Русский
Русский
English
Авторизация
Ip-адрес
Восстановление пароля
Регистрация
Статистика
Реклама

Океан

Куда идут лучи под водой?

17.03.2021 08:06:08 | Автор: admin

В военное время значение синуса может достигать четырех

(С) Willebrord Snel van Royen, Cyclometricus, 1621

Приветствую вас, глубокоуважаемые!

Представьте, каким был бы наш мир, если бы условия распространения звука в нем были бы несколько иными. Например, иногда ваш крик был бы не слышен на расстоянии десяти метров, но становился бы вполне различим на сотне-другой и, скажем, на паре километров? А иногда, негромкий разговор или даже шепот разносился бы на километры от вас. Уверен, что пословица слово - не воробей.. - заиграла бы совершенно новыми красками!

А еще, все эти эффекты сильно зависели бы от времени года и суток, погоды и даже наклона вашей головы. Как бы нам жилось в таком мире?

К счастью, нам даже не придется напрягать воображение, потому что такой мир существует рядом с нами и сегодня я немного расскажу о нем.

Для тех, кто услышал мой шепот в современном потоке информации - добро пожаловать под кат, у нас сегодня не только ликбез и культпросвет, но модель с красивыми картинками, исходным кодом на двух языках и онлайн-симулятором, а также видео, где за 15 минут отображаются все научные морские экспедиции с 1961 по 2010 год.

Псевдопритча

Для всех нас должна быть поучительной жизнь и судьба мореплавателя Кристобаля Колона, который четырежды топтал земли нового света, пребывая в упрямой уверенности, что ступает то по благословенной индийской земле, то по беднейшей части восточного Китая. Так до самой смерти и не узнавший, что он стал первым из европейцев, кто бороздил просторы карибского и саргассова морей. Кто знает, может быть его бы и не расстроило, что на тихоокеанскую плиту наползает Северо-Американская, а не Северо-Колумбийская, но вот то, что доливкой кипятка в эспрессо получают Американо, а не Колумбиано - точно бы опечалило.

Поэтому, не то, чтобы необходимо, но исключительно важно:

  • понимать, где ты находишься

  • иметь связь, как минимум, чтобы спросить у того, кто понимает.

Конечно, Америго Веспуччи, или, по другим данным, Ричард Америке обошлись судя по всему и без этого, но это лишь делает им честь, которая на нас автоматически не экстраполируется.

Океан прекрасен, опасен и неясен.

И именно поэтому, так живучи дежурные фразы про то, что большая часть океана до сих пор не исследована, и то, что поверхность марса картирована лучше, чем поверхность земли.

Но почему так происходит? Помимо того, что под водой, как известно, на нас оказывается огромное давление и благодаря эволюции мы утратили жабры, а вместе с ними и возможность дышать растворенным кислородом, под водой практически не распространяются радиоволны, а еще там в основном темно, холодно и страшно.

Все задачи, которые на земле и в воздухе решаются при помощи радиоволн: GPS, радар, спутниковая связь и мобильная связь перекладываются на узкие, рахитичные плечики гидроакустики.

Кратко напомню, что глубина Бездны Челленжера (самой глубокой точки земных океанов) определена с точностью +/- 10 метров - и на сегодняшний день это все, что может современная наука.

А все потому, что скорость звука в океане не остается неизменной: она очень сильно зависит от температуры, солености и глубины. Это приводит к искривлению траектории распространения звуковых волн в вертикальной плоскости, говоря научным языком - к рефракции акустического поля. Сложная стратифицированность присуща не только океанической среде, но вполне наблюдается и в более мелких водоемах - вспомните хотя бы теплый, прогретый слой воды в речке летом.

Кроме этого, ни поверхность ни дно никогда не являются идеально ровными и гладкими границами раздела, все это тоже вносит свой вклад в искажение траектории распространения звуковых колебаний, но сегодня мы ограничимся рассмотрением влияния профиля скорости звука.

Это не наш профиль

В прошлой статье мы уже познакомились с понятием профиля скорости звука: ученые непосредственно измеряют скорость звука по всей глубине, и затем интегрируют (суммируют) времена прохождения звука через слои и таким образом более точно определяют глубину.

Пару слов про источники данных. Наборы измерений CTD (температура/соленость) я брал у NOAA.

Я уже как-то рассказывал про эту кладезь и несметные сокровища в статье "Кто, как и на чем исследовал мировой океан". И было собирался написать вторую статью про эти данные, но утратил интерес. Поэтому предлагаю просто посмотреть результат работы - видео, которое в за пятнадцать минут отображает на карте 49 лет морских экспедиций с 1961 по 2010.

Примерно 20 дней в секунду. Цвет точки - температура поверхности, текущие измерения выделяются яркостью.

Профили могут быть самые разнообразные, и для иллюстрации этого я приведу пару примеров.

Вниз по вертикали направлена ось глубин, желтым отображается температурный профиль, а бирюзовым - профиль солености. Зеленый график - вычисленные по глубине, температуре и солености значения скорости звука.

А что же будет, если нам нужна не простоглубина, а, скажем, горизонтальная дальность? А вот здесь, как сказал поэт, к нам и повернется, черное лицо досуга.

Лучано Поворотти (итал. Luciano Pоvоrotti) - буквально: Луч рефрагирует

Я уже упомянул о изгибании траектории звуковых волн, но давайте сначала порассуждаем на стихийно-бытовом уровне и вспомним школьные уроки физики:

Волны, будь то свет или звук, падая под неким углом на границу раздела сред с разной плотностью преломляются.

Этот феномен описывается законом Снеллиуса, или Снелля. Он гласит, что:

Отношение синусов угла под которым волна падает на границу раздел сред и угла, под которым она покидает границу равно отношению скоростей распространения волны в этих средах.

sin \theta/sin\theta_1=c/c_1

Пока я не забыл, для нашего рассказа удобно ввести понятие луча - перпендикуляра к касательной, проведенной в какой-либо точке к фронту волны. В курсе школьной физике мы как раз и рисовали лучи. Давайте я нарисую парочку, для демонтсрации закона Снелля.

Если кто-то не помнит, как он выводится, то может заглянуть под спойлер и освяжить память.

Вспомнить все!

Осознать закон Снелля очень просто. У нас есть два параллельных луча, которые падают на границу раздела под углом . Очевидно, что время хода второго луча на отрезке АB должно совпадать времени хода первого луча на отрезке АB - в противном случае пришлось бы принять, что они перестали быть параллельными.

Для обоих лучей это время равно отношению длины пройденного пути к скорости распространения волны:

t=A'B/c=AB'/c

Если взглянуть на два прямоугольных треугольника AAB и ABB, то окажется, что у них общая сторона AB, которую можно выразить двумя способами:

AB=A'B/sin\theta=AB'/sin\theta_1

Исключив из выражения отрезки AB и AB получаем закон Снелля, Снеллиуса или закон синусов:

sin\theta/sin\theta_1=c/c_1

Это очень глубокая штука. Я предлагаю тщательно ее обдумать, ведь фактически, волна решает оптимизационную задачу: она старается двигаться по пути наименьшего (экстремального) времени распространения. (Принцип Ферма).

Запомните это, дальше выяснится, что это приводит к неожиданным результатам.

Если вас пугают следовые количества математики, то можно смело пропустить спойлер ниже и сразу переходить к картинкам и обсуждению. Здесь же я кратко изложу, как и почему такие картинки получаются.

Лучи не боги изгибают

Детали реализации

Недавний случай из жизни

Где-то осенью 2020 года ко мне в линкедин постучался американский молодой разраб, с просьбой помочь ему с трассировкой лучей в подводе. В тот момент я не сильно интересовался темой (почему - станет понятно в конце статьи) и знал только, что качественную трассировку можно сделать винрарным приложением BELLHOP. Я вежливо отнекивался, ведь мне действительно нечем было ему помочь! Я упомянул невзначай про пресловутый BELLHOP, на что получил обескураживающий ответ: у меня не получилось запустить это приложение.

А ведь да, если просто запустить BELLHOP, то просто моргнет черное окно консоли. BELLHOP - утилита, работающая из командной строки, с кучей параметров, берущая на вход один файл и выдающая на выходе другой. По которому можно потом строить красивые картинки в Matlab.

Терпение, мы уже практически полностью вооружены всей необходимой математикой, чтобы это начать.

Нам понадобится только вспомнить совсем простое правило, что:

Угол падения равен углу отражения

И договориться о том, что мы считаем дно и поверхность воды совершенно плоским, но каждый раз, когда звук отражается ото дна или поверхности, энергия, им переносимая уменьшается определенным образом, скажем умножается на какой-нибудь коэффициент от 0 до 1.

Итак, о входных и выходных параметрах.

В качестве входных у нас будут:

  • Профиль скорости звука, как набор значений скорости звука с привязкой к глубине

  • Число лучей

  • Положение источника на оси Z (т.е. глубина)

  • Диаграмма направленности - угол, в пределах которого лучи выходят из источника

  • Интервал интегрирования по глубине

  • Максимальные значения по горизонтальной координате и длине луча - по достижении одного из этих параметров симуляция для данного луча останавливается

  • Коэффициенты отражения для дна и поверхности

С выходом все предельно понятно: мы хотим иметь траектории движения лучей. То есть последовательные наборы точек, где сопоставляются горизонтальная и вертикальные координаты, к которым можно добавить параметр, определяющий энергию луча в данной точек Напомню, в нашей упрощенной модели луч теряет энергию только при отражениях ото дна и от поверхности.

Перед тем, как выполнить симуляцию нужно подготовить профиль скорости звука к удобному виду: доступные по базам NOAA профили собирались в разные годы и зачастую интервал по глубине может отличаться и для двух соседних измерений. Поэтому линейно интерполируем профиль через 0.1 м.

В проекте на C# это выполняется в методе BuildVSSP() класса Simulator.

После этого создаем список экземпляров класса Ray, каждому из которых передаем угол из заданного диапазона:

double dTheta_deg = thetaRange_deg / numRays;double theta_deg = -thetaRange_deg / 2;for (int i = 0; i < numRays; i++){   rays.Add(new Ray(Z0_m, profileZMax_m, theta_deg, GetSoundSpeed));   theta_deg += dTheta_deg;                }

Последним параметров в конструктор класса Ray передается функция, возвращающая скорость звука на заданной глубине. Она ищет ближайшее значение в интерполированном профиле и кэширует все возвращаемые значения в словаре для ускорения работы всей симуляции в целом, т.к. как минимум до первого отражения все лучи проходят по одним и тем же слоям.

