{"id":62,"date":"2015-12-13T10:00:35","date_gmt":"2015-12-13T10:00:35","guid":{"rendered":"http:\/\/www.oceanblogs.org\/mappingtheoceanfloor\/?p=62"},"modified":"2015-12-15T08:00:21","modified_gmt":"2015-12-15T08:00:21","slug":"wind-waves-and-water-masses","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.oceanblogs.org\/mappingtheoceanfloor\/2015\/12\/13\/wind-waves-and-water-masses\/","title":{"rendered":"Wind, Waves and Water masses"},"content":{"rendered":"<ul>\n<li>\n<p style=\"text-align: justify\">or &#8216;How we map, part II&#8217;<\/p>\n<\/li>\n<\/ul>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<p style=\"text-align: justify\">Have you ever tried to focus your camera on a point at the horizon out of a car driving across bumpy streets?<\/p>\n<p style=\"text-align: justify\">That is basically what the multibeam echosounder system on the Kilo Moana, has to deal with. In order to get a continuous and clear image of the seafloor, the system has to constantly compensate for the ship&#8217;s movements. Wind and waves can lift the entire ship (so-called &#8216;heave&#8217;), bring up the bow or the stern (pitch), tilt it sideways (roll), and\/or change the heading (yaw). Motion sensors and several GPS receivers monitor the ship&#8217;s movements and send their information in nearly real-time to the electrical control unit of the multibeam echosounder. Based on this data, the control unit operates the transmit-, and receive units in the port hull of the ship to emit sound as vertically downward and horizontally straight as possible, and to adjust the direction in which the receivers &#8216;listen&#8217;.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify\">To optimise this real-time processing between the motion sensors, the controller, transmitter and receiver units, the system is calibrated before every big mapping campaign. At the beginning of our cruise, we mapped flat seafloor, as well as a submarine seamount, in different ship tracks, and at different cruise speeds. Comparing the different passes over the seafloor allowed us to check the various offsets between different parts of the mapping system, and make sure that the were in alignment.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify\"><a href=\"http:\/\/earth.nullschool.net\/#current\/ocean\/surface\/currents\/orthographic=-163.78,11.30,949\">This<\/a> interactive webpage illustrates the variability of ocean waters. Giant, global circulation systems and currents mix the oceans. The different water masses have characteristic salinity and temperatures, and thus the sound speed changes with location and time. A sensor in the hull of the ship continuously measures the sound speed, which is needed for corrections near the sonar. This is not sufficient for large mapping campaigns in deep waters, like our mapping activity, however, since the speed of sound also changes as a function of depth. The acoustic signal travels on average through 10\u00a0km of water, and bends (refracts) as it does so in response to changes in the speed of sound at different depths. So in addition to monitoring of the surface sound speed, we need to know how the sound speed changes between the ship and the seafloor.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify\">This can be done with a CTD-cast (&#8216;Conductivity Temperature Depth&#8217;), where a sensor is lowered to depth using the ship&#8217;s winch system, and the measurements of salinity (estimated from conductivity), temperature, and depth (estimated from pressure) are used to compute the sound speed. This takes a lot of time, however, so we are using an approximate method that can be done at full cruise speed, where we launch from the back deck of the ship an XBT-probe (&#8216;eXpandable Bathy Thermograph&#8217;) that measures the temperature to 760\u00a0m water depth. Using the temperature measurement, and an estimate of salinity from the World Ocean Atlas, we can estimate the sound speed. For better accuracy (at higher expense!), we can use an XCTD which measures conductivity in addtion to temperature, to 1100\u00a0m depth. After the measurement, whatever the instrument, the estimated sound speed profile is transmitted to the sonar so that corrections to depth can be done.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify\">\n<p style=\"text-align: justify\">(Many thanks to our chief scientist, who was so kind\u00a0to review this article.)<\/p>\n<p style=\"text-align: justify\">\n<p style=\"text-align: justify\">&#8212;<\/p>\n<ul>\n<li>oder \u201cWie wird kartiert, Teil II\u201d<\/li>\n<\/ul>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<p style=\"text-align: justify\">Schonmal versucht aus einem \u00fcber eine Huckelpiste fahrenden Auto mit einem Fotoaparat einen Punkt am Horizont zu fokussieren?<\/p>\n<p style=\"text-align: justify\">So oder so \u00e4hnlich ergeht es dem F\u00e4cherecholot unter dem Bug der Kilo Moana. Um ein gleichm\u00e4\u00dfiges, klares Abbild vom Meeresboden machen zu k\u00f6nnen, muss das System die Schiffsbewegungen kontinuierlich ausgleichen. Wind und Wellen k\u00f6nnen das Schiff anheben (engl. &#8216;heave&#8217;), es nach vorne oder hinten kippen (&#8216;pitch&#8217;), eine seitliche Rollbewegung verursachen (&#8216;roll&#8217;) und\/oder den Bug bzw. das Heck seitlich verschieben (&#8216;yaw&#8217;). Die Schiffsbewegungen werden von mehreren GPS-Empf\u00e4ngern und Bewegungssensoren aufgenommen und direkt an die elektronische Steuereinheit des F\u00e4cherecholots weiter geleitet. Basierend auf diesen Informationen, berechnet das System in Echtzeit die Steuerung der Transmitter- bzw. Empf\u00e4ngereinheiten im Rumpf des Schiffes. So wird gew\u00e4hrleistet, dass das akustische Signal m\u00f6glichst vertikal nach unten und horizontal gerade ausgesendet wird, sowie die Empf\u00e4nger in die entsprechende Richtung \u201eh\u00f6ren\u201c.