מדידת עומק המים

מדידת עומק המים מבוצעת על ידי מד עומק אשר הוא סוג של סונאר המשמש לקביעת עומק המים על ידי שידור דְּפָקִים של גלי קול לתווך של מים. להד החוזר מן הקרקעית נמדד מרווח הזמן בין השידור עד לקליטה בחזרה של הדֹּפֶק, המשמש לקביעת עומק המים בהתחשב עם מהירות הקול במים באותה עת. מידע זה משמש בדרך כלל למטרות ניווט, ביטחון השייט (אנ') או כדי למדוד עומקים למטרות מיפוי קרקעית הים (אנ') . צליל הד יכול להתייחס גם עבור מדידת הדים (אנ') הידרואקוסטיים, המוגדרים כקול פעיל במים (סונאר), אשר משמשים גם לחקר דגים. הערכות הידרואקוסטיות שימשו באופן מסורתי בסקרים ניידים שנערכו מעל גבי סירות כדי להעריך ביו-מסה של דגים והתפלגות מרחבית. לעומת זאת, טכניקות של מציאת מיקום קבוע משתמשות בשידורים ממקומות נייחים כדי לנטר דגים חולפים. המונח מדידת עומק באמצעות הדים חוזרים משמש עבור כל סוגי מדידות העומק, כולל אלה שאינן משתמשות בגלי קול, והיא אינה קשורה במקורה למילה 'גל קול' במובן של רעש או צלילים. שימוש בהד חוזר של גל קול היא שיטה מהירה יותר למדידת עומק מאשר הטכניקה הקודמת של הורדת אנך עומק. אנך העומק העשוי מקו ארוך עם משקולת בקצהו, יחד עם מערכת הורדה והרמה בעלת גלגלות, לפי העומק המרבי שהוא אמור למדוד. הקו בנוי מחבל או כבל ממתכת שזורה עם שנתות במרווח קבוע, אשר מורד אנכית לתוך המים עד שהוא נוגע בקרקעית הים ואז בנגיעתו בקרקעית נמדד אורכו בעזרת השנתות שעליו וכך נקבע העומק שנמדד. ההיסטוריה של מדידות עומק המים בים עד תחילת המאה ה-20 מפורטת בערך של מדידות עומק (אנ'). המרחק נמדד על ידי הכפלת מחצית הזמן מהדפק היוצא של האות עד לחזרתו במהירות הקול במים, שהיא כ-1.5 ק"מ לשנייה [T÷2×(4700 רגל לשנייה או 1.5 ק"מ לשנייה)] עבור יישומים מדויקים של מדידות עומק, כגון הידרוגרפיה, יש למדוד את מהירות הקול הנעשית בדרך כלל על ידי ביצוע בדיקה על ידי הורדה למים של חיישן מדידה מהירות התקדמות גל הקול. הד הקול המשודר הוא למעשה יישום מיוחד של סונאר המשמש לאיתור עומק הקרקעית. מכיוון שיחידת עומק המים המסורתית שלפני מערכת היחידות הבינלאומית הייתה 'פאתום', המכשיר המשמש לקביעת עומק המים נקרא לפעמים פאתומטר. הפאתומטר המעשי הראשון הומצא על ידי הרברט גרוב דורסי ורשם פטנט ב-1928. רוב עומקי האוקיינוס המתוארים משתמשים במהירות קול ממוצעת או תקנית. היכן שנדרש דיוק גדול יותר, ניתן ליישם תקנים ממוצעים ואפילו עונתיים על אזורי אוקיינוס. לדיוק גבוה של מדידת עומקים, המוגבלים בדרך כלל למטרות מיוחדות או לסקרים מדעיים, ניתן להוריד חיישן כדי למדוד את הטמפרטורה, לחץ והמליחות של מי הים. גורמים אלה משמשים לחישוב מהירות הקול בפועל של 'עמוד המים האנכי' המקומי בו מבוצעת מדידת העומק. הטכניקה האחרונה הזו נמצאת בשימוש קבוע על ידי משרד סקר החופים של ארצות הברית עבור סקרי ניווט של מימי החופים בארצות הברית. לרוב כלי השיט הגדולים יותר יהיה לפחות מד