Сама же симуляция выполняется таким образом:

bool finished = false;while (!finished){   finished = true;   foreach (var ray in rays)   {         if ((ray.XMax_m < maxX_m) && (ray.Path_m < maxPath_m))         {               ray.Step(dZ);               finished = false;          }                        }}

Сама же логика поведения луча заключена в методе Step() класса Ray, она-то и делает следующий шаг - решает каково будет следующее положение головы луча.

double z = rayPoints[rayPoints.Count - 1].Z_m;double x = rayPoints[rayPoints.Count - 1].X_m;double e = rayPoints[rayPoints.Count - 1].E;double theta_sign = Theta_rad > 0 ? 1 : -1;z += (dZ * theta_sign);if (z > ZMax_m){   if (z >= ZMax_m)   {      Theta_rad = -Theta_rad;      theta_sign = -theta_sign;      z = ZMax_m * 2 - z;      e *= EtaBottom;      // bottom reflection   }}else{   if (z <= 0)   {      Theta_rad = -Theta_rad;      theta_sign = -theta_sign;      z = -z;      e *= EtaSurface;      // surface reflection   }}            double rsn = dZ / Math.Abs(Math.Sin(Theta_rad));            double drn = Math.Sqrt(rsn * rsn - dZ * dZ);Path_m += Math.Abs(rsn);x += drn;c = getSoundSpeed(z);                        double cosTheta = Math.Cos(Theta_rad);double recipSinTheta = 1.0 / Math.Sin(Theta_rad);double cncp = cosTheta * c / cPrev;if ((Math.Abs(cncp) <= 1) && (!double.IsInfinity(recipSinTheta))){    prevTheta_deg_valid = Theta_rad;    Theta_rad = theta_sign * Math.Acos(cncp);}else{    Theta_rad = -prevTheta_deg_valid;}           cPrev = c;RayPoint newPoint = new RayPoint(x, z, e);rayPoints.Add(newPoint);return newPoint;

Сама логика достаточно проста. Позволю себе лишь упомянуть, что для удобства мы здесь переходим от угла падения (угол, который луч образует с вертикалью) к углу скольжения (угол, который луч образует с горизонталью) - мне просто удобнее так мыслить, коль скоро процесс у нас развивается слева направо. Закон синусов у нас в связи с этим заменяется на закон косинусов - синус угла падения это есть косинус угла скольжения.

В остальном там нет никаких высоких материй: берется самая последняя точка и последнее значение угла скольжения, в зависимости от его знака, вертикальная координата приращивается или вверх или вниз. Проверяется условие пересечения поверхности или дна.

Один скользкий момент связан с тем случаем, когда угол скольжения становится близок к вертикали или горизонтали. Лучевая теория решительно не может нам здесь адекватно помочь: согласно ей тут происходит фокусировка и уровень сигнала стремится к бесконечности. В реальности, конечно, такого произойти не может.

Чтобы избежать деления на ноль или попыток взять арккосинус от значения, большего по модулю чем единица, мы, во-первых, всегда сохраняем предыдущее адекватное значение угла, а во-вторых, когда дело начинает пахнуть керосином, берем это предыдущее значение, но с противоположным знаком. Это приводит к тому, что угол, стремящийся к горизонтали, как бы отразится от нее и начнет изменяться в противоположную сторону. Так же дело обстоит и при стремлении угла к вертикали.

Ну что ж, достаточно о реализации. Скучная часть окончена, перейдем к картинкам.

Все, что угодно за ваши лучезарные улыбки

Взяв на себя смелость я быстренько накидал простое приложение на С#, который мне ближе всего при разработке чего-нибудь для десктопа. Проект, как обычно, положил на наш гихаб.

И собрался было уже писать статью, как вспомнил, что на одну из таких статей с исходниками и скомпиленным релизом кто-то написал в комментариях: Открыл ссылку - а там win exe :(

Мне очень хотелось, чтобы поиграться с моделью для читателей было бы совсем просто, настолько, насколько я вообще могу себе представить. Вооружившись блокнотом я погрузился на пару дней в чуждый для меня мир JavaScript. Этим я как бы покупаю у вас индульгенцию на неряшливый код :)

Результатом стала онлайн версия трассировщика лучей.

Так давайте же уже запустим это!

Устанавливаю в поле Z значение 0.1 (глубина первого профиля всего 38 метров и разрешение по умолчанию в 1 метр нам будет недостаточно) и загружаем предустановленный профиль GR-553 при помощи одноименной кнопки.

В заголовке профиля указано где, когда и кем он был получен:

NODC Cruise ID              ,,GR-553         ,,,Latitude                    ,,         39.682,decimal degrees,,Longitude                   ,,        19.8750,decimal degrees,,Year                        ,,           1991,,,Month                       ,,              9,,,Day                         ,,              5,,,Time                        ,,          13.17,decimal hours (UT),,METADATA,Country                     ,,             GR,NODC code,GREECEPlatform                    ,,          9628.,OCL code,AEGAEO (R/V;call sign SXYY;built 12.1985;ex.AEGAIO 10.1994;IMO8412429),Institute                   ,,          1445.,NODC code,HELLENIC CENTRE FOR MARINE RESEARCH (HCMR); former NATIONAL CMR (06.2003),Bottom depth                ,,            38.,meters,,

Профиль был получен славными эллинами, 5 сенября 1991 года на вот этом исследовательском судне вот здесь.

Оно кстати, до сих пор бороздит просторы.

Нажимаем кнопку RUN SIMULATION и через некоторое время скрипт генерирует такую красоту:

Сентябрь, греческий Корфу, жаркий (наверное) полдень - теплая вода у поверхности и прохладная у дна. Я не был в греции, но могу сказать, что у нас на р. Пичуга под Волгоградом в самое июльское пекло на 15-20 метрах температура обычно 13-14С.

Слева мы видим сам профиль, значения скорости звука (зеленый график) почти 1 в 1 повторяют график температуры. Соленость не влияет совсем, т.к. меняется лишь незначительно от 38.3 до 38.5 PSU. Скорость звука же уменьшается от 1537 м/с на поверхности, достигая минимума в 1528 м/с у дна.

Все это приводит к тому, что звук, от расположенного на глубине Z0 = 2 метра источника, придет к поверхности не далее чем в 400 метрах от положения этого самого источника. Это будут т.н. прямые лучи. Все остальное - отражения от дна и многократные поверхность-дно-поверхность.

Мы видим, что лучи загибаются вниз. А что там такого, что им туда так хочется попасть? Вот здесь мы подходим к самому основному, фактически, это самый минимум, который я хочу, чтобы вы запомнили. Из этого выводится все остальное.

Траектории лучей загибаются в сторону уменьшения скорости звука.

Такие условия, когда минимум скорости звука лежит у дна называются отрицательной рефракцией. Это одни из самых неудобных условий для гидроакустической связи.

А помните, я обращал ваше внимание на то, что суть закона Снелля в том, что при преодолении границы раздела сред, волна идет путем экстремального (минимального) времени распространения? Ирония состоит в том, что волна, локально сокращая время распространения всегда стремится в область с меньшей скоростью звука, что в глобальном смысле наоборот увеличивает время распространения.

Чтобы закрепить, откроем следующий профиль NA-35, но немного изменим параметры симуляции: максимум по оси X установим равным 2000 метров. Что же мы видим?

Ого, глубина уже лодочная! А температура падает от 16С у поверхности до 6С у дна. И снова отрицательная рефракция, и снова звук стремится ко дну.

21 июня 1996 года. В России вовсю свирепствуют девяностые, я закончил 6 класс и наверное отдыхаю на даче с братьями, а судно под названием Dr. Fridtjof Nansen берет CTD пробы у берегов Намибии.

Необычайно прохладная для этих мест вода обязана холодному течению Бенгела.

Почему это важно? Мы, например, производим гидроакустические модемы, у которых среди характеристик указана т.н. энергетическая дальность - дальность, на которой два таких модема могут передать данные между собой. Для самых маленьких наших модемов она составляет 1000 метров. Длины лучей на картинке выше как раз и ограничены одним километром.

И сложно не заметить, что максимум, что можно получить опустив модемы чуть ниже поверхности воды - метров 400. А учитывая волнение и вовсе не гладкую поверхность воды - десятки метров. А вот если опустить приемник хотя бы метров на 10-20, можно уверенно получить фактическую дальность в районе километра.

Ладно, надоела уже эта отрицательная рефракция. Поехали дальше.

Профиль US-32437. Я поставил предел по оси Х и максимальную длину луча равными 2000 метров. Остальные условия те же.

30 января 2009 года. Исследовательское судно NOAA Delaware II на своем 41 году жизни берет пробы у восточной оконечности Лонг-Айленда. Невероятно, но факт: marinetraffic сообщает, что Delaware II до сих пор в строю в свои 53 года. Правда называется теперь Med Surveyor и ходит под флагом Панамы.

Ситуация с точностью до наоборот: минимум скорости звука на поверхности. В этом нет ничего удивительного: 30 января, северная атлантика. В нью-йорке, говорят, иногда идет снег. Когда упоминается Нью-Йорк, в моей голове сразу возникает Let it snow, let it snow, let it snow голосом Фрэнка Синатры.

Так вот, сверху летит сноу и возможно даже небольшой минус, а у дна вода не остыла, плюс это все-таки атлантика. Все это приводит к тому, что звук в таких условиях загибается наоборот - к поверхности.

Но иногда, это даже хуже: при обсуждении предыдущего профиля я привел совсем уж невероятный пример. И правда: зачем кому-то связываться по гидроакустике на километре в двух метрах ото дна? Вот например, связаться с каким-нибудь роботом или осуществлять его трекинг какой-нибудь навигационной системой - это реалистичный сценарий.

И что же мы видим на картинке? Если наш робот находится глубже 30 метров и отошел от нас метров на 400 - связь может стать очень неустойчивой и даже полностью пропасть. На дальности более 1000 метров и глубине более 20 ничего, кроме возможных отражений от поверхности мы не поймаем. Кстати, большой привет тем, кто работает с УКБ и использует вертикальный угол прихода сигнала для определения глубины объекта.

Но скорее всего не поймаем даже эти отражения: январь, атлантика. Наверняка ветрено и большие волны, они явно больше длины волны нашего сигнала - вот и на отражения от поверхности можно не рассчитывать.

