DIEPTEMETING (THEORIE)

Van de onderwaterwereld weten we nog maar erg weinig. Minder bijvoorbeeld dan van Titan, één van de manen van Saturnus, de planeet met de ringen. Blijkbaar is het niet eenvoudig, zeg maar te duur, om de geheimen van de diepzee te achterhalen. Stukje bij beetje komen deze geheimen boven water, maar er zijn nog heel veel vragen. Over de kustzeeën, zoals de Noordzee en de Waddenzee, weten we natuurlijk veel meer. Die zijn veel dichterbij en hebben aanzienlijk meer economische betekenis. Indrukwekkende beelden van vooral de biologische variatie kom je elke week tegen op Discovery Channel en National Geographic. Onderzoekers die de onderwaterwereld in beeld brengen, zoals destijds Jacques-Yves Cousteau en Robert Ballard, hebben de mooiste baan van de wereld. De nadere verkenning van de zee begint met het in kaart brengen van de zeebodem en daarvoor zijn dieptemetingen essentieel.

Vroeger mat men de diepte met een handlood: een staafvormig gewicht aan een touw (de loodlijn) om de waterdiepte te peilen (zie afbeelding) .

Handloding in Alaska, 1942 (bron: NOAA 2006)

De tijd van handlodingen is lang vervlogen. Sinds de Eerste Wereldoorlog is bekend dat meten met geluid het meest geschikt is om de waterdiepte te meten. Met licht of radiogolven lukt het niet, want het water absorbeert dat type energie vrijwel onmiddellijk. Maar met geluidsgolven lukt het wel. Als je een geluidspuls, een pakketje geluidsenergie, naar de bodem stuurt en even wacht, dan kun je – ook voor de maximale waterdiepte, die op aarde voorkomt – de door de bodem teruggekaatste puls weer “horen”. In de tijd tussen het zenden en ontvangen legt de puls tweemaal de afstand tussen zeespiegel en zeebodem af. De diepte krijg je dus door de helft van het tijdverschil te vermenigvuldigen met de snelheid van geluid in water.

3. Stel dat je vanaf het wateroppervlak een geluidspuls de diepte in stuurt met een snelheid van 1500 meter per seconde. Je hoort de echo van het geluid 10 seconden later. Hoe diep is dan het water?

De werkelijkheid is helaas weer wat ingewikkelder. Geluid verzenden en ontvangen Hoe wek je geluid op dat vanaf het wateroppervlak helemaal naar de bodem van de zee of oceaan gaat en weer terug? Daar is apparatuur voor nodig.: een echolood. Dat apparaat bestaat uit een zender en een ontvanger, een bedienings- en registratiekast en kabels. De zender en ontvanger die elektrische signalen omvormen tot akoestische (geluid) en andersom, worden samen een transducer genoemd. Zo'n transducer is vaak bevestigd aan een meetschip en bevindt zich onder water (zie afbeelding).

Het principe van een echolood

Hoe diep de transducer onder water is hangt af van de diepgang van het schip en die wordt bepaald door de belading, de vaarsnelheid en de dichtheid van het water.

Snelheid van het geluid
De snelheid van het geluid is niet in elk water gelijk. Die hangt af van de temperatuur, het zoutgehalte en de diepte van het water.

Een echolood voor hydrografische metingen geeft je daarom altijd de mogelijkheid om zowel de transducerdiepte als de geluidssnelheid in te stellen. De omstandigheden waarin je meet kunnen immers van plaats tot plaats en van dag tot dag variëren.

De algemene formule voor dieptemeting is:

waarbij
D = bodemdiepte t.o.v. de waterspiegel [m]
c = geluidssnelheid [m/s]
t  = looptijd van het signaal tussen uitzending en ontvangst [s]
dt = transducerdiepte t.o.v. de waterspiegel [m]

Controleren: de barcheck
Voordat je met een echolood betrouwbare metingen kunt doen wil je eerst controleren of het instrument de juiste diepte aangeeft. Omdat je op een hydrografisch echolood zelf de transducerdiepte en de geluidssnelheid kunt instellen, kan het zijn dat de ingestelde waarden niet kloppen bij de feitelijke toestand. Om daarachter te komen moet je een meting uitvoeren van een bekende diepte. Dit kan bijvoorbeeld de bodem van een sluis zijn, maar die is niet altijd in de buurt. Een oplossing die je altijd bij de hand kunt hebben is om een reflecterende plaat of balk (Engels: bar) aan één of meer draden op een bekende diepte onder te transducer te hangen.

Het principe van de barcheck

In de figuur zie je hoe het werkt. Door proefmetingen uit te voeren waarbij de bar op verschillende dieptes hangt, wordt het echolood gekalibreerd, waarna de echte metingen kunnen beginnen.

Echoloodcomputer met daarachter een registratievoorbeeld

Modern en snel: de multibeam sonar
Een multibeam sonar kun je zien als een echolood dat gelijktijdig vele smalle bundeltjes op de waterbodem laat vallen. Dit gebeurt in een waaiervorm, dwars op de koers van het schip. De breedte van het pad dat je zo in één keer kunt meten kan wel 10 maal de waterdiepte zijn. Moderne multibeams kunnen meer dan 200 dieptewaarden per uitzending (ping) leveren, en dat vele tientallen keren per seconde.

Multibeam sonar bestaat uit vele smalle bundels, dwars op de koers van het schip Tekening Centre for Marine Environmental Sciences, Univ. Bremen

Het instellen van een multibeam sonar is nog veel ingewikkelder dan van een gewoon echolood. Als je daar meer van wilt weten, lees dat dan de bijlage Waterdiepte meten (zie pagina 4).

Het resultaat van de verwerkte multibeamgegevens ziet eruit als in de afbeelding hieronder.