Messung des feindlichen Ozeans unter Hurrikanen

Abb.1: Ein Slocum-Segelflugzeug von Teledyne Webb Research auf dem Weg zum Einsatz. Bildnachweis: Rutgers University.

Abb.3: Teledyne Slocum Segelflugzeug zur Sturmüberwachung. Bildnachweis: Teledyne Marine

Abb. 5: Drei Streikposten von Hurricane Sentinel-Segelflugzeugen waren am selben Tag im Jahr 2018 im Einsatz. Bildnachweis: Teledyne Marine

Abb.6: EM-APEX-Float von Teledyne Webb Research. Bildnachweis: Teledyne Marine

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Unbemannte Fahrzeuge sammeln Daten zur Verbesserung der Sturmvorhersage

Die Einflüsse der Meeresbedingungen und Strömungen auf die Lebensumgebung werden heute allgemein anerkannt - vom Erdklima über die Unwetterbedingungen bis hin zur Fischerei und zur biologischen Vielfalt. Nachhaltige und weit verbreitete Messungen sind erforderlich, um wichtige Hinweise zum Verständnis der Ozeane, zur wirksamen Überwachung von Umweltveränderungen und zur Klärung der langfristigen Auswirkungen der globalen Erwärmung zu liefern.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, haben Ozeanforscher verschiedene Arten unbemannter Beobachtungsplattformen erfunden. Zwei von Teledyne Webb Research entwickelte und gelieferte Varianten sind Segelflugzeuge zur Messung des Wassers im oberen Ozean und Profilierungsschwimmer zur Beobachtung der globalen Zirkulation. Diese Plattformen, die ein wachsendes Anwendungsspektrum unterstützen, waren besonders wertvoll für die Messung der herausfordernden Gewässer unter schweren Stürmen.

Messung der Meeresbedingungen in Sturmspuren
Die globale Besorgnis über das sich ändernde Klima der Erde hat die Erwärmungstrends in der Atmosphäre und im Ozean in die öffentliche Aufmerksamkeit gerückt. Stürme standen im Rampenlicht, insbesondere Hurrikane und Taifune. Die genaue Vorhersage der Landung und Stärke eines Sturms rettet Leben und reduziert unnötige Verteidigungskosten.

Die Energie, die tropische Stürme speist, stammt aus der Hitze in den oberen 50 m des Ozeans, insbesondere aus Gewässern, die wärmer als 79 ° F sind. Forscher haben festgestellt, dass eine signifikant verbesserte Vorhersage der Intensität eines tropischen Sturms, dem Indikator für seine verheerenden Auswirkungen, auf genauem Wissen beruht über unterirdische Wassertemperaturen entlang des Weges des Sturms. Die zugrunde liegende Wassertemperatur ist nicht statisch. Vielmehr führt die Wirkung des Sturms auf den Ozean tieferes Wasser in die Oberflächenschichten und verändert dadurch die verfügbare Energieversorgung. Diese Mischung kann den Sturm abhängig von der Temperatur des aufsteigenden Wassers entweder verstärken oder verringern. Die Kenntnis der Unterwassertemperaturen ist daher eine wichtige Information für die Sturmvorhersage. Darüber hinaus bietet die Kenntnis der Strömungen und ihrer Scherung in verschiedenen Phasen eines Sturms einen besseren Einblick in die Dynamik der Wechselwirkungen zwischen Luft und Meer.

Teledyne Webb Research war ein Pionier der unbemannten Unterwassersegelflugzeugtechnologie. Slocum-Segelflugzeuge entwickelten sich schnell von experimentellen Prototypen zu zuverlässigen mobilen Plattformen, die weltweit in verschiedenen Aktivitäten im oberen Ozean eingesetzt wurden.

Abb.2: Teledyne Slocum Segelflugzeug in tropischen Gewässern.Kredit: Teledyne Marine

Slocum-Segelflugzeuge ändern ihr Volumen, um zu sinken oder zu steigen. Befestigte Flügel erzeugen Auftrieb, wenn Flüssigkeit über ihre Oberflächen fließt. Der Nettoeffekt besteht darin, einen Teil der vertikalen Bewegung des Segelflugzeugs in horizontale Bewegung umzuwandeln. Slocum-Segelflugzeuge bewegen sich mit 35 cm / s und können von 4 m bis 1000 m Tiefe betrieben werden. Ein optionales Hybrid-Triebwerk bietet Geschwindigkeiten von bis zu 100 cm / s.

