ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΥΔΡΑΕΤΟΥ ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΣΕΪΜΕΝΗΣ ΚΑΙ ΤΥΡΒΩΔΩΝ ΤΑΣΕΩΝ ΣΤΟ ΑΝΩΤΕΡΟ ΣΤΡΩΜΑ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΙΑΟΥ ΣΧΟΛΗ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΙΑΟΥ ΣΧΟΛΗ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΣΕΪΜΕΝΗΣ ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΥΔΡΑΕΤΟΥ ΚΑΙ ΤΥΡΒΩΔΩΝ ΤΑΣΕΩΝ ΣΤΟ ΑΝΩΤΕΡΟ ΣΤΡΩΜΑ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: ΑΝΑΠΛ. ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΖΕΡΒΑΚΗΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ ΜΥΤΙΛΗΝΗ 2011

2 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θέλω αρχικά να εκφράσω ένα μεγάλο ευχαριστώ στον Αναπληρωτή Καθηγητή κ. Β. Ζερβάκη για τον πολύτιμο χρόνο και την αστείρευτη γνώση που μου διέθεσε όλα αυτά τα χρόνια τόσο κατά τη διάρκεια της φοίτησής μου στο Τμήμα Επιστημών της Θάλασσας όσο και για την εκπόνηση αυτής της πτυχιακής εργασίας. Ευχαριστώ επίσης τον Υπεύθυνο του Εργαστηρίου Γεωγραφίας Φυσικών Καταστροφών, Αναπληρωτή Καθηγητή του Τμήματος Γεωγραφίας του Πανεπιστημίου Αιγαίου κ. Κ. Καλαμποκίδη για τα πολύτιμα μετεωρολογικά δεδομένα που μας διέθεσε και έπαιξαν πολύ σημαντικό ρόλο στην επιτυχή έκβαση αυτής της εργασίας. Επίσης ευχαριστώ τον καπετάνιο του σκάφους «Αμφιτρίτη» του Τμήματος Επιστημών της Θάλασσας κ. Ν. Χατζηλία για τον χρόνο που μας διέθεσε ώστε να γίνουν οι μετρήσεις. Πρέπει οπωσδήποτε να ευχαριστήσω επίσης την Υποψήφια Διδάκτορα Ζωή Κοκκίνη για την βοήθεια που μου παρείχε όποτε της ζητήθηκε και για την εθελοντική συμμετοχή της και βοήθεια στο ερευνητικό κομμάτι της πτυχιακής. Τέλος ευχαριστώ τα υπόλοιπα μέλη της Τριμελούς Εξεταστικής Επιτροπής, τον Καθηγητή κ. Α. Βελεγράκη και την Επίκουρο Καθηγήτρια κα Ε. Τράγου. 2

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ... 5 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 6 Α. Περιγραφή Επιφανειακών Ρευμάτων... 6 Α.1 Ανεμογενή Ρεύματα... 7 Α.2 Κυματογενή Ρεύματα Α.3 Γεωστροφικά Ρεύματα Β. Τρόποι Μέτρησης Επιφανειακών Ρευμάτων Β.1 Μετρήσεις Τύπου Euler Β.2 Μετρήσεις Τύπου Lagrange Β.3 Ελεύθερα Παρασυρόμενοι Επιφανειακοί Πλωτήρες (Drifters) B.4 Windage (Σφάλμα Drifter) Γ. Τριβή στη Θάλασσα Wind Stress Δ. Law οf The Wall Νόμος Του Τείχους Ε. Συντελεστής Τυρβώδους Διάχυσης (Κ) Eddy Diffusivity ΣΤ. Στόχος της Παρούσας Μελέτης ΥΛΙΚΑ & ΜΕΘΟΔΟΙ Α. Περιγραφή Drifter - Υδραετού Α.1 Δομή Υδραετού A.2 Περιγραφή Ακουστικoύ Τομογράφου Ρευμάτων Aquadopp Profiler Α.3 Περιγραφή Φαινομένου Doppler Α.4 Σύστημα συντεταγμένων Α.5 Αβεβαιότητα Ταχύτητας B. Περιγραφή MATLAB Β.1 Η εντολή polyfit Γ. Μεθοδολογία Γ.1 Προετοιμασία Drifter Υδραετού

4 Γ.2 Εργασίες Πεδίου Γ.3 Ανάλυση Μετεωρολογικών Δεδομένων Γ.4 Μεθοδολογία Ανάλυσης Δεδομένων ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Α.1 Μετεωρολογικά Δεδομένα Α.2 Διόρθωση Πίεσης A.3 Εκτίμηση Windage (σφάλμα ταχύτητας) του Drifter ΣΥΖΗΤΗΣΗ 72 ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΞΕΝΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΔΙΑΔΙΚΤΥΟ

5 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα πτυχιακή εργασία γίνεται η μελέτη της συμπεριφοράς και λειτουργίας ενός πρότυπου υδραετού, κατασκευής του Τμήματος Επιστημών της Θάλασσας του Πανεπιστημίου Αιγαίου, ο οποίος παρασύρεται από τα ρεύματα του νερού και είναι εξοπλισμένος με σύστημα αναφοράς θέσης. Έχει ένα μικρό σφάλμα στην ταχύτητα το οποίο είναι πιθανόν αποτέλεσμα της οπισθέλκουσας του ανέμου και των δυνάμεων των επιφανειακών κυμάτων. Επίσης γίνεται εκτίμηση των τυρβωδών τάσεων στο ανώτερο στρώμα της θάλασσας. 5

6 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο ωκεανός δεν είναι καλά γνωστός στον άνθρωπο. Αυτά που γνωρίζουμε βασίζονται σε δεδομένα που έχουν συγκεντρωθεί από ωκεανογραφικές αποστολές που έχουν γίνει με πλοία σε διάστημα μικρότερο ενός αιώνα και έχουν συμπληρωθεί από δορυφορικά δεδομένα που συλλέγονται από το Πλέον όλες οι παρατηρήσεις για τον ωκεανό στηρίζονται σε πειράματα και μετρήσεις που γίνονται από τους δορυφόρους, από αυτόνομα όργανα και από ελεύθερα παρασυρόμενους πλωτήρες (Stewart, 2008). Α. Περιγραφή Επιφανειακών Ρευμάτων Το θαλάσσιο ρεύμα είναι η κίνηση του θαλάσσιου νερού με μεταφορά ύλης προς κάποια κατεύθυνση. Ένα θαλάσσιο ρεύμα χαρακτηρίζεται από την αντίστοιχη ταχύτητα και διεύθυνση. Η ταχύτητα μετράται σε κόμβους (ναυτικά μίλια / h) ή σε μικρότερες μονάδες (ναυτικά μίλια / 24h), ενώ σε θεωρητικό επίπεδο χρησιμοποιείται η μονάδα cm / sec. Η κατεύθυνση καθορίζεται σε μοίρες ως προς τον βορρά (αντίθετα δηλαδή από τον καθορισμό των κυμάτων που γίνεται με βάση το σημείο του ορίζοντα από το οποίο ξεκινά ο άνεμος (Σακελλαριάδου, 2007). Ο όρος ρεύμα αναφέρεται συνήθως σε νερό που ρέει οριζόντια (δηλαδή παράλληλα με την επιφάνεια του ωκεανού) αλλά μάζες νερού μπορούν επίσης να κινηθούν κάθετα (Garrison, 2002). Το νερό των επιφανειακών ρευμάτων αντιστοιχεί περίπου στο 10% των νερών του παγκόσμιου ωκεανού. Η κίνηση των επιφανειακών ρευμάτων γίνεται στα ανώτερα 400 μέτρα της επιφάνειας του ωκεανού και οφείλεται κυρίως στην τριβή απ τον άνεμο (Garrison, 2002). Οι ατμοσφαιρικές συνθήκες επιδρούν συνεχώς στην επιφάνεια του ωκεανού. Οι θαλάσσιες μάζες τίθενται σε κίνηση και παρασύρονται λόγω της τριβής που ασκεί ο άνεμος στην επιφάνεια όπως επίσης η ηλιακή ενέργεια, η εξάτμιση και οι κατακρημνίσεις, μεταβάλλουν συνεχώς την πυκνότητα του θαλασσινού νερού. Η συσσώρευση θαλασσίων μαζών σε μια περιοχή και η διαφοροποίηση της πυκνότητας οδηγούν σε οριζόντιες διαφορές πίεσης στο εσωτερικό με αποτέλεσμα τη ροή των μαζών για την αποκατάσταση αυτής της ισορροπίας. 6

