Argo (oceanografia) - Argo (oceanography)

Argo logo.svg

Argo to międzynarodowy program, który wykorzystuje pływaki profilujące do obserwacji temperatury , zasolenia , prądów , a ostatnio właściwości biooptycznych w oceanach Ziemi; działa od początku 2000 roku. Dostarczane w czasie rzeczywistym dane są wykorzystywane w badaniach klimatycznych i oceanograficznych. Szczególnym zainteresowaniem badawczym jest ilościowe określenie zawartości ciepła oceanu (OHC).

Rozkład aktywnych pływaków w tablicy Argo, oznaczony kolorami według kraju, do którego należy dany pływak, stan na luty 2018 r.

Flota Argo składa się z prawie 4000 dryfujących „spławików Argo” (tak często nazywa się spławiki profilujące używane w programie Argo) rozmieszczonych na całym świecie. Każdy pływak waży 20-30 kg. W większości przypadków sondy dryfują na głębokości 1000 metrów (tzw. głębokość parkowania) i co 10 dni, zmieniając swoją wyporność , nurkują na głębokość 2000 metrów, a następnie wychodzą na powierzchnię morza , mierząc przewodność i temperaturę profile jak i ciśnienie . Na ich podstawie można obliczyć zasolenie i gęstość . Gęstość wody morskiej jest ważna przy określaniu ruchów oceanu na dużą skalę. Średnie prędkości prądu na 1000 metrów są bezpośrednio mierzone na podstawie odległości i kierunku dryfowania pływaka zaparkowanego na tej głębokości, która jest określana przez pozycje systemu GPS lub Argos na powierzchni. Dane są przesyłane na ląd za pośrednictwem satelity i są swobodnie dostępne dla każdego, bez ograniczeń.

Nazwa programu Argo pochodzi od greckiego mitycznego statku Argo, aby podkreślić komplementarny związek Argo z wysokościomierzami satelitarnymi Jason . Zarówno standardowe pływaki Argo, jak i 4 satelity wystrzelone do tej pory w celu monitorowania zmieniającego się poziomu morza, działają w 10-dniowym cyklu pracy.

Współpraca międzynarodowa

Program Argo to współpraca partnerska ponad 30 narodów ze wszystkich kontynentów (większość pokazana na mapie graficznej w tym artykule), która utrzymuje globalną tablicę i zapewnia zestaw danych, z którego każdy może korzystać do eksploracji środowiska oceanicznego. Argo jest częścią Globalnego Systemu Obserwacji Oceanów (GOOS) i jest koordynowane przez Argo Steering Team, międzynarodowe ciało naukowców i ekspertów technicznych, które spotykają się raz w roku. Strumieniem danych Argo zarządza Zespół Argo Data Management. Argo jest również wspierane przez Grupę ds. Obserwacji Ziemi i od samego początku wspierane przez projekt CLIVAR (Zmienność i przewidywalność systemu ocean-atmosfera) Światowego Programu Badań nad Klimatem oraz przez Globalny Eksperyment Asymilacji Danych Oceanów (GODAE OceanView). .

Historia

Rozkład aktywnych pływaków w tablicy Argo, oznaczonych kolorami według kraju, które zawierają czujniki bio-geochemiczne według stanu na luty 2018 r.

Program o nazwie Argo został po raz pierwszy zaproponowany na OceanObs 1999, konferencji zorganizowanej przez międzynarodowe agencje w celu stworzenia skoordynowanego podejścia do obserwacji oceanów. Oryginalny prospekt Argo został stworzony przez małą grupę naukowców pod przewodnictwem Deana Roemmicha , który opisał program, który miałby mieć globalną sieć około 3000 pływaków w 2007 roku. Macierz 3000 pływaków została osiągnięta w listopadzie 2007 i był globalny. Zespół Sterujący Argo spotkał się po raz pierwszy w 1999 roku w Maryland (USA) i przedstawił zasady globalnego udostępniania danych.

Zespół sterujący Argo złożył 10-letni raport do OceanObs-2009 i otrzymał sugestie, jak można ulepszyć macierz. Sugestie te obejmowały zwiększenie zasięgu na dużych szerokościach geograficznych, na marginalnych morzach (takich jak Zatoka Meksykańska i Morze Śródziemne) oraz wzdłuż równika, poprawę obserwacji silnych prądów granicznych (takich jak Prąd Zatokowy i Kuroshio ), rozszerzenie obserwacji na głębokie wody oraz dodanie czujników do monitorowania biologicznych i chemicznych zmian w oceanach. W listopadzie 2012 r. indyjski pływak w sieci Argo zebrał milionowy profil (dwukrotnie więcej niż statki badawcze w całym XX wieku), co zostało opisane w kilku komunikatach prasowych. Jak widać na wykresie obok, na początku 2018 r. program Bio-Argo szybko się rozwija.