עומק פשוט אשר משמש ככלי עזר לניווט וביטחון השיוט. מד העומק פועל על ידי שידור גלי קול מרחביים לכיוון קרקעית הים או הקפיים (של 360 מעלות) המשמשים בדרך כלל לדיג. שינויים בעומק מייצגים לעיתים קרובות מקומות שבהם מתאספים דגים. להקות דגים גם כן יתגלו באופן דומה. Fishfinder הוא מכשיר המשדר גלי קול למים המשמש דייגים בשעות הפנאי וכאלו למטרות מסחר כאחד. מד-עומק מסייע לביטחון הניווט של כלי השייט בו הוא מותקן על ידי מדידת העומק מתחת לגוף הספינה, אשר בתחתית שלה מותקן מתמר (באנגלית-Transducer) לשידור וקליטה. לכן כאשר כלי שיט מפליג במים רדודים וקיימת סכנה של עליה על שרטון הוא יפליג בדרך כלל במהירות איטית כדי להספיק לבצע תמרון התחמקות מעליה על השירטון או גוף תת-מימי אחר השקוע בקרקעית הים ומסכן אותו. כלי שיט רבים המפליגים ברוב תקופת שירותם במים מוגבלים, כמו מפרצים, אזורי ים עם קרח צף (אשר 90% ממנו שקועים מתחת לפני הים), בקרבת חופים, שפך נהר המשמש כניסה לנמל, תעלות, בסיס/עמוד של גשר או מתקן קידוח ימי, שייט בין איים וכדומה. בכל המקרים האלו, מד-העומק לבדו לא נותן תשובה הולמת לשמירה על בטיחות הניווט של כלי שיט מפני סכנה של עליה על או התנגשות עם גופים תת-מימיים מהסיבות שהוצגו לעיל. הפתרון למניעת הסכנות טמון בשימוש בסונאר נוסף מסוג אחר, 'סונאר מביט קדימה' (Forward Looking Sonar), שהוא מוצר חדש יחסית, הנותן תמונה דו-ממדית או תלת-ממדית של הגזרה הקדמית, שמכסה 60° עד 120° בדרך כלל, לפי הדרישה שמקורה במשימה של כלי השייט. סונאר מסוג זה ניתן להתקנה בעת בניית הספינה במספנה אך גם כשדרוג בעת עבודות אחזקה תקופתית של הספינה בהיותה מוספנת במבדוק צף או על היבשה. מד-עומק מותקן גם בצוללות אך בצוללות צבאיות ופעל רק באם יש צורך מבצעי או בטיחותי דחוף. זאת כיון שהפעלת מד-העומק כרוכה בשידור פעיל עשוי לגלות את קיום ואף את איתור מיקום הצוללת ולגרימת סיכון קיומי לצוללת מצד צוללת או כלי שיט עוין. צוללת גרעינית המפליגה בעומקים גדולים - יותר מ-400 מטר, זקוקה למיפוי קרקעית הים באופן מדויק, ברמה הידרוגרפית של קרקעית הים באזורי הפעולה שלה. אימות המיקום של הצוללת במקרים כאלו, לצורכי ניווט בטוח, נעשה על ידי שימוש במפות הידרוגרפיות של קרקעית הים לניווט באזורי הפעולה בכל האוקיינוסים. בנוסף, לשם אימות מיקומה בפועל ניתן להפעיל לזמן קצר מאוד, כדי למנוע היתגלות, את מד-העומק יחד עם 'סונאר לעקיפת מכשולים' (Obstacle Avoidance Sonar) הנותן את תמונת מיפוי הקרקעית, בגיזרת החרטום, לכיוון ההתקדמות, באם הוא רק גיזרתי או עד תמונה הקפית מלאה, דו-ממדית או תלת-ממדית, בהתאמה לתצורה וביצועי הסונאר. באזורים בהם נדרשת מפת עומקים (Bathymetry) מפורטת, אשר עבורה חייבים להשתמש במדידה מדויקת של ידי גלי קול לעבודת ההידרוגרפיה. ישנם שיקולים רבים בעת הערכת מערכת כזו, אשר אינם מוגבלים לדיוק האנכי, ההבחנה, רוחב האלומה האקוסטי של אלומת השידור/קליטה