7 Η κίνηση των επιφανειακών ρευμάτων θα μπορούσε να εξεταστεί με απλό τρόπο αν η Γή ήταν ακίνητη. Όμως η περιστροφή της Γής προσθέτει την παράμετρο Coriolis (2ΩVημφ). Έτσι η κίνηση αλλάζει ανάλογα με το γεωγραφικό πλάτος φ και την ταχύτητα V του ρεύματος, αφού το Ω είναι η γωνιακή ταχύτητα της Γής και είναι σταθερή. Η πορεία των ρευμάτων εκτρέπεται προς τα δεξιά στο Βόρειο ημισφαίριο και προς τα αριστερά στο Νότιο. Α.1 Ανεμογενή Ρεύματα Ο άνεμος που πνέει πάνω στη επιφάνεια της θάλασσας, μεταφέρει ενέργεια στα επιφανειακά στρώματα της θάλασσας. Το ένα μέρος της ενέργειας αυτής καταναλώνεται στα επιφανειακά κύματα βαρύτητας (που οδηγεί σε μια μικρή καθαρή κίνηση του νερού προς την κατεύθυνση της διάδοσης των κυμάτων), ενώ το υπόλοιπο της ενέργειας με την τριβή που ασκεί στην επιφάνεια της θάλασσας παρασύρει το επιφανειακό νερό και προκαλεί τα ρεύματα. Οι διεργασίες μέσω των οποίων η ενέργεια μεταφέρεται μεταξύ των κυμάτων και των ρευμάτων είναι πολύπλοκες. Για παράδειγμα, δεν είναι μια απλή διαδικασία να ερευνηθεί πόση ενέργεια διαλύεται κατά το σπάσιμο ενός κύματος και πόση μεταφέρεται με τα επιφανειακά ρεύματα (Open University, 1989). Παρόλα αυτά είναι δυνατό να γίνουν κάποιες γενικές προτάσεις και προβλέψεις για τη δράση του ανέμου πάνω στη θάλασσα. Είναι όμως εμπειρικά γνωστό ότι όσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα του ανέμου τόσο ισχυρότερη θα είναι η δύναμη που ασκείται από αυτόν στην επιφάνεια της θάλασσας και τόσο ταχύτερο θα είναι το επιφανειακό ρεύμα(θεοδώρου, 2004). Προσεκτικά πειράματα και μετρήσεις στο πεδίο δείχνουν ότι η πραγματική ταχύτητα του ρεύματος που προκύπτει από τον άνεμο, είναι ένα μικρό κλάσμα της ταχύτητας του ανέμου επειδή η μεταφορά ενέργειας από τον άνεμο στο νερό είναι μια όχι τόσο αποδοτική διεργασία. Η ταχύτητα του επιφανειακού ρεύματος είναι περίπου ίση με το 3-4% της ταχύτητας του ανέμου πάνω από το οριακό στρώμα, Αυτό σημαίνει ότι άνεμος που πνέει με 50 χιλιόμετρα ανά ώρα θα παράγει επιφανειακό ρεύμα που ρέει με ταχύτητα περίπου 1,5 με 2 χιλιόμετρα ανά ώρα (Pinet, 2009). Η σχέση αυτή της ταχύτητας μεταξύ του ανέμου και των επιφανειακών νερών είναι απλουστευμένη γιατί η μεταφορά ενέργειας από τον άνεμο στη θάλασσα συνιστά πολυσύνθετη διαδικασία (Παπαθεοδώρου, 2011). 7

8 Η επίδραση του ανέμου στην επιφάνεια της θάλασσας μεταδίδεται μέσα στην υδάτινη στήλη λόγω της εσωτερικής τριβής. Όλη αυτή η διαδικασία μεταφοράς ενέργειας από τον άνεμο στην επιφάνεια της θάλασσας γίνεται λόγω της εσωτερικής τριβής, η οποία οφείλεται σε στροβιλοειδείς κινήσεις και όχι μοριακές όπως στο υπόλοιπο περιβάλλον. Το μέγεθος της στροβιλοειδούς εσωτερικής τριβής εξαρτάται από το βαθμό στρωμάτωσης της υδάτινης στήλης. Αυτό έχει πολύ μεγάλη σημασία για τα ανεμογενή ρεύματα αφού με μοριακές διεργασίες η επίδραση του ανέμου θα έφτανε το πολύ 2 m βάθος μόνο. Επίσης το γεγονός ότι η Γη περιστρέφεται γύρω από τον άξονά της έχει αξιοσημείωτες συνέπειες και στην περιγραφή των ανεμογενών κυμάτων. Η φορά των καθαρά ανεμογενών ρευμάτων διαφέρει από τη φορά του ανέμου και μεταβάλλεται σημαντικά με το βάθος, αλλά τείνει να πλησιάζει προς τη φορά του ανέμου όσο τα νερά γίνονται πιο ρηχά (Μέμος, 2005). Όταν σταθερός άνεμος πνέει στην επιφάνεια της θάλασσας, παράγει ένα λεπτό οριζόντιο οριακό στρώμα (μερικών εκατοντάδων μέτρων), το στρώμα Ekman. Ονομάστηκε έτσι από τον καθηγητή W. Ekman ο οποίος εργάστηκε πάνω σε αυτό στην διδακτορική του διατριβή. Η εργασία του Ekman ήταν η πρώτη από μια αξιόλογη σειρά μελετών που πραγματοποιήθηκαν το πρώτο μισό του εικοστού αιώνα η οποία έδειξε με ποιον τρόπο ο άνεμος κατευθύνει την ωκεάνια κυκλοφορία (Stewart, 2008). Ο Ekman με αφορμή μια έρευνα του εξερευνητή Νάνσεν το 1986, δημοσίευσε το 1905 αποτελέσματα μιας μαθηματικής προσομοίωσης. Ο Νάνσεν είχε παρατηρήσει σε μια έρευνα στον Αρκτικό Ωκεανό ότι τα παγόβουνα δεν κινούνταν στη διεύθυνση του ανέμου αλλά σε διεύθυνση με δεξιόστροφη γωνία Ο Ekman σχεδίασε ένα ομοίωμα στο οποίο υπέθεσε ότι ο άνεμος που πνέει πάνω από τον ωκεανό απείρου βάθους και σταθερής πυκνότητας είναι σταθερός. Με την γένεση του θαλάσσιου ρεύματος, επιδρούν σε αυτό η Κοριόλεια δύναμη και οι δυνάμεις εσωτερικής τριβής ή δυνάμεις ιξώδους. Στο Βόρειο ημισφαίριο, λόγω της επίδρασης της Κοριόλειας δύναμης, ένα αντικείμενο θα ακολουθήσει μια διαδρομή που θα αποκλίνει δεξιά από την κατεύθυνση που θα είχε εάν δεν υπήρχε η περιστροφή της Γής ανατολικά, ενώ στο Νότιο ημισφαίριο η απόκλιση θα είναι προς τα αριστερά. Το 8

9 φαινόμενο αυτό παρατηρείται στην κίνηση ανέμων, υδάτων, ποταμών και ωκεάνιων ρευμάτων. Έτσι στον άπειρο αριθμό στρωμάτων που αποτελούν την υδάτινη αυτή στήλη, εξέτασε την ισορροπία των δυνάμεων (τριβή και Κοριόλεια) και το ομοίωμα έδειξε ότι στο βόρειο (νότιο) ημισφαίριο η Κοριόλεια δύναμη τείνει να εκτρέψει το επιφανειακό νερό δεξιόστροφα (αριστερόστροφα), ενώ η δύναμη του ανέμου προσπαθεί να το επαναφέρει στην ίδια με εκείνον διεύθυνση. Τη στιγμή που θα υπάρξει ισορροπία μεταξύ των δύο αυτών δυνάμεων η διεύθυνση ροής του επιφανειακού ρεύματος σχηματίζει γωνία 45 δεξιόστροφα (αριστερόστροφα) με τη διεύθυνση από την οποία πνέει ο άνεμος. Η ταχύτητα του ρεύματος μειώνεται με το βάθος και κάθε στρώμα νερού τίθεται σε κίνηση πιο δεξιά (αριστερά) από το υπερκείμενό του λόγω της Κοριόλειας δύναμης (Εικόνα 1). Λόγω του γεωμετρικού σχήματος που προκύπτει, η κλασσική λύση που παρέθεσε ο Ekman στα ανεμογενή ρεύματα λέγεται σπιράλ του Ekman. Η ταχύτητα του ρεύματος εξαρτάται από την ταχύτητα του ανέμου, τη σταθερότητά του, τη χρονική του διάρκεια και από άλλους παράγοντες. Γενικά όμως το 2% περίπου της ταχύτητας του ανέμου, ή λίγο λιγότερο, αποτελεί ένα καλό μέσο όρο εντάσεως του ρεύματος για βαθιά νερά, στην επιφάνεια των οποίων πνέει σταθερά ο άνεμος για 12 ώρες τουλάχιστον. Εικόνα 1: Προσομοίωση ανεμογενών ρευμάτων σύμφωνα με τον Ekman (Πηγή: Θεοδώρου, 2004) 9

10 Το σημαντικότερο αποτέλεσμα όμως είναι η μεταφορά Ekman. Όπως φαίνεται στην Εικόνα 1 η δύναμη του ανέμου (W) και η Κοριόλεια (K) σε κατάσταση ισορροπίας αντισταθμίζουν η μια την άλλη και έτσι το μέσο ρεύμα κινείται κάθετα ως προς τη διεύθυνση του ανέμου, δεξιόστροφα στο βόρειο ημισφαίριο (αριστερόστροφα στο νότιο). Ο συνολικός όγκος νερού ανά δευτερόλεπτο του στρώματος που επηρεάζει ο άνεμος μεταφέρεται σε διεύθυνση κάθετη προς τη διεύθυνση του ανέμου (Θεωδόρου, 2004). Α.2 Κυματογενή Ρεύματα Οι κορυφές των κυμάτων συνήθως κτυπούν μια παραλία υπό γωνία (Εικόνα 2.α), δημιουργώντας μια συνιστώσα της ροής του νερού προς την ακτή και μια συνιστώσα κατά μήκος της ακτής(εικόνα 2.β). Η συνιστώσα κατά μήκος της ακτής δημιουργεί ένα παράκτιο ρεύμα (Εικόνα 2.γ). Η θραύση των κυμάτων προκαλεί καθαρή μετατόπιση του νερού το οποίο κινείται σε τεθλασμένη πορεία (Εικόνα 2.β). Έτσι το παράκτιο κυματογενές ρεύμα ρέει μόνο μέσα στη ζώνη θραύσεως και μεταφέρει σημαντικές ποσότητες άμμου. Μερικές φορές τα παράκτια ρεύματα συγκλίνουν (Εικόνα 2.γ). Στη περίπτωση αυτή το νερό επιστρέφει στη θάλασσα ως μεγάλης ταχύτητας και μικρού πλάτους κυματογενές ρεύμα επιστροφής και γίνεται αντιληπτό από τον αφρό, που οφείλεται στα επιπλέοντα σωματίδια που μεταφέρονται προς την θάλασσα (Θεοδώρου, 2004). Όσο πιο μεγάλη είναι η γωνία με την οποία το κύμα προσεγγίζει την ακτή, τόσο πιο δυνατό είναι το παράκτιο κυματογενές ρεύμα (Pinet, 2009). Το κυματογενές ρεύμα εξαρτάται τόσο από το Eddy viscosity (ιξώδες) όσο και από το στροβιλισμό της Γής (Weber, 1982). 10