Konstrukcja i działanie pływaka

Schematyczny diagram przedstawiający ogólną strukturę pływaka profilującego używanego w Argo

Kluczową zdolnością pływaka Argo jest jego zdolność do wznoszenia się i schodzenia w oceanie zgodnie z zaprogramowanym harmonogramem. Pływaki robią to, zmieniając swoją efektywną gęstość. Gęstość dowolnego obiektu określa jego masa podzielona przez jego objętość. Pływak Argo utrzymuje stałą masę, ale zmieniając swoją objętość, zmienia swoją gęstość. W tym celu olej mineralny jest wypychany z obudowy ciśnieniowej pływaka i rozszerza gumowy pęcherz na dolnym końcu pływaka. Gdy pęcherz się rozszerza, pływak staje się mniej gęsty niż woda morska i unosi się na powierzchnię. Po zakończeniu swoich zadań na powierzchni, pływak wycofuje olej i ponownie opada.

Kilka firm i organizacji produkuje pływaki profilujące wykorzystywane w programie Argo. Pływaki APEX, wykonane przez Teledyne Webb Research , są najczęstszym elementem obecnej tablicy. Pływaki SOLO i SOLO-II (te ostatnie wykorzystują pompę tłokową do zmiany pływalności, w przeciwieństwie do tłoków napędzanych śrubą w innych pływakach) zostały opracowane w Scripps Institution of Oceanography . Inne typy obejmują spławik NINJA, wyprodukowany przez Tsurumi Seiki Co. z Japonii, oraz spławiki ARVOR & PROVOR opracowane przez IFREMER we Francji. Większość pływaków korzysta z czujników firmy Sea-Bird Scientific ( https://www.seabird.com/ ), która tworzy również pływak profilujący o nazwie Navis. Typowy spławik Argo to cylinder o długości nieco ponad 1 metra i średnicy 14 cm z półkulistą pokrywą. Ma więc minimalną objętość około 16 600 centymetrów sześciennych (cm 3 ). W Ocean Station Papa w Zatoce Alaska temperatura i zasolenie na powierzchni mogą wynosić około 6 °C i 32,55 części na tysiąc, co daje gęstość wody morskiej 1,0256 g/cm 3 . Na głębokości 2000 metrów (ciśnienie 2000 decybarów) temperatura może wynosić 2°C, a zasolenie 34,58 części na tysiąc. Zatem, uwzględniając wpływ ciśnienia (woda jest lekko ściśliwa), gęstość wody morskiej wynosi około 1,0369 g/cm 3 . Zmiana gęstości podzielona przez gęstość głęboką wynosi 0,0109.

Spławik musi dopasować się do tych gęstości, jeśli ma osiągnąć głębokość 2000 metrów, a następnie wynurzyć się na powierzchnię. Ponieważ gęstość pływaka jego masy do objętości, musi zmieniać swoją objętość 0,0109 x 16600 = 181 cm 3 do prowadzenia tego wycieczkę; niewielka część tej zmiany objętości jest zapewniona przez ściśliwość samego pływaka, a nadmierna pływalność jest wymagana na powierzchni, aby utrzymać antenę nad wodą. Wszystkie pływaki Argo są wyposażone w czujniki do pomiaru temperatury i zasolenia oceanu, ponieważ zmieniają się one wraz z głębokością, ale coraz większa liczba pływaków zawiera również inne czujniki, takie jak do pomiaru rozpuszczonego tlenu i ostatecznie innych zmiennych o znaczeniu biologicznym i chemicznym, takich jak chlorofil, składniki odżywcze i pH. Opracowywane jest rozszerzenie projektu Argo o nazwie BioArgo, które po wdrożeniu doda składnik biologiczny i chemiczny do tej metody pobierania próbek oceanów.