Slocum-Segelflugzeuge fliegen in einem welligen Sägezahnmuster nach einem programmierten Schnitt, manchmal über längere Zeiträume. Zum Beispiel haben Slocum-Segelflugzeuge ununterbrochen große Ozeanbecken überquert, die mehr als vierhundert Tage auf See benötigt haben.
Im Laufe der Zeit wurden Slocum-Segelflugzeuge mit einer zunehmenden Anzahl von ozeanografischen Sensoren ausgestattet, einschließlich eines integrierten Stromprofilers. Physikalische Eigenschaften wie Wassertemperatur und Salzgehalt werden routinemäßig gemessen. Segelflugzeuge haben auch Säuregehalt des Ozeans, Chlorophyll, suspendierte Sedimente und schädliche Algenblüten sowie innere Wellen beobachtet.

Über 45 Sensorsuiten wurden in Slocum-Segelflugzeuge integriert, sodass sie ein breites Anwendungsspektrum abdecken können. Während der Ölpest von Macondo im Jahr 2010 im Golf von Mexiko sammelten Slocum-Segelflugzeuge Daten unter der Oberfläche, um die Reaktionsarbeit zu unterstützen. Zu den jüngsten Nutzlasten gehörten Turbulenzsensoren zur Messung der Ozeanmischung, bioakustische Sensoren zur Bewertung der Zooplanktonbestände vor der Antarktis und Hydrophone zur nahezu Echtzeitüberwachung von Nordatlantik-Glattwalen vor den Ostküsten der USA und Kanadas. Slocum-Segelflugzeuge spielen auch an Forschungsstandorten in der Antarktis eine neue Rolle, insbesondere am Rand von Eisplatten.

Sturmüberwachungsgleiter
In den letzten zehn Jahren haben Slocum-Segelflugzeuge von Teledyne Webb Research die herausfordernden Gewässer überwacht, die mit schweren Stürmen verbunden sind, und Berichte gesendet, selbst wenn sie auf Wellen mit einer Höhe von mehr als 10 m stoßen. Diese unbemannten Fahrzeuge bieten eine kostengünstige Möglichkeit, dauerhafte Ozeanmessungen mit hoher räumlicher Auflösung durchzuführen. Ebenso wichtig für die Sturmüberwachung sind die Segelflugzeuge, die sowohl die Kontrollbefugnis als auch die Ausdauer haben, um die Sturmspur abzufangen. Zur Sturmüberwachung patrouillieren Slocum-Segelflugzeuge kontinuierlich einen bestimmten Abschnitt. Die Segelflugzeuge messen Temperatur, Salzgehalt und andere Eigenschaften, während sie durch den oberen Ozean absteigen und steigen. Die Segelflugzeuge tauchen regelmäßig auf, um ihre Messungen an Sturmvorhersagezentren zu senden. Diese Unterwasserdaten werden in Computermodelle eingegeben, die Vorhersagen über die Intensität und Flugbahn eines Sturms ausgeben. Die Genauigkeit dieser Computervorhersagen hat sich aufgrund der Daten von Segelflugzeugen verbessert.

Tatsächlich hat die US-Marine häufig 50 Segelflugzeuge weltweit im Einsatz, die Daten für die Vorhersage des Ozeanwetters senden. Vor zehn Jahren erhielt Teledyne den Auftrag des Navy Program of Record für den operativen Einsatz von Segelflugzeugen.

Ein beeindruckendes Beispiel für den Nutzen der Verwendung von Sturmüberwachungsflugzeugen sind Daten, die während des Taifuns Soulik im westlichen Nordpazifik im Jahr 2018 gesammelt wurden. Vor dem Sturm war ein Slocum-Segelflugzeug der Rutgers University eingesetzt worden. Die In-situ-Daten zeigten eine extrem schnelle Änderung der Wassertemperatur im oberen Ozean bei Eintreffen des Sturms. Im Vergleich dazu zeigte ein computergestütztes Vorhersagemodell einen viel langsameren Übergang als Reaktion auf den Sturm, was zu einer Diskrepanz von 6 ° C für die Änderung der Wassertemperatur zwischen dem Modell und den gesammelten Daten führte. Die Aktualisierung des Modells mit nahezu Echtzeitdaten ermöglicht eine bessere Sturmvorhersage.

Während einer Hurrikansaison in den USA haben ein Dutzend Organisationen Sturmgleiter eingesetzt. Slocum-Segelflugzeuge von Teledyne Webb Research waren aufgrund ihrer nachgewiesenen Leistung weit verbreitet. Unter Berücksichtigung der Wettervorhersagen richteten die Forscher die Segelflugzeuge einige Tage im Voraus auf den erwarteten Weg eines Sturms. Segelflugtransekte wurden koordiniert und so ausgerichtet, dass sie über den Weg des Sturms verlaufen und den mittleren bis äußeren Festlandsockel entlang eines Großteils der US-Ostküste abdecken.

Abb. 4: Vergleich der Wassertemperaturdaten des oberen Ozeans im westlichen Nordpazifik während des Taifuns Soulik im Jahr 2018. In-situ-Daten der oberen Scheibe, die mit einem Slocum-Segelflugzeug beobachtet wurden. Unteres Feld: Ausgabe von einem Computermodell. Box hebt den im Text besprochenen Bereich hervor. Bildnachweis: Rutgers University

In der mittelatlantischen Bucht, die sich von Cape Cod, MA bis Cape Hatteras, NC erstreckt, ist der Festlandsockel flach. Es ist gut dokumentiert, dass die tiefen Gewässer im Sommer viel kälter sind als die Oberflächengewässer. In Anbetracht des ozeanischen Auftriebs unter dem Auge eines Sturms könnte erwartet werden, dass das Auftauchen dieser kalten Gewässer einen vorbeiziehenden Hurrikan schwächt.

Zwei Slocum-Segelflugzeuge, die vor dem Hurrikan Sandy eingesetzt wurden, halfen in diesem Fall, eine andere Geschichte zu erzählen. Mithilfe von Computermodellen und Daten der Segelflugzeuge stellten Forscher der Rutgers University fest, dass starke Winde an der Vorderkante des Hurrikans eine Abwärtszirkulation verursachten, die dazu führte, dass das kalte Grundwasser vor der Küste transportiert wurde. Somit war kein kaltes Wasser verfügbar, um sich an der Oberfläche zu vermischen und dadurch die Intensität des Sturms zu verringern, wenn sein Auge über dieselbe Region wanderte; Die Sturmintensität war tatsächlich signifikant stärker als herkömmlich vorhergesagt worden wäre.

Der Erfolg des Einsatzes von Slocum-Segelflugzeugen zur Sturmüberwachung zeigt sich in der wachsenden Größe der Flotte. Im Jahr 2018 waren mehr als dreißig Segelflugzeuge im Einsatz, um die Hurrikane Florence, Isaac und Helene zu beobachten. Die teilnehmenden Segelflugorganisationen kamen aus Regierung, Wissenschaft und Industrie zusammen, um gemeinsam Technologien zum besseren Schutz der Küstengemeinden einzusetzen.

Messung des sich verändernden Ozeans unter dem Hurrikan Michael
Die Profiling-Float-Technologie hat die Beobachtung des Ozeans verändert. Diese Methode wurde von Wissenschaftlern und Ingenieuren der Teledyne Webb Research und der Scripps Institution of Oceanography entwickelt. Das internationale Argo-Programm hat Flotten dieser Geräte für eine nachhaltige und umfassende Erforschung des globalen Ozeans eingesetzt. Die resultierenden Datensätze bilden eine umfangreiche Ressource für die Untersuchung von Klima- und Ozeanprozessen.

Bei vielen dieser Geräte handelt es sich um die von Teledyne Webb Research gelieferten APEX-Floats (Autonomous Profiling Explorer), die über 10.000 Profiling-Floats an das Argo-Programm geliefert haben - die größte Menge von einem Lieferanten. APEX-Schwimmer machen periodische vertikale Zyklen, typischerweise alle 10 Tage, indem sie ihr Volumen (und damit ihren Auftrieb) ändern, um zu steigen und zu sinken. Beim Aufstieg durch die Wassersäule messen sie Temperatur und Salzgehalt.

Um das Verständnis und die Vorhersage größerer Hurrikane zu verbessern, müssen an feindlichen und herausfordernden Orten Meeres- und Atmosphärendaten gesammelt werden. Ozeanische Eigenschaften wie Wasserströmungsgeschwindigkeit, Temperatur und Salzgehalt müssen nicht nur in der gesamten Wassersäule, sondern vor, während und nach dem Durchgang des Sturms gemessen werden.

Eine Variante des APEX-Floats - der mit dem Applied Physics Laboratory der University of Washington entwickelte EM-APEX (Electromagnetic Profiling Float) - eignet sich gut zum Sammeln dieser wesentlichen Informationen. Neben der Messung der Wassereigenschaften zeichnet dieses Gerät Profile der Wasserstromgeschwindigkeit auf. Die EM-APEX-Messungen nutzen bewegungsinduzierte elektrische Felder, die entstehen, wenn sich Meerwasser durch das Erdmagnetfeld bewegt.