11 Εικόνα 2α: Τα κύματα προσεγγίζουν την παραλία υπό γωνία (Πηγή: Pinet, 2009) Εικόνα 2.β: Παράκτια συνιστώσα και συνιστώσα προς την ακτή (Πηγή: Pinet, 2009) 11

12 Εικόνα 2.γ: Παράκτιο κυματογενές ρεύμα (Πηγή: Pinet, 2009) Α.3 Γεωστροφικά Ρεύματα Μέσα στο εσωτερικό των ωκεανών μακριά από το ανώτερα και κατώτερα σημεία του στρώματος Ekman για οριζόντιες αποστάσεις που ξεπερνούν τις μερικές δεκάδες χιλιομέτρων και για περιόδους λίγο περισσότερο από μέρες, οι οριζόντιες βαθμίδες πίεσης εξισορροπούν σχεδόν ακριβώς την δύναμη Coriolis που προκύπτει από τα οριζόντια ρεύματα. Αυτή η ισορροπία είναι γνωστή ως γεωστροφική ισορροπία (Stewart, 2008). Αν το δούμε πιο αναλυτικά, στα νερά του ωκεανού γίνονται κάποιες ανακατατάξεις οι οποίες οφείλονται στην Κοριόλεια εκτροπή. Στο βόρειο ημισφαίριο λοιπόν η Κοριόλεια εκτροπή συνεπάγεται τη μετατόπιση των μικρότερης πυκνότητας θερμότερων υδάτων στη δεξιά πλευρά της ροής, ενώ στα αριστερά της τελευταίας ψυχρότερες υδάτινες μάζες ανέρχονται για να τις αντικαταστήσουν. Οι ανακατατάξεις αυτές προσδίδουν σημαντική κλίση στην επιφάνεια της θάλασσας (Εικόνα 3.α) όσο και στις ισόθερμες (Εικόνα 3.β). Η κλίση της επιφάνειας της θάλασσας προκαλεί εγκάρσιες μεταβολές της υδροστατικής πίεσης. Έτσι, το νερό τείνει να κινηθεί από την υψηλή προς τη χαμηλή 12

13 πίεση. Η δύναμη που το παρασύρει ονομάζεται δύναμη της οριζόντιας βαθμίδας πίεσης και έχει φορά από τις υψηλές προς τις χαμηλές πιέσεις (Εικόνα 3.γ). Όμως μόλις το νερό κινηθεί προς τη χαμηλή πίεση, εκτρέπεται από την Κοριόλεια επίδραση προς τα δεξιά (βόρειο ημισφαίριο) και, όταν τελικά επιτευχθεί ισορροπία δυνάμεων, η ροή είναι βόρεια. Το ρεύμα που προκύπτει από την ισορροπία της οριζόντιας βαθμίδας πίεσης και της Κοριόλειας εκτροπής ονομάζεται γεωστροφικό ρεύμα (Θεοδώρου, 2004). Εικόνα 3: Συνέπειες της Κοριόλειας εκτροπής (βόρειο ημισφαίριο): (α) Κλίση επιφάνειας της θάλασσας. (β) Κατανομή της θερμοκρασίας σε εγκάρσια τομή γεωστροφικού ρεύματος. (γ) Γεωστροφική ισορροπία δυνάμεων. (Πηγή: Θεοδώρου, 2004) Η γεωστροφική προσομοίωση προϋποθέτει ότι η ροή είναι χρονικά σταθερή και δεν ασκούνται τριβές. Σχεδόν όλα τα επιφανειακά ρεύματα που συνθέτουν την μεγάλης κλίμακας ωκεάνια κυκλοφορία συνίστανται από ανεμογενείς και γεωστροφικές συνιστώσες. Ο άνεμος είναι το βασικό γενεσιουργό αίτιο των περισσότερων επιφανειακών ρευμάτων, αλλά γεωστροφικές επιδράσεις επιτρέπουν τη συνέχιση της ροής, ακόμη και όταν ο άνεμος έχει παύσει να πνέει. 13

14 Γεωστροφικά ρεύματα μπορούν να δημιουργηθούν είτε σε βαροτροπικές είτε σε βαροκλινικές συνθήκες (Εικόνα 4). Βαροτροπικές συνθήκες έχουμε όταν οι ισοβαρικές επιφάνειες, δηλαδή οι επιφάνειες ίσης πίεσης, είναι παράλληλες όχι μόνο με την επιφάνεια της θάλασσας αλλά επίσης και με τις επιφάνειες σταθερής πυκνότητας. Εδώ η μεταβολή της πίεσης σε μια οριζόντια επιφάνεια καθορίζεται μόνο από την κλίση της επιφάνειας της θάλασσας και έτσι οι ισοβαρικές επιφάνειες είναι παράλληλες με την επιφάνεια της θάλασσας και το γεωστροφικό ρεύμα δε μεταβάλλεται με το βάθος. Αντίθετα στις βαροκλινικές συνθήκες, υπάρχουν εγκάρσιες μεταβολές πυκνότητας και οι ισοβαρικές επιφάνειες δεν είναι παράλληλες με την επιφάνεια της θάλασσας. Στη περίπτωση αυτή, οι ισοβαρικές επιφάνειες τέμνουν τις ισόπυκνες, γιατί οι πρώτες κλίνουν σε αντίθετη κατεύθυνση με τις δεύτερες. Στις βαροκλινικές συνθήκες η γεωστροφική ταχύτητα μειώνεται με το βάθος και κάτω από το βάθος όπου η ισοβαρική επιφάνεια είναι οριζόντια, το γεωστροφικό ρεύμα αλλάζει φορά. Οι κλίσεις της επιφάνειας θάλασσας που σχετίζονται με τα γεωστροφικά ρεύματα είναι πολύ μικρές και έτσι η εντόπισή τους είναι εξαιρετικά δύσκολη και ακόμα περισσότερο η μέτρησή τους. Όμως όταν οι συνθήκες είναι βαροκλινικές, οι ισόπυκνες επιφάνειες έχουν κλίσεις εκατονταπλάσιες των ισοβαρικών και είναι μετρήσιμες. Έτσι στη πράξη το γεωστροφικό ρεύμα υπολογίζεται από την κατανομή της πυκνότητας με το βάθος, δηλαδή από την κλίση των ισόπυκνων επιφανειών. 14

15 Εικόνα 4: Βαροτροπικές και βαροκλινικές συνθήκες (Πηγή: Open University, 1988) Β. Τρόποι Μέτρησης Επιφανειακών Ρευμάτων Στοιχεία ρευμάτων δεν υπάρχουν εν γένει στην Ελλάδα παρά σε ορισμένες μόνο περιοχές. Από την άλλη μεριά είναι πολύ δύσκολο να γίνουν αξιόπιστες εκτιμήσεις των ρευμάτων (ταχύτητα, κατεύθυνση) από ανεμολογικά ή άλλα στοιχεία όπως μπορεί να γίνει για τους κυματισμούς. Έτσι πολύ συχνά καταφεύγουμε σε ένα πρόγραμμα ρευματομετρήσεων στη θαλάσσια περιοχή που θέλουμε να μελετήσουμε. Τα ρεύματα στην παράκτια ζώνη χαρακτηρίζονται από μεταβλητότητα τόσο ως προς το βάθος όσο και ως προς το χρόνο. Υπάρχουν δύο κύριοι μέθοδοι άμεσης μέτρησης των επιφανειακών ρευμάτων (Μέμος, 2005). Η πρώτη είναι η μέθοδος κατά Euler, από τον Ελβετό μαθηματικό Leonard Euler, σύμφωνα με την οποία ορίζεται ένα συγκεκριμένο σταθερό σημείο στον θαλάσσιο χώρο και στη συνέχεια μελετάται η χρονική μεταβολή της ταχύτητας και διεύθυνσης του θαλάσσιου ρεύματος στο σημείο αυτό. Η μέτρηση γίνεται χρησιμοποιώντας ρευματόμετρα και ρευματογράφους. Η δεύτερη είναι η μέθοδος κατά Lagrange από τον Ιταλό μαθηματικό Joseph Lagrange, στην οποία χρησιμοποιείται ένας επιφανειακός πλωτήρας ο οποίος παρασύρεται μαζί με το νερό (Pinet, 2009). Σύμφωνα με αυτό τον τρόπο, ορίζεται ένα συγκεκριμένο υλικό σημείο που κατά την αρχή των χρόνων (t=t 0 ) κατείχε μια συγκεκριμένη θέση στο χώρο και παρακολουθείται η τροχιά που διαγράφει. Η μέτρηση γίνεται με κατάλληλα όργανα που δρουν ουσιαστικά ως 15

16 υποθαλάσσιο πανί. Η κίνησή τους πρέπει να ταυτίζεται με τη ροή του νερού και όχι την κίνηση του αέρα (Σακελλαριάδου, 2007). Β.1 Μετρήσεις Τύπου Euler Οι μετρητές ρευμάτων τύπου Euler τοποθετούνται σε συστήματα πλωτήρων οι οποίοι είναι προσκολλημένοι σε καλώδια που είναι αγκυροβολημένα στον πυθμένα της θάλασσας. Αφού τοποθετηθούν σε κατάλληλες θέσεις από τα πλοία, τα συστήματα μετρητών ρευμάτων παραμένουν στην θέση τους για ένα προκαθορισμένο χρονικό διάστημα - ημερών, εβδομάδων, μηνών - ανάλογα με τους στόχους της κάθε έρευνας. Στο κάθε καλώδιο μπορούν να τοποθετηθούν αρκετοί μετρητές ρευμάτων (Εικόνα 5). Εικόνα 5: Μετρητές ρευμάτων τύπου Euler (Πηγή: Pinet, 2009) Οι μετρητές ρευμάτων προσανατολίζονται με την κίνηση του ρεύματος του νερού με τη βοήθεια ενός πτερυγίου κατά τρόπο ίδιο με αυτό που ο αέρας προσανατολίζει έναν ανεμοδείκτη. Η ταχύτητα του ρεύματος μετράται από ένα υδραυλικό στροφείο, 16