Antena do zbierania danych satelitarnych jest zamontowana na górze pływaka, który po zakończeniu wynurzania wychodzi poza powierzchnię morza. Ocean jest zasolony, stąd przewodnik elektryczny, przez co komunikacja radiowa spod powierzchni morza nie jest możliwa. Na początku programu pływaki Argo wykorzystywały wyłącznie powolną jednokierunkową komunikację satelitarną, ale większość pływaków rozmieszczonych w połowie 2013 r. wykorzystuje szybką komunikację dwukierunkową. W rezultacie pływaki Argo przesyłają teraz znacznie więcej danych niż było to możliwe wcześniej i spędzają na powierzchni morza tylko około 20 minut, a nie 8-12 godzin, co znacznie zmniejsza problemy, takie jak uziemienie i biofouling.

Średnia żywotność pływaków Argo znacznie wzrosła od początku programu, po raz pierwszy przekraczając średni okres użytkowania pływaków wdrożonych w 2005 roku.

Od czerwca 2014 r. testowano nowe typy pływaków, aby zbierać pomiary znacznie głębsze niż standardowe pływaki Argo. Te spławiki „Deep Argo” są przeznaczone do osiągania głębokości 4000 lub 6000 metrów, w przeciwieństwie do 2000 metrów w przypadku standardowych spławików. Pozwoli to na pobranie próbek z dużo większej objętości oceanu. Takie pomiary są ważne dla rozwinięcia kompleksowego zrozumienia oceanu, na przykład trendów w zawartości ciepła.

Projekt tablicy

Liczba profili zebranych przez Argo unosi się na południe od 30°S (górna krzywa) do 2012 roku w porównaniu z dostępnymi profilami zebranymi innymi metodami (niższymi) w tym okresie. Pokazuje to niemalże eliminację sezonowego nastawienia.

Pierwotny plan ogłoszony w prospekcie Argo zakładał, że odległość najbliższego sąsiedztwa między pływakami wynosi średnio 3° szerokości geograficznej na 3° długości geograficznej. Pozwoliło to na uzyskanie wyższej rozdzielczości (w kilometrach) na dużych szerokościach geograficznych, zarówno północnych, jak i południowych, i zostało uznane za konieczne ze względu na zmniejszenie promienia deformacji Rossby'ego, który rządzi skalą obiektów oceanograficznych, takich jak wiry. Do 2007 roku udało się to w dużej mierze osiągnąć, ale docelowa rozdzielczość nigdy nie została jeszcze w pełni osiągnięta w głębokim południowym oceanie.

Podejmowane są starania, aby ukończyć pierwotny plan we wszystkich częściach oceanów świata, ale jest to trudne na głębokim Oceanie Południowym, ponieważ możliwości rozmieszczenia występują bardzo rzadko.

Jak wspomniano w części poświęconej historii, obecnie planowane są ulepszenia w rejonach równikowych oceanów, w prądach granicznych i morzach marginalnych. Wymaga to zwiększenia całkowitej liczby elementów pływających z pierwotnego planu 3000 elementów pływających do macierzy 4000 elementów pływających.

Jedną z konsekwencji zastosowania pływaków profilujących do pobierania próbek oceanu jest możliwość usunięcia sezonowych odchyleń. Wykres obok pokazuje liczbę wszystkich profili pływaka uzyskanych każdego miesiąca przez Argo na południe od 30°S (górna krzywa) od początku programu do listopada 2012 r. w porównaniu z tym samym wykresem dla wszystkich innych dostępnych danych. Dolna krzywa pokazuje silne odchylenie roczne z czterokrotnie większą liczbą profili zbieranych latem australijskim niż zimą australijską. W przypadku wykresu górnego (Argo) nie ma widocznego odchylenia.

Dostęp do danych

Sekcja zasolenia wzdłuż linii daty obliczona na podstawie danych Argo przy użyciu Globalnego Atlasu Morskiego.

Jedną z krytycznych cech modelu Argo jest globalny i nieograniczony dostęp do danych w czasie zbliżonym do rzeczywistego. Kiedy pływak przesyła profil, jest on szybko konwertowany do formatu, który można umieścić w Globalnym Systemie Telekomunikacyjnym (GTS). GTS jest obsługiwany przez Światową Organizację Meteorologiczną ( WMO), w szczególności w celu udostępniania danych potrzebnych do prognozowania pogody. W ten sposób wszystkie narody, które są członkami WMO, otrzymują wszystkie profile Argo w ciągu kilku godzin od uzyskania profilu. Dane są również udostępniane przez ftp i WWW za pośrednictwem dwóch Argo Global Data Center (GDAC), jednego we Francji i jednego w USA.

Około 90% wszystkich pozyskanych profili jest udostępnianych globalnie w ciągu 24 godzin, a pozostałe profile stają się dostępne wkrótce potem.