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify\">Um dieses Zusammenspiel zwischen den Sensoren, der Steuereinheit sowie den Transmitter- und Empf\u00e4ngereinheiten zu optimieren, wird das System vor jeder gro\u00dfen Kartierkampagne kalibriert. Zu Beginn unserer Ausfahrt haben wir daf\u00fcr flachen Meeresboden, sowie einen unterseeischen Berg mehrmals, in verschiedenen Richtungen und in verschiedenen Geschwindigkeiten \u00fcberfahren und kartiert. Durch das Vergleichen der unterschiedlichen Durchg\u00e4nge bzw. \u00dcberfahrten k\u00f6nnen wir pr\u00fcfen, ob es einen Versatz zwischen verschiedenen Systemeinheiten gibt und sicherstellen, dass alles aufeinander abgestimmt ist.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify\">Wie auf <a href=\"http:\/\/earth.nullschool.net\/#current\/ocean\/surface\/currents\/orthographic=-163.78,11.30,949\">dieser<\/a> Internetseite sehr anschaulich und interaktiv dargestellt, ist Ozean nicht gleich Ozean. Riesige, globale Zirkulationssysteme und Str\u00f6mungen w\u00e4lzen die Wassermassen in den gro\u00dfen Ozeanbecken um. Dabei zeichnen sich bestimmte Wassermassen durch charakteristische Salzgehalte und Temperaturen aus, was bedeutet, dass die Schallgeschwindigkeit Wasser abh\u00e4ngig ist von (Jahres-)Zeit und Ort. Ein Sensor im Rumpf des Schiffes misst daher st\u00e4ndig die Schallgeschwindigkeit, damit das System f\u00fcr den Sonar-nahen Bereich entsprechend korrigieren kann. Doch speziell f\u00fcr gro\u00dffl\u00e4chige Kartierungen in tiefen Gew\u00e4ssern, wie der unsriegen, ist das allein nicht ausreichend, denn die Schallgeschwindigkeit \u00e4ndert sich auch mit der Wassertiefe. Ein akustisches Signal ist im Schnitt \u00fcber 10\u00a0km unterwegs und bricht (refraktiert) durch \u00c4nderungen der Schallgeschwindigkeit in verschiedenen Tiefen. Deshalb m\u00fcssen zus\u00e4tzlich zur Schallgeschwindigkeit im Oberfl\u00e4chengew\u00e4sser, auch Ver\u00e4nderungen der Schallgeschwindigkeit zwischen dem Schiff und dem Meeresboden gemessen werden.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify\">Mit einer sogenannten CTD-Sonde (vom engl. &#8216;Conductivity Temperature Depth&#8217;), die per Winde vom Schiff herabgelassen wird, k\u00f6nnen die Salinit\u00e4t (abgeleitet von der Leitf\u00e4higkeit), die Temperatur und die Tiefe (abgeleitet vom Druck) gemessen werden, woraus dann die Schallgeschwindigkeiten berechnet werden. Neben dieser sehr zeitintensiven Messung, gibt es aber auch alternative, ann\u00e4hernde Methoden, die in voller Fahrt vom kartierenden Schiff aus gemacht werden k\u00f6nnen. So genannte XBT-Sonden (vom engl. &#8216;eXpandable Bathy Thermograph&#8217;) messen die Temperatur bis in 760\u00a0m, die mit Salzgehalten aus dem World Ocean Atlas erg\u00e4nzt werden, um die Schallgeschwindigkeiten berechnen zu k\u00f6nnen. Um eine bessere Genauigkeit zu erzielen (bei gleichzeitig h\u00f6heren Kosten!), werden sogenannte XCTDs eingesetzt, die bis in 1100\u00a0m Tiefe neben der Temperatur auch die Leitf\u00e4higkeit messen.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify\">Unabh\u00e4ngig von der Sonde werden die Berechnungen anschlie\u00dfend in das System eingepflegt, um Korrekturen in der Tiefenberechnung zu erm\u00f6glichen.<\/p>\n<div id=\"attachment_63\" style=\"width: 283px\" class=\"wp-caption aligncenter\"><a href=\"http:\/\/www.oceanblogs.org\/mappingtheoceanfloor\/wp-content\/uploads\/sites\/43\/2015\/12\/IMG_8956_small.jpg\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" aria-describedby=\"caption-attachment-63\" class=\"size-medium wp-image-63\" src=\"http:\/\/www.oceanblogs.org\/mappingtheoceanfloor\/wp-content\/uploads\/sites\/43\/2015\/12\/IMG_8956_small-273x485.jpg\" alt=\"Dave launches an XBT-probe during our evening shift from the back deck at full cruise speed. \/ Bei voller Fahrt legt Dave w\u00e4hrend unserer Abendschicht eine XBT-Sonde aus. (Photo by Meike)\" width=\"273\" height=\"485\" srcset=\"https:\/\/www.oceanblogs.org\/mappingtheoceanfloor\/wp-content\/uploads\/sites\/43\/2015\/12\/IMG_8956_small-273x485.jpg 273w, https:\/\/www.oceanblogs.org\/mappingtheoceanfloor\/wp-content\/uploads\/sites\/43\/2015\/12\/IMG_8956_small-575x1024.jpg 575w\" sizes=\"auto, (max-width: 273px) 100vw, 273px\" \/><\/a><p id=\"caption-attachment-63\" class=\"wp-caption-text\">Dave launches an XBT-probe during our evening shift from the back deck at full cruise speed. \/ Bei voller Fahrt legt Dave w\u00e4hrend unserer Abendschicht eine XBT-Sonde aus. (Photo by Meike)<\/p><\/div>\n<p style=\"text-align: justify\">\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>or &#8216;How we map, part II&#8217; &nbsp; Have you ever tried to focus your camera on a point at the horizon out of a car driving across bumpy streets? That is basically what the multibeam echosounder system on the Kilo Moana, has to deal with. 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