17 συνήθως μια προπέλα, που περιστρέφεται από την δύναμη του ρεύματος. Σε ιδανικές περιπτώσεις χρησιμοποιείται και αισθητήρας πίεσης για να καταγράφεται η απόκλιση από το επιθυμητό βάθος πόντισης του οργάνου. Αυτές οι μετρήσεις, της κατεύθυνσης και της ταχύτητας του ρεύματος καταγράφονται απ ευθείας στην μνήμη ενός τσιπ. Το σύστημα μετρητών περισυλλέγεται αργότερα με τη χρήση ενός ακουστικού σήματος το οποίο ενεργοποιεί μια ακουστική σύνδεση η οποία αποσυνδέει το καλώδιο και το πακέτο των οργάνων από την άγκυρα. Εναλλακτικά μπορεί να παρέχεται σύστημα μετάδοσης των δεδομένων κυρίως δορυφορικά (Pinet, 2009). Ένας νέος μηχανισμός μέτρησης ρευμάτων αλλά ακριβός, το ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler), έχει σχεδιαστεί για να μετράει το ρεύμα σε διαφορετικά βάθη. Αυτός ο μηχανισμός μπορεί να εγκατασταθεί είτε στην καρίνα ενός ερευνητικού σκάφους είτε να τοποθετηθεί στον βυθό (Εικόνα 6). Εικόνα 6: Acoustic Doppler Current Meter (Πηγή: Pinet, 2009) Αυτός ο μηχανισμός στηρίζεται στο φαινόμενο Doppler, το οποίο σε μια απλή περίπτωση υφίσταται όταν περνάει ένα τρένο μπροστά από έναν παρατηρητή σε σχετική κίνηση και υπάρχει αλλαγή της συχνότητας και της έντασης του ήχου. Το τρένο που πλησιάζει έχει μια αυξανόμενη ένταση του ήχου του ενώ αυτό που απομακρύνεται παρουσιάζει μείωση στην ένταση του ήχου. Στην ουσία, το όργανο 17

18 εκπέμπει μικρούς ακουστικούς παλμούς σε διαφορετικές κατευθύνσεις. Αυτοί οι παλμοί αντανακλώνται από τα μικροσκοπικά σωματίδια που αιωρούνται στο νερό που εκτείνεται σε απόσταση μεταξύ των 100 μέτρων από τον ρευματογράφο. Η ταχύτητα και η κατεύθυνση του ρεύματος καταγράφονται από τα σωματίδια που παρασύρονται μακριά από τον ρευματογράφο ή προς αυτόν δημιουργώντας το φαινόμενο Doppler. Β.2 Μετρήσεις Τύπου Lagrange Η τεχνική αυτή περιλαμβάνει απλές συσκευές που ποντίζονται σε γνωστά σημεία της θαλάσσιας περιοχής και παρασύρονται από τα ρεύματα που επικρατούν στο βάθος που τοποθετείται η συσκευή. Διακρίνονται οι συσκευές που παρακολουθούνται κατά τη διάρκεια του ταξιδιού τους (drogues) και απλούστερες συσκευές που ανασύρονται εκ των υστέρων στη γύρω περιοχή γνωρίζοντας μόνο την τελική τους θέση (απλοί ιχνηλάτες, drifters). Η παρακολούθηση στην πρώτη περίπτωση γίνεται είτε με κατάλληλη σήμανση της σημαδούρας που παρακολουθεί τον ιχνηλάτη (σχήμα) ή με φανό ή με αντανακλαστή ραντάρ κλπ. Τα στοιχεία από αυτή την παρακολούθηση δίνουν την ταχύτητα κατά μέτρο και φορά της συσκευής άρα και του συμπαρασύροντος ρεύματος. Οι τεχνικές τύπου Lagrange ακολουθούν τα σωματίδια του νερού, δηλαδή οι παρατηρήσεις γίνονται από σημείο που κινείται μαζί με το ρευστό. Οι τεχνικές τύπου Euler μετράνε την ταχύτητα του νερού σε σταθερή θέση (Stewart, 2008). Έτσι, η παρατήρηση κατά Lagrange αφορά την ίδια πάντα μάζα ρευστού, ενώ στην παρατήρηση κατά Euler καταγράφουμε διαφορετικές μάζες ρευστού που διέρχεται κάθε φορά από τον αισθητήρα μας (Ζερβάκης, 2010). Η ανάλυση των ανεμογενών και κυματογενών ρευμάτων βασίζεται στην Λαγκραντζιανή περιγραφή της κίνησης (Weber, 1982). Β.3 Ελεύθερα Παρασυρόμενοι Επιφανειακοί Πλωτήρες (Drifters) Η λειτουργία των ελεύθερα παρασυρόμενων επιφανειακών πλωτήρων στηρίζεται στις μετρήσεις τύπου Lagrange και αποτελούν τον πιο απλό τρόπο για να μετρήσει κάποιος την ταχύτητα των ρευμάτων. Αποτελούνται από έναν μεγάλο υδραετό ο 18

19 οποίος δίνει την δυνατότητα στην όλη διάταξη να παρασυρθεί με την κίνηση του νερού στο βάθος που βρίσκεται ο υδραετός και μπορεί να είναι είτε τετραγωνικός είτε σε σχήμα αλεξίπτωτου (Εικόνες 7α, 7β). Για να παραμένει ο υδραετός σε σταθερό βάθος υπάρχει ένας επιφανειακός πλωτήρας που του παρέχει την απαραίτητη πλευστότητα και μέσα στον οποίο πολλές φορές τοποθετούνται ηλεκτρονικά για τον εντοπισμό του στίγματος και ένας υποεπιφανειακός υδραετός κυλινδρικού σχήματος που ποντίζεται στο επιθυμητό βάθος μέτρησης ρευμάτων. Εικόνα 7α: Υδραετός σχήματος αλεξίπτωτου (Πηγή: Baker, 1981) Εικόνα 7β: Τετραγωνικός υδραετός (Πηγή: 19

20 Τα τελευταία χρόνια χρησιμοποιείται ευρέως ένας τύπος πλωτήρα με την ονομασία CODE/Davis drifter. Ο συγκεκριμένος πλωτήρας σχεδιάστηκε από τον Russ Davis το 1982 για την καταγραφή των επιφανειακών ρευμάτων σε παράκτιες περιοχές κατά την διάρκεια του πειράματος CODE στο San Francisco. Ο πλωτήρας αυτός αποτελείται από έναν υδραετό του οποίου τα ορθογώνια ιστία σχηματίζουν σταυρό και στις επιφανειακές αντένες του αναρτώνται μικροί πλωτήρες που εξασφαλίζουν την παρακολούθηση του νερού από τον πλωτήρα και την παρακολούθηση της στιγμιαίας κλίσης της θάλασσας (μεταβαλλόμενης λόγω του κυματισμού). Η γάστρα με τα ηλεκτρονικά αποτελεί και τον κεντρικό άξονα του σταυροειδούς υδραετού. Η επικοινωνία εξασφαλίζεται μέσω UHF ή ARGOS και ο καθορισμός στίγματος μέσω GPS. Tο Τμήμα Επιστημών της Θάλασσας του Πανεπιστημίου Αιγαίου έχει προσθέσει άλλη μια επιλογή, με την χρήση της κινητής τηλεφωνίας για την επικοινωνία με το σταθμό βάσης. Είναι μια λύση χαμηλού κόστους για την καταγραφή της θαλάσσιας κυκλοφορίας σε λεκάνες μεγέθους έως και του Αιγαίου. B.4 Windage (Σφάλμα Drifter) Το Windage είναι μια δύναμη που προκαλείται σ ένα αντικείμενο από την τριβή όταν υπάρχει σχετική κίνηση μεταξύ του αέρα και του αντικειμένου. Μπορεί να προκληθεί είτε γιατί το αντικείμενο κινείται και επιβραδύνεται από την αντίσταση του αέρα, είτε γιατί ο άνεμος που φυσά παράγει δύναμη πάνω στο αντικείμενο. Οι ελεύθερα παρασυρόμενοι πλωτήρες έχουν κάποιο σφάλμα στις μετρήσεις ταχύτητας που καταγράφουν και αυτό αποτελεί το κύριο μειονέκτημά τους. Είναι σχεδιασμένοι να καταγράφουν την ταχύτητα στο βάθος που έχει ποντιστεί ο υδραετός αλλά υπάρχουν και κάποια μέρη που παραμένουν πάνω από την επιφάνεια του νερού, όπως οι πλωτήρες πλευστότητας και το συνδετικό σχοινί τα οποία είναι εκτεθειμένα στον αέρα. Έτσι υπάρχουν επιπλέον δυνάμεις που ασκούνται στον drifter, προκαλώντας την απόκλιση από την καταγραφή της ταχύτητας στο βάθος στο οποίο βρίσκεται ο υδραετός (Ζερβάκης, 2010). Οι δυνάμεις του ανέμου που ασκούνται στα ανώτερα μέρη του πλωτήρα και οι κινήσεις ταλάντωσης που οφείλονται στα επιφανειακά κύματα εμποδίζουν τον πλωτήρα να ακολουθήσει με ακρίβεια μια μάζα νερού (Manning et all, 2006). Η επίδραση του ανέμου στους πλωτήρες μπορεί να 20