Тем временем, мы подходим к следующему профилю из онлайн-трассировщика. Я уменьшил угол диаграммы направленности до 60 и установил глубину источника в 60 метров. Вот что получается:

Этот профиль особенно примечателен. Мы видим, что график скорости звука (и температуры) имеет экстремумы. То есть главный минимум находится ни у дна ни у поверхности. К чему это приводит?

Звук, как мы уже выяснили, загибается в сторону уменьшения скорости распространения. И, будучи излученным под небольшими углами скольжения в области минимума скорости звука оказывается заперт: он обречен постоянно пересекать горизонт минимума и постоянно возвращаться к нему. Такую область называют каналом, а условия распространения - канальными.

Впервые описали и объяснили условия канального распространения звука в океане в 1947 году советские ученые во главе с академиком Бреховских и доктором технических наук Розенбергом.

Иногда упоминают, что на звукоподводный канал был открыт и описан немного раньше, в 1944 году Американскими учеными, правда, все было описано в закрытых работах.

Но вернемся к нашему профилю.

19 ноября 1996, легкий ледокол George R. Pearkes 1986 года постройки (все еще в строю) брал пробы в дельте реки Сент-Лоуренс, где она впадает в одноименный залив.

Давайте попробуем поугадывать, откуда взялся такой интересный профиль с двумя впадинами. Я бы сказал, что теплый летний слой не успел еще исчезнуть совсем (ноябрь все-таки), а вода у поверхности уже начала значительно охлаждаться. А еще, если обратить внимание на профиль солености - она значительно ниже у поверхности, что по всей видимости, связано с впадением пресной речной воды в океанические воды.

А теперь посмотрим, что происходит с лучами в канале. Для этого я увеличу предел по оси Х и максимальную длину луча до, скажем, 20 километров.

Вот что мы получим:

Лучи, вышедшие из источника под небольшими углами к горизонту остаются в пределах канала, не касаясь ни дна ни поверхности: звукоподводный канал на мелководье!

Звук распространяется совсем неглубоко и в верхней точки выходит на глубины порядка 20-25 метров. Так он может проходить десятки километров. Напомню: по оси Z всего около 170 метров, а по оси Х - 20 000. То есть фактическое соотношение сторон у графика более 1:100, это примерно как столешница, или лужа на асфальте.

Мы переходим к заключительному профилю, самому глубокому из рассмотренных нами: SU-7464.

22 апреля 1991 года. Судно "Прилив" (на marinetraffic я его не нашел), еще под советским флагом, управляющая организация - Тихоокеанский Океанологический Институт, г. Владивосток. Место взятия проб - камчатский залив.

Этот профиль и выполненная по нему симуляция иллюстрируют еще один занимательный феномен: так называемый, приповерхностный звуковой канал. Такое бывает, когда самые холодные слои воды находятся под поверхностью, что приводит к формированию приповерхностного слоя с минимальной скоростью звука между немного прогретым поверхностным и более теплыми глубокими слоями. Здесь мы также можем наблюдать пресловутый слой скачка - резкого изменения скорости звука, от которого как от зеркала отражаются лучи, идущие под пологими и средними углами к горизонту.

Луч - линия имеющая начало, но не имеющая конца

Наш луч, вопреки определению из школьного курса геометрии, здесь окончательно теряет энергию и вежливо намекает на то, что пора бы подвести итоги.

Что же у нас в сухом остатке?

  • Звук распространяется в водоемах не по прямым линиям, а изгибается в виду наличия слоев воды разной плотности, а соответственно - с разной скоростью звука

  • Звук всегда поворачивает в сторону минимума скорости звука, от чего при определенных условиях в водоемах могут образовываться каналы

  • Примерный (примерный!) характер траекторий звуковых волн можно получить используя очень простые закономерности

  • Диапазон условий необычайно широк, а конкретные условия в конкретном месте склонны иногда к быстрым изменениям

Добавлю, что мало знать профиль скорости звука, нужно знать условия на поверхности, профиль и материал дна. Еще хорошо бы понимать где на пути вашего сигнала проплывает косяк макрели, или какие-то другие объемные неоднородности, на которых звук рассеивается.

Профиль же сам по себе не дает никаких гарантий: он взят вот в этой конкретной точке, а реальное распределение параметров в океане меняется непрерывно в пространстве и времени. Если вы не знаете какую-то часть исходных данных, то трассировка - это не путь, а только направление и поэтому не очень применима на практике.

Закончить свое повествование хочу такими аналогиями:

  • Гидроакустическая связь, особенно на дальние расстояния, это всегда немножко попытка скинуть ключи с балкона 16 этажа человеку с завязанными глазами.

  • А гидроакустическая навигация - попытка измерять что-то постоянно извивающейся или как минимум провисшей рулеткой =)

P.S.

Традиционно благодарю за внимание, буду признателен за конструктивную критику и указание на ошибки.

Обратная связь позволяет не думать о своем труде, как о напрасном.

Подробнее..
Категории: Diy или сделай сам , Программирование , Научно-популярное , Производство и разработка электроники , Трассировка лучей , Симулятор , Океан , Скорость звука , Noaa , Wod , Соленость , Океанология , Подводная навигация , Гидроакустика

Перевод Что прячет Энцелад в темных водах своего океана?

27.03.2021 12:17:15 | Автор: admin
Энцелад один из 82 известных нам спутников Сатурна. Около 10 лет назад учёные NASA назвали Энцелад наиболее пригодным для жизни местом во всей Солнечной системе. Оказалось, что глубоко под поверхностью этого спутника, под его ледяной коркой, могут скрываться океанические течения, аналогичные земным.

Согласно новому анализу слоя льда, покрывающего глобальный водяной океан спутника Сатурна, можно сделать вывод, что там есть течения, очень похожие на земные. Если это действительно так, значит, океан Энцелада неоднороден.


Гейзеры на Энцеладе. Снимок сделан зондом Кассини. (НАСА / Лаборатория реактивного движения / Институт космических наук (Space Science Institute)

Энцелад не так просто раскрывает свои секреты!


Впервые удалось получше его рассмотреть только в 1981 году, когда Вояджер-2 пролетел мимо него, направляясь к более дальним планетам Солнечной системы. На изображениях, сделанных зондом, люди увидели небольшой шар льда. Он имеет почти белую поверхность с высокой отражающей способностью. Средний диаметр Энцелада составляет всего 500 километров. Спутник покрыт кратерами и изрезан длинными трещинами и горными хребтами, что свидетельствует о его геологической активности.

Затем, в 2010 году, нас ждал сюрприз: зонд Сатурна под названием Кассини обнаружил на спутнике гейзеры. Они выбрасывали водяной пар из трещин ледяной оболочки Энцелада. Это дало основания полагать, что спутник не был полностью покрыт льдом, а скрывал под поверхностью жидкий соленый океан.

Сочетание воды в жидком состоянии и трещин во льду помогло ученым понять, как устроен Энцелад. Энцелад обращается вокруг Сатурна за 32,9 часа, имея слегка вытянутую, овальную по форме орбиту. Таким образом, он то удаляется от планеты, то приближается к ней, и, соответственно, гравитационное воздействие Сатурна время от времени усиливается и ослабевает. Это напряжение и вызывает нагрев недр спутника, обеспечивая его геотермальную активность, а также создает трещины на поверхности льда или расширяет их (во время максимального удаления Энцелада от Сатурна).

Благодаря внутреннему теплу, океан остается жидким, и он может фонтанировать через трещины, после чего вода попадает на поверхность и снова замерзает. Внутреннее тепло будет порождать и вертикальные конвекционные потоки, аналогичные земным. Более теплая вода выталкивается наверх, где она остывает, и затем снова циркулирует вниз.

Однако, поскольку Энцелад все-таки значительно отличается от Земли, пока неясно, могут ли его океаны быть похожи с земными и по другим характеристикам. Например, глубина океанов Земли в среднем составляет 3,7 км, а глубина океанов Энцелада не менее 30 километров. И при этом они еще покрыты 20-километровым слоем льда.

Хотя мы не можем увидеть, что скрывает океан, но лед оставляет нам некоторые зацепки. Мы знаем, что лед на полюсах значительно тоньше, чем на экваторе, и еще тоньше на южном полюсе, где как раз извергаются гейзеры. По мнению группы исследователей во главе с геофизиком Аной Лобо из Калифорнийского технологического института, в океане Энцелада происходит нечто более сложное, чем просто вертикальная конвекция.

Тонкий лед, вероятно, связан с более сильным таянием (спасибо, кэп!), а более толстый лед с более сильным замерзанием.

Значит, там, где лед толще, океан более соленый, поскольку замерзает только вода, а большая часть солей возвращается обратно в воду. Это делает воду подо льдом более плотной, поэтому она опускается на дно океана.

В регионах таяния происходит обратное. Вода свежее, она менее плотная, поэтому остается наверху. На Земле это приводит к возникновению термохалинной циркуляции (ее часто называют океаническим конвейером). Вода замерзает на полюсах, а более плотная и соленая вода опускается на дно и течет по направлению к экватору, в то время как более теплые воды с экватора направляются к полюсам, где они замерзают, что приводит к опусканию более плотной холодной соленой воды и так далее.

Команда разработала компьютерную модель Энцелада, основанную на нашем понимании и представлении подобных течений. Было обнаружено, что такая циркуляция может образовывать толщину льда, которую мы как раз наблюдаем на спутнике.

До сих пор неясно, есть ли на Энцеладе жизнь. Он очень далек от Солнца, но из-за внутреннего геотермального нагрева может иметь хемосинтетические пищевые сети, аналогичные тем, которые встречаются вокруг гидротермальных источников в глубинных зонах океанов Земли. Если в океанах Энцелада прячется жизнь, открытия команды помогут нам ее найти.

Для тех, кто, как и переводчик этой статьи, впервые видит слово хемосинтетик
Автотрофные организмы, или автотрофы, способны самостоятельно создавать органические вещества из минеральных компонентов. Подобные организмы также подразделяют на 2 группы: фотосинтетики (фотоавтотрофы) и хемосинтетики (хемоавтотрофы). Фотосинтетики использут энергию световых лучей, а хемосинтетики энергию химических связей неорганических веществ.

Мы знаем, что воды Энцелада соленые: вода, взятая Кассини из гейзеров, доказала это. Если команда исследователей не ошиблась, уровень соли в этих гейзерах, на самом деле, может быть ниже, поскольку они выбрасываются из области таяния. Получается, что вода на экваторе может быть более соленой.

