Étude des principes de fonctionnement et d'utilisation du SCAMP

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Paul Lanthier
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1 Gaspard Fourestier Étude des principes de fonctionnement et d'utilisation du SCAMP Encadré par Anne Petrenko et Andréa Doglioli

2 Plan Description du SCAMP Description générale Les différents types de mesures Principe de fonctionnement Profil ascendant Profil descendant Traitement des mesures Détermination du flux turbulent Le spectre de Batchelor Détermination de k b Détermination de K z Application

3 Le SCAMP Self Contained Autonomous MicroProfiler Precision Measurement Engineering PME (Californie)

Description générale Mesures à très petite échelle ( 1mm) Fréquence de mesures: 100Hz Léger 6kg Déploiement à partir de petits bateaux Déplacement libre (chute

4 Description générale Mesures à très petite échelle ( 1mm) Fréquence de mesures: 100Hz Léger 6kg Déploiement à partir de petits bateaux Déplacement libre (chute et montée) Vitesse de déplacement 10cm/s Profondeur max: 100m 2 modes d'acquisition possible Flotteur Plaque de freinage Protection des capteurs Principaux Capteur

5 Différents types de mesures Pour un SCAMP basique on fait des mesures de: Température (Rapide / Précise) gradient de température : dt mesure de puis dérivation de dt avec la vitesse dt dz Conductivité (Rapide!! / Précise) Salinité Pression Profondeur Vitesse En option on peut faire des mesures de: Turbidité Fluorimètre Photosynthetically Active Radiation (PAR) Concentration en oxygène

6 file:///c:/documents%20and%20settings/andrea/local%20settings/temp/position%20capteur%20hodges_th_deploying%20a%20microstructure%20profiler%20in%20corpus%20christi%20bay.jpg file:///c:/documents%20and%20settings/andrea/local%20settings/temp/position%20capteur%20hodges_th_deploying%20a%20microstructure%20profiler%20in%20corpus%20christi%20bay.jpg file:///c:/documents%20and%20settings/andrea/local%20settings/temp/position%20capteur%20hodges_th_deploying%20a%20microstructure%20profiler%20in%20corpus%20christi%20bay.jpg Les différents Capteurs PAR Pression Turbidité Fluorimètre Température Rapide 2 Conductivité Rapide Température Rapide 1 Température Conductivité Précis

7 Plan Description du SCAMP Description générale Les différents types de mesures Principe de fonctionnement Profil ascendant Profil descendant Traitement des mesures Détermination du flux turbulent Le spectre de Batchelor Détermination de k b Détermination de K z Application

8 Fond Profil Ascendant Permet des mesures proche de la surface Flotteur position haute Caillou pour plonger Plaque de freinage libre Plongée à 45 ligne de récupération Surface Acquisition Mesure sur eau non perturbée Caillou

9 Fond Permet des mesures proches du fond Flotteur position 'basse ' Blocage de la plaque de freinage Lest Profil Descendant Acquisition Surface Flotteur Lest

10 Plan Description du SCAMP Description générale Les différents types de mesures Principe de fonctionnement Profil ascendant Profil descendant Traitement des mesures Détermination du flux turbulent Le spectre de Batchelor Détermination de k b Détermination de K z Application

11 Détermination du flux turbulent Le flux turbulent F d'une quantité F =K z i C i z Nécessité de déterminer K i z avec i= v,t ou S Existence de différentes méthodes pour déterminer K v z e.g. Méthode de Osborn(1980): K v z = Ri ε avec 1 Ri N² Détermination de N N 2 g ρ 0 ρ z ε watt.kg-1 (Gregg, 1989) Avec le SCAMP: estimation de ε ρ =f(t,c) mesuré Ri= N² u z 2

