TURBOMAP (Perfilador para la Adquisción de Microestructuras Turbulentas)

La interacción de la  turbulencia de micro-escala con el ecosistema planctónico es un tema de creciente interés en la comunidad de la investigación oceanográfica, así como en la dirección de las pesquerías. Desgraciadamente, la adquisición y análisis de datos de microestructuras turbulentas en el pasado se limitado a un reducido número de grupos de la investigación especializados. Para permitir a un espectro ancho de investigadores realizar estudios de turbulencia, Alec-Electronics ha desarrollado el TurboMAP, un instrumento de caída libra que mide la microstructura física así como parámetros biológicos a escala centimétrica. El desarrollo de este instrumento se llevó a cabo con la colaboración íntima del Prof. H. Yamazaki (de la Tokyo University of Fisheries, Japón) y el Prof. R. Lueck (de la University of Victoria, Canadá).

Equipado con sensores innovadores, el TurboMAP proporciona perfiles de incremento de velocidad (du/dz), incremento de temperatura (dT/dz), clorofila, turbidez, y parámetros hidrográficos (C, T, D). El instrumento ha sido diseñado para un funcionamiento fácil y robusto en océano, costa, y aguas límnicas. Existe disponible una biblioteca de software para la inserción y procesamiento de los datos con Matlab, o como aplicación independiente. La electrónica y los sensores se alojan en una carcasa de aluminio de  2 metros de largo.

A partir de las variables medidas, en postprocesamiento, se obtiene, entre otros, los siguientes parámetros derivados: tasa de disipación de TKE, viscosidad turbulenta, Frecuencia de Brunt-Vaisala, gradiente de temperatura, gradiente de salinidad, etc.

Especificaciones del Sensor

Especificaciones Mecánicas

Figura1. Imagen del Turbomap y cabeza de sensores

Paquete de Turbulencia

Las fluctuaciones de velocidad turbulentas son medidas con una sonda de esquila (Figura 3) que es el sensor estándar para las medidas de turbulencia. El elemento sensor de la sonda consiste en  de una punta de cauco flexible simétrica en forma parabólica.

Para los ángulos pequeños de ataque, el flujo de velocidad W produce una fuerza de alzamiento hidrodinámica proporcional al componente de velocidad transversal u. Un haz piezo-cerámico, localizado en el centro de la punta de caucho, traduce la fuerza de alzamiento en una señal eléctrica Ep. Esta señal se diferencia por una circuitería analógica dentro de TurboMAP, que transforma la señal en proporcional a la tasa de cambio de la velocidad transversal du/dt. Bajo la asunción de un campo de Taylor, el diferencial de velocidad es entonces el du/dz = W du/dt. Las fluctuaciones de temperatura en la microestructura son medidas con un termistor de respuesta rápida (FP07, fabricado por Thermometrics Inc.). Antes de medir, la señal rápida del termistor se combina con su propia derivada de tiempo, es decir T + dT/dt, para reforzar la resolución se la señal (Mudge y Lueck, 1994). Durante la fase de postproceso, la señal de temperatura de alto-resolución se obtiene de T + dT/dt aplicando un filtro del paso bajo a la señal almacenada. El filtro compara las características del diferencial utilizado para la obtención el dT/dt. Con este tratamiento, es posible resolver fluctuaciones centimétricas de temperatura con una resolución 10-3. Aunque muy exacto y rápido, al FP07 le falta estabilidad a largo plazo, y por consiguiente no puede realizarse ninguna calibración absoluta de este sensor anterior al despliegue. En cambio, la señal de FP07 se calibra durante el postproceso mediante una regresión frente ala señal del termistor de platino en el paquete C-T.

Figura 2. Geometría de la sonda

Sensores Biológicos

La actividad biológica se mide con un sensor de combinado de clorofila/turbidez de alta-resolución. La concentración de la clorofila se determina midiendo la intensidad de fluorescencia en respuesta a la excitación de luz con una longitud de onda de 400 - 480 nm. La excitación se proporciona por seis LEDs colocados en una circunferencia de 20mm de diámetro. Su luz se colimata y enfoca hacia un punto 15 mm frente de un receptor óptico con un 640 - 720 nm de paso de banda, localizado en el centro del anillo de diodos.

La turbidez se determina a partir de la intensidad de dispersión de la luz de excitación. El receptor se  localiza en la circunferencia de la matriz de LEDs y su haz de recepción se enfoca hacia el punto de convergencia de haces de excitación. El receptor dela luz dispersa tiene el mismo ancho de banda óptico que la luz de excitación, para asegurar que la actividad fluorescente no está equivocada por la dispersión turbia. El sensor de clorofila se ha probado extensivamente en los experimentos del laboratorio para establecer su sensibilidad, linealidad, y el rango dinámico en la respuesta a las fuentes de fluorescencia naturales, así como la resolución espacial de los sensores. Estas pruebas se llevaron a cabo en la Tokyo University of Fisheries (Wolk et al., 2000), y los resultados muestran que la sonda puede medir de forma precisa la concentración en-situ de clorofila y es capaz de resolver escalas espaciales por debajo de 20 mm.

Sensores Auxiliares

Además de las sondas de turbulencia y los sensores biológicos, TurboMAP incluye sensores hidrográficos para medir conductividad, temperatura, y profundidad. Además, en su interior está montado un juego de tres acelerómetros ortogonales. Los acelerómetros proporcionan una medida de la inclinación del instrumento, contenida en la parte de baja frecuencia de sus señales, así como una medida de las vibraciones del instrumento. Las vibraciones del cuerpo debidas al resultado de las técnicas inapropiadas del despliegue (como rasguear el alambre de recuperación) es perjudicial para las medidas de turbulencia y deben supervisarse para verificar la integridad de los datos de turbulencia.

Test de campo

El TurboMAP ha sido probado en varios despliegues en aguas costeras y offshore alrededor de Japón.

Figura 3. Ejemplo de un perfil en profundidad con la derivada de la velocidad y la temperatura, recogido en un canal mareal bien mezclado. En la imagen insertada se representa el espectro de la drivada para el rango de profundidades de 6 a 16m, en escala espectral universal.

Figura 4. Comparación de la señal de temperatura de alta resolución y la señal de temperatura estándar

Figura 5. Ejemplos de perfiles de clorofila y turbidez.

Referencias

Mudge, T., and R. G. Lueck, Digital signal processing to enhance oceanographic observations, J. Atmos. Oceanic Technol., 11, 825 - 836, 1994.

Nasmyth, P., Oceanic turbulence, Ph. D. thesis, Institute of Oceanography, University of British Columbia, Vancouver, BC, 69 pp., 1970.

Wolk, F., L. Seuront, and H. Yamazaki, Development of a micro-optical probe for chlorophyll and turbidity, J. Tokyo Univ. Fish., in press, 2000.

Software