Мы также знаем, что океанические течения на Земле играют особую роль в распределении питательных веществ. Знания об уровне солёности воды и распределении питательных веществ поможет нам выделить те районы Энцелада, которые будут наиболее пригодны для жизни (в том виде, в каком мы ее понимаем сейчас).

На момент написания статьи нет информации о специальных миссиях на Энцелад. Однако миссии Dragonfly на спутник Сатурна Титан, Europa Clipper на спутник Юпитера Европу для изучения ее ледяной, (возможно) извергающей фонтаны воды и пара поверхности, а также миссия JUpiter ICy Moon Explorer (JUICE) могут пролить свет на циркуляцию океана в этих странных ледяных мирах.

Исследование команды опубликовано в журнале Nature Geoscience.
Подробнее..
Категории: Астрономия , Научно-популярное , Космос , Блог компании timeweb , Timeweb , Океан , Сатурн , Энцелад , Кассини , Вояджер

Водоросли, танкер и шторм против Камчатки

12.10.2020 10:15:25 | Автор: admin


Проясняется ситуация с отравлением Халактырского пляжа и бухты Авачинской на Камчатке. После переполоха поднятого в соцсетях туда приехали все службы и ученые какие только смогли, и провели бесконечное количество анализов. Оперативная информация выкладывается в официальном телеграм-канале. До конца все причины и факторы не определены, но пока однозначно, что никаких пестицидов или ракетного топлива ни откуда не утекло. А причины гибели морских организмов имеют скорее всего естественный характер. Одну утечку нефтепродуктов на проходящем судне тоже смогли рассмотреть, но вряд ли она причастна к морскому геноциду. И космос оказал в этом расследовании неоценимую помощь.

Основная причина гибели морских животных в Авачинской бухте, а также других обстоятельств, переполошивших интернет это одноклеточные водоросли динофлагелляты. Именно они причастны к токсичным веществам в океанической воде, неприятному запаху, изменению цвета воды, большим пятнам на поверхности, видимым с воздуха. Этот эффект известен, и называется красный прилив, хотя цвет прилива определяется видом одноклеточных, и возможен не только красный, но и вполне желто-зеленый, как в этот раз.

Интенсивный рост микроводорослей в сентябре, с пиком роста в конце месяца, и привел к отравлению серфингистов и донных обитателей. А в конце сентября у побережья Камчатки разразился сильный шторм, он выбросил на берег мертвую морскую живность, которую 2 октября, и обнаружили некоторые инстаграмеры. И началось

Первые пробы, проведенные Минприроды Камчатки, показали повышенное содержание нефтепродуктов и фенола в воде. Greenpeace объявил экологическую катастрофу, полагая, что случилось что-то подобное разливу нефтепродуктов в Норильске. Правда подозрения в утечке у военных токсичного ракетного топлива на полигоне Радыгино не подтвердились. Также проверили полигон захороненных пестицидов у подножия вулкана Козельского, и не нашли значимых протечек, хотя и отметили, что надо за ним следить внимательнее.



Последующие анализы местами показали в морской и речной воде превышение допустимых норм по нефти, фенолам, фосфатам, железу, но не в тех концентрациях, которые способны привести к вымиранию донных обитателей.

Зато ученые Института космических исследований РАН смогли рассмотреть из космоса признаки сброса нефтепродуктов (вероятно льяльных вод) с одного из судов, выходящих из Авачинской бухты 23 сентября.



Сброс не был масштабным, и всего через пару дней никаких его признаков из космоса не просматривалось, но зато он объясняет обнаруженное загрязнение в анализах воды залива. Впрочем в тех окрестностях геологи предполагают небольшие залежи углеводородов, поэтому какая-то нефть могла попасть в воду и естественным путем.

ИКИ РАН не смогли определить, что это было за судно, но СК возбудил уголовное дело. Я подозреваю, что это был рефрижератор Subaru, по крайней мере он как раз покинул порт за несколько часов до этого, но это лишь предположение. Уточнить этот момент тоже можно было бы с помощью космоса, а именно систем АИС-мониторинга, которыми пользуются некоторые сервисы типа MarineTraffic, но к историческим данным там платный доступ, которого у меня нет.

В отравлении Авачинского залива также подозревали и военных, у которых проходили учения в августе, начале и в конце сентября. Но они открестились.

Со ссылкой на Greenpeace в соцсетях разошелся спутниковый снимок от 9 сентября устья реки Налычева севернее Халактырского пляжа. Предполагалось, что этот вынос и есть признак загрязнения.



Однако на самой реке нет каких-либо крупных сооружений или нефтехранилищ, которые могли бы содержать серьезные объемы нефтепродуктов. Но сама возможность использования космических данных привлекла мое внимание, и сейчас я попытаюсь восстановить ход событий, как их видно из космоса.

Река Налычева довольно часто осуществляет заметные выбросы в залив. Например в 2020 году такое случалось в июне, июле, августе и сентябре. Судя по всему такое происходит после каждого достаточно сильного дождя в её верховьях и не приводит к заметным изменениям состояния воды на побережье.



Это лето было рекордно теплым для всего земного шара, особенно Арктики, хотя Камчатке в этот раз не особо досталось, поэтому недостаточно оснований напрямую подозревать причастность глобального потепления к этому эффекту.

Красные приливы на Камчатке происходили и ранее, в том числе вызывавшие гибель морских обитателей, но тогда они не приводили к такому общественному резонансу. Для сравнения с недавними событиями мы можем посмотреть из космоса, как развивался красный прилив 2017 года в Олюторском заливе на северо-востоке Камчатки:

Олюторский залив, июль-август 2017


В данном случае это не спутниковые снимки, а уже обработанные данные, позволяющие определять интенсивность живой зелени, благодаря способности хлорофилла хорошо отражать свет ближнего инфракрасного диапазона и поглощать видимый. Тут используется популярный у европейских ученых алгоритм определения хлорофилла по положению красного края спектра отраженного света. Облака вносят некоторые искажения в данные, но видно как яркие краски появляются в море, что и показывает выросшую концентрацию хлорофилла у поверхности воды.

Мы видим как у берегов Камчатки в одном заливе в течение одного месяца резко возрастает концентрация хлорофилла в воде, а потом также исчезает. Это событие привело к локальному мору горбуши. Опасность такого красного прилива определяется циклом жизни микроводорослей: сначала они расцветают, выделяя токсины в процессе своей жизнедеятельности, а после извлечения из водывсех питательных веществ отмирают, а растворенный в воде кислород уходит на окисление всей этой органики. Т.е. микробы наносят двойной удар сначала отравляя, а затем удушая соседей по океану.

Судя по всему, похожий процесс проходил и в сентябре 2020 года в Авачинском заливе. По сообщению отдыхающих серфингистов, в середине месяца вода непривычно и неприятно пахла, а купание приводило к легкому ожогу слизистых. Хотя, по словам медиков, за медпомощью обратилось всего 11 человек с легкими повреждениями, что не тянет на масштабы катастрофы. Но в середине месяца из космоса никакого заметного прироста одноклеточных еще видно не было, зато всё изменилось после шторма в конце сентября. Океан зацвел, как и в Олюторском заливе тремя годами ранее, потом также быстро всё исчезло.

Авачинский залив, сентябрь-октябрь 2020


Широкая география распространения водорослей показывает, что этот процесс не привязан к каким-то объектам человеческой деятельности на побережье, ни к Петропавловску-Камчатскому, ни к его немногочисленным сельхозугодьям, ни к реке Налычева.

Зато радарные данные спутника Sentinel 3 показывают на масштабный сброс воды 30 сентября из прибрежных рек. Предполагаю, что в этой воде было много органики от перегнивающей осенней листвы, что обеспечило серьезную подпитку одноклеточным водорослям, которые активизировали рост.



Хотя, возможно просто дело в том, что шторм поднял скопления водорослей из глубины.

Вызвал интерес и радарный снимок от 23 сентября. Необычное пятно, видимое у Халактырского пляжа (в правой части снимка), так и не удалось объяснить. Такое яркое отражение не могло создать нефтяное пятно, и водоросли радаром тоже не ловятся. Это могло быть скопление мусора или какое-нибудь местное возмущение поверхности воды (например дрифтующий авианосец).



В последующие дни никаких следов этого пятна не осталось. Зато оно отвлекло внимание от тонкой темной полосы, которую как раз и определили специалисты ИКИ, как сброс нефтепродуктов с судна.

Шторм завершился 2 октября, когда в некоторых местах побережья начали встречаться выброшенные на берег морские животные. Также на открытый воздух выбралась крупная популяция инстаграмеров с серфингистами и началась виртуальная паника. Она подпитывалась критическим недоверием аудитории к любой официальной информации и опасениями, что чиновники попытаются всё скрыть и замолчать.

Несмотря на фактическое отсутствие оснований у этой паники, её результаты можно оценивать как вполне положительные. Например местная власть озаботилась состоянием полигонов с токсичными веществами, которые хранятся-таки на Камчатке. Многие ученые получили интересные командировки и занимаются полевыми исследованиями в живописной местности. Камчатские власти заговорили о более широком применении космических данных в мониторинге экологии Камчатки и создании предназначенной для этого системы. Вся Россия вспомнила, что у неё есть такое место как Камчатка, что, надеюсь, способствует развитию её туризма.



Вообще, стоит отметить, что камчатское правительство на отлично отработало ситуацию, когда катастрофа развивается только в интернете, но общество требует реагирования в реальном мире.

Удручает во всей этой истории только одно, что все космические данные, которыми пользовались Greenpeace, ученые КамчатНИРО, ДВФУ, ИКИ РАН и блогеры от французской серии спутников Sentinel. Роскосмос тоже провел съемку Халактырского пляжа, но какой-то дополнительной информации это не дало. Сам Росгидромет ведет мониторинг Камчатки с помощью открытых данных американских и европейских спутников. У европейцев же оказались не только более производительные спутники, но и относительно удобный, и, главное, открытый без регистрации и SMS сервис доступа к космическим данным: Sentinel Hub. Наши же Ресурсы, Канопусы и Метеоры не пригодились именно в тот момент, когда космос мог дать самый быстрый ответ о причинах происшествия. Что, впрочем, не мешает их разработчикам заявлять, что нашим спутникам в чем-то аналогов нет.

P.S. Доступ к FTP-архиву Электро-Л вообще закрыли, хотя здесь бы он нам не помог.
Подробнее..
Категории: Геоинформационные сервисы , Научно-популярное , Экология , Космонавтика , Открытые данные , Дистанционное зондирование земли , Камчатка , Дзз , Океан

Грязный буй динамика компонентов пластиковых отходов в океанической среде

18.12.2020 12:07:33 | Автор: admin


Все мы прекрасно знаем, что загрязнение окружающей среды до добра не доведет. Особенно, если речь идет о загрязнении океанов и морей. Постеры, мотивирующие сортировать отходы и беречь океаны, часто демонстрируют кадры с запутавшимися в пластиковых пакетах рыбами, черепахами и дельфинами. Другими словами, мы видим физическое влияние мусора на жителей океана. Но не стоит забывать и о том, что пластиковый мусор содержит множество различных химических компонентов, влияние которых может оказаться куда разрушительнее. Ученые из Инчхонского университета (Южная Корея) изучили компоненты и добавки, присутствующие в пластиковых отходах, чтобы выяснить, как они могут влиять на окружающую среду. Какие компоненты опаснее, каково их влияние на окружающую среду, как меняется ситуация с течением времени, и какие выводы можно сделать из полученных данных? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


В былые времена самым распространенным материалом для производства чего-либо была древесина: дома, мебель, посуда и даже оружие из дерева. С течением времени технологии и наука развивались, и на первый план вышел пластик. Этот материал легок, долговечен и устойчив к различным физическим и химическим воздействиям. Не удивительно, что по данным за 2018 год производство пластика достигло невероятных 359 миллионов тонн.

Вполне ожидаемо, что при таком объеме производства всегда присутствует такой же колоссальный объем отходов. И тут преимущества пластика становятся недостатками: он долго разлагается и легко распространяется как по воде, так и по воздуху (легкие пластиковые пакеты ветер может унести на десятки километров). Самый очевидный вред, который пластик может оказывать на флору и фауну, это физический: животное может запутаться в мусоре или проглотить его, что может привести к его гибели.

Однако есть и химическая сторона вопроса. В процессе разложения (даже столь медленного) выделяется множество химических соединений, которые оказывают пагубное влияние и на среду, и на ее обитателей. Кроме того, было установлено, что гидрофобные органические загрязнители концентрируются в пластмассах на несколько порядков больше, чем в окружающей морской (океанической) воде.

Во время производства пластиковых предметов используется множество добавок, необходимых для улучшения качества выходного продукта: красители, наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, антипирены, антиоксиданты и т.д. К примеру, эфиры фталевой кислоты присутствуют в более чем 50% пластиковых продуктов. Естественно, эти добавки никуда не деваются, когда пластик оказывается в океане.

Полистирол (ПС), на который приходится 6.4% мирового производства пластмасс, широко используется в производстве упаковки, в строительстве, в сельском хозяйстве и даже в машиностроении и электронной промышленности. Мировое производство полистирола в 2010 году составило примерно 14.9 миллиона тонн, и прогнозировалось, что к 2020 году он будет расти со скоростью 5.6% в год. Азия является ведущим регионом в мире по производству полистирола около 55.1% от мирового.

Полистирол бывает разный: вспененный полистирол (EPS), экструдированный пенополистирол (XPS) и твердый полистирол. В год в мире производится около 8.87 миллионов тонн EPS (по данным на 2012 год), из которых 66.6% приходится на Азию. К примеру, в Южной Корее, где базируются авторы исследования, в год производится порядка 2 миллионов буев, но лишь 28% из них извлекается из акватории после использования. Следовательно, буи из EPS (в том числе и обломки микро-, мезо- и макро-размеров) являются лидерами среди мусора, загрязняющего побережья Южной Кореи.

Помимо очевидных причин, полистирол опасен для окружающей среды еще и тем, что содержит весьма сильные загрязнители: гексабромциклододеканы (ГБЦД), полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) и т.д. В частности, олигомеры стирола (ОС) являются не просто непреднамеренными добавками в ПС, образующимися в результате побочных реакций во время полимеризации, но также побочными продуктами разложения полистирола.

Принимая во внимание, что химический состав ПС отличается от продукта к продукту, его отдельные добавки демонстрируют разную скорость выщелачивания* и испытывают разную динамику при взаимодействии с окружающей средой (сорбция/десорбция, испарение и разложение).
Выщелачивание* преобразование компонентов твердого материала в раствор.
Следовательно, состав ПС в разных средах будет показывать разные профили разложения, что затрудняет идентификацию и оценку этого процесса и его влияния на среду. Ученые опять приводят в пример буи из EPS. Считается, что они являются основным источником ОС в морской среде, однако концентрации ОС на побережьях и в донных отложениях сильно отличаются. Потому остается неясно, может ли такое несоответствие быть связано с различиями в источниках ОС, различиями в их взаимодействии со средой или какой-либо другой причиной.

Чтобы определить влияние источника ОС и его динамики с окружающей средой на его распространение, в настоящем исследовании ученые провели лабораторные эксперименты по определению характеристик ОС в частицах буя из EPS и его фильтратов.

Результаты исследования



Изображение 1: карта, на которой указаны участки забора образцов для анализа.

Концентрации () ОС в пробах донных отложений, содранных для данного исследования, варьировались от 1.4 до 1460 нг/г (нанограмм/грамм) со средним значением: 671 483 во внутренних ручьях (сектор-1); 216 91 в ручье солончаковых болот (сектор-2); 97.1 144 в озере (сектор-3); 57.4 89.3 в прибрежной зоне за пределами озера (сектор-4).


Изображение 2

Самые высокие концентрации ОС (2а) наблюдались во внутренних ручьях промышленных комплексов (участки C3C7), в среднем в девять раз превышая концентрации в озере (сектор-1). Два ручья (участки C1 и C2 сектора-1), идущие через городские районы (с численностью населения 656 811 человек в Ансане и 465 515 человек в Шихыне), и ручей солончаков (участки S1S9 сектора-2), идущий через сельскохозяйственные районы, также показали в два-три раза более высокие уровни ОС, чем их водохранилище, озеро и прибрежный район, соответственно (2а). Несмотря на то, что самый высокий уровень концентрации ОС был обнаружен в ручьях, идущих через промышленные районы, на озерных участках в непосредственной близости к их водостокам не было столь высокой концентрации ОС.

Между тем, наиболее распространенные ОС в озере наблюдались на дальних внутренних участках (L1 и L2), куда поступают сбрасываемые воды ручьев (участки C1 и C2), текущих через полигон, сельскохозяйственные угодья и городской район. Из этого следует, что именно городские и сельскохозяйственные (а не промышленные) районы являются основными источниками ОС загрязнения озера.

На пляже, где были собраны пробы отложений приливно-отливной зоны (участок O10), присутствовало большое количество отходов EPS буев, в том числе и микрочастиц. Предполагалось, что этот мусор будет основным источником ОС загрязнения региона. Однако на удаленных от берега участках (O7 O10) были обнаружены относительно низкие уровни ОС (1.403.76 нг/г), включая самые низкие уровни ОС на участке O10.

Органический углерод в отложениях можно рассматривать как фактор, влияющий на концентрацию гидрофобных соединений, таких как ОС. Однако содержания углерода в отложениях в этом районе не различались настолько сильно, чтобы повлиять на пространственное распределение ОС. Среднее содержание углерода в пробах составляло: 1.2 0.6 % во внутренних ручьях; 1.1 0.3 % в солончаковых ручьях; 0.9 0.2 % в озере; 0.6 0.3 % в прибрежной зоне.

Следовательно, концентрации ОС, нормализованные по содержанию углерода, шли в следующем порядке от наибольшего к наименьшему: внутренние ручьи (58.2 44.9 мкг/г); солончаковые ручьи (19.7 4.8 мкг/г); озеро (10.2 14.9 мкг/г); и прибрежный район (8.5 11.1 мкг/г).

В отличие от распределения ОС, распределение углерода было относительно равномерным по всем участкам в каждом секторе, за исключением участков O7 O10. В результате не было обнаружено существенной разницы в пространственном распределении ОС между участками (2a) по отношению к углероду. Следовательно, на распределение и на уровень концентрации ОС в исследуемом регионе углерод не имеет никакого влияния.

Далее была произведена оценка распределения ОС по участкам в регионе забора образцов. Уровни ОС распределяются относительно равномерно между отдельными участками, будучи в пределах 8 для внутренних ручьев и 3 для солончаковых ручьев. Однако гораздо большие различия в 50 и 70 раз были обнаружены между участками озера и прибрежной зоны соответственно.

Самые высокие концентрации ОС как в озере, так и в прибрежных районах были обнаружены в дальнем внутреннем озере (участки L1 и L2) и в устье ручья (участки O1 и O2), соответственно. При этом концентрации ОС резко уменьшались с увеличением расстояния от этих участков (2а).

Тенденция к уменьшению SO с расстоянием в озере и прибрежной зоне хорошо объяснена уравнением распада первого порядка (т.е. ln(CX/C0) = kd), где CX и C0 нормализованные по углероду концентрации ОС на участке Х на изначальном участке, т.е. на дальних внутренних участках озера (L1) и в прибрежной зоне O1, k константа распада (в данном случае константа разбавления) и d расстояние от L1 или O1 до участка X.


Изображение 3

Анализ показал значительные корреляции между скоростью уменьшения ОС, SD, ST (ОС олигомеры стирола; SD 2,4-дифенил-1-бутен; CT 2,4,6-трифенилгексен) и расстоянием (d; км). К примеру, показатель разбавления (k) для ОС составил 0.305 для участков L1L10 в озере и -0.206 для участков O1O9 в прибрежной зоне. Расстояние, на котором ОС упало вдвое по сравнению с исходным участком (далее d1/2), составило 2.3 км для озера и 3.4 км для прибрежной зоны. Это указывает на то, что сильное разбавление ОС произошло в водных резервуарах ниже по течению после их попадания через ручьи, расположенные выше по течению.

При этом отрицательная корреляция (-k) была значительно ярче выражена для более легких олигомеров стирола как из озера, так и из прибрежного региона: -0.328 для SD по сравнению с -0.201 для ST в озере; и 0.212 для SD по сравнению с 0.133 для ST в прибрежной зоне (графики выше). Соответствующие значения d1/2 для SD составили 2.1 км в озере и 3.3 км в прибрежной зоне, а для ST 3.4 км в озере и 5.2 км в прибрежной зоне.

Следовательно, можно сделать вывод, что более легкие конгенеры* (SD) могли растворяться намного быстрее, чем более тяжелые (ST).
Конгенер* вещество, которая является результатом какой-либо химической реакции (в данном случае это реакция распада пластикового мусора).
Далее была проведена оценка изменений концентрации компонентов пластикового мусора в донных отложениях (2b) в зависимости от расстояния.

На большинстве участков в олигомерах стирола преобладали SD, на долю которых приходилось 89 10% ОС, за исключением участка O10, где ST были наиболее распространенными (59% ОС). Доля SD была относительно выше в наземных источниках (89 8.8% OС во внутренних ручьях и 94 3.8% OС в солончаковых ручьях) по сравнению с соответствующими им резервуарами ниже по течению (80 13% OС в озере и 87 17% OС в прибрежной зоне). SD-2 (2,4-дифенил-1-бутен) был наиболее распространенным конгенером для большинства участков (за исключением участка O10), составляя 85 14% ОС и 95% 7.3% SD. На участке О10 преобладал ST-1 (2,4,6-трифенил-гексен): 40% OС и 68% ST.

Любопытно, что профиль состава ОС были относительно равномерны по всем наземным участкам, однако с увеличением расстояния сильно менялись на разных участках. Доли SD снизились с 92% на внутреннем участке L1 до 69%85% на внешних L9 и L10 и с 97% на участке O1 до 8086% на O8 и O9. Это обратно пропорционально долям ST, которые постепенно увеличивались с 8.0% до 1531% и с 2.8% до 1420%, соответственно. Следовательно, отношение ST к SD-2 показало тенденцию к увеличению от внутреннего к внешнему участку озера и прибрежной зоны (2c).

Чтобы охарактеризовать происхождение олигомеров стирола в регионе исследования, были измерены уровни и профили состава ОС в EPS и его продуктах выщелачивания (изображение 4).


Изображение 4

Содержание ОС в частицах буя EPS, который еще не начал распадаться, составляло 1.45 0.19 мг/г. ST составляли примерно 60.2 3,4% от всего ОС с преобладающим ST-1 (40.6 3.6%), затем следовали SD-2 (32.6 2.6%) и ST-3 (9.9 0.6%).

После пятидневного периода выщелачивания общая масса ОС в выщелоченных частицах EPS и фильтратах составила 14.950.76 мкг. Лишь 0.031 0.004% от общего количества извлеченных ОС присутствовало в фильтратах выщелачивания с диапазоном 7.5610.1 нг/л для ОС, а оставшаяся масса была обнаружена именно в выщелоченных частицах EPS.

Наиболее распространенным конгенером в фильтрате был SD-2 (70.9 13.0%), за ним следовали SD-1 (12.6 7.6%), ST-1 (5.1 1.4%), SD-3 (3.9 4.3%), SD-4 (2.6 2.4%) и другие. Таким образом, SD составляют 90.1 2.6% выщелоченных ОС. Следовательно, процесс выщелачивания обломков EPS высвобождает SD гораздо быстрее, чем ST.

Следующий этап исследования был нацелен на анализ главных компонентов (PCA от principal component analysis) для определения происхождения ОС.


Изображение 5

На изображении выше представлены результаты PCA для разных профилей ОС в образцах. Два основных компонента объясняют 96% общей дисперсии, большая часть которой приходится на PC1 (компонент 1; 88.4%).

График оценки PCA разделяет образцы на три кластера: группа-1 включала фильтрат EPS, отложения на внутренних и солончаковых ручьях и отложения на внутренних участках озера и в прибрежной зоне; группа-2 включала отложения на внешних участках озера и в прибрежной зоне; группа-3 включала свежие и выщелоченные частицы EPS и отложения участка O10.

Совокупность результатов PCA анализа показала, что группа-1 и группа-2, вероятно, были связаны друг с другом, показывая изменение состава ОС, вызванное разбавлением от внутренних участков (группа-1) к внешним (группа-2). Это означает, что даже если разбавление ОС сохраняется, его профиль состава не может быть таким же, как и профиль частиц EPS.


Изображение 6

В заключение ученые провели анализ данных по ОС из разных уголков планеты, взяв за основу предыдущие исследования. Уровень SD-2 и ST-1 был в целом выше в отложениях пляжа, чем в донных отложениях, что может быть связано с накоплением обломков полистирола / EPS на пляже. Любопытно и то, что отношение ST-1 к SD-2 из других трудов демонстрирует ту же картину, что и в этом исследовании. Все отложения на пляже имели значения соотношения (т.е. 1.3811.8), превышающие 1.25, обнаруженные в свежих частицах буев EPS, в то время как все донные отложения демонстрировали отношения намного ниже (т.е. 0.030.40), чем у частиц EPS, но близкие к его фильтрату. Этот результат подразумевает, что пляжные и бентические отложения могут представлять собой различные ОС, происходящие из разных источников (т.е. морских частиц EPS и их фильтрата).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог


В данном труде ученые проанализировали факторы, влияющие на распространение олигомеров стирола (ОС) в морской среде, а также их источник и динамику взаимодействия со средой во время разложения. Для этого были изучены образцы донных отложений и частиц буев, сделанных из EPS (вспененный полистирол).

Самая неожиданная находка заключается в том, что промышленные районы были источниками далеко не самого большого объема ОС в континентальных водах. Куда больше ОС происходило из жилых и сельскохозяйственных регионов. Что касается прибрежной зоны, то тут основным виновником ОС загрязнения являются буи, два миллиона которых используется каждый год, но лишь 28% из них извлекаются после использования.

Однако, как заявляют ученые, ранее проводимая оценка экологической опасности того или иного пластикового мусора может быть ошибочной ввиду неточных измерений, которые могут возникать, если в образцах присутствуют частицы этого мусора. Другими словами, для точного анализа влияния загрязнителя на среду необходимо анализировать фильтраты, а не раствор. Суть в том, что разные компоненты пластикового мусора (например, SD димеры ОС и ST тримеры ОС) растворяются в воде с разной скоростью. Из-за этого их состав в прибрежных отложениях сильно отличается от того, что можно наблюдать в исходном материале (например, в пластиковых буях).

Было установлено, что ST, у которого молекулы более тяжелые и гидрофобные, как правило, оставался в мусоре и двигался в воде с меньшей скоростью, чем SD. Молекулы SD более легкие, а потому высвобождались из материала гораздо быстрее и, следовательно, лучше распространялись в водной среде. Это означало, что отношение SD к ST будет увеличиваться при удалении от источника загрязнения.

Ученые считают, что их находка может стать новым критерием для более точной оценки источников ОС и оценки экологического риска загрязнения того или иного региона. На основе данных, полученных в ходе таких исследований, можно будет сформировать новые правила по использованию определенных компонентов пластиковых продуктов, исключив или уменьшив использование тех, которые являются самыми агрессивными в аспекте распространения и последующего загрязнения.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..
Категории: Научно-популярное , Экология , Блог компании ua-hosting.company , Химия , Океан , Пластик , Мусор , Загрязнение окружающей среды , Олигомеры стирола , Полистирол , Буй , Прибрежная зона , Пластиковый мусор , Компоненты материала

Перевод Загадочная прочность стеклянного скелета морской губки

16.02.2021 12:20:24 | Автор: admin

Живущая в глубинах Тихого океана стеклянная губка обладает поразительной способностью противостоять сжатию и сгибанию, не говоря уже о других её необычных свойствах



Морская губка Венерина цветочная корзина

В 1841 английский биолог Ричард Оуэн с изумлением изучал замысловатый скелет недавно открытой морской губки, обитающей вблизи Филиппин. Он писал, что её скелет напоминает изысканный рог изобилия, сотканный из жёстких, блестящих эластичных нитей, чего-то вроде тончайших волосков кручёного стекла. Скелет и правда был стеклянным это животное, Euplectella aspergillum, прозванное венериной цветочной корзинкой, изготавливает его при помощи кислоты, извлекаемой из морской воды.

180 лет спустя учёные всё ещё изумляются этой губке. Среди её интересных свойств есть потрясающе долгая продолжительность жизни. Считается, что некоторые стеклянные губки живут многие тысячи лет, что делает их одними из самых долгоживущих животных. Кроме того, губка умеет проводить свет через свои кварцевые нити, как оптоволокно. В последние два десятилетия группа биологов, материаловедов и инженеров из Гарвардского университета сконцентрировались на той особенности губки, которая изначально заинтересовала Оуэна замысловатой схеме строения её скелета. Последняя работа описывает его чрезвычайную прочность, природа которой не ясна. Похоже, что он обладает максимальной прочностью, которая вообще возможна для подобной структуры.

Это почти что святой Грааль инженерных проектов, сказал Друв Бате, адъюнкт-профессор инженерного дела из Аризонского государственного университета, изучающий венерину цветочную корзину, но не участвовавший в упомянутой работе.

Прочность скелета основана на необычном строении его решётки. Впервые им 20 лет назад заинтересовалась гарвардский материаловед и химик Джоанна Айзенберг. Катя Бертолди, одна из соавторов Айзенберг, тоже была очарована рисунком решётки, как только увидела её. У неё архитектура периодическая, но не простая, сказала Бертолди. Они с коллегами задумались: Почему же архитектура получилась именно такой?

Они отметили, что у стеклянных нитей, составляющих скелет венериной цветочной корзины, много общего с фермами, используемыми для стабилизации мостов и небоскрёбов. Вот уже более ста лет инженеры предпочитают делать фермы из прочных решёток в виде квадратной сетки с диагоналями, придающими ей прочность. Мы уже давно делаем это одним и тем же способом, сказал Матеус Фернандес, аспирант из команды исследователей. Но в скелете венериной цветочной корзины есть пари диагоналей, идущих в обоих направлениях в отличие от типичных ферм, использующих единственную диагональ. Пары диагоналей разнесены в пространстве, из-за чего сетка похожа не шахматную доску, на которой диагонали пересекают каждый второй квадрат.


На увеличенной фотографии скелета видна периодическая решётка. Размер ячеек порядка 2,5 мм.

Исследователи изготовили, а также симулировали на компьютере решётку на основе скелета губки, и сравнили её с тремя другими схемами решёток, имеющих похожий вес, включая и стандартные фермы. В симуляциях и экспериментах обнаружилось, что решётка, изготовленная по биологическому образцу, выдержала наибольшие нагрузки. Испытывалось сжатие в одном направлении, а также давление на три точки. В последующих симуляциях учёные меняли количество диагональных нитей, расстояние между ними и их толщину, чтобы подобрать наиболее прочную решётку. Наиболее прочной оказалась решётка, сделанная по образу скелета губки.