Um die Meeresbedingungen unter Hurrikanen zu erkunden, müssen die EM-APEX-Schwimmer kurzfristig vor sich bewegenden Stürmen eingesetzt werden. Somit werden sie mit dem Fallschirm aus dem Flugzeug abgeworfen. Als der Hurrikan Michael im Oktober 2018 in den Golf von Mexiko eindrang, wurden drei EM-APEX-Schwimmer von einem Forschungsteam unter der Leitung von Professor Nick Shay (Universität von Miami) auf den Weg gebracht. Der Lufteinsatz erfolgte von einem Hercules-Flugzeug der USAF WC-130J, das von der Keesler Air Force Base aus operierte. Diese Flugzeuge sind für die Erfassung von Wetterinformationen in Hurrikanen modifiziert. Mehrere US-Regierungsbehörden, die Hurrikane überwachen und vorhersagen, halfen beim Lufteinsatz. Teledyne Marine stellte Hosting-Services für alle Daten bereit, die von den bereitgestellten Floats übertragen wurden, sowie anderen technischen Support.

Die Profilmuster der EM-APEX-Floats waren während der Bereitstellung unterschiedlich. 12 Stunden vor der Ankunft des Hurrikans bewegen sich die Schwimmer kontinuierlich zwischen der Oberfläche und 800 m Tiefe. Sobald der Hurrikan eintraf, wechselten die Schwimmer zu Radfahrern zwischen 30 m und 300 m Tiefe, wodurch die gefährliche, hochenergetisierte Oberflächenregion vermieden wurde, während weiterhin Daten über den oberen Ozean erfasst wurden.

Nachdem der Hurrikan vorbei war, wechselten die Schwimmer zwischen der Oberfläche und 500 m Tiefe. Dieses Muster löste nahezu träge Wellen auf, die das energetischste Merkmal im Gefolge eines Sturms sind. Nahezu träge Bewegungen haben eine erhöhte Geschwindigkeitsscherung, was sie zu einem Schlüsseltreiber für vertikale Mischprozesse macht.

Die EM-APEX-Schwimmer wurden etwa 12 Stunden vor dem Eintreffen des Hurrikans an ihrem Standort eingesetzt. Während der Kampagne wurden die gewünschten Profilierungszyklen in allen drei Phasen korrekt ausgeführt, um sicherzustellen, dass keiner der EM-APEX-Schwimmer durch die Wut des Sturms beschädigt wurde. Während sich ein Schwimmer an der Oberfläche befand, wurden seine Datenübertragungen vom Teledyne-Datenserver empfangen. Die EM-APEX-Floats haben an sechs Tagen mehr als 600 Profile aufgezeichnet. Dieser Datenstrom half den Forschern, die Eigenschaften eines großen Hurrikans zu verstehen und vorherzusagen sowie nahezu in Echtzeit zu sehen, wie der Ozean auf energetische atmosphärische Kräfte reagierte.

Schutz der Küstengemeinden
Die vorstehenden Berichte veranschaulichen die bemerkenswerten Fortschritte bei den Fähigkeiten zur Beobachtung des Ozeans, die von unbemannten Beobachtungsplattformen erzielt wurden. Diese tragbaren mobilen Geräte wurden verwendet, um erweiterte Messungen in Gewässern durchzuführen, die für Schiffe zu schwierig und für Menschen zu gefährlich sind. Segelflugzeuge und Profilschwimmer ermöglichen es, die feindlichen Meeresbedingungen unter Hurrikanen und Taifunen nahezu in Echtzeit zu bewerten und zu melden. Neben dem Wert dieser Daten für die Meeresforschung bietet ihr Informationsgehalt einen wichtigen gesellschaftlichen Nutzen. Sie haben zu genaueren Vorhersagen über die Landung und Stärke von Stürmen beigetragen, wodurch Küstengemeinden geschützt, unnötige Verteidigungskosten gesenkt und sogar Leben gerettet wurden.

Über die Autoren:

Dr. Peter Spain stammt aus dem Land Down Under und studierte Ozeanphysik am Applied Physics Laboratory der University of Washington. Er arbeitete mit neuen Instrumenten zur Messung von Meeresströmungen. Nach einem Post-Doc an der Scripps Institution of Oceanography kam Peter 1990 zu RD Instruments. Er arbeitete im Bereich Sales & Marketing, wo er vom Verkaufspersonal zum Abteilungs- und Geschäftsbereichsmanagement wechselte. Das gemeinsame Thema seiner vielfältigen Aktivitäten ist heute das Technische Marketing.

Clayton Jones, Senior Director of Technology bei Teledyne Marine, war an der Entwicklung, dem Design und der Entwicklung ozeanografischer Sensorplattformen beteiligt, einschließlich der Profilierung von Schwimmern und Segelflugzeugen.

Abb. 7: Einsatz eines EM-APEX-Schwimmers in der Luft. Bildnachweis: US Air Force Staff Sgt. Julianne M. Showalter, DVIDS. Das Erscheinen der USA
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