והתדר האקוסטי של המתמר. מרבית מדי העומק ההידרוגרפיים פועלים על ידי שידור מתקפים של גלי קול אקוסטיים או לייזר לתוך המים. רוב מדי העומק ההידרוגרפיים פועלים בתדר כפול, כלומר דפק בתדר נמוך, בדרך כלל בסביבות 24kHz. דפק זה יכול להיות משודר במקביל לדפק בתדר גבוה - בדרך כלל בסביבות 200kHz. מכיוון ששני התדרים נפרדים, שני אותות ההחזרה אינם מפריעים זה לזה בדרך כלל. ישנם יתרונות רבים של הדהוד בתדר כפול, כולל היכולת לזהות שכבת צמחייה או שכבת בוץ רך על גבי שכבת סלע בקרקעית הים. רוב הפעולות ההידרוגרפיות משתמשות ב-מתמר של 200kHz, או מדי עומק המבוססים על טכנולוגית לייזר בשם LIDAR ופועל בעיקר מכלי טיס, לרוב מטוס קל או מסוק, המתאימים לעבודות בקרבת חוף בעל עומק עד 100 מטר. למדידות מים עמוקים יותר דרוש מתמר בתדר נמוך יחסית שכן לאות האקוסטי של תדרים נמוכים הנחתה נמוכה יותר בעמוד המים. התדרים הנפוצים למדידת מים עמוקים הם 33kHz ו-24kHz. רוחב האלומה של המתמר הוא גם שיקול עבור ההידרוגרף, שכן כדי להשיג את ההבחנה הטובה ביותר של הנתונים שנאספו עדיף רוחב אלומה צר. ככל שתדירות הפעולה גבוהה יותר, כך רוחב האלומה צר יותר. לכן, זה חשוב במיוחד כאשר מבצעים מדידות במים עמוקים, שכן 'טביעת הרגל' המתקבלת, על פני הקרקעית, של הדפק האקוסטי היא גדלה ככל שקרקעית ים עמוקה יותר. מד-עומק רב-ספקטרלי רב-אלומות הוא הרחבה של מד-עומק בעל אלומה אנכית בתדר כפול בכך, כמו גם מדידת שני תדרים ישירות מתחת לסונאר בשני תדרים שונים; הוא מודד אותות מרובים בתדרים מרובים, במספר זוויות השפלה שונות ומספר מיקומים שונים על קרקעית הים. מערכות אלה מוכרות בשם מד עומק רב-תדרים ואלומות (Multibeam echo-sounder). מדי עומק משמשים ביישומי מעבדה לניטור תהליכי נדידת משקעים (על קרקעית הים), סחיפה ושחיקה במודלים מוקטנים (מודלים הידראוליים, זרימת מים). נתונים אלה יכולים לשמש גם ליצירת עקומות של קווי מתאר תלת־ממדיים של תיאור התהליכים. הדיוק ורמת הדיוק (מאופיין בדרך כלל על ידי סטיית התקן שלו) הנדרשים של מד העומק ההידרוגרפי מוגדרים על ידי הדרישות של הארגון ההידרוגרפי הבינלאומי (IHO) עבור סקרים שיש לבצע לפי תקני IHO . ערכים אלה כלולים בפרסום S44 של IHO. על מנת לעמוד בתקנים אלה, על המודד לשקול לא רק את הדיוק האנכי והאופקי של מד העומק והמתמר שלו, אלא את מערכת הסקר בכללותה. ניתן להשתמש בחיישן תנועה, במיוחד ברכיב האנכי (במד עומק בעל אלומה בודדת) כדי להפחית איפנון התדר (על ידי אפקט דופלר) עבור תנודות כלי השיט מעלה ומטה על פני המים בגלל גלי הים. לאחר ביסוס כל אי הוודאות של כל חיישן, ההידרוגרף יצור תקציב אי ודאות כדי לקבוע אם מערכת הסקר עומדת בדרישות שנקבעו על ידי IHO. לארגונים הידרוגרפיים שונים תהיה ערכה משלהם של נוהלי שטח וספרי הדרכה שידריכו את המודדים שלהם לעמוד בתקנים הנדרשים. שתי דוגמאות הן הפרסום של חיל ההנדסה של צבא ארצות הברית EM110-2-1003, ו-NOAA