиннадцати последовательно следую­ щих друг за другом гребней волн. Затем это полученное время де­ лят на десять и получают период волнения.

7.4. Устройства и приспособления Для измерения элементов отдельных волн используют различно- :

го типа специальные измерительные приспособления. Несмотря на кажущуюся примитивность, при тщательном выполнении измере­ ний они дают отличные результаты. Одними из первых подобных приспособлений, не потерявших своего значения и до настоящего времени, являются волномерные рейки и вехи или волномерные щиты с сеткой, которые предназначены для определения высоты волн и повышают точность визуальных наблюдений.

Волномерные рейки (рис. 7.1 а) используются на небольших глубинах и обычно представляют собой шест круглого сечения для наименьшего сопротивления ударам волн с яркими,:делениями че­ рез 10 см. Длина реек выбирается с расчетом возможности измере­ ния наиболее крупной волны при наивысшем уровне. Рейки или забиваются непосредственно в дно, или крепятся к свае.

Волномерные вехи (рис. 7.1 б) используются, в более глубоких местах, Где нельзя ставить рейку. Они состоят из рейки, на которую нанесены деления, с поплавком й жестко закрепляются на одном и даже на трех якорях. При наблюдениях в открытом море можно использовать плавучие волномерные вехи. Стабилизация их в верти­ кальном положении достигается с помощью груза, укрепленного на нижнем конце рейки. Ниже груза закреплена специальная демпфи­ рующая площадка, представляющая собой горизонтально расположен­ ную: раму, обтянутую водонепроницаемым брезентом. Площадка опус­ кается на глубину, где не сказывается влияние поверхностного волне­ ния (обычно более двухкратной высоты волны). Веха опускается с борта судна и удерживается на лине на нужном расстоянии.

В целом подобные наблюдения не позволяют зафиксировать не­ прерывный процесс колебаний взволнованной поверхности и результа­ ты, таких наблюдений нельзя использовать для исследования статисти­ ческих и спектральных характеристик волнения. Одним из наиболее точных методов регистрации солебаний в точке является видео- или пользуются оптические волномеры-перспектомепгры. Широкое распростране­ ние у нас в стране нашел береговой волРис. 7.1. Волномерные рейки (а) номер-перспектометр ГМ-12 (ВВ-49) Рис. 7.2. Волномер-перспектометр Иванова (ГМ-12).

а) волномер; б) перспективно-измерительная сетка.

ческая схема прибора представляет собой монокуляр (в некоторых мо­ дификациях бинокуляр) со встроенной специально разграфленной сет­ кой, состоящей из системы линий в перспективной проекции.

На помещенную в фокальной Плоскости одного из монокуляров стеклянную, отсчетную сетку нанесены штрихи шкал дальности, высоты волн и наклонные линии для определения горизонтальных линий, перпендикулярных лучу зрения. Если верхнюю горизонталь­ ную линию совместить с линией горизонта, то остальные горизон-' тальные линии будут соответствовать шкале дальности, оцифрован­ ной в единицах длины. Наклонные линии, сходящиеся в одной точ­ ке, соответствуют параллельным линиям на поверхности моря, проведенным, как правило, на расстоянии 5 м одна от другой. Опти­ ческая головка крепится на площадке, опирающейся обычно на го­ ризонтальный цилиндрический валик, способный перемещаться в вертикальной плоскости для совмещения линии видимого горизон­ та на отсчетной сетке с линией видимого горизонта на море. Кромер того, вся эта конструкция может вращаться в горизонтальной плос­ кости относительно лимба на 360° и крепится в нужном положении стопорными винтами.

Отсчетная, или перспективная, сетка имеет две шкалы: шкалу дальности, расположенную в середине поля зрения оптической го­ ловки по вертикали, оцифрованную в единицах длины и предназна­ ченную для, измерения расстояний на море, и шкалу высоты волн, расположенную справа от шкалы дальности и предназначенную для измерения высоты волн, которая определяется по числу делений, уло­ жившихся между подошвой и гребнем волны.

Сетка прибора рассчитывается для определенной высоты распо­ ложения прибора над поверхностью моря. В противном случае все результаты измерений умножаются на переходной коэффициент где Н х — фактическая высота установки прибора; Н рассчитан­ ная высота. Рекомендуется выбирать k в пределах 0,5—2.

Инструментальные измерения элементов морских волн выпол­ няются с помощью специальной водоизмерительной аппаратуры, которая позволяет регистрировать величины, характеризующие вол­ новые движения, или измерять их элементы. Для статистической обработку ;цри измерении волн необходима регистрация совов:упности не менее 150—200 волн, следующих одна за другой. Поэтому длительность, измерений волнения в точке при среднем значении периода волн от 4 до 8 с должна быть не менее 15—20 мин. Причем необходимо учитывать, что при развитии и затуханий штормового волнения измерения следует производить с дискретностью 1— 3 ч.

. Как известно, частота и высота морских ветровых, волн находят­ ся в пределах примерно от 0,03 до 10 Гц и от нескольких: миллимет­ ров до 25 м. И вполне естественно, что измерять волны в таких ши­ роких пределах изменений частот и высот одним каким-либо уни­ версальным прибором практически невозможно. Н о для решения основных практических и научных задач достаточно измерение волн с высотами 0,1— 25 м и частотами 0,08— 1,0 Гц в открытых частях океанов и мОрей и с высотами 0,1— 10 м и частотами 0,06— 1,0 Гц в прибрежных районах. Для таких характеристик волнения возмож­ но использование и какого-то одного универсального прибора.

