The Ice Camp (4km offshore)

Исследования озера Байкал в рамках
Байкальского нейтринного проекта
N. Budnev, Irkutsk State University.
Schematic view on the deep underwater complex of
Baikal Neutrino Telescope
10-Neutrino Telescope NT-200
7-hydrophysical mooring
5-sedimentology mooring
12-geophysical mooring
13-18-acoustic transponders
1-4 cable lines
3600 m
9
5
6
10
8
7
100 m
11
1
1366 m
100 m
2
4
3
13
18
14
5 km
1.5km
600 m
15
16
17
12
Междисциплинарные исследования
озера Байкал как места обитания
нейтринного телескопа
• Вертикальный и горизонтальный обмен
вод
• Оптические свойства байкальской воды
• Биологические ритмы
• Глобальные изменения климата
• Геофизические исследования
Приборы и методы
• 3 – х мерный долговременный температурный
мониторинг (совместно с EAWAG, Switzerland)
• Акустическое зондирование
• 3 –х мерный мониторинг свечения водной среды
• Долговременные измерения оптических свойств
среды
• Долговременные измерения геоэлектрического поля
• Исследование процесса формирования донных
отложений (совместно с EAWAG, Switzerland)
TMD = 3.9839 - 1.9911∙10-2 ∙ P - 5.822 ∙ 10-6 ∙ P - (0.2219 +
1.106 ∙ 10-4 ∙ P) ∙ S
Three-dimensional long-term
temperature monitoring
550 m
Near coast
mooring
1366 m
Deep west
mooring
1 km
Deep east
mooring
Instrumental moorings
The temperature at the near-surface zone
12
19m
25m
10
Temperature
77m
90m
8
127m
182m
288m
6
4
2
0
0
30
60
90 120 150 180 210 240 270 300 330 360
.
Days (2000-2001 from 01 March)
Much
May
July September November January
One-dimensional thermodynamic
model.
•
The temperature regime depend on two
factors:
2
• intensity of solar radiation q ( A  cos( t ))