Фернандес говорит, что дополнительные диагонали дают решётке больше мест соединения нитей, чем у обычной фермы, и уменьшают расстояние между соединениями. Возможно, это позволяет структуре выдерживать большее давление. Команда подробно описала свои первоначальные открытия, касающиеся прочности скелета, в сентябре в журнале Nature Materials. Один из соавторов работы, Джеймс Уивер, сказал, что сейчас авторы находятся в процессе более глубокого погружения в разные аспекты этих стеклянных скелетов.

Также исследователи подают заявку на патент, регистрируя созданную ими на основе скелета решётку. Если структурам можно будет добавить прочности, не добавляя веса, теоретически получится строить более длинные мосты, более лёгкие компоненты, которые будет проще перевозить, и даже создавать более изящные конструкции для использования в космосе. Процесс проб и ошибок, идущий миллионы лет эволюции, выбирает наилучшие варианты для материалов, как сказал Пабло Заватьери, профессор гражданского строительства из университета Пердью.

Однако в случае венериной цветочной корзины эволюционная цель несжимаемости губки неясна.


Прочная губка: в экспериментах и компьютерных симуляциях выяснилось, что решётка, смоделированная по образу скелета губки Euplectella aspergillum, способна выдержать гораздо большие нагрузки, чем другие решётки, популярные в строительстве.

Губки часто живут на глубинах в тысячи метров, при экстремальном давлении воды, однако это давление действует во всех направлениях, одинаково сдавливая стеклянные нити со всех сторон, что нивелирует его воздействие. Губка не испытывает сокрушительного давления, пояснил Клинт Пеник, биолог из Кеннесонского государственного университета в Джорджии.

Пеник сказал, что губке нужна прочная структура, но для того, чтобы стоять вертикально и фильтровать содержащийся в воде планктон. Также ей необходимо сдерживать пару креветок, которые часто навсегда поселяются внутри губки, когда вырастают до размера, слишком большого для того, чтобы её покинуть. Эта её особенность заслужила для губки статус символа вечной любви в Японии, где её дарят на свадьбу. Также крепкие скелеты губок могут противостоять хищникам и другим животным, сталкивающимся с губками, добавил Пенек, хотя ничто из этого не объясняет необходимость в такой чрезмерной прочности.

Венерина цветочная корзина может предложить не только значительную прочность. Образующие сетку стенки лишь один из нескольких уровней сложности её структуры. На микроуровне её волокна могут немного сдвигаться в рамках сетки, а расположение белков и молекул кварца предотвращают распространение трещин. На макроуровне кружевной скелет помогает губке фильтровать воду. Команда Бате исследует, как работает ещё одно свойство губки: из-за того, что некоторые нити не полностью подсоединены к другим, губка обладает определённой гибкостью. Также им интересно, почему её структура устойчива к перекручиванию.

Это одна из тех тем, на которые можно потратить целую жизнь, и всё равно не воспроизвести всех возможностей, сказал Бате. Поэтому это так здорово.
Подробнее..
Категории: Научно-популярное , Биотехнологии , Скелет , Океан , Euplectella aspergillum , Венерина цветочная корзина , Губка

Перевод Ученые случайно обнаружили колонию странных существ подо льдом Антарктиды

21.02.2021 16:09:36 | Автор: admin

Несколько дней назад исследователи пробурили антарктический шельф для того, чтобы взять образцы отложений на дне океана. Вместо этого они нашли колонию животных, которых там не могло быть. Об их находке рассказывает Wired.

Чтобы изучить историю шельфа в глубине континента, геолог Джеймс Смит с коллегами хотели собрать отложения на морском дне под Антарктидой. Чтобы туда добраться, они должны были растопить 20 тонн снега и создать 20 000 литров горячей воды. Эту воду закачивали в трубу, опущенную в скважину. Которая постепенно растапливала лёд и опускалась все ниже. Чтобы пробить таким образом километр льда им потребовалось 20 часов.

После этого геологи опустили в скважину инструмент для сбора грунта вместе с GoPro-камерой. Но коллектор вернулся пустым. Они попробовали еще раз. Все равно пусто. Никакого грунта собрать не получалось.

Позже той же ночью в своей палатке Смит просмотрел запись и понял проблему. На видео было видно спуск через 900 метров сине-зеленого льда, который внезапно заканчивается, переходя в темную морскую воду. Камера проходит еще 500 метров, пока наконец не появляется морское дно в основном осадок светлого цвета, который искал Смит, но также и что-то темное.

Темный объект оказывается камнем, о который камера ударяется с глухим стуком и падает вниз, в осадок. Она быстро возвращается вверх и сканирует скалу, обнаруживая какие-то непонятные структуры, которые геологов изначально не интересовали. На самом деле это оказалось что-то более невероятное жизнь.

Вот, собственно, видео. Осторожно в наушниках, громко:

Место оказалось неудачным для сбора ила с морского дна: грунт слишком легко рассыпается. Но идеальным для обнаружения живых организмов там, где, как раньше думали ученые, они бы не смогли существовать.

Смит не биолог, но пленку просмотрел его коллега Хью Гриффитс из Британской антарктической службы. Он заметил на камне специфическую жирную пленку тонкий слой микробов, известный как бактериальный мат. Со скалы также свисала губка, похожая на пришельца, в то время как более толстые цилиндрические губки сидели на поверхность. Камень также был покрыт тонкими нитями своеобразным животным, известным как гидроид.

Камень, случайно обнаруженный Смитом, находится в 250 км от дневного света, то есть от ближайшего края шельфа, где заканчивается лед и начинается открытый океан. Он также расположен в сотнях километров от ближайшего источника пищи места, где было бы достаточно солнца для подпитки фитопланктона и создания хоть какой-нибудь экосистемы.

Животные, обнаруженные под льдами Антарктиды, ведут оседлый образ жизни, они не способны передвигаться с места на место. Обычно чтобы такие создания смогли жить глубоко на океанском дне, им нужны стабильные запасы пищи в виде морского снега. Все живые существа, плавающие в километрах воды наверху, однажды умирают, и со временем тонут. Их частицы, которые не достались никому более прожорливому, со временем добираются до дна.

Такая схема работает в большинстве территорий вокруг Антарктиды, где вода невероятно продуктивна. Платон подпитывает сотни видов рыб, которые, в свою очередь, кормят крупных птиц и млекопитающих, таких как пингвины и тюлени.

Но странные антарктические создания, обитающие на подводной скале, живут не под активными водами океана. А под толщей безжизненного льда. Откуда никакого морского снега и еды поступать не может. Перемещаться в поисках пищи они тоже не могут. Так откуда же они могут получать пропитание?

Пока что исследователи полагают, что это тот же морской снег, который, скорее всего, перевернулся на бок. То есть, потоки пищи движутся горизонтально, а не вертикально. Глядя на карты подводных течений возле места бурения, ученые определили, что продуктивные регионы, где может быть пища, находятся на расстоянии от 600 до 1500 километров. А дальше сильные течения относят редкие частицы еды глубоко под толщи льда. Где их и ждут наши непритязательные колонии губок, гидроидов и различных более мелких существ.

Но поскольку исследователи не смогли собрать образцы, они пока не могут точно сказать, какие именно виды созданий живут под Антарктидой, и чем они могут питаться. Скорее всего, некоторые губки фильтруют органический детрит (мертвую органику) из воды, в то время как другие являются хищниками и питаются крошечными животными.

Для ученых также остается загадкой, сколько лет этим существам. Известно, что антарктические губки могут жить больше десяти тысяч лет, поэтому вполне возможно, что подо льдом находится очень древняя экосистема. Возможно, течения доставили предков современных созданий к этим камням давным-давно, и с тех пор они выживают здесь, как могут, на протяжении тысячелетий.

Подробнее..
Категории: Научно-популярное , Экология , Исследования , Экосистема , Океан , Блог компании веб-студия и дата-центр itsoft , Itsoft , Антарктида

Будущее без пластика как данные помогают экологии

20.05.2021 18:13:57 | Автор: admin

В нашем блоге мы неоднократно подчеркивали важность данных для бизнеса и отдельных пользователей. Не зря данные называют новой нефтью. Нет такой сферы, где современные технологии получения, обработки и анализа данных не привели бы к революционным изменениям. И сегодня мы поговорим об экологии, вернее, о пластиковых отходах, из которых формируются целые острова мусора в океане. Данные изменили многие подходы к вопросам экологии, и в конечном итоге они помогут решить одну из злободневных проблем человечества.

Пластик: добро и зло

Вне всякого сомнения, пластик в свое время свершил революцию. Материал из длинных цепочек синтетических полимеров оказался прочным, легким и гибким. Пластик сегодня можно встретить где угодно, от бутылок для напитков до автомобильных запчастей и подгузников.

Изначально бакелит создавался в качестве замены шеллаку природной смоле, вырабатываемой тропическими насекомыми лаковыми червецами. Произведя реакцию поликонденсации фенола и формальдегида, Лео Бакеланд сначала получил термопластичную фенолоформальдегидную смолу, которая отверждалась только в присутствии отвердителей. Данный полимер Лео Бакеланд назвал Novolak, однако успеха на рынке он не имел. Продолжая исследования в области реакции между фенолом и формальдегидом, а также подбирая различные наполнители (асбестовый порошок и др.), Лео Бакеланд получил полимер, не требующий отвердителей, для которого не смог найти растворителя. Это навело его на мысль, что такой практически нерастворимый и не проводящий электричества полимер может оказаться очень ценным. В 1909 году Лео Бакеланд сообщил о полученном им материале, который он назвал бакелитом. Данный материал был первым синтетическим реактопластом пластиком, который не размягчался при высокой температуре. Источник

Первый синтетический пластик Бакелит был изобретен в начале XX века, после чего мир сошел с ума. Если верить Our World in Data, за последние 65 лет ежегодное производство пластика увеличилось почти в 200 раз, до 381 млн. тонн. Пластик повсеместно вошел в жизнь каждого человека на планете.

К сожалению, популярность столь универсального материала негативно сказывается на экологии. По информации Национального управления океанических и атмосферных исследований США и Woods Hole Sea Grant, некоторые виды пластика могут разлагаться до 600 лет. Обочины дорог заполняются пластиковыми отходами, в океане образуются острова из пластика, флора и фауна страдают.