Aby naukowiec mógł korzystać z danych uzyskanych za pośrednictwem GTS lub z Argo Global Data Centers (GDAC) wymaga umiejętności programowania. GDAC dostarczają pliki wieloprofilowe, które są natywnym formatem plików dla Ocean DataView. Na każdy dzień istnieją pliki o nazwach takich jak 20121106_prof.nc, które są nazywane plikami wieloprofilowymi. Ten przykład jest plikiem specyficznym dla dnia 6 listopada 2012 r. i zawiera wszystkie profile w jednym pliku NetCDF dla jednego basenu oceanicznego. GDAC identyfikują trzy baseny oceaniczne: Atlantycki, Indyjski i Pacyfik. W ten sposób trzy wieloprofilowe pliki będą zawierały każdy profil Argo uzyskany w tym konkretnym dniu.

Użytkownik, który chce eksplorować dane Argo, ale nie posiada umiejętności programowania, może chcieć pobrać Argo Global Marine Atlas, który jest łatwym w użyciu narzędziem, które umożliwia tworzenie produktów na podstawie danych Argo, takich jak pokazana powyżej sekcja zasolenia, ale także poziome mapy właściwości oceanów, szeregi czasowe w dowolnym miejscu itp. Atlas zawiera również przycisk „Aktualizuj”, który umożliwia okresową aktualizację danych. Argo Global Marine Atlas jest utrzymywany w Scripps Institution of Oceanography w La Jolla w Kalifornii.

Dane Argo mogą być również wyświetlane w Google Earth za pomocą warstwy opracowanej przez Koordynatora Technicznego Argo.

Wyniki danych

Liczba artykułów opublikowanych rocznie w recenzowanych czasopismach, które są w dużym stopniu lub całkowicie zależne od dostępności danych Argo na dzień 26 marca 2018 r.

Argo jest obecnie dominującym źródłem informacji o stanie klimatycznym oceanów i jest szeroko wykorzystywane w wielu publikacjach, jak widać na poniższym diagramie. Poruszane tematy obejmują interakcję powietrze-morze, prądy oceaniczne , zmienność w ciągu roku, El Niño , wiry mezoskalowe , właściwości masy wody i transformację. Argo pozwala teraz również na bezpośrednie obliczenia zawartości ciepła oceanów na świecie.

Niedawny ważny artykuł został opublikowany przez Duracka i Wijffelsa, w którym przeanalizowano globalne zmiany we wzorcach zasolenia powierzchni.

Ustalają, że obszary świata o wysokim zasoleniu powierzchni stają się coraz bardziej zasolone, a obszary świata o stosunkowo niskim zasoleniu powierzchni stają się coraz świeższe. Zostało to opisane jako „bogaci się bogacą, a biedni stają się biedniejsi”. Mówiąc naukowo, rozkłady soli zależą od różnicy między opadem a parowaniem. Obszary, takie jak północna północna część Oceanu Spokojnego , gdzie opady dominują nad parowaniem, są świeższe niż przeciętnie. Implikacją ich wyników jest to, że na Ziemi obserwujemy intensyfikację globalnego cyklu hydrologicznego . Dane Argo są również wykorzystywane do napędzania modeli komputerowych systemu klimatycznego, co prowadzi do poprawy zdolności narodów do prognozowania sezonowych zmian klimatu.

Dane Argo miały kluczowe znaczenie przy opracowywaniu Rozdziału 3 (Grupa Robocza 1) Piątego Raportu Oceniającego IPCC (wydanego we wrześniu 2013 r.), a dodatek został dodany do tego rozdziału, aby podkreślić głęboką zmianę, jaka zaszła w jakości i objętości oceanu dane od czasu Czwartego Raportu Oceniającego IPCC i wynikająca z tego poprawa pewności w opisie zmian zasolenia powierzchni i zawartości ciepła w górnych warstwach oceanu.

Dane Argo zostały wykorzystane wraz z danymi o zmianie poziomu morza z wysokościomierza satelitarnego w nowym podejściu do analizy globalnego ocieplenia , zgłoszonym w Eos w 2017 roku. David Morrison donosi, że „[d]a z tych zestawów danych wykazują wyraźne ślady depozycji ciepła w oceanie , w wyniku zmian temperatury w górnych 2 km wód i rozszerzania się wody oceanicznej w wyniku ogrzewania. Te dwa środki są mniej hałaśliwe niż temperatury lądowe i atmosferyczne”.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki