Как определить глубину моря физика

Эхолот – технический прибор, в основе которого лежит использование часов для измерения глубины океана. Это принцип гидролокации.

До изобретения эхолота малые глубины до 4 м измеряли футштоком, т.е. шестом, размеченным в футах, а большие до 500 м – лотом, т.е. гирей, укрепленной на длинном тросе.

С поверхности океана в глубину посылается звуковой импульс и принимается эхо, отраженное от дна океана. Часы измеряют интервал времени от отправления импульса до возвращения эха. Глубина определяется по запаздыванию эха:

где v – скорость звука в морской воде, t – время запаздывания, а двойка в знаменателе учитывает путь туда и обратно, пройденный сигналом.

Точность измерений зависит от того, насколько точно известна скорость звуковых волн в воде и с какой точностью измеряется запаздывание сигнала.

Обычный секундомер позволяет измерять время с точностью до десятых долей секунды (т.е. глубину с точностью до сотни метров ). Для большей точности используются электронные секундомеры.

Источник: по материалам книги П.Маковецкого «Смотри в корень»

Есть еще вопросы по физике? — Отвечаем!

Вернуться к списку вопросов

ВЕНЕРА НА ЛИКЕ СОЛНЦА

Физику на заметку.

«Я говорю: увидел Венеру, как родинку на лике Солнца».

Эти строки написаны на пергаменте, возраст которого более тысячи лет! Автор — ученый-энциклопедист Древнего Востока аль-Фараби.

Не ошибался ли средневековый астроном? Ведь чтобы увидеть прохождение Венеры по диску Солнца, ему нужно было сначала с высокой точностью рассчитать движение планет, определить день и час затмения.

Вычисления современных специалистов показали, что в 910 году нашей эры с территории современного Казахстана действительно можно было наблюдать «родинку на лике Солнца».

Это выражение приходит на ум, когда знакомишься с сообщением о том, что недавно налажен выпуск интегральных микросхем, в которых вместо полупроводниковой подложки используются кристаллы сапфира.

Такие микросхемы по стоимости во много раз выше традиционных.

Источник

Как измеряется глубина океана?

Океаны во многом остаются для нас загадкой. Мы даже не знаем возраста океанов. Вполне возможно, что на первых этапах развития Земли океанов не существовало.

Ученые, изучающие море, называются океанографами. Поскольку глубины океана темны и холодны, ученые знают о них не так уж и много. Некоторые части океанского дна изучались лишь через иллюминаторы исследовательских подводных лодок и через окуляры батискафов, сделанных специально для изучения глубин моря, но все равно этой информации явно недостаточно.

Сегодня человек исследует океанское дно, чтобы лучше их изучить. До глубины 3600 м дно океанов покрыто мягкими илистыми отложениями. Они состоят из известковых скелетов мельчайших морских животных. На глубинах, превышающих 6 км, дно покрыто мелким красноватым илом, называемым «красная глина». В его состав входят частички скелетов животных, остатки мелких растений и вулканический пепел.

Одна из интересующих океанографов проблем — это глубина океана. Измерение ее называется «прослушиванием глубины». В старину измерение делалось при помощи веревки с привязанным к ней грузом, которую опускали в воду. Позже для этого стали использовать очень тонкую проволоку, типа той, из которой делаются фортепьянные струны.

В наши дни ученые могут составить гораздо более точное представление о глубине океанского дна при помощи одного изобретения, называемого эхолотом. В нем для исследования океанского дна используется эхо.

Устройство, установленное на борту корабля, посылает звуковой сигнал. Звук проходит сквозь толщу воды со скоростью около одной мили в секунду. Он отражается ото дна и улавливается на обратном пути специальным прибором. Чем глубже вода, тем больше времени требуется для эха, чтобы достичь борта корабля.

Современный эхолот посылает ко дну ультразвуковые волны. Потом приборы регистрируют эхо в виде черной линии на листе специальной бумаги. Обычно эта бумага содержит в себе расшифровку этих знаков в морских саженях (морская сажень равна 1,8 метра).

При помощи эхолота можно легко определить глубину моря. Но прибор может сделать не только это. Он может в подробностях нарисовать линию морского дна под кораблем, если прослушивать дно через каждые несколько метров по ходу корабля.

Если корабль проходит над подводной лодкой, эхолот регистрирует ее точную форму. Если дно ровное, эхолот таким же его и изобразит. Эхолот не пропустит даже маленькой неровности дна высотой меньше метра!

Основываясь на этих измерениях, мы довольно хорошо представляем себе среднюю глубину различных океанов, как и самые их глубокие точки. Самый глубокий — Тихий океан, его средняя глубина 4 281 м. Следом идет Индийский океан со средней глубиной 3 963 м. Затем следует Атлантический океан со средней глубиной 3 926 м. Для сравнения: Балтийское море имеет среднюю глубину всего 55 м!

На сегодняшний день известно самое глубокое место в океанах — в районе Гуамских островов — 10 790 м. Другое глубочайшее место расположено в Атлантическом океане недалеко от Гуамских островов — здесь глубина достигает 9 219 м. Гудзонов залив, по площади превосходящий многие моря, имеет среднюю глубину только 183 м.

Самая внушительная морская впадина находится около Марианских островов. Ее глубина 11022 метра. Для сравнения: высочайшая вершина мира Эверест имеет высоту «всего» 8848 метров. В I960 г. эта впадина была исследована с помощью батискафа, опустившегося почти до ее дна. Тем самым, кстати сказать, был побит мировой рекорд для подобных аппаратов. И еще одно наблюдение.

Почти все морские впадины (или желоба) расположены не в открытом океане, а вблизи материков.

Источник

Как ученые определяют глубину океана?

Как ученые определяют глубину океана?

Определение глубины океана называется «прослушиванием глубины» или «снятием звука». В прежние времена для этого на один конец веревки привязывали груз. На веревке на расстоянии в морскую сажень (1,83 м) завязывались узлы. Веревку с грузом опускали в воду, она уходила на глубину под тяжестью груза и считали количество узлов. После этого вычисляли глубину.

Сегодня для определения глубины океана используется эхолот. Аппарат на борту корабля посылает звуковой сигнал со скоростью около 1,5 километров в секунду и фиксирует отраженный ото дна ответ. Чем глубже вода, тем больше требуется времени для получения на корабле эха. В современных эхолотах с корабля излучается высокочастотный звук. Звук эха регистрируется черной точкой на специальной бумаге. Приборы устроены так, что глубину можно сразу определить в морских саженях.

Эхолоты используются не только для определения глубины морей, но и для изучения дна океана, его профиля, впадин и возвышений, находящихся под дном корабля. Звуки посылаются так часто, что ответные сигналы ложатся вплотную друг с другом. И от одного сигнала до другого глубина изменяется очень незначительно. Если корабль проходит над морской горой, эхолот точно определяет форму горы. Если дно плоское, прибор также фиксирует это. Эхолот не пропускает даже возвышения в несколько метров высотой.

Читайте также

Как определяют температуру стали по ее цвету?

Как определяют температуру стали по ее цвету? До появления пирометров и других контрольно-измерительных приборов металлурги и кузнецы определяли температуру нагретых металлов и сплавов по так называемым цветам каления – цветам свечения металла (сплава), зависящим от

Как археологи определяют возраст находок?

Как археологи определяют возраст находок? К началу XX века археологи накопили огромное количество находок. Однако большая их часть не была точно описана сразу после обнаружения. В последние десятилетия стало очевидным, что даже сенсационная находка утрачивает половину

На какую глубину способна погружаться морская черепаха?

На какую глубину способна погружаться морская черепаха? Рекордсменом глубины ныряния среди рептилий является морская кожистая черепаха. Эта самая крупная из всех современных видов черепах, обитающая во всех океанах, кроме Северного Ледовитого, в длину может превышать 2

На крыльях в глубину

На крыльях в глубину Недавно в городке Окленде, близ Сан-Франциско, состоялись первые испытания уникального подводного аппарата «Глубокий полет-1». «Эта миниатюрная подлодка может развивать скорость до 72 км/ч и нырять на глубину до 11 км», — уверяет ее создатель Г. Хокс,

Ученые варвары

Ученые варвары Варвары, разрушившие устои Древнеримской империи, вызвали великое переселение народов. Были разрушены многолетние традиции и законы. Если к первому тысячелетию н. э. Средиземноморье и большая часть Среднего Востока практически контролировалась Римом и

«Учёные записки»

Как криминалисты определяют автора рукописи

Как криминалисты определяют автора рукописи В 1953 году в журнале «Шахматы в СССР» был опубликован материал о неизвестной тетради русского шахматиста Александра Алехина. Тетрадь в коленкоровом переплете, исписанную шахматными партиями сначала изучали шахматисты. Чья

Сколько глаз нужно, чтобы оценить расстояние и глубину?