21 μειωθεί αν διατηρηθούν στην επιφάνεια πάνω απ το νερό όσο το δυνατόν λιγότερα μέρη του πλωτήρα. Ακόμα κι έτσι όμως οι αληθινές επιδράσεις του windage είναι άγνωστες. Αποτελέσματα δείχνουν ότι το slippage μπορεί να είναι της τάξης του 1% της ταχύτητας του ανέμου συμπεριλαμβανομένων των επιδράσεων από τα κύματα (Baker, 1981). Γ. Τριβή στη Θάλασσα Wind Stress Όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενη παράγραφο, είναι δύσκολο να ερευνήσουμε το ποσό της ενέργειας που μεταφέρεται από την ατμόσφαιρα στη θάλασσα μέσω του ανέμου είναι όμως εφικτό να προβλέψουμε και να αναλύσουμε τη δράση των ανέμων πάνω στην επιφάνεια της θάλασσας. Όσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα του ανέμου τόσο πιο μεγάλη θα είναι η εφαπτομενική δύναμη τριβής που ασκείται στα επιφανειακά στρώματα της θάλασσας και τόσο δυνατότερο το επιφανειακό ρεύμα που γεννάται. Η οριζόντια δύναμη τριβής που επιδρά στην επιφάνεια της θάλασσας ως αποτέλεσμα του ανέμου που πνέει, ονομάζεται wind stress (Open University, 1988). Όταν ο τομέας που εξετάζεται είναι μεγάλος, η χωρική δομή του πεδίου ανέμων όπως το wind stress είναι σημαντική και μπορεί να έχει πολύ μεγάλη επίδραση στα ρεύματα (Edwards et al. 2006). Το wind stress με άλλα λόγια είναι η κάθετη μεταφορά της οριζόντιας ορμής. Έτσι ορμή μεταφέρεται από την ατμόσφαιρα στον ωκεανό μέσω του wind stress (Stewart, 2008). Το wind stress (Τ) υπολογίζεται από: Τ = ρ α C D U 2 10 όπου ρ α = 1,3 Kg / m 3 είναι η πυκνότητα του αέρα, U 10 είναι η ταχύτητα του ανέμου στα 10 μέτρα και C D είναι ο συντελεστής οπισθέλκουσας. Όργανα γρήγορης απόκρισης μετράνε τις διακυμάνσεις του ανέμου μεταξύ μέτρων της επιφάνειας της θάλασσας στα οποία το wind stress υπολογίζεται με ακρίβεια. Η συσχέτιση του wind stress με το τετράγωνο της ταχύτητας του ανέμου μας δίνει τον συντελεστή οπισθέλκουσας. 21

22 Ο συντελεστής οπισθέλκουσας γενικά θεωρείται ως μια συνάρτηση της μέσης ταχύτητας του ανέμου σε ένα ορισμένο επίπεδο, όπως στα 10 μέτρα απ την επιφάνεια της θάλασσας. Εναλλακτικά ο συντελεστής μπορεί να εκφραστεί ως μια παράμετρος αεροδυναμικής τραχύτητας (Jones & Toba, 2001). Ένα μέσο wind-stress στην επιφάνεια της θάλασσας προκαλεί το παραδοσιακό ρεύμα Ekman. Επιπλέον το wind-stress υποτίθεται ότι περιέχει ένα μέρος με το οποίο μεταφέρει ενέργεια στα επιφανειακά κύματα και αναπληρώνει την χαμένη ενέργεια λόγω της ιξώδους διασποράς (viscous dissipation) (Weber, 1982). Δ. Law οf The Wall Νόμος Του Τείχους Η επαναστατική έννοια του οριακού στρώματος επινοήθηκε από τον Prandtl το Αργότερα η έννοια αυτή έγινε εφαρμόσιμη σε ροή πάνω σε επίπεδη πλάκα από τους Taylor, Prandtl και Von Karman οι οποίοι εργάστηκαν ανεξάρτητα πάνω στη θεωρία από το 1915 έως το Η εμπειρική θεωρία τους, η οποία μερικές φορές ονομάζεται θεωρία μήκους ανάμιξης προβλέπει το μέσο προφίλ ταχύτητας κοντά στο όριο. Σε εφαρμογή στη θάλασσα μπορούμε να πούμε ότι προβλέπει τη μέση ροή του αέρα πάνω από τη θάλασσα. Παρακάτω είναι μια απλοποιημένη μορφή της θεωρίας, η οποία εφαρμόζεται σε μια λεία επιφάνεια (Stewart, 2008). Ξεκινάμε υποθέτοντας ότι η μέση ροή στο οριακό στρώμα είναι σταθερή και διαφέρει μόνο στη κατεύθυνση z. Εντός λίγων χιλιοστών του ορίου, η τριβή είναι σημαντική και έχει λύση: z και η μέση ταχύτητα μεταβάλλεται γραμμικά με την απόσταση πάνω από το όριο. Συνήθως η προηγούμενη σχέση είναι γραμμένη σε αδιάστατη μορφή: όπου είναι η ταχύτητα τριβής (friction velocity). Μακριά από το όριο, η ροή είναι τυρβώδης και η μοριακή τριβή δεν είναι σημαντική. 22

23 Σε αυτή τη περίπτωση μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τον συντελεστή τυρβώδους διάχυσης (Eddy viscosity ή Eddy diffusivity): Οι Prandtl και Taylor υπέθεσαν ότι οι μεγάλοι στρόβιλοι είναι περισσότερο αποτελεσματικοί στην ανάμιξη της ορμής από ότι οι μικροί στρόβιλοι και ως εκ τούτου το θα πρέπει να μεταβάλλεται ανάλογα με την απόσταση από τον τοίχο. Ο Karman υπέθεσε ότι η εξάρτηση του από την απόσταση είχε τη μορφή, όπου κ είναι μια αδιάστατη σταθερά (κ 0.4 σταθερά Von Karman). Με αυτή την υπόθεση, η εξίσωση για το μέσο προφίλ ταχύτητας γίνεται Επειδή το U είναι συνάρτηση μόνο του z, μπορούμε να γράψουμε, που έχει τη λύση όπου το είναι η απόσταση από το όριο στην οποία η ταχύτητα μηδενίζεται και ονομάζεται μήκος τραχύτητας (roughness length). Η παραπάνω σχέση είναι γνωστή ως ο νόμος του τείχους (Law of the wall) ή λογαριθμικός νόμος. 23

24 Εικόνα 8: Λογαριθμικό προφίλ ταχύτητας. (Πηγή: Τράγου, 2006) Εικόνα 9: Σχηματική απεικόνιση της ροής κοντά στην επιφάνεια της θάλασσας. Οι ταχύτητες εμφανίζονται σε σχέση με τη διεπιφάνεια. (Πηγή: Jones I.S.F., and Toba Y., 2009) 24

25 Εικόνα 10: Προφίλ ταχύτητας που έχει μετρηθεί πάνω από τη θάλασσα. (Πηγή: Jones I.S.F., and Toba Y., 2009) Ε. Συντελεστής Τυρβώδους Διάχυσης (Κ) Eddy Diffusivity Στροβιλώδης διάχυση είναι η κάθε διεργασία διάχυσης που προκαλεί την ανάμιξη των συστατικών που βρίσκονται στην ατμόσφαιρα ή σε οποιοδήποτε υγρό σύστημα. Με άλλα λόγια είναι η ανάμιξη που προκαλείται από στροβίλους που μπορεί να ποικίλλουν σε μέγεθος, από τις μικροκλίμακες του Kolmogorov μέχρι τα υποτροπικά ρεύματα. Επειδή οι μικροσκοπικές διεργασίες που είναι υπεύθυνες για τη μίξη αυτή είναι πολύ περίπλοκες για να μοντελοποιηθούν με ακρίβεια, οι επιστήμονες συνήθως αντιμετωπίζουν τη μίξη ως «μακροσκοπική» διεργασία στροβιλώδους διάχυσης. Με αυτή τη προσέγγιση, το ποσοστό διάχυσης σε κάθε επίπεδο πίεσης είναι παραμετροποιήσιμο από μια ποσότητα γνωστή ως Συντελεστής Τυρβώδους Διάχυσης Κ, με μονάδες m 2 /s. ΣΤ. Στόχος της Παρούσας Μελέτης Σκοπός της παρούσας πτυχιακής εργασίας είναι η διερεύνηση της συμπεριφοράς του υδραετού και της καταλληλότητας του για να χρησιμοποιηθεί σε ερευνητικά προγράμματα, με τη διεξαγωγή μιας σειράς πειραμάτων στην ευρύτερη περιοχή έξω 25

