Как глубока Бездна Челленджера: измерение глубины

«Надо понимать всю глубину наших глубин» (С) ДМБ

Приветствую вас, глубокоуважаемые!


Всегда поражался, что расстояние до луны измеряется с миллиметровой точностью. Даже при открытии экзопланет методом лучевых скоростей, скорости звезд измеряются с точностью до 0.97 м/с. А вот, например, глубина Бездны Челленджера определена с точностью ± 10 метров.
Почему же с водой все так сложно?

image

С этим вопросом разбираемся под катом. В качестве вишенки на торт: приложение для визуализации движения звука через воду со слоями разной плотности с исходниками на гитхабе и онлайн-калькулятор.

Напомню, что есть ровно два с половиной фундаментальных способа определения глубины:


  • веревкой =)
  • манометрический, когда глубину определяют по давлению столба жидкости. Принципиальные проблемы, связанные с этим методом я описал в первой части манускрипта. Вкратце: нужно учитывать атмосферное давление, географическую широту (с ней меняется ускорение свободного падения) и изменение плотности воды от температуры, давления и солености.
  • по времени распространения звука — эхолотом.

Вот с последним пунктом сегодня и предлагаю разобраться.

Я люблю всегда рассматривать ситуацию в пределе. Марианская впадина в целом и Бездна Челленджера в частности — это и есть предел ситуации с глубиной на нашей планете. Многие эффекты становятся существенны и отчетливо видны только на больших глубинах.

Итак, история измерения больших глубин берет свое начало от того самого Челленджера — HMS Challenger, чье имя и носит самая глубокая впадина земного океана. Вот, кстати он на фото:

image

Весной 1875 года экспедиция измерила при помощи веревки глубину, ни много ни мало — 8184 метров. К слову, проблемы измерения глубины веревкой помимо таких очевидных как дрейф судна и течения, описаны в Занимательной Физике у Перельмана: веревка испытывает трение об воду, извивается, скручивается как молекулы белков и вниз, после определенной глубины, уже не идет — не принимает вода ее.

С тех пор люди не сидели без дела и в 1952 году глубины марианской впадины измерял уже HMS Challenger II:

image

При помощи взрывчатки, ручного секундомера, проволоки с грузом в 20 кг, лома и скотча а также первых эхолокаторов они намерили уже 10900 метров. После постобработки результат уменьшили до 10632 м с неоднозначностью в ± 27 метров.

Раскапывая, или что атмосфернее, погружаясь в историю исследования мирового океана, в одной из прошлых статей я упомянул легендарное советское исследовательское судно «Витязь» — в качестве КДПВ использовал изображение почтовой марки с ним:

image

В 1957 году «Витязь» измерил самую глубокую глубину наших глубин — 11034 м. Измерения были сделаны на пределе диапазона эхолота исходя из постоянной скорости звука в 1500 м/с, после чего были взяты бутылочные пробы воды для построения профиля температуры и солености, по которым в последствие и было получено значение в 11034 метра. Хоть этот результат и попадается всюду, где речь заходит о марианской впадине, современные специалисты смотрят на него скептически.

Далее в 1960 акванавты с Триеста сообщили об измерениях по бортовому датчику давления 10911 метров, а судно сопровождения, при помощи взрывчатки измерило глубину в 10915 ±20 метров. А уже в 1976 при помощи эхолота получили значение 10933 ± 50 метров.

Откуда берутся все эти ±20 и 50? Вдумчивый читатель скорее всего давно сообразил к чему я клоню — скорость звука в воде зависит от температуры, солености и давления, т.е. от плотности среды.

Профиль температуры и солености — это набор измерений с привязкой к глубине.
И ни температуру, ни соленость нельзя измерить дистанционно — необходимо «сунуть» термометр и кондуктометр в нужную точку океана. Желательно сделать много измерений по линии как можно вертикальнее и через каждый метр.

Вот так выглядят некоторые профили:

«Академик Иоффе», 30 марта 2005.
Место измерения на гуглокартах



Американское исследовательское судно «OCEANUS», 10 апреля 2010.
Место измерения на гуглокартах
Кстати, на этом океанусе даже вебкамера есть.



Судно NOAA “RONALD H. BROWN”, 20 октября 2001.
Место измерения на гуглокартах



История измерения самой глубокой точки не бедна и курьёзами


В 1992 году (казалось бы!) участники экспедиции университета Токио измерили глубины, как наши соотечественники в 1957 — исходя из постоянной скорости звука в 1500 м/с, но по какой-то причине не собрали профили температуры и солености. Вместо этого они откорректировали данные по таблицам 1980 (!) года и получили значение в 10933 м без указания погрешностей.

Уже в 2002 экспедиция на судне Keirei Японского агентства науки и технологий по изучению морских недр (JAMSTEC) проводила исследования по поиску глубочайшей глубины при помощи довольно продвинутого многолучевого эхолота. Они получили значение в 10920 ±5 м. Они собрали большое количество профилей, но отказ термометра-кондуктометра вынудил их воспользоваться профилями двухлетней давности.
Японцам периодически не везло.

Позднейшие измерения


В 2008 исследователи из университета Гавайев вот на таком красавце Kilo-Moana

image

Получили глубину в 10903 метра при помощи многолучевого эхолота EM 120 от Kongsberg Maritime.

В 2010 ученые из университета Нью Хемпшира на USNS Sumner при помощи более новой модели EM 122 от тех же норвежцев получили глубину 10944 ± 40 м в точке (позиция на гуглокартах).

В конечном счете


Неоднозначности при определении глубин при помощи эхолотов есть следствия следующих факторов:

  • Погрешности измерения, которая в свою очередь включает и погрешность самого прибора, его угловое разрешение (луч 1°х1° дает пятно диаметром в 140 метров на дне впадины), размытие пика, рефракцию, качку судна, его перемещение и т.д и т.п.)
  • Наличие и изменчивость профиля скорости звука — его нельзя измерить, положить данные на полку а через два года воспользоваться — такие данные интересны только в ретроспективе, мол, а вот взгляните, тогда было вот так, а сейчас — совсем иначе.
  • Несовершенство методов постобработки

Здесь я могу хочу коснуться только одного из факторов — профиля температуры и солености, или, что в нашем случае почти одинаково — профиля скорости звука.
Просто чтобы наглядно оценить: каков эффект?

Мы принимаем допущение о том, что звук у нас почти как мячик от пинг-понга — путешествует исключительно вертикально, отскакивает от дна весь целиком, корабль неподвижен, дно ровное. Время мы измеряем без погрешностей. И единственное что нас путает — наличие профиля скорости звука.
Как при этом он повлияет на измеряемую глубину?

В этом случае наша модель может быть описана простой формулой:

$s=\sum{v(t_i)\Delta t}$


Где $s$ — пройденный звуком путь, $v(t_i)$ — скорость звука в i-й интервал времени, длительность которого $\Delta t$.

Если мы уменьшаем $\Delta t$ (а мы не можем) то дело идет к интегралу из школьной физики:

$s=\lim_{\Delta t\rightarrow 0}{\sum{v(t_i)\Delta t}}$


$s=\int{v(t)dt}$



Далее, исходя из измеренного времени распространения звука (от начала излучения до приема отраженного сигнала) нам нужно:

  • через равные временные промежутки примерно прикидывать глубину (с точностью до десятка-другого метров)
  • интерполировать (если необходимо) из имеющегося профиля температуру и соленость для прикинутой глубины
  • по ней вычислять скорость звука, а соответственно и путь, который звук прошел на этой глубине за временной интервал.

Для этих (и других) целей я запилил библиотеку, про которую говорил в первой части статьи. На данный момент она реализована на C/C#/Rust/Matlab/Octave/JavaScript.

Скорость звука считается по формуле Чена и Миллеро. Она нравится мне потому, что там параметром идет давление, которое измеряется непосредственно, а не глубина, как в других моделях. Плюс диапазон по параметрам у этой модели покрывает почти все разумные случаи.

Например, для второго профиля, который получен в этой точке 10 апреля 2010 года, разница между глубиной, полученной по стандартному значению скорости звука и глубиной, полученной по приведеному выше расчету при времени распространения 5 секунд (туда и обратно) получается 18 метров: 3750 против 3768.3 метров, а для 6 секунд разница возрастает до 32 метров.
К сожалению у меня нет профиля из марианской впадины, и вообще мне пока не попадался ни один профиль глубже 6000 метров. Но если принять, что после 4-5 км глубины параметры меняются слабо и скорость звука в основном меняется из-за давления, то получается, что для обсуждаемых глубин разница получается порядка 420 метров, а время от момента излучения сигнала эхолотом до принятия отражения составляет более 14 секунд.

В качестве демонстрационных материалов имеется:


онлайн-калькулятор, в котором можно вручную ввести профиль или использовать одни из трех, так сказать, hard-coded.

Поскольку я толком ничего не смыслю в JavaScript, то мне проще было сделать спустя рукава визуализацию на C#. Проект я положил на GitHub.
Я знаю, что все знают, но опыт показывает что лучше дать прямую ссылку и на Release

Окно приложения выглядит вот так:
image

По умолчанию стоит время распространения 5 секунд и какой-то профиль с северной части тихого океана всего из 13 точек.

Справа 4 колонки, в каждой из которых (после нажатия кнопки ANIMATION конечно) звук начинает путешествовать с разной скоростью:

  • в первой — 1500 м/с (стандартное значение для пресной воды),
  • во второй — со скоростью, вычисленной по температуре и солености с поверхности воды,
  • в третьей — со скоростью, вычисленной по средней температуре и солености для профиля
  • в четвертой — с пересчетом скорости для каждого шага и суммирование пройденного пути

Отображение заведено на MMTimer с периодом в 0.01 с, с этим же периодом работает и симуляция.

В меню PROFILE можно выбрать один из трех демо-профилей (в них мало точек), также можно загрузить несколько профилей, выдранных мной из World Ocean Database которую бережливо собирает NOAA.
Эти профили лежат в виде CSV и помимо всего прочего содержат информацию о месте замера, времени, стране, управляющем институте и судне, на котором он производился. Более подробно об этом я писал в статье «Кто и как исследовал мировой океан: разбираем базы NOAA».

Совсем для ленивых (каюсь, я такой же) я собрал GIF-анимацию, но GIF везде отображается по-разному, и «полного эффекта присутствия» не получится:

image

При написании исторического обзора про исследование марианской впадины я пользовался статьей Джеймса Гарднера с сотоварищами. Крайне рекомендую для интересующихся. Там очень хорошо описаны сложности при измерении, казалось бы, такой «простой» вещи, как глубина.

P.S.


Хочу поблагодарить всех тех, кто голосовал в предыдущей статье. За то, чтобы появилась эта, было отдано аж 109 голосов — ребята, это для вас! Те двое, кто был против — пардон, я прислушался к мнению большинства.

P.P.S.


Традиционно буду искренне (для меня это не пустое слово) благодарен за сообщения об ошибках, конструктивную критику, интересные вопросы и дискуссии.

Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите, пожалуйста.

Нужна статья про изменение температуры и солености в разных местах океана в ретроспективе?

  • 78,3%Да, давай238
  • 4,6%Нет, не надо14
  • 7,6%Нет, нужно больше статей про коронавирус, не понимаю, почему ты их не пишешь? Это же отличная идея23
  • 9,5%Мне без разницы — я ничего не понял29

Средняя зарплата в IT

111 380 ₽/мес.
Средняя зарплата по всем IT-специализациям на основании 7 299 анкет, за 2-ое пол. 2020 года Узнать свою зарплату
AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

Подробнее
Реклама

Комментарии 86

    +4
    а приливы с отливами не влияют на глубину?
      0
      Конечно влияют, но про приливы можно целую отдельную статью написать. И учесть их не сложно
        +1
        При ошибке изменения глубины в десятки метров, заметить добавку от приливов, которая в открытом океане, да ещё и на такой глубине, будет порядка нескольких сантиметров (или миллиметров?), маловероятно
          0
          В прошлой статье были вопросы про приливы и я как-то опять обошел это стороной. Но chnav дал вполне исчерпывающий ответ на вопрос про приливы и отливы. Вот ссылка на ответ: habr.com/ru/post/495026/#comment_21450140
            +6
            Я может неправильно выразился. Измерить величину прилива в открытом океане можно без проблем, но смысла учитывать его, при ошибке измерения глубины на два порядка большей, нет никакого. Допустим получим вместо 10944 ± 40 м величину 10944.05 ± 40 м, и что. Тут даже последняя цифра в метрах никакого смысла не несёт, только видимость точности, что уж говорить про сантиметры.
        +2

        Я покапитаню, но почему используются ping-pong локаторы? Взять ping-девайс с точными часами. Утопить (грузик из обеднённого урана утопит что угодно даже во ртути). Послушать pong (с меткой времени). Как минимум, это уменьшит неопределённости раза в два.

          +1
          Сначала так и делали — бросали взрывчатку с таймером. Здесь просто куча ньюансов: утопить придется довольно сложный, габаритный, дорогой и сильно потребляющий девайс. Ляжет он непонятно куда (важно же еще определить позицию!). И можно было бы его сделать самовсплывающим. Но опять же — это дорого, сложно, долго и это все-таки 10+ км — антенны на такие глубины это отдельная история. Это первое, что приходит на ум, уверен — там еще много всяких «но». Все-таки занимаются этим лучшие специалисты в этой области на планете.
            +1

            Позицию определить можно с помощью триангуляции (три-четыре лодки с GPS'ом на расстоянии 500 метров друг от друга, не?).


            Кстати, триангуляция помощью нескольких синхронизированных пингеров — тоже интересная идея. Синхронные пинги на разной частоте (чтобы различить). 3 излучателя, три приёмника. Приёмники знают время пинга и своё положение.

              +2
              Конечно можно. Но тут опять проблем возникает больше, чем решается. Как минимум база в 500 метров для глубины 10+ это так себе геометрия. Там уже будет не просто вертикальный канал, для которого более-менее можно сделать трассировку луча, а минимум три наклонных. Одним частотным разделением это не не решается, для таких задач используют сложные сигналы. Если ткнуть пальцем в небо и попытаться прикинуть точность системы с такой конфигурацией, я бы сказал что сотня-другая метров.
                +1
                Ближайшая аналогия — мультилатерациия (MLAT). Приемники должны быть в углах квадрата со стороной не менее 15 км. Погрешность в сотню две метров иногда наблюдается.
                image
                +1

                Только при измерении каждой из дальностей тоже погрешность 40 м, как и при измерении глубины.

              0
              А еще можно утопить нейтринный излучатель и ловить их на поверхности. Расстояние будет определено прямо совсем-совсем точно
                +2

                Кстати, интересная идея. Только ловить дооолго придётся. Плюс наводки от других частиц. Плюс возить с собой с кубический километр воды — то ещё занятие.

                  +1
                  Зачем возить с собой в океане кубический километр воды, там её что, не хватит?))
                    0

                    Чистую надо. И находящуюся в полной темноте.

                      +1
                      Кстати, на Байкале есть нейтринный детектор. Вода конечно не морская, но и не дистиллированная.
                        0
                        Зачем вообще возить эти нейтринные детекторы. Нейтрино без проблем пролетит сквозь Землю и будет детектирована.
                          +1

                          … Хм, интересная идея. Но генератор нейтрино — на удивление тяжёлая штука. Плюс, пара "источник-детектор" только-только делаются первый раз в фермилабе, насколько я знаю.

                            0
                            Одноразовые импульсные генераторы нейтрино уже полвека стоят на вооружении. Единственная техническая проблема защитить их от высокого давления.

                            А если серьезно, то были же новости о измерениях скорости нейтрино, та которая с превышением скорости света. Разве там не источник — детектор?
                  +8
                  Взять ping-девайс с точными часами.

                  Проблема же не в том, что мы синхронизироваться не можем, проблема в том, что мы не знаем скорость распространения сигнала в среде.
                  Ну выяснили мы, что сигнал идет секунду, с точностью до 1нс. И что? Мы скорость не знаем, а значит расстояние не можем посчитать. Статья как раз об этом.
                    0
                    пусть он дает пинги все время погружения, каждую секунду, например, и считает пройденный путь инерциальными датчиками, кодирует и тоже отправляет. Так эту таблицу «скорость звука — глубина» можно будет снять напрямую
                  +3
                  А для чего вообще стремится к такой точности измерений? Там же после каждого землетрясения может все поменяться.
                    +5
                    Очень хороший вопрос. Вот с одной стороны: зачем нам с точностью до миллиметра знать расстояние до луны? Мне нравится как на подобные вопросы отвечает астрофизик Сергей Попов. В том духе, что люди целый WiFi изобрели, стараясь найти вспышки от испаряющихся черных дыр, которые предсказал Хоккинг. На таких вещах отрабатывается куча технологий, которые потом используются в подводном бурении, прокладки кабелей, позционировании водолазов и куче всего. На самом деле на этот вопрос можно отвечать очень долго и со вкусом )
                      +2
                      Вот с одной стороны: зачем нам с точностью до миллиметра знать расстояние до луны?
                      Ну, может, чтобы узнать, что Луна удаляется от Земли с каждым годом на 3,8 см?
                        +3
                        Это был риторический вопрос) Я сторонник простой мысли, что знать что-то и знать это все точнее — лучше в любом случае. С другой стороны кто-то может спросить, мол, а зачем нам знать что Луна удаляется? Зачем знать что скорость вращения Земли неравномерна и менятся? И так до бесконечности.
                        0
                        Уточню вопрос. Зачем измерять непостоянный параметр? Технологии как раз можно на исследованиях всего дна обкатывать. Это как высчитывать точную, до сотых миллиметра, высоту березы.
                          0

                          Тут пока неоднозначность не станет меньше диапазона быстрых изменений — можно и нужно повышать точность. Плюс расскажу из совсем частной области: периодически в статьях попадается утверждение, что модель для плотности и скорости звука в воде после 6 км не особо адекватна, тк данных экспериментальных за 6000 в целом маловато.

                        0
                        А для чего вообще стремится к такой точности измерений? Там же после каждого землетрясения может все поменяться.

                        Ну может вы акциями на бирже торгуете. Если точно померяете в нужных местах, то вероятно сможете заранее знать когда упадут акции к примеру японских компаний.
                        +1
                        Батискафом погружаемся, вручную находим самое глубокое место.
                        Измеряем глубину по длине кабелей — мотаем медь и оптику, для точности. Точность там до метра и даже меньше.
                        Выпрямляем кабели натяжением. Температуры влиять будут мало, но и их можно мерить набором датчиков по всей длинне.

                        В общем, технически задача точного измерения вполне решаема. Другое дело — это дорого и не имеет практической пользы.
                          +7
                          Очень сложно обеспечить вертикальность такой штуки. И даже отследить степень невертикальности будет непросто. И да, это дорого и долго: все-таки почти 11 км.
                          Во-вторых, я сейчас голову на отсечение не дам, но мне когда-то попадалось у Перельмана (кажется) задача о предельной длине веревки на земле. Там суть в том, что у каждого материала есть предельная длина «веревки», которую можно сделать из этого материала, когда все упирается в предел прочности — «веревка» не выдержит собственный вес.
                            +2
                            Проводятся ежегодные конкурсы на тему космического лифта. Одна из четырёх дисциплин — разработка троса. Конечно, к тросу для погружения в океанские пучины могут предъявляться специфические требования. Но натяжение, конечно вопрос не менее сложный.
                              0
                              Кстати да, тоже вспомнил про космический лифт. Я все пытаюсь найти ту задачу, про которую читал еще в школе. Мне кажется что речь шла именно о якорной цепи, но возможно, память изменяет мне, и разговор был про трос для космического лифта
                                +1
                                Не припомню именно эту. Жаль, Перельмана сейчас читать не принято. Вот в формате бы подкастов — может юннаты и подтянулись бы.
                              0
                              Во всяком случае, будет получена гарантированная оценка сверху: глубина не больше чем L.

                              Далее, «гравитационные» (или как там их правильно называть) датчики сейчас идут по цене компостной кучи, во всяком случае те, что встраиваются в телефоны. Не то чтобы они прецезинные, но во всяком случае имеют вполне осязаямую точность и позволяют получить адекватную картину мира.

                              Далее стоит иметь ввиду, что все отклонения троса от вертикали имеют второй порядок малости (косинусы, все дела), а про скручивания так сразу не скажу, но, наверное, это как мимниму третий, если не четвёртый порядок.

                              Цена мне кажется вторична, тем более в таком пафосном исследовании. Просто гонять эти океанические лайбы и проводить там время, стоит немало.
                                +2
                                Там суть в том, что у каждого материала есть предельная длина «веревки», которую можно сделать из этого материала, когда все упирается в предел прочности — «веревка» не выдержит собственный вес

                                В вакууме — да. Но в воде же можно использовать силу Архимеда и сделать веревку даже невесомой, закрепив на ней по всей длине небольшие поплавки.
                                  +1

                                  И для более-менее приличных сталей там приводились значения порядка 8-9 км, если я правильно ошибаюсь

                                    +1
                                    Да, была такая проблема (https://math.ru/lib/book/djvu/perelman/zanim_mech.djvu глава 7), но думаю, с современными материалами это уже не особо важно — синтетика достаточно прочна, при этом сильно легче металлов.
                                      0
                                      О, спасибо огромное за ссылку! Да, с синтетикой скорее всего ситуация иная. Хотя так однозначно я бы не поставил на это деньги — там есть еще проблемы трения каната об воду, парусность и т.п.
                                    +4
                                    А как вы, простите, натянете медный трос, если где-то там течение на восток, а еще есть на запад и на юг, на разных глубинах? А оно есть, вопрос только в скорости. Да и высота в течении может быть десятки и сотни метров.
                                      0
                                      Лебёдкой?
                                      Что-то сомневаюсь, что подводные течения, причём в основном обтекающие трос, а не толкающие его, способны пересилить мощный мотор.
                                      Есть, конечно, опасность порвать трос, но по крайней мере мы зафиксируем длину размеченного троса в момент разрыва.
                                      Трос, понятно, крепится к буру в дне впадины.
                                        +3
                                        Они способны вообще этот трос растянуть и выгнуть, порвать.
                                        Дело в поверхности. Когда у вас тросс 10мм и его длина 1км, то это фактически как парус 10м2.
                                        Оно вроде как и ничего, но при движении воды вдоль него будет создаваться сила достаточная для сдвигания большого корабля. Хотя сначала его выгнет дугой.
                                        Для примера возьмите «трос» длиной 30м и попробуйте его натянуть на воздухе при ветре. В воде будет на пару порядков сложнее. Он же еще будет плавать-тонуть в зависимости от слоя, который проходит.
                                          0
                                          На разных глубинах разные течения. Не скажу, что они взаимно компенсируются, но выгнет трос явно не дугой, а синусоидой.
                                          А про «плавать-тонуть» не понял: на какой глубине плотность воды выше плотности металла?
                                            +1
                                            А какая вам разница, в какой форме его выгнет, если вы не можете подсчитать разницу с прямой?
                                            Плотность воды меньше, но это не значит, что на метал в ней не испытывает силу Архимеда. Трос, возможно, прийдется частично разгружать, чтоб не порвался в процессе.
                                              0
                                              А я разве предлагаю посчитать разницу с прямой?
                                              Я предлагаю лебёдкой довести её до минимума.
                                                +3
                                                40м на 10км = 0.4%.
                                                Длина троса зависит от температуры, его натяжения(растягивание, кольца), наклона относительно точки крепления, ровности натяжения( в том числе и от течений).
                                                Это только навскидку проблемы. А вы даже не можете угол проконтролировать и точку закрепления, поскольку радио проходящее через 10км воды не дает нужной точности.
                                                  0

                                                  Растяжения троса не имеют значения внутри троса оптоволокно, в конце зеркало, этого достаточно. Влияет только изгиб.

                                                    0
                                                    Тогда оптоволокно порветься. Оно практически нерастяжимое. А если его не в натяжку, смысл потеряется.
                                                    Но даже если вы точно знаете длину тросса это вам не поможет, поскольку вы не знаете, натянут он или кольцами свит(ну большими кольцами, по полкилометра)
                                                      0

                                                      Оно не настолько не растяжимо насколько я понимаю сравнимо со стальными и прочими волокнами из которых можно делать трос который не разорвёт под собственным весом.

                                                        0
                                                        Мы же про трос говорим. И стекло внутри. И 11 км. Трос БУДЕТ менять геометрию при разной температуре, стекло внутри тоже, но с другим коэфициентом. Проскальзывать стекло фактически не будет(11км все же).
                                                        Порвется. В таких условиях метр бетона можно сломать.
                                                          0
                                                          Геометрия нам не важна. Главное — чтобы ровно висело. Длинну измеряем не по длинне троса, а по прохождению сигнала туда-обратно. Поэтому температурные деформации по длине и толщине нам не важны.
                                                          Рваться не будет, если уравновесить трос по всей длине поплавками, нулевая плавучесть (можно даже активные, с переменной плавучестью, демпфировать изменения плотности воды от температуры и солености).
                                                          Технически все это возможно. Вопрос в цене и целесообразности.
                                                            +2
                                                            Если вам не важна геометрия, возмите ленточку 3м, дождитесь ветра и померяйте ей высоты этажа на улице.
                                                            То, что у вас «ровно висит» в начале 11км трос вообще ничего не говорит о глубине и длине вытравленного троса. Если разгружать — то ситуация ухудшается.
                                                          0
                                                          6·10-7 К-1 у стекла в кабеле. и около (10-15)*10-7 для сталей.
                                          0
                                          Если уж упарываться в абсолютную точность — ставим мини-буксиры (хрень с моторчиком и винтом) каждые 50 метров глубины, лазерные гироскопы для абсолютной вертикали.
                                          Как говорил наш препод по измерениям неэлектрических величин — меры по компенсации искажений не ограничены даже маразмом. Не дословно, но смысл такой.
                                        +3
                                        А почему не используют гироскоп?
                                        Бросили на дно, проинтегрировали и получили длину пути во вселенной.
                                        Убрали суточное вращение планеты, выделили радиальную составляющую перемещения и получили глубину, нет?
                                          0
                                          «Это путь в ад, Франческо, друг мой» (С)
                                          Я не специалист в гироскопии, но как мне кажется, на данном этапе развития гироскопии, это пожалуй, один из, если не самый сложный и неточный метод ). Либо фантастически дорогой.
                                            0
                                            Да я тоже не специалист, теоретизирую просто.
                                            Фитнес-трекер же показывает плюс-минус 10 метров на 11 километров (без GPS), примерно Ваша точность. Наверняка есть девайсы поточнее у космонавтов или летчиков.
                                              +2
                                              Фитнес трекер считает «шаги». Если не ошибаюсь, задача в целом решается акселерометром (плюс-минус). На тонущем девайсе «шагов» не будет.
                                              +2
                                              Как минимум, можно в дополнение к эхолоту собирать не профиль солености/температуры воды бутылочками, а опустить на дно 5-метровую горизонтальную штангу с ультразвуковым излучателем на одном конце, и микрофоном — на другом, и замерить скорость звука хоть через каждый метр.
                                                +1
                                                Совершенно справедливо. И даже не надо 5-метровую, и даже 1-метровую не надо. Девайс называется Sound velocity sensor и выглядит вот так.

                                                Другое дело что температура и соленость нужна в среднем большему числу исследователей, чем скорость звука.
                                                0

                                                Насколько помню лазерный для самолёта стоит около 40 тыс $ но основная беда в том что нужно ещё сделать коробку которая позволит ему жить на глубине в 11км .

                                              +2
                                              А почему бы не использовать оптический способ, как в случае с Луной? Берём импульсный киловатный лазер с малой длиной волны, желательно ультрафиолетовый, топим пластину с уголковыми отражателями с двух сторон, ночью сканируем лазером дно в поисках пластины, измеряем время до получения блика, и делаем триангуляцию с определением координат лазера по GPS. Пластину можно потом поднять на тросе, и использовать повторно.
                                                +1
                                                Лазер на 11 км не стрельнет в воде, тем более назад ничего не вернется )
                                                  0
                                                  Прикинул — да, затухание слишком велико. Но можно предложить другой оптический метод. Опустить до дна параллельно 3 тросса с оптоволокном, так, чтобы на каждые 50 метров длины тросса приходился либо источник, либо приёмник света, работающий в обоих направлениях — к поверхности и дну. Тогда, подавая с поверхности короткие импульсы света через оптоволокно в определённую точку троса, и принимая его объективом, передающим свет через оптоволокно на поверхность, одновременно на всех трёх троссах, можно, измеряя задержку импульса, измерить расстояние между источником и всеми смежными с ним приёмниками. Быстро сделав это по всей длине троса, можно триангуляцией построить пространственную конфигурацию троссов, и таким образом измерить расстояние от поверхности до лежащих на дне якорей.
                                                    +3
                                                    Все методы основанные на эхо/радиолокации разбиваются о то, что нам необходимо точно знать скорость звука/света в воде, а та зависит от температуры, солёности и даже давления (потому как на тех глубинах воду уже нельзя считать несжимаемой жидкостью). Плюс-минус лапоть посчитать конечно можно, что и было сделано полвека назад, но вот с точностью до пяти знаков пока не выходит.

                                                    PS: Методам основанным на триангуляции добовляет сложности то, что неоднородности воды залегают слоями, и звук/свет пущенный не строго вертикально ещё и слегка преломляется в сторону и идёт не по прямой линии.

                                                    PPS: Опускать гирлянды датчиков/камер и по ним высчитывать поправки к скорости очень хорошая идея, потому как кроме собственно определения глубины можно получить много интересных данных об океане, но вспоминается выставленный в музее батискаф с толщиной стенки сантиметров 15. Каждый датчик придётся паковать в стальную сферу размером с мультиварку, плюс как-то герметизировать шину питания и данных. Сколько это будет весить и стоить — думать страшно. Впрочем, при массе «колбасы» датчиков в десятки тонн можно даже не включать питание — при таком весе её почти не будет изгибать течениями и достаточно просто измерить длину высокотехнологичной «верёвки».
                                                      0
                                                      Ну Джеймсу Кэмерону для погружения в Марианскую впадину хватило «каких-то» 5 см толщины стенки титановой сферы.
                                                      Датчик, вполне вероятно, может быть пассивным. Оптоволокно, например, может использоваться как чувствительный протяжённый датчик вибрации. Если несколько таких датчиков погрузить в сейсмически активной зоне, по запаздыванию прихода откликов от подводных землетрясений с разных датчиков и разных глубин можно построить трёхмерную карту глубин.
                                                        0
                                                        Показатель преломления морской воды (а значит и скорость света в ней) меняется на 0,02% на 1% солёности. Солёность Тихого океана колеблется в пределах 1%. На 11 километров глубины это даст 2,2 метра погрешности. Забором проб на различных глубинах и измерением их солёности этот результат можно улучшить. Изменение показателя преломления от давления можно легко учесть, профиль давления известен с хорошей точностью.
                                                        В моей схеме нет погружных датчиков и камер — только волоконные световоды и объективы, которые могут быть водонаполненными, не требуют никакой защиты от давления, и могут быть маленькими и лёгкими.
                                                        Для увеличения точности можно добавить калибровочные объективы, расположенные на небольшом жестко фиксированом расстоянии от некоторых из источников света — с их помощью можно измерить скорость света в воде конкретно для этой точки океана.
                                                      0
                                                      Поискать участок спектра, в котором вода прозрачна для излучения? Пусть не лазер, а мазер какой-нибудь получится. Или еще что — не принципиально. Главное не звук, а электромагнитные волны.
                                                        +2
                                                        Да все уже поискали и проверили. Сине-зеленый участок спектра. Лучшее, на что можно надеяться — сотню-две-три метров в идеальных условиях. На 11 км шансов просто никаких. Там дело не столько в затухании даже (тут точно не скажу) а в том, что океан — в нем много всего плавает мелкого.
                                                        Электромагнитные в плане радио в соленой воде еще хуже проходят. Там речь о десятках метров на сверхдлинных волнах и никакой речи о точных измерении дальности.
                                                          0
                                                          Ну в атмосферном воздухе тоже много чего летает, но для некоторых частей спектра он практически прозрачен. Есть же какие-то устройства для дальней и сверхдальней связи для субмарин в подводном положении.
                                                            –1
                                                            Нейтринная связь. Небыстрая и односторонняя.
                                                              +1

                                                              С ядром солнца )

                                                                –1
                                                                КМК существует и используется система односторонней связи с подлодками. В роли передатчика используется ускоритель частиц.
                                                              +1
                                                              Есть же какие-то устройства для дальней и сверхдальней связи для субмарин в подводном положении.

                                                              Есть конечно, только вот передатчик в два с лишним мегаватта мощности и 60-километровой антенной не столько излучает привычные нам радиоволны, а скорее модулированно раскачивает магнитное поле Земли. И CPS у него три буквы за 15 минут, для сигналов точного времени подходит слабо.
                                                                +2

                                                                Стоит сказать, что связь там до глубины в несколько десятков метров, может сотня. Ни о каких километрах речь вообще не идёт, и конечно для измерении времени распространения, как вы верно заметили, оно совсем не подходит

                                                                +1
                                                                Есть же какие-то устройства для дальней и сверхдальней связи для субмарин в подводном положении.

                                                                Да, есть! Как ни странно, опять звуковые :). Вон если на графики посмотреть, там где изломы кривых солёности и температуры находится так называемый подводный звуковой канал — звуковая волна распространяется в нём как свет в световоде — преломляясь с отражением назад на глубинах бОльших и меньших глубины канала. Звук распространяется там очень далеко. Вики пишет о сотнях и тысячах км.

                                                        +3
                                                        отличная задача для робота к Европе (спутнику Юпитера). Пусть поплавает на такой глубине, заодно и измерит точнее…
                                                          0
                                                          А по давлению воды мерить глубину нельзя? Одна атмосфера — десять метров, ну
                                                          и так далее…
                                                            +1
                                                            Конечно можно. О проблемах, связанных с этим методом я написал в прошлый раз: вот статья
                                                            0

                                                            Ну а по принципе узи/кт и подобного, нельзя собрать побольше данных и построить модель профиля толщи воды?
                                                            Хотя тут наверное понадобится немало техники на большой площади.

                                                              +2
                                                              И источник излучения с мощностью, достаточной для дезинфицирования приповерхностного слоя планеты.
                                                              0
                                                              Я наверное скажу сейчас глупость…
                                                              А как вообще «спидометр» для кораблей работает? Как посчитать эти узлы/час?
                                                              Наверняка это какоето устройство которое считает движение воды, вопрос насколько точно он работает?
                                                              Что если прикрепить этот «спидометр» на не большой подводный дрон который отправить на дно, попутно измеряя скорость/расстояние?
                                                                +1
                                                                Тут вроде что-то такое уже предлагали если не путаю. Да, скорее всего можно что-то подобное сделать и наверное делали. Нет гарантий что девайс будет тонуть строго вертикально. Я конечно не считал, но мне кажется преимуществ по сравнению с MBES (Multi Beam Echosounder) не будет.
                                                                +1
                                                                Марианская впадина в целом и Бездна Челленджера в частности — это и есть предел ситуации с глубиной на нашей планете

                                                                Кольская сверхглубокая скважина.
                                                                  +1
                                                                  Вы правы, мне стоило уточнить, что речь идет о воде. Но, кстати, глубина сопоставима. Недавно смотрел отличную лекцию Михаила Никитина про строение земли и там в т.ч. был интересный рассказ про Кольскую сверхглубокую. Спасибо что напомнили!
                                                                    +2
                                                                    благодарю за ссылку, интересно посмотреть на досуге
                                                                  0
                                                                  Топить, так топить… )) А нельзя ли, скажем, утопить 20-30 устройств, погружая их с определенным временным промежутком? Ну и обеспечить связь между устройствами, фиксируя скорость передачи между устройствами на разных глубинах и поверхностью… Ну и т.д…

                                                                  Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                                                  Самое читаемое