Field Procedures Manual, באתר האינטרנט של National Oceanic and Atmospheric Administration . הממציא הגרמני אלכסנדר בהם (Alexander Behm) קיבל פטנט גרמני מס' 282009 על המצאת מד-עומק (מכשיר למדידת עומקי הים ומרחקים וכיוון של ספינות או מכשולים באמצעות הד של גלי קול מוחזרים) ב-22 ביולי 1913. אחת מיחידות מד-עומק המסחריות הראשונות הייתה Fessenden Fathometer, שהשתמשה במתנד מסוג Fessenden כדי ליצור גלי קול. מכשיר זה הותקן לראשונה על ידי חברת 'סיגנל צוללות' בשנת 1924 על אוניית ה-M&M SS Berkshire. אקוסטיקה תת-מימית "איך הדים מספרים את עומק המים מתחת לספינה" ירחון פופולרי למכניקה, יולי 1930 - ציור של פרטים של מדי עומק מוקדמים באמצעות הדים ELAC (1982) מבוא למדידת הדים . Honeywell-ELAC-Nautik GmbH, Kiel, 88pp, (pdf 27.5 MB) ראה בפיסקה Airborne laser bathymetry בערך של (Seafloor mapping) מיפוי קרקעית הים "Echo Sounding / Early Sound Methods". National Oceanic & Atmospheric Administration (NOAA). NOAA Central Library. 2006. In answer to the need for a more accurate depth registering device, Dr. Herbert Grove Dorsey, who later joined the C&GS, devised a visual indicating device for measuring relatively short time intervals and by which shoal and deep depths could be registered. In 1925, the C&GS obtained the very first Fathometer, designed and built by the Submarine Signal Company. U.S. Office of Coast Survey (באנגלית) "Fishfinders Guide" (בגרמנית). נבדק ב-2017-02-16. דוגמה לסוגי סונאר מביט קדימה ניתן לראות באתר האינטרנט: 3D Sonar Explained, farsounder.com Wolfgang Berger, Eugen Seibold, 4 & 5, The Sea Floor, 4, Springer, Cham, 2017, Springer Textbooks in Earth Sciences, Geography and Environment, ISBN 978-3-319-51412-3 International Hydrographic Bureau (בפברואר 2008). "IHO Standards for Hydrographic Surveys" (PDF). אורכב מ-המקור (PDF) ב-8 באוקטובר 2011. {{cite web}}: (עזרה) "Archived copy". אורכב מ-המקור ב-20 ביולי 2011. נבדק ב-2011-06-09. {{cite web}}: (עזרה); (עזרה), USACE publication EM 1110-2-1003. National Oceanic and Atmospheric Administration, Office of Coast Survey, https://nauticalcharts.noaa.gov/publications/docs/standards-and-requirements/fpm/2014-fpm-final.pdf, http://www.nauticalcharts.noaa.gov, ‏2014 Salous, Sana (2013). Radio Propagation Measurement and Channel Modelling. John Wiley & Sons. p. 424. ISBN 9781118502327. Werner Schneider. "Alexander Behm - Der Erfinder des Echolots". נבדק ב-9 באפריל 2014. {{cite web}}: (עזרה) "Fessenden Fathometer amplifier - Submarine Signal Company". The Subchaser Archives. נבדק ב-12 באפריל 2018. {{cite web}}: (עזרה)