Сколько глаз нужно, чтобы оценить расстояние и глубину? Один.Можно подумать, что для этого нужны оба глаза, но это не так.Правда в том, что пространственное восприятие создается в основном за счет разницы углов зрения каждого из двух наших глаз. На том же принципе построено

КАК БЫСТРО ИЗМЕРИТЬ ГЛУБИНУ

КАК БЫСТРО ИЗМЕРИТЬ ГЛУБИНУ При ловле на матчевую снасть прежде всего требуется точно определить глубину спуска, то есть расстояние от поплавка до дна. Обычно рыболов делает пробные забросы до тех пор, пока не зафиксирует глубину в месте ловли. Но это не самый лучший

Ученые—химики

Ученые—химики 3 Ган – Германия4 Берг – СШАДорн – ШвецияДэви – АнглияКюри – ФранцияПотт – ГерманияРейх – ГерманияЭтар – Франция5 Балар – ФранцияБемон – ФранцияКлаус – РоссияКлеве – ШвецияКрукс – АнглияПерей – ФранцияПерье – ФранцияРоско – АнглияРэлей –

Ученые-геологи

Ученые-геологи 2 Ог – французский геолог, автор работ по геотектонике.4 Дана – американский геолог и минералог.Зюсс – австрийский геолог, профессор.Смит – отец английской геологии.Смит – рус. геолог, один из основателей горного дела в России.5 Кулик – советский

Ученые

Ученые См. также «Наука», «Профессора» Наука — это то, что делают ученые, а ученые — это те, кто в данную эпоху считают себя учеными. Стефан Амстердамский Чернила ученого и кровь мученика имеют перед Небом одинаковую ценность. Коран Ослов и ученых — в середину! Возглас

УЧЕНЫЕ

УЧЕНЫЕ Наука – это то, что делают ученые, а ученые – это те, кто в данную эпоху считают себя учеными. Стефан Амстердамский Чернила ученого и кровь мученика имеют перед Небом одинаковую ценность. Коран Ослов и ученых – в середину! Возглас солдат Наполеона перед

Источник

Вы делаете это неправильно: расчет глубины

Приветствую вас, глубокоуважаемые!

Что если я скажу, что глубина, что бы вы под ней не подразумевали, является одной из самых сложных для точного измерения величин? На какой глубине плывет подводная лодка? Какая глубина марианской впадины? На какой глубине лежит Титаник? Если вам не повезет с параметрами, то на первом километре глубины, вы можете ошибиться примерно на 30-40 метров и на 200-300 метров на 6-ом километре, используя датчик давления. Если вы предпочитаете эхолот, то при неудачном стечении обстоятельств, которые вы не учли, ошибка на первом километре составит метров 100, а на 6-ом — целый километр. Конечно, можно еще использовать длинную веревку… Но там, как известно, свои подводные камни.

Как такое могло случиться и как делать правильно я расскажу под катом. В довесок к статье есть Open-source библиотека на C#/C/Rust/Matlab/Octave/JavaScript и пара онлайн-калькуляторов для демонстрации.

Статья будет полезна разработчикам подводной техники, число которых за последние лет пять выросло в разы.

Итак, для начала сразу оговоримся, что глубиной часто называют две разных величины:

• и расстояние по вертикали от поверхности воды до точки, где эту глубину измеряют,
• и расстояние по вертикали от поверхности воды до дна.

В первом случае — это глубина погружения, а во втором — глубина места.

Есть ровно два с половиной фундаментальных способа изменения этих величин, как я уже упомянул:

• по гидростатическому давлению столба жидкости, т.е. при помощи датчика давления;
• по времени распространения звука — эхолотом
• по длине выпущенной за борт веревки =)

С веревкой все понятно, а с остальными двумя давайте разберемся. Сегодня разберем:

Способ 1 — По давлению столба жидкости

Из нее легко посчитать высоту столба жидкости (т.е. глубину в нашем случае), не забывая про атмосферное давление :

На «100» умножаем, если хотим получить глубину в метрах, измеряем давление в миллибарах, плотность воды в кг/м^3, а ускорение свободного падения в м/c^2.

Давайте абстрагируемся от точности конкретных приборов, пусть даже они у нас суперточные.
Проблема в том, что никакой член формулы не является константой. Даже атмосферное давление может меняться в течение часа.

Как влияет атмосферное давление?

Давление у поверхности моря может варьироваться в пределах 641-816 мм. рт. ст., или, тоже самое в миллибарах: от 855 до 1087. Если просто взять за стандартное значение в 1013.25 мБар, то в зависимости от погоды уже можно получить ошибку в 40-50 сантиметров, причем, как в «плюс», так и в «минус».

Что с ускорением свободного падения?

Боюсь показаться Кэпом, но все же напомню, что земля у нас плоская вращается, и за счет центробежной силы притягивает на экваторе слабее, чем на полюсах.

Если не крохоборничать и не учитывать гравитационные аномалии из-за разной плотности земных пород, гор, впадин, изменения скорости вращения земли от сброшенной земными деревьями листвы и перемещениями соков по их стволам, то нас вполне устроит стандартная зависимость ускорения свободного падения от георафической широты. Т.н WGS-84 Gravity formula.

Согласно этой формуле, ускорение свободного падения меняется от 9.7803 м/с2 на экваторе (0° градусов широты) до 9.8322 м/с2 на полюсах (90/-90° широты).

Допустим, мы возьмем стандартное значение ускорения свободного падения 9.80665 м/с2, на сколько мы ошибемся в худшем случае?

Это иллюстрируетя картинкой ниже. На ней синий график показывает ошибку определения глубины на экваторе, если мы будем использовать стандартное значение , а оранжевый график — такую же ошибку на полюсах.

То есть, если мы подставим в формулу стандартное значение и пойдем погружаться где-то ближе к экватору, то на 100 метрах ошибемся всего на 20-30 сантиметров, на километре — на 2,5-3 метра, а на 9-10 километрах (Бездна Челленжера, кстати, находится на 11° северной широты) ошибка будет уже 25-30 метров. Т.е. реальная глубина будет больше, чем та, которую мы измерим.

А как влияет плотность воды?

Самым нехорошим образом. Если два первых компонента погрешности учесть достаточно просто, да и вклад их весьма скромен, то с плотностью воды история более замысловатая.

Дело в том, что плотность воды в упрощенном случае есть функция температуры, давления и солености.

То есть мало измерять давление, атмосферное давление, учитывать географическую широту места. Нужно еще знать температуру и соленость воды.

Для определения плотности морской воды в (разумном) диапазоне условий на практике наиболее широко применяется формула из работы Чена и Миллеро (Да, ЮНЕСКО занимается еще и этим!)

Допустим, мы измерили и температуру и соленость, но остается сжимаемость воды — изменение плотности с давлением (т.е. с глубиной), и чтобы определить высоту столба жидкости нужно просуммировать высоты элементарных столбиков, на которых давление изменяется на какую-то малую величину . В целом это конечно интеграл, но чтобы сразу привнести некое практическое значение, запишем его так:

N — это число интервалов разбиения давления от до измеренного .

Плотность зависит от давления практически линейно, и считать такую сумму из-за учета одной лишь сжимаемости смысла нет, но я привел здесь эту формулу не просто так.

Сам факт, что плотность зависит от трех параметров — это еще пол беды. Сложность кроется в том, что все эти параметры могут сильно меняться с глубиной. В этом случае принято говорить о профиле температуры и солености. Вот так, к примеру, выглядит профиль из Арктики:

Вот так с северной части тихого океана:

А вот так, для сравнения — с юга атлантики:

Например, если представить, что мы погружается в северной части тихого океана (39°СШ,152°ВД) учитываем атмосферное давление и географическую широту места и сжимаемость воды, а наш датчик давления показывает 100 Бар (

1000 м), а температуру и соленость мы берем в точке измерения, но не учитываем профиль, мы ошибемся с глубиной на 2 метра.

Я специально запилил онлайн-калькулятор и добавил три тестовых профиля (их можно переключать кнопками), чтобы каждый мог сам попробовать.

Если теперь просто переключить профиль на «южноатлантический» и попробовать пересчитать, то мы увидим, что разница выросла до 6-и метров. Напомню: все, даже сжимаемость воды мы уже учли! Ошибка связана только с наличием профиля — слоев разной температуры и солености в толще воды.

Естественно, все меняется и со сменой времен года и со сменой времени суток. Летом (в северном полушарии, зимой — в южном) верхний слой прогревается, а зимой — остывает. Шторма перемешивают воду, дожди смывают грязь с суши и реками уносят в моря, таят снега и ледники.

Это я к тому, что нельзя один раз перемерить и выбить в граните все профили температуры и солености для всех морей и океанов — все течет, все меняется. И если вдруг вы собрались погружаться на ощутимые глубины и у вас нет температурного профиля — я не поверю в ваш рекорд )

Матчасть

Как я упомянул в начале статьи, все необходимое для расчета глубины я собрал в библиотеку и положил на GitHub.

Она в том числе переведена на JavaScript, а в качестве интерактивного примера ее использования привожу онлайн-калькулятор.

Благодарю за внимание, буду искренне благодарен за конструктивную критику, сообщения об ошибках, пожелания и предложения.

В следующей статье разберу второй способ определения глубины — по эхолокации.

Only registered users can participate in poll. Log in, please.

Источник