В настоящее время существует большое число разнообразных методов и приборов — волномеров (приборы или устройства для измерения элементов волн) или волнографов (приборы для записи волнОвых колебаний свободной поверхности моря) для исследова­ ния морского волнения. Рассмотрим принцип действия и устрой­ ство некоторых типов волноизмерительной аппаратуры, используе­ мой в океанографической практике.

Электродные волнографы включают в себя приборы, датчиками которых являются один или два электрода, погруженных вертикально з воду. По принципу действия можно различить следующие типы электродных волнографов.

Струнные (резистивные) волнографы предназначены для не­ прерывной записи профиля волн в выбранном масштабе. Датчиком таких волнографов является не окисляемая в морской воде проволо­ ка с большим удельным сопротивлением, натянутая обычно на же­ сткую опору (рис. 7.3), устанавливаемую в прибрежных районах.

Проволока заглубляется в воду примерно на половину своей длины.

Морская вода служит проводником с малым активным сопротив­ лением. Пусть где у = 4-10~2 1/(Ом-см) — удельная проводимость морской воды;

е = 7-10-12 Ф /см — относительная диэлектрическая проницаемость морской воды; со — угловая частота переменного тока питания, рад/с.

Рис. 7.3. Струнные (резистивные) волнографы.

а — на притопленном буе с заякоренными оттяжками; б — на сварной пирамиде;

в — на свае, забитой в грунт; г — на свае, заделанной в бетонную плиту.

1 — датчик с грузом; 2 — кронштейн; 3 — телескопическая опора; 4 — прптопленный буй; 5 — трос; 6 — мертвый якорь; 7 — сварная рама.

Экспериментально доказано, что для питания струнного датчика оптимальная частота тока / может колебаться в пределах 5— 8 кГц,, так как использование! тока высокой частоты способствует устра­ нению обрастания электродов. Поэтому, зная, что со = 2кf, и выбрав f = 5 кГц, получим ш = 31 400 рад/с. Отсюда т. е. можно сказать, что в данном случае морская вода для токов звуко­ вой частоты практически представляет собой короткозамкнутый про­ вод (изменение расстояния между'двумя нихромовыми проволоками в морской воде от 0 до 25 м изменяет сопротивление между ними не более чем на 0,5 Ом). Таким образом, при волнении закррачивается часть проволоки, соответствующая уровню воды, а изменение ее сопро­ тивления пропорционально профилю проходящей волны.

Типичным прибором такого типа является разработанный у нас в стране прибрежный волнограф ГМ-61, предназначенный для изме­ рения высот (в диапазоне 0,05— 10 м) и периодов волн. Прибор со­ стоит из проволочного датчика кабельной связи, генератора звуко­ вой частоты для питания датчика (5 кГц), измерительной схемы и аналогового регистратора с возможностью вывода на ЭВМ. В каче­ стве датчика, преобразующего волновые колебания в электрический сигнал, используется высокоомная безокисная нихромовая проволо­ ка диаметром 0,3—0,4 мм и длиной 10 м, которая с крнцевым гру­ зом подвешивается на эстакадах, свайных пирсах, свайных основа­ ниях и т. д. и погружается при этом в воду на половину своей дли­ ны. Датчик включен в измерительную схему, выходной сигнал которой, промодулированный с профилем волновых колебаний вод­ ной поверхности, по линии связи (провод П-268 длиной около 500 м) подается на выпрямитель, а затем на регистратор.

Интересная реализация использования струнных волнографов для исследования высокочастотной составляющей поверхностного вол­ нения была осуществлена в США. Датчик измерительной системы состоит из нескольких струн, изготовленных из нержавеющей стали диаметром 0,38 мм, длиной около 9 м и скомпонованных по груп­ пам. Каждая группа состоит из трех штук, расположенных по пря­ мой на расстоянии 15 см друг от друга. Причем вертикальная плос­ кость расположения каждой из групп составляет 90° по отношению к другим группам. Подобное расположение групп позволяет изме­ рять не только амплитуду йпериод волнения в диапазоне частот 0 —Гц, но йнаклон волны с точностью до 2° и направление распрост­ ранения зо^хны. Следует отметить., что для успешной эксплуатации такого при&ора необходимы специальные схемные решения; тща­ тельный расчет измерительной цепи и трудоемкая калибровка.

Электроконтактные волнографы являются частным случаем резистивных волнографов. Они представляют собой вертикальный ряд пар контактов,.расположенных через фиксированное (5— 10 см) расстояние на несущем стержне (рейке). Между контактами рейки включены постоянные сопротивления. При изменении уровня воды контакты либо замыкаются, либо размыкаются, изменяя общее со­ противление цепи. Зная положение контактов относительно уровенной поверхности, можно определить ее возвышение. При: уменьше­ ний расстояния между контактами данный тип волйографа Прибли­ жается.. по своим характеристикам к струнным волнографам, уменьшая дискретность измерений. На точность и стабильность та­ ких волнографов влияют брызги, смачиваемость, коррозия, обраста­ ние и загрязнение контактов.