26 από το λιμένα της Μυτιλήνης. Στην εργασία αυτή γίνεται εκτίμηση του Windage (σφάλμα του υδραετού) το οποίο απεικονίζει το κατά πόσο είναι αξιόπιστο το συγκεκριμένο μηχάνημα. Ταυτόχρονα στη μελέτη αυτή γίνεται μια προσπάθεια εκτίμησης των τυρβωδών τάσεων στο ανώτερο στρώμα της θάλασσας θεωρώντας Law of the Wall. Τέλος, γίνεται εκτίμηση του Eddy Diffusivity (συντελεστής τυρβώδους διάχυσης, K), θεωρώντας δυναμική ισορροπία Ekman. ΥΛΙΚΑ & ΜΕΘΟΔΟΙ Α. Περιγραφή Drifter - Υδραετού Το Τμήμα Επιστημών της Θάλασσας έχει κατασκευάσει έναν αριθμό ελεύθερα παρασυρόμενων πλωτήρων (Drifters) με σκοπό να χρησιμοποιηθούν σε εκπαιδευτικά και ερευνητικά προγράμματα για την μέτρηση επιφανειακών και υποεπιφανειακών ρευμάτων. Το πλεονέκτημα των συγκεκριμένων πλωτήρων είναι ότι έχουν χαμηλό κόστος κατασκευής και λειτουργίας. Επίσης μπορούν να τροποποιηθούν στο σχεδιασμό τους ανάλογα με τις ανάγκες και τις απαιτήσεις της εκάστοτε αποστολής και να τοποθετηθούν πάνω σε αυτούς διάφορες συσκευές επικοινωνίας (GPS, κινητή τηλεφωνία). Οι πλωτήρες αυτοί εντάσσονται στην κατηγορία μετρήσεων κατά Lagrange, όπου οι συσκευές ποντίζονται σε γνωστά σημεία της θαλάσσιας περιοχής που γίνεται η έρευνα και παρασύρονται από τα ρεύματα που επικρατούν στο βάθος που τοποθετήθηκαν. Δηλαδή οι μετρήσεις γίνονται από σημείο που κινείται μαζί με το ρευστό. Η διαφορά με τις μετρήσεις κατά Euler είναι ότι εδώ η παρατήρηση αφορά την ίδια πάντα μάζα ρευστού ενώ κατά Euler καταγράφονται διαφορετικές μάζες ρευστού που διέρχονται κάθε φορά από τον αισθητήρα, ο οποίος βρίσκεται σε σταθερό πάντα σημείο. 26

27 Οι επιφανειακοί πλωτήρες τείνουν να σύρονται παράλληλα στις γραμμές της σταθερής ατμοσφαιρικής πίεσης (ισοβαρείς) στην επιφάνεια της θάλασσας (Stewart, 2008). Εικόνα 11: Σχέδιο των νέων πλωτήρων σε διαμόρφωση μέτρησης επιφανειακών ρευμάτων - Τύπου Davis CODE (Πηγή: Ζερβάκης, 2009) 27

28 Εικόνα 12: Σχέδιο των νέων πλωτήρων σε διαμόρφωση μέτρησης υπό - επιφανειακών ρευμάτων - Τύπου Davis CODE (Πηγή: Ζερβάκης, 2009 Α.1 Δομή Υδραετού Ο Υδραετός αποτελείται από ορθογώνια ιστία με πανί τα οποία σχηματίζουν σταυρό (Εικόνα 13). Ο Υδραετός περικλείει το σώμα του πλωτήρα. Ο πλωτήρας που χρησιμοποιήθηκε στα πειράματα αυτά είναι ο AQUADOPP CURRENT PROFILER της εταιρείας Nortek. Στο πάνω μέρος της διάταξης του υδραετού τοποθετείται μια μικρή αδιάβροχη θήκη που περιέχει ηλεκτρονικούς πομποδέκτες για να εξασφαλίζεται η λήψη των δορυφορικών σημάτων για το GPS για τον εντοπισμό και των τηλεφωνικών σημάτων GSM που δίνει τι δυνατότητα αμφίδρομης επικοινωνίας μέσω μηνυμάτων SMS (Εικ. 14). Επίσης σε παρόμοια αδιάβροχη θήκη στο κάτω άκρο της διάταξης έχουν τοποθετηθεί εξωτερικοί συσσωρευτές για την τροφοδοσία του συστήματος, εξασφαλίζοντας έτσι την αύξηση της διάρκειας της λειτουργίας του πομπού (Εικόνα 14). 28

29 Εικόνα 13: Τα ορθογώνια ιστία του πλωτήρα. Ανάμεσα στα ιστία και την αδιάβροχη θήκη, δηλαδή διαδοχικά στον κορμό του υδραετού τοποθετούνται κυλινδρικά στοιχεία κατασκευασμένα από αδιάβροχο αφρώδες εξηλασμένο πολυστυρένιο, τα οποία παρέχουν την απαιτούμενη άνωση (Εικόνα 14 και Εικόνα 16). 29

30 Εικόνα 14: Διάταξη Drifter. (α) Αδιάβροχη θήκη με πομποδέκτες GPS & GSM (β) Στοιχεία πλευστότητας (γ) Αδιάβροχη θήκη εξωτερικής τροφοδοσίας (δ) Ιστία Εικόνα 15: Το κουτί αποθήκευσης του Υδραετού Εικ.16: Τα στοιχεία πλευστότητας (μπλε) 30

31 A.2 Περιγραφή Ακουστικoύ Τομογράφου Ρευμάτων Aquadopp Profiler Ο ακουστικός τομογράφος ρευμάτων Aquadopp Profiler υπολογίζει το προφίλ ρεύματος στο νερό χρησιμοποιώντας την ακουστική τεχνολογία Doppler. Το φαινόμενο Ντόπλερ που πήρε το όνομά του από τον Κρίστιαν Ντόπλερ (Christian Doppler), είναι η παρατηρούμενη αλλαγή στη συχνότητα και το μήκος κύματος ενός κύματος από παρατηρητή που βρίσκεται σε σχετική κίνηση με την πηγή των κυμάτων. Για κύματα όπως τα ηχητικά κύματα, που διαδίδονται μέσα σε κάποιο υλικό μέσο, η ταχύτητα τόσο του παρατηρητή όσο και της πηγής, πρέπει να προσδιορίζεται σε σχέση με το μέσο διάδοσης. Το τελικό φαινόμενο Ντόπλερ μπορεί επομένως να προκύψει είτε από την κίνηση του παρατηρητή, είτε από την κίνηση της πηγής, είτε και των δύο, ως προς το μέσο διάδοσης. Το Aquadopp Profiler χρησιμοποιεί 3 ακουστικούς αισθητήρες, τοποθετημένους σε κλίση 25 ο για να μετράει το προφίλ ρεύματος με ακρίβεια από έναν αριθμό κελιών που επιλέγεται από τον χρήστη και με μέγιστη εμβέλεια που εξαρτάται από τις συνθήκες ακουστικής σκέδασης (Εικόνα 18). Η ελάχιστη εμβέλεια θα υπάρχει σε καθαρά νερά και με μικρό μέγεθος κελιών ενώ η μέγιστη εμβέλεια με μεγάλα κελιά και ακουστικά θολά νερά. Οι εσωτερικοί αισθητήρες κλίσης και προσανατολισμού (πυξίδα), εκφράζουν την κατεύθυνση του ρεύματος και ο υψηλής ανάλυσης αισθητήρας πίεσης υπολογίζει το βάθος (σε περίπτωση που το σύστημα είναι τοποθετημένο σε σταθερή θέση δίνει και την παλιρροιακή ανύψωση). Ο αισθητήρας κλίσης είναι τοποθετημένος σε ένα ξεχωριστό κύκλωμα στο εσωτερικό του κουτιού το οποίο είναι προσκολλημένο στην κεφαλή. Ο προσανατολισμός του αισθητήρα κλίσης καθορίζεται από τον προσανατολισμό του συστήματος σε κανονική λειτουργία. Το πρότυπο Aquadopp Profiler είναι σχεδιασμένο για κάθετο προσανατολισμό. Μπορεί ωστόσο να χρησιμοποιηθεί και οριζόντια ή ανάποδα χωρίς προβλήματα στη λειτουργία του. Διαθέτει επίσης και αισθητήρα θερμοκρασίας ο οποίος είναι τοποθετημένος στην κεφαλή μαζί με τον αισθητήρα πίεσης. Τέλος ο εντοιχισμένος μαγνητομετρητής υπολογίζει το μαγνητικό πεδίο της Γής. Σε συνδυασμό με τον αισθητήρα κλίσης, συνιστά μια πυξίδα, η οποία επιτρέπει στον ακουστικό τομογράφο ρευμάτων Aquadopp Profiler να καταλαβαίνει την κατεύθυνση της κεφαλής. Αυτά τα δεδομένα επιτρέπουν στο Aquadopp Profiler να μετατρέπουν τις μετρήσεις ταχύτητας σε συντεταγμένες της Γής. 31

32 Είναι εξοπλισμένο με 9MB αποθηκευτικό χώρο και εσωτερικές αλκαλικές μπαταρίες, χαρακτηριστικά που το καθιστούν συνήθως επαρκή για λειτουργία 2-4 μηνών. Είναι σχεδιασμένο με τέτοιο τρόπο που μπορεί να δεχθεί επιπλέον εξωτερική μνήμη (με 33, 89 ή161mb) και μπαταρίες λιθίου για να παραταθεί η διάρκεια της εκάστοτε έρευνας. Εικόνα 17: Τα Βασικά μέρη του ακουστικού τομογράφου ρευμάτων Aquadopp Profiler. (Πηγή: Nortek, 2008) Εικόνα 18: Τεχνικά χαρακτηριστικά ακουστικού τομογράφου ρευμάτων Aquadopp Profiler (Πηγή: Nortek, 2008) Στην παρακάτω εικόνα (Εικόνα 19) φαίνεται πώς το Aquadopp Profiler υπολογίζει το ρεύμα σε ένα σύνολο από κελιά κατά μήκος κάθε αισθητήρα. 32

33 Εικόνα 19: Aquadopp Profiler (Πηγή: Nortek, 2008) Για λόγους σαφήνειας εμφανίζονται στην εικόνα μόνο πέντε κελιά για κάθε δέσμη (αισθητήρα). Το γεγονός επίσης ότι τα κελιά επικαλύπτονται έχει παραβλεφθεί. Θεωρητικά μπορεί να υπάρξουν μέχρι και 128 κελιά ανά δέσμη, αλλά σε πραγματική εφαρμογή αυτό θα περιορίζεται από την εμβέλεια της κάθε δέσμης και την υψηλότερη ανάλυση που επιτρέπεται (δηλαδή μικρότερο μέγεθος κελιών). Τέλος, στην εικόνα 20 φαίνεται το φαινόμενο blanking κατά τη διάρκεια του οποίου δεν γίνεται μέτρηση κυρίως για να έχουν το χρονικό περιθώριο οι αισθητήρες να προσαρμοστούν αμέσως μετά που εκπέμπουν τον παλμό (οι αισθητήρες χρησιμοποιούνται ταυτόχρονα ως πομποί και ως δέκτες). 33

