TURBOMAP (Perfilador
para la Adquisición de Microestructuras Turbulentas)
Un Nuevo Instrumento para las medidas 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
microestructura 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
|
Sensor |
Rango |
Precisión |
Resolución |
|
Tasa |
0-10s-1 |
5% |
1 x 10-4s-1 |
|
Temperatura rápida |
-5-45ºC |
1 x 10-2ºC |
<1 x 10-4
ºC |
|
Temperatura lenta |
-5-45ºC |
1 x 10-2ºC |
1 x 10-3ºC |
|
Conductividad C |
0-7 S/m |
2 x 10-3
S/m |
2 x 10-4
S/m |
|
Presión |
0-500 dbar |
0.5% FS |
1 x 10-2
dbar |
|
Aceleración(X, Y, Z) |
±1g |
1%FS |
5 x 10-4 g |
|
Fluorescencia |
0-200 ppb |
0.5 ppb or ±1% |
5 x 10-3
ppb |
|
Turbidez |
0-200ppm |
1ppm or ±2%
|
5 x 10-4
ppm |
Especificaciones Mecánicas
|
Dimensiones |
2000mm(L)x140mm(OD) |
|
Peso |
30kg/0.5kg(en
aire/agua) |
|
Velocidad de caída nominal |
0.5m/s |
|
Profundidad |
500m |
|
Carcasa |
Aluminio tratado HCR |
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 caucho
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 de la 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 derivada 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
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