12 Le spectre de Batchelor On a les deux équations: E ct v 2 u = ρ K t z g ρ' w' ρ ε 2 z K v T ' 2 z KT z T 2 T = 2 K t z z χ 2 χ : dissipation de la température due à la diffusivité moléculaire ε : dissipation de l'en Cin turbulente due à la viscosité moléculaire Batchelor (1959): solution analytique équation de l'advectiondiffusion pour T Spectre théorique de gradt (spectre de Batchelor) S(k) = f(k, k b, χ) Relation entre ε et k b ( nombre d'onde de Batchelor): ε=ν D² k b 4

13 Mesure de Grad T Détermination de k b Transformé de Fourier discrète Spectre calculé S exp (k) Spectre du bruit du SCAMP S n (k) Estimation de χ Meilleur spectre de Batchelor k b Spectre théorique de Batchelor S(k) paramétré k b, χ fixé Maximisation de la probabilité d'obtenir S exp (k) avec S(k)

14 Détermination de k b Batchelor Tempertature gradient fitting Spectre Théorique T' energy, S(k) [( C/m)²/cpm] Spectre calculé ε, [w/kg] Wavenumber, k, [cpm]

15 Mesure de Grad T Détermination de k b Transformé de Fourier discrète Spectre calculé S exp (k) Spectre du bruit du SCAMP S n (k) Estimation de χ Meilleur spectre de Batchelor k b Spectre théorique de Batchelor S(k) paramétré k b, χ fixé Maximisation de la probabilité d'obtenir S exp (k) avec S(k)

16 Détermination de K z Turbulence différente selon la profondeur segmentation de la colonne d'eau Détermination de N N 2 = g ρ ρ =f(t,c) mesuré ρ 0 z Détermination de ε ε=ν D² k b 4 Méthode de Osborn(1980): K z = 1 R i Pour déterminer le flux F d'une quantité R i ε N² avec F =K z C z R i = N² u z 2 [Ruddick, Barry, Anis, Ayal, Thompson, Keith. 2000: Maximum Likelihood Spectral Fitting: The Batchelor Spectrum. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology] Echange avec PME (Routine Matlab)

17 Application Sharples et al. (2003): Détermination de ε et K z flux d'o 2 dissous ( Estuaire au sud de l'australie) MacIntyre et al. (1999): Détermination de ε et K z flux d'ammonium (NH + ) ( Lac Mono en Californie) 4 Anis et al. (2006): Étude de la turbulence dans un lac mexicain Détermination de ε, χ et K z et comparaison avec un modèle

18 Capteur rapide de température: Thermistance FP07 Précision: 0.01 C Constante de temps: 7ms Capteur rapide de conductivité Construit par PME Cellule 4 électrodes de platine Réponse spatiale: 4cycle/cm

19 Capteur précis de Température et Conductivité Thermistance T1201 / BR11? Temps de réponse: 0.2s Capteur de conductivité fait par PME Permet de vérifier le capteur rapide Capteur de pression PAA10 fabriqué par Keller PSI Pression Max: 10Bar

20 Gradient de température: Circuit analogique connecté à chaque capteur de température Calcul dt dt avec la vitesse dt dx Fluorimètre:

21 PAR: Photodiode Li-Cor LT-192SA Tubidité: Capteur 'laser' fait par DA instrument & PME Sensibilité Max: NTU Concentration en oxigène:

22 Détermination de ε Relation entre ε et k b ( nombre d'onde de Batchelor): E ct t T ' 2 t = 2w ' T ' T z ε=ν D² k b 4 χ avec χ=2 D T ' 2 = ρ w ' u' u z g ρ' w' ρ ε avec ε= nu u' i u ' i u ' j x j x j x i

23 Détermination de K z Turbulence différente selon la profondeur segmentation C de la colonne d'eau F =K z z Détermination de N N 2 = g ρ ρ =f(t,c) mesuré ρ 0 z Détermination de ε Méthode de Osborn(1980): Méthode de Barry et al.: ε=ν D² k b 4 R i K z = 1 R i ε N² avec K z =0.9ν 2/ 3 D 1/3 ε ν N 2 si R i = N² u 2 z ε ν N Pour déterminer le flux F d'une quantité

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