34 Στη εικόνα 20 απεικονίζεται η αλληλοεπικάλυψη των κελιών κατά μήκος της κάθε δέσμης. Το Aquadopp Profiler εφαρμόζει τριγωνική λειτουργία στάθμισης (triangular weighting function) στη μέτρηση του κάθε κελιού όπως φαίνεται κατά μήκος του κάθε αισθητήρα (δέσμης). Η βασική τιμή της λειτουργίας στάθμισης είναι διπλάσια από το ονομαστικό μέγεθος ενός κελιού. Περίπου το 75% της ακουστικής ενέργειας που επιστρέφει προέρχεται από τον προσδιορισμένο όγκο δειγματοληψίας. Εικόνα 20: Τα κελιά αλληλεπικαλύπτονται (Πηγή: Nortek, 2008). 34

35 Εικόνα 21: Τα περιεχόμενα της συσκευασίας του Aquadopp Profiler. Πάνω δεξιά φαίνεται το καλώδιο με το οποίο συνδέεται πάνω σε υπολογιστή για το προγραμματισμό των μετρήσεων και τη μεταφορά τους στον υπολογιστή (Πηγή: Nortek, 2008). Α.3 Περιγραφή Φαινομένου Doppler Ακούμε το φαινόμενο Doppler κάθε φορά που περνάει ένα τραίνο. Η αλλαγή στον τόνο του ήχου δείχνει πόσο γρήγορα κινείται το τραίνο. Το Aquadopp Profiler χρησιμοποιεί το φαινόμενο Doppler για να μετρήσει την ταχύτητα του ρεύματος διαδίδοντας έναν παλμό ήχου μικρού μήκους λαμβάνοντας την ηχώ του που επιστρέφει κι έτσι μετράει την αλλαγή στον τόνο ή τη συχνότητα της ηχώ. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι να προσδιοριστεί η επίδραση του φαινομένου Doppler, ο καθένας με τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά του. Σε αυτό το σύστημα εφαρμόζεται μια μέθοδος αυτόματης διακύμανσης στενού φάσματος γιατί αυτή έχει καθιερωθεί ως ισχυρή, αξιόπιστη και ακριβής. Ο ήχος δεν αντανακλάται από το νερό μόνο αλλά μάλλον από τα αιρούμενα σωματίδια που βρίσκονται σε αυτό. Αυτά τα σωματίδια είναι συνήθως ζωοπλαγκτόν ή υπολείμματα ιζημάτων από διάβρωση. 35

36 Η μακρά εμπειρία από τη χρήση των αισθητήρων ρεύματος Doppler έχει δείξει ότι τα μικρά σωματίδια που το Aquadopp Profiler βλέπει, κινούνται περίπου με την ίδια ταχύτητα με αυτή του νερού. Έτσι γίνεται αντιληπτό ότι η ταχύτητα των σωματιδίων που καταγράφεται από το σύστημα αυτά είναι τελικά η ταχύτητα του νερού. Κάθε αισθητήρας μετρά την ταχύτητα παράλληλα με τη δέσμη και δεν αντιλαμβάνεται κανονικά την ταχύτητα κάθετα στη δέσμη. Το Aquadopp Profiler ανιχνεύει την ταχύτητα στις τρείς διαστάσεις αφού διαθέτει τρείς αισθητήρες στραμμένους σε διαφορετικές κατευθύνσεις. Αν υποθέσουμε ότι η ροή είναι ενιαία και στους τρείς αισθητήρες, η απλή τριγωνομετρία είναι επαρκής για να υπολογιστεί η ταχύτητα και σε οποιαδήποτε κατεύθυνση. Το Aquadopp Profiler θα συνεχίσει να έχει καλές μετρήσεις ακόμα και αν η ροή δεν είναι ομοιόμορφη αν οι οριζόντιες διαβαθμίσεις είναι γραμμικές. Το κάθε κελί που καταγράφει μετρήσεις έχει σχήμα τριγωνικό όπως φαίνεται και στην Εικόνα 20. Η μέγιστη έκταση της λειτουργίας στάθμισης είναι η διπλάσια του διαδιδόμενου παλμού. Α.4 Σύστημα συντεταγμένων Το Aquadopp Profiler μετρά τις συνιστώσες της ταχύτητας παράλληλα στις τρείς δέσμες που εκπέμπει, δηλαδή σε συντεταγμένες δέσμης (Beam coordinates) αλλά εμφανίζει τα δεδομένα σε Ανατολή, Βορρά και Πάνω ή ENU συντεταγμένες (ENU Coordinates). Για να λάβει τις συνιστώσες ENU αρχικά μετατρέπει τα δεδομένα σε ΧΥΖ συντεταμένες, ένα ορθογώνιο σύστημα συντεταγμένων σχετικό με το Aquadopp Profiler. Στη συνέχεια το όργανο χρησιμοποιεί τις μετρήσεις του από το μαγνητόμετρο και τον αισθητήρα κλίσης και μετατρέπει αυτή την ταχύτητα σε συνιστώσες σχετικές με τη Γη ή σε ENU συντεταγμένες. Το σύστημα συντεταγμένων ορίζεται ως εξής: - Στο σύστημα συντεταγμένων δέσμης, μια ταχύτητα θετικού πρόσημου κατά μήκος της δέσμης 1 κινείται προς την κατεύθυνση που είναι στραμμένη η δέσμη 1 (Εικόνα 22). - Στο XYZ σύστημα συντεταγμένων, μια ταχύτητα θετικού πρόσημου στην κατεύθυνση του X κινείται στον Χ άξονα (Εικόνα 23). - Σε σύστημα συντεταγμένων ENU η ταχύτητα θετικού πρόσημου κινείται από Ανατολικά προς τα Δυτικά. 36

37 Εικόνα 22: Κατεύθυνση δέσμης. Στο σύστημα συντεταγμένων της δέσμης η ταχύτητα θετικού προσήμου κινείται στην κατεύθυνση στην οπoία είναι στραμμένη η δέσμη 1 (Πηγή: Nortek, 2008). Εικόνα 23: Σε σύστημα συντεταγμένων XYZ (Πηγή: Nortek, 2008). 37

38 Α.5 Αβεβαιότητα Ταχύτητας Η καταγεγραμμένη ταχύτητα είναι ο μέσος όρος πολλών υπολογισμών ταχυτήτων (τα λεγόμενα pings ). Η αβεβαιότητα του κάθε ping καθορίζεται από το βραχυπρόθεσμο σφάλμα (short-term error). Η αβεβαιότητα της ταχύτητας ελαττώνεται αν υπολογίζονται οι μέσοι όροι πολλών ping μαζί. Υπάρχει κάποιο όριο μέχρι το οποίο μπορεί να ελαττωθεί η αβεβαιότητα. Αυτό το όριο ονομάζεται longterm bias. Εξαρτάται από την εσωτερική επεξεργασία του σήματος, τα φίλτρα και την γεωμετρία της δέσμης και είναι συνήθως ένα κλάσμα του 1cm/s. Οι συνιστώσες ταχύτητας που είναι παράλληλες στην ακουστική δέσμη θα έχουν μικρότερα βραχυπρόθεσμα σφάλματα σε σχέση με συνιστώσες ταχύτητας οι οποίες είναι σε κατεύθυνση που σχηματίζει απότομη γωνία με την ακουστική δέσμη. Τα σφάλματα μειώνονται υπολογίζοντας τον μέσο όρο πολλαπλών pings σύμφωνα με τον τύπο: όπου σ είναι η τυπική απόκλιση και Ν ο αριθμός των pings των οποίων ο μέσος όρος υπολογίζεται. Σε τυρβώδη ροή, όπως στα οριακά στρώματα πρέπει κατά τη σχεδιασμό της συλλογής των δεδομένων να λαμβάνεται υπόψη η φύση και χρονικές κλίμακες των περιβαλλοντικών διακυμάνσεων. Ένας άγραφος κανόνας για τα οριακά στρώματα είναι ότι η μέση τετραγωνική ρίζα (RMS) της ταχύτητας της στροβιλώδους ταχύτητας είναι το 10% της μέσης ταχύτητας. Αν για παράδειγμα έχουμε μέση ταχύτητα της τάξης του 1 m/s θα πρέπει να εκτιμήσουμε ότι οι στροβιλώδεις διακυμάνσεις θα είναι 10 cm/s. Πρέπει να τονιστεί ότι για να έχουμε 1 cm/s RMS αβεβαιότητα απαιτεί τουλάχιστον 100 pings. 38