Вот несколько ключевых цифр:

  • За свою истории человечество произвело 8,3 млрд тонн пластика;

  • Половина этих объемов изготовлена в течение последних 13 лет;

  • Около 30% этих объемов до сих пор находятся в использовании;

  • Из пластика, оказавшегося на свалке, были переработаны менее 9%;

  • 12% были сожжены, еще 79% находятся на свалках;

  • Самое короткое использование у упаковочного пластика в среднем менее года;

  • Дольше всего пластиковая продукция используется в строительстве и машинном оборудовании;

  • Нынешние тенденции прогнозируют, что к 2050 году человечество изготовит 12 млрд. тонн пластика.

Мировой экономический форум предсказал, что к 2050 году океан будет содержать больше пластика (по весу), чем рыбы. По оценке The Ocean Cleanup Большое тихоокеанское мусорное пятно между Калифорнией и Гавайскими островами имеет площадь в три раза превышающую Францию. Вероятно, на этом участке находится более ста миллионов тонн мусора.

Мусорное пятно занимает большой, относительно стабильный участок на севере Тихого океана, ограниченный Северо-тихоокеанской системой течений (область, которую часто называют конскими широтами, или широтами штилевого пояса). Водоворот системы собирает мусор со всей северной части Тихого океана, в том числе из прибрежных вод Северной Америки и Японии. Отходы подхватываются поверхностными течениями и постепенно перемещаются к центру водоворота, который не выпускает мусор за свои пределы. Точный размер области неизвестен. Приблизительные оценки площади варьируются от 700 тыс. до 1,5 млн км и более (от 0,41 % до 0,81 % общей площади Тихого океана). Источник

Печальная статистика вместе с фотографиями погибших от пластика птиц и млекопитающих позволяет оценить масштаб проблемы. Многие морские животные даже принимают пластик как пищу, после чего тоже погибают. За последние годы в социальных сетях стал популярным хештег #plasticfree, на проблему пластика обратили свой взор не только простые обыватели, но и правительственные учреждения и бизнес.

Данные не только помогают проследить пути пластикового мусора и найти подобные мусорные пятна на нашей планете, но и помогают снизить зависимость человечества от пластика.

Где и сколько?

Платформа TOPIOS (Tracking of Plastic in Our Seas) посвящена моделированию движения пластика в мировом океане. Проект координирует доктор Эрик ван Себиль из Университета Утрехта, известный океанолог и исследователь климатических изменений Земли.

Майкл Каандорп, аспирант из Утрехта, занимается сферой машинного обучения, которое поможет рассчитывать модели движения пластика TOPIOS. Каандорп пояснил, что необходимы дополнительные исследования, которые помогут определять конечные точки расположения пластиковых отходов в океане. По примерным оценкам счет идет на миллионы тонн пластика в год, причем пока мы можем находить только около одного процента пластиковых отходов, которые остаются плавать на поверхности, сказал Каандорп.

Платформа TOPIOS как раз помогает найти оставшиеся 99 процентов пластика, скрывающиеся в толще морей и океанов. Цель заключается в том, чтобы оценить распределение пластика по поверхности и разным слоям океана. Сколько пластика оседает на дно и выбрасывается вдоль береговой линии? Сколько съедают морские животные?

Попадая в океан, пластик распадается на миллионы мельчайших частиц под воздействием солнца, ветра, постоянного столкновения друг с другом. Изделия из пластмассы в этих условиях не подлежат биодеградации, пластик только распадается на все более мелкую фракцию, при этом сохраняя полимерную структуру. В результате этого образуются мельчайшие частицы, размером по несколько миллиметров, которые плавают в поверхностном слое океана на гигантских территориях. Морские обитатели питаются этой крошкой, принимая её за планктон, и пластик включается в пищевую цепь животных. В настоящее время масса пластикового антропогенного мусора в зоне мусорных пятен океана больше массы находящегося там зоопланктона в семь раз; специалисты называют такие места пластиковым супом. Источник

Команда из Университета Утрехта моделирует пути распространения пластикового мусора, используя собранные данные из разных мест океана, а также симуляцию океанских течений в высоком разрешении. В компьютерные модели добавляется виртуальный пластик, который затем отслеживается через инструментарий oceanparcels с открытым исходным кодом. Код на Python и C доступен на GitHub, где над ним работает как команда TOPIOS, так и энтузиасты со стороны.

Комбинируя нашу модель и информацию с полей, отображающую концентрацию пластика в океане, мы создаем карту в пространстве и времени, по которой можно найти, где сосредоточен весь пластик, сказал Каандорп.

Платформа TOPIOS показывает, где накапливаются отходы пластика. А проект Our World in Data, который находится под патронажем Оксфордского университета и Global Change Data Lab, позволяет получить эти данные в удобной форме всем желающим. Причем можно посмотреть обширные статистические сведения по производству пластика, использованию в разных секторах деятельности человека. Какие страны хуже всего справляются с переработкой пластика и дают больше всего отходов? Какие реки выносят в океан больше всего пластика? Какие океаны можно назвать наиболее загрязненными? Все это вы можете посмотреть в подробном отчете.

База данных по пластику содержит сведения с 1950 годов по наше время, есть даже прогнозы на будущее до 2050 года. Доступ к базе предоставлен в рамках глобальной миссии проекта собрать сведения о сильных и долгосрочных трендах, меняющих наш мир. Стоит отдать должное создателям сайта за интерактивную визуализацию данных и полезные ссылки на научную литературу.

На сайте можно отследить прогресс выполнения Целей устойчивого развития ООН. Несколько таких целей как раз касаются пластиковых отходов. Например, к 2025 году предотвратить и существенно снизить загрязнение океана всеми видами отходов.

Команда Our World in Data получает данные из трех основных источников: международные исследовательские организации и институты, опубликованные статьи и документы, информация статистических агентств, в том числе ОЭСР, Всемирный банк, ООН. Обработанные данные используются ведущими изданиями во всем мире, в том числе The New York Times, BBC и El Pais. Причем Our World in Data работает не только над темой пластика, но и, например, бедности и глобального изменения климата.

Сведения, предоставленные TOPIOS и Our World in Data, помогают оценить масштаб проблемы. Теперь остается перейти к ее решению.

#plasticfree будущее без пластика?

Анализ данных позволяет оценить, насколько успешна деятельность правительств, бизнеса и обывателей. Где можно говорить о достижении результата, а где о провале.

Как можно видеть по отчету ООН, многие страны приняли законодательные меры, чтобы ограничить использование трех основных составляющих пластиковых отходов: пакеты, одноразовая посуда (например, те же соломинки) и микрогранулы, которые входят в состав средств для лица, гелей для душа, зубных паст.

Как считают авторы отчета, наступил поворотный момент запрета пластиковых пакетов, 66 процентов стран в мире приняли законы, ограничивающие их оборот. Но те же пластиковые микрогранулы запрещены всего в восьми странах из анализируемых 192.

Трудно оценить, какой процент пластикового мусора составляют микрогранулы, поскольку большинство крупномасштабных исследований анализируют общие характеристики и количество микропластика в окружающей среде. Однако, по предварительным оценкам, микрогранулы составляют от 0,4 % до 4,1 % от всего пластикового мусора, находящегося в водной среде. Опасность таких частиц заключается в их размере и, соответственно, лёгком попадании в водную систему. В водной среде микрогранулы становятся частью пищевой цепи, поскольку многие морские обитатели принимают фрагменты пластика за еду. Согласно исследованию 2013 года, более 250 видов морских животных принимали микрогранулы за пищу, в том числе рыбы, черепахи и чайки. При попадании в организм микрогранулы не только лишают их необходимых питательных веществ, но и могут застревать в пищеварительном тракте и закупоривать жабры. Микрогранулы становятся неотъемлемой частью рациона мальков и коралловых полипов, предпочитающих микрогранулы зоопланктону. Также микрогранулы могут переносить и содержать другие адсорбированные загрязняющие вещества, такие как стойкие органические загрязнители и тяжёлые металлы. При употреблении микрогранул вредные вещества попадают в организм биоты. Источник

Как считает Каандорп, для повышения эффективности следует принимать более целенаправленные меры. TOPIOS позволит всем заинтересованным сторонам понять, где находится пластиковый мусор. Например, если пластик быстро тонет и обнаруживается рядом с источниками загрязнения в тех же реках, то следует фокусироваться на очистке данных мест, а не посреди океана.

Успех принятых мер по снижению пластиковых отходов будет виден по модели TOPIOS. Как мне кажется, можно будет выявлять те страны, которые оказались наиболее успешны в уменьшении пластикового мусора, добавил Каандорп.

Пример команды Our World in Data показывает, как данные могут менять мир. Задача поставлена весьма амбициозная: если мир будет серьезно подходить к достижению поставленных целей, мы будем точно определять прогресс и публиковать результаты в доступной и понятной форме на публичной платформе. Только такой подход позволит сравнивать текущую ситуацию с предыдущими этапами. Мы сможем ответить на вопрос, движемся ли мы в правильном направлении. Либо, наоборот, выбран ошибочный путь.

Будущее без пластика #plasticfree цель непростая. Здесь потребуются усилия на всех уровнях: государства, бизнеса, обывателей. Только все вместе мы сможем снизить деструктивные последствия деятельности человечества и сохранить природу Земли, флору и фауну. И сила данных нам тоже в этом поможет!

Подробнее..
Категории: Экология , Хранилища данных , Данные , Seagate , Океан , Блог компании seagate

Категории

Последние комментарии

  • Имя: Макс
    24.08.2022 | 11:28
    Я разраб в IT компании, работаю на арбитражную команду. Мы работаем с приламы и сайтами, при работе замечаются постоянные баны и лаги. Пацаны посоветовали сервис по анализу исходного кода,https://app Подробнее..
  • Имя: 9055410337
    20.08.2022 | 17:41
    поможем пишите в телеграм Подробнее..
  • Имя: sabbat
    17.08.2022 | 20:42
    Охренеть.. это просто шикарная статья, феноменально круто. Большое спасибо за разбор! Надеюсь как-нибудь с тобой связаться для обсуждений чего-либо) Подробнее..
  • Имя: Мария
    09.08.2022 | 14:44
    Добрый день. Если обладаете такой информацией, то подскажите, пожалуйста, где можно найти много-много материала по Yggdrasil и его уязвимостях для написания диплома? Благодарю. Подробнее..
© 2006-2024, personeltest.ru