• Heat exchange with atmosphere
kT (Tw (0, t )  Tatm (0, t ))
3

T

T
2

(  ( z, t )
)  q( A  cos(
t ))e 
t
z
z

z
Temporal changes of temperature in the model
12
10
T ( oC)
8
6
1.3
4 <
5.0
0.1
<
>
<
>
<
3.2
1.2
> <
>
>
90 m
2
10 m
0
180
July
270
t (days)
September
360
450
January
Годовой ход коэффициент
температуропроводности
Годовой ход коэффициента
вертикального массопереноса
Inertial waves excitation in the spring
4.0
Temperature
3.0
19m
25m
77m
90m
127m
182m
288m
2.0
1.0
40
50
60
70
80
90
100
Days (00-02 from 01 March)
Апрель
May
Июнь
110
Inertial waves excitation in the
autumn
8
6
25
8
4
2
6
75
4
Temperature ( C)
5
o
0
4
90
6
3
5
6
4
100
5
3
5
4
125
3
5
4
150
4
3
175
3
240
250
260
Days
(from
Days
from
1stMarch
Much first)
2003y
October
November
270
Крупномасштабный апвелинг
Vertical destribution of temperature 2000-2001y
20
4.4
20
10
19
25
77
127
10
5
5
4
182
235
3
4.0
288
340
3.6
3.2
3.8
3.6
3.4
3.5
10
4.0
182
0
4.0
6
4
3.6
3.8
2
5.0
4.5
3.9
340
3.2
3.6
4.0
4.0
3.8
3.6
390
3.2
3.8
500
794
3.6
3.4
3.4
390
3.6
3.52
3.5
3.48
3.44
794
3.4
3.3
3.4
3.3
3.2
3.4
996
1198
3.5
1259
3.3
1309
3.3
3.2
3.4
1362
996
3.40
3.40
3.4
3.3
3.38
3.2
3.3
3.42
3.44
3.4
0
30
60
90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390
3.2
0
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390
Time (Days from 1 March)
November
January
3.4
996
3.3
3.5
3.3
3.4
3.5
Temperature
1198
3.3
3.5
3.4
1259
3.4
3.3
1309
3.4
Temperature
decreased
on 0.1 degree
3.3
1362
3.3
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390
Time (days from 01.03.2001)
June
November
Синхронное акустическое зондирование
частотно-манипулированными сигналами
Время распространения t1 = L/[C(T,P,S) – U]
Гидрофоны
L
U - скорость
течения
Время распространения t2 = L/[C(T,P,S) + U]
Скорость течения U = L/2[1/t1 -1/t2]
Скорость звука С = L/2[1/t1 +1/t2]
Зондирующий сигнал
u(t) = a(t) cos t
Схема расположения гидрофонов.
Блок-схема установки.
Свечение байкальской воды –
инструмент для исследования
динамики озера
Свечение байкальской воды в
зависимости от глубины (Южный Байкал)
•(photon cm-2 s-1) = (3.5+/- 1) N
Свечение байкальской воды в зависимости от
глубины (Средний Байкал).
• Свечение - результат реакций окисления органических
веществ – хемилюминисценция
• Способные светиться вещества производятся, в
основном, в верхнем слое озера, где есть солнечный
свет, и переносятся на все глубины водными потоками и
за счет оседания, теряя со временем способность
светиться.
• Свечение является природной меткой, позволяющей
наблюдать развитие гидробиологических и
гидрофизических процессов в Байкале.
• Зависимость свечения от глубины в районе Нейтринного телескопа в
марте в разные годы. I(photon cm-2 s-1) = (3.5+/- 1) N
Counting rate of an optical module of NT-200 at 1993 -1994 years.
The luminescence is a natural indicator of development of
hydrobiological and hydrophysical phenomena in the Lake Baikal.
Counting rate of the 19 optical modules of NT-200 in September
1993 year.
14:36 23.09.93 - 12:51 25.09.93 RUN 1000-1011
20000
2
Counting Rate/10 , Hz
1
1
16000
3
12000
2
10
20
30
40
50
Time , h from 00.00 23.09.93
60
70
Vertical water motion.
• Counting rate of the 3 optical
modules of NT-200 situated
• on the same vertical string
• V vert = 2 cm/s !!!!!!!!!
Counting rate of the 3 optical
modules of NT-200 situated
• on the same depth on the
different strings
7.5 m
Гидрооптические исследования
E ( x)  E0 exp[ (a  b) x]
• Е - поток фотонов
• а – коэффициент
поглощения
(определяется
концентрацией и
составом РОВ),
• b – коэффициент
рассеяния
(определяется
концентрацией и
составом взвеси),
E ( x)  E0 exp[ (a  b) x]
• Зависимость коэффициента рассеяния света от
глубины на глубине 800 м 28.03.2000 года.
b, m
0.028
-1
Baikal water scattering
spectruma 1000m depth
0.024
03.04.05
0.020
Scattering length
Ls=1/b=
(50 – 70) m
0.016
02.04.05
0.012
300
400
500
600
700
 nm
Absorption coefficient a at 1000 m depth
Depth -850-1300 m
Absorption length
La=1/a =(20- 25) m
for 480nm
a, m
-1
6
5
4
Baikal water absorption
spectruma, 1000 depth
3
2
19.10.05/21:56
0.10
9
8
7
6
5
4
3
300
400
500
600
700
 nm
Results of long term absorption and scattering
monitoring
a, b, m -1
Scattering
0.10
Absorption
0.01
725000000.00
754000000.00
783000000.00
812000000.00
841000000.00
870000000.00
899000000.00
928000000.00
957000000.00
986000000.00
1015000000.00
1044000000.00
1992
1997
2002
Years
Geophysical Mooring
Buoy
Buoy
Electronic box
Synthetic rope
Electrode 1
Twisted cable
1000 m
Cable
Twisted cable
Synthetic rope
Electrode 2
Anchor
Vertical component of electric
field
days
High frequency Ez variations.
Inertial waves
15 hours
Low frequency Ez variations.
27 days
Мелозира байкальская - Aulacoseira baicalensis
21st
Solar activity
Solar activity
in Wolf's numbers
19th
22nd
23rd
20th
200
100
0
Productivity of
Aulacoseira
baicalensis
A. baicalensis numbers in "melosira years",
thousand cells per litre in the upper 0-25m layer
300
200
100
0
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2010
2020
Years
2030
Solar activity
in Wolf's numbers
19th
Solar activity
21st
200
22nd
23rd
20th
100
0
Algae numbers in "melosira years",
thousand cells per litre in the upper 0-25m layer
1000
Productivity of
Aulacoseira
islandica
800
600
400
Productivity of
Aulacoseira
baicalensis
200
0
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2010
Years
Заключение
• Развитые в рамках байкальского нейтринного
проекта технологии, методы и приборы
позволяют осуществлять долговременный
многопараметрический мониторинг вариаций
различных характеристик водной среды. С
помощью этих данных, в принципе, можно
делать выводы о развитие гидрофизических,
гидробиологических и гидрохимических
процессов в озере.
• Чрезвычайно важно сотрудничество ученых
разных специальностей