39 Εικόνα 24: Η κεφαλή του Aquadopp Profiler (Πηγή: Nortek, 2008). B. Περιγραφή MATLAB Το MATLAB είναι ένα σύγχρονο ολοκληρωμένο μαθηματικό λογισμικό πακέτο που χρησιμοποιείται σε πανεπιστημιακά μαθήματα αλλά και σε ερευνητικές και άλλες εφαρμογές με επιστημονικούς υπολογισμούς (scientific computing). Το όνομά του προέρχεται από τα αρχικά γράμματα των λέξεων MATtrix LABoratory (εργαστήριο πινάκων). Το MATLAB είναι ένα διαδραστικό (interactive) πρόγραμμα για αριθμητικούς υπολογισμούς και οπτικοποίηση δεδομένων (data visualization) με δυνατότητες προγραμματισμού που το καθιστούν ένα ισχυρό και χρήσιμο εργαλείο στις μαθηματικές και φυσικές επιστήμες. Σε αντίθεση με τα λογισμικά Maple και Mathematica, το ΜΑΤLΑΒ στις αρχικές του εκδοχές δεν έκανε συμβολικούς υπολογισμούς. Στις νεότερες εκδοχές του, το πακέτο περιλαμβάνει εργαλειοθήκες που επιτρέπουν συμβολικούς υπολογισμούς. Όπως υποδηλώνεται και από το όνομά του, το MATLAB είναι ειδικά σχεδιασμένο για υπολογισμούς με πίνακες, όπως η επίλυση γραμμικών συστημάτων, η εύρεση ιδιοτιμών και ιδιοδιανυσμάτων, η αντιστροφή τετραγωνικών πινάκων κλπ. Επιπλέον το πακέτο αυτό είναι εφοδιασμένο με πολλές επιλογές για γραφικά (δηλ. την κατασκευή γραφικών παραστάσεων) και προγράμματα γραμμένα στη δική του γλώσσα προγραμματισμού για την επίλυση άλλων προβλημάτων όπως η εύρεση των ριζών μη γραμμικής εξίσωσης, η επίλυση μη γραμμικών συστημάτων, η επίλυση προβλημάτων αρχικών τιμών με συνήθεις διαφορικές εξισώσεις κα. 39

40 Το MATLAB είναι σχεδιασμένο για την αριθμητική επίλυση προβλημάτων σε αριθμητική πεπερασμένης ακρίβειας (finite-precision arithmetic), δηλαδή δεν βρίσκει την ακριβή αλλά μια προσεγγιστική λύση ενός προβλήματος. Αυτή είναι και η βασική του διαφορά από τα συστήματα συμβολικών υπολογισμών όπως η Maple και το Mathematica. Εικόνα 25: Παραδείγματα εμφάνισης γραφήματος με την εντολή plot στο πρόγραμμα MATLAB (Πηγή: Γεωργίου και Ξενοφώντος,2007) Β.1 Η εντολή polyfit Μια από τις πιο κύριες εφαρμογές των πολυωνύμων είναι η προσαρμογή δεδομένων (curve fitting), που είναι επίσης γνωστή ως παλινδρόμηση (regression). Σε αυτή τη διαδικασία, έχουμε σαν δεδομένα ένα πεπερασμένο αριθμό σημείων (σαν αυτά που φαίνονται στην εικόνα 26), και θέλουμε να βρούμε μια συνάρτηση, συνήθως πολυώνυμο μικρού βαθμού, που να αντιπροσωπεύει τα δεδομένα, δηλ. να προσαρμόσουμε το πολυώνυμο στα δεδομένα. Εικόνα 26: (Πηγή: Γεωργίου και Ξενοφώντος,2007) 40

41 Αν απαιτήσουμε το πολυώνυμο να περνά από όλα τα σημεία (όπως στην εικόνα 26), τότε παίρνουμε το λεγόμενο πολυώνυμο παρεμβολής (interpolant), του οποίου ο βαθμός είναι ίσος με τον αριθμό των σημείων πλην ένα. Εικόνα 27: (Πηγή: Γεωργίου και Ξενοφώντος,2007) Αν δεν απαιτήσουμε το πολυώνυμο να περνά από όλα τα σημεία, αλλά να έχει βαθμό μικρότερο από τον αριθμό των σημείων πλην ένα, τότε αυτό μπορεί να γίνει με διάφορες μεθόδους, η πιο συνηθισμένη των οποίων είναι η μέθοδος των ελάχιστων τετραγώνων (least squares method). Στις εικόνες 28,29 δίνονται δύο τέτοιες περιπτώσεις. Εικόνα 28: (Πηγή: Γεωργίου και Ξενοφώντος,2007) 41

42 Εικόνα 29: (Πηγή: Γεωργίου και Ξενοφώντος,2007) Στη MATLAB, τα πιο πάνω μπορούν να επιτευχθούν με την εντολή polyfit, η οποία δουλεύει ως εξής: Έστω ότι τα (, ), 1,..., 1 i i x y i = N + είναι δεδομένα και έχουν αποθηκευτεί σε δύο διανύσματα x και y, αντίστοιχα. Τότε, η εντολή p = polyfit(x, y, Μ) μας δίνει τους συντελεστές του πολυωνύμου p που έχει βαθμό Μ και που αντιπροσωπεύει τα δεδομένα. Σημειώνουμε ότι αν Μ = Ν, τότε παίρνουμε τους συντελεστές του πολυώνυμου παρεμβολής που περνά από όλα τα σημεία (, ) i i x y, ενώ αν Μ < N τότε παίρνουμε τους συντελεστές ενός πολυωνύμου που προσαρμόζει τα δεδομένα με την μέθοδο των ελάχιστων τετραγώνων. Αν Μ > N, τότε το πολυώνυμο δεν είναι μοναδικό. Γ. Μεθοδολογία Γ.1 Προετοιμασία Drifter Υδραετού Ο Υδραετός αποτελείται από ένα αριθμό εξαρτημάτων τα οποία βρίσκονται αποθηκευμένα στο κουτί μεταφοράς και απαιτείται η συναρμολόγησή τους για την πραγματοποίηση της δειγματοληψίας. Αρχικά λοιπόν γίνεται το στήσιμο του Drifter για εξοικείωση με το σύστημα (Εικόνα 30). 42

43 Εικόνα 30: Το κουτί μεταφοράς του Υδραετού και τα επιμέρους τμήματά του. Αφού λοιπόν γίνει η συναρμολόγηση και το στήσιμο του Υδραετού είναι απαραίτητο να γίνουν ορισμένοι υπολογισμοί για να βρεθεί ο απαιτούμενος αριθμός των στοιχείων πλευστότητας για την άνωση, ώστε το σύστημα να παραμένει και να κάνει τις μετρήσεις στο επιθυμητό βάθος. Ο Υδραετός ζυγίστηκε με ψηφιακή ζυγαριά και στα υπόλοιπα μέρη του συστήματος ( επιφανειακός πομποδέκτης, θήκη μπαταριών) το βάρος υπολογίστηκε με βάση τις μετρήσεις ύψους και πλάτος του καθενός. Στη συνέχεια δημιουργήθηκε στο Microsoft EXCEL φόρμα υπολογισμού της άνωσης, καταχωρήθηκαν σε αυτή όλες οι καταγεγραμένες μετρήσεις και βρέθηκε ο απαιτούμενος αριθμός των στοιχείων πλευστότητας για την άνωση (4 στοιχεία). (Πίνακας 1). 43

44 Πίνακας 1: Υπολογισμός Άνωσης Το Aquadopp Profiler πρέπει να τοποθετηθεί στον άξονα του Υδραετού και γι αυτό το σκοπό κατασκευάστηκαν δύο ειδικές δομές από αδιάβροχο αφρώδες εξηλασμένο πολυστυρένιο (το ίδιο υλικό που χρησιμοποιήθηκε στα στοιχεία πλευστότητας) οι οποίες στηρίζουν το μηχάνημα στην κατάλληλη θέση (Εικόνα 31). Τέλος, έγινε δοκιμή μπαταριών και αλλαγή αυτών και δοκιμή του GPS και του πομπού GSM. Εικόνα 31: Από τα γαλάζια στοιχεία πλευστότητας κόπηκαν κομμάτια σε συγκεκριμένο σχήμα όπως φαίνεται στην εικόνα, για τη στήριξη του Aquadopp στον άξονα του Υδραετού. 44

45 Γ.2 Εργασίες Πεδίου Οι εργασίες πεδίου έλαβαν χώρα σε 3 διαδοχικά πειράματα, στις 31/5/2010, στις 7/6/2010 και στις 10/6/2010 στην ευρύτερη περιοχή ανοιχτά του λιμένα Μυτιλήνης. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν με το Ερευνητικό/Εκπαιδευτικό σκάφος μικρής ακτοπλοΐας Αμφιτρίτη του Τμήματος Επιστημών της Θάλασσας, το οποίο πληροί τις προϋποθέσεις για ερευνητική δραστηριότητα στην παράκτια ζώνη. Η καταγραφή των μετρήσεων έγινε με ελεύθερα παρασυρόμενο πλωτήρα (Drifter) σε υποεπιφανειακή διαμόρφωση κατασκευής του Τμήματος Επιστημών της Θάλασσας ο οποίος είναι εξοπλισμένος με το Aquadopp Profiler. Η διάρκεια καταγραφής μετρήσεων από το σύστημα ήταν περίπου δυόμιση ώρες έκαστη. Ο προσδιορισμός των θέσεων του Drifter έγινε με αμφίδρομη επικοινωνία από τους πομπούς GPS και GSM που ο ίδιος διαθέτει και ο προσδιορισμός του βάθους των μετρήσεων με CTD. Η διαδικασία κάθε πειράματος περιλαμβάνει: 1. Μεταφορά του εξοπλισμού (Drifter, Υπολογιστές, CTD) στο σκάφος. 2. Προετοιμασία και συναρμολόγηση του Drifter. 3. Σύνδεση με υπολογιστή για τον σχεδιασμό του πειράματος και προγραμματισμό της εκκίνησης καταγραφής μετρήσεων. 4. Πόντιση του Drifter στη θάλασσα. 5. Παρακολούθηση των θέσεών του με αμφίδρομη επικοινωνία μέσω μηνυμάτων SMS. 6. Καταγραφή μετρήσεων με CTD. 7. Ανάσυρση του Drifter. 8. Σύνδεση του Drifter με τον υπολογιστή για διακοπή της καταγραφής και μεταφορά των αρχείων μετρήσεων. 9. Αποσυναρμολόγηση του Drifter και επιστροφή στη βάση. 45

46 Εικόνα 32: Συναρμολόγηση Drifter και σύνδεση μέσω καλωδίου με τον υπολογιστή. Εικόνα 33: Πόντιση του Drifter. 46