Океанография и морской лед
- -
- 100%
- +
И.Е. Фролов[1]
Введение: о работах по направлению «Океанография и морской лед»
В данном томе трудов Международного полярного года (МПГ 2007/2008) отражены результаты исследований, выполненных в рамках научной программы участия Российской Федерации в проведении МПГ по направлению 1 «Гидрометеорологические и гелиогеофизические условия полярных областей» в разделе «Морская среда полярных океанов и морей, морские льды».
Научная программа и план её реализации были утверждены сопредседателями Организационного комитета по участию России в подготовке и проведении МПГ 2007/2008 руководителем Росгидромета А.И. Бедрицким и специальным представителем Президента Российской Федерации по вопросам МПГ А.Н. Чилингаровым. В состав оргкомитета вошли известные ученые из организаций Российской академии наук, Росгидромета и Министерства природных ресурсов.
Одной из главных целей крупномасштабного международного научного эксперимента МПГ 2007/2008 было проведение научных мероприятий по сбору и анализу фактических данных о состоянии окружающей среды в ключевых районах полярных областей Земли. Эта основная задача программы была успешно выполнена. Благодаря скоординированным между странами-участницами в рамках МПГ комплексным морским исследованиям Северного Ледовитого и Южного океанов, получен большой объем океанографической и ледовой информации. В период МПГ было проведено 72 морских экспедиции, из них 40 экспедиций проведено в Арктике и 32 экспедиции – в Антарктике.
В Северном Ледовитом океане (СЛО) проведено 24 экспедиции на российских научно-исследовательских платформах (суда и дрейфующая станция «Северный полюс» (СП), а в 6 иностранных экспедициях приняли участие российские ученые.
В Южном океане проведено 7 экспедиций на российских судах, а в 2 иностранных экспедициях участвовали российские специалисты.
Важно подчеркнуть, что наблюдения выполнялись по единым международным стандартам, с интеркалибрацией приборов и оборудования, а международные процедуры, принятые участниками МПГ, позволили производить свободный обмен полученными данными.
Успех МПГ 2007/2008 оказался ещё более значимым для арктического региона. Начало Программы совпало с развитием экстремальных гидрометеорологических процессов в Арктике, вследствие этого полученные данные о состоянии океана оказались уникальными, поскольку позволили описать структуру аномального состояния океана и оценить изменчивость океанографических условий в период действия экстремальных процессов.
Количество российских данных по Южному океану существенно меньше доступных данных по Северному Ледовитому океану, что отразилось в количестве статей и определило некоторую диспропорцию в пользу северной полярной области.
Несмотря на значительный объем данной книги, в ней приведён в большой степени предварительный анализ полученных данных, окончательный сбор которых, также как и их всесторонний анализ, ещё предстоит сделать.
Книга содержит три основных раздела.
Первый раздел посвящен современным и перспективным средствам и технологиям исследования океана и ледяного покрова. Спутниковое дистанционное зондирование является основой мониторинга окружающей среды в полярных областях. В статье В.Г. Смирнова, И.Е. Фролова и др. обсуждается возможность дистанционного зондирования как источника оперативной объективной информации о состоянии морского ледяного покрова. В статье Е.В. Блошкиной, А.К. Платонова и др. рассмотрены возможности использования спутниковой информации для мониторинга и изучения гидрологического режима полярных областей.
В целом следует отметить, что развитие методов дистанционного зондирования морского льда и свободной ото льда поверхности в нашей стране сдерживается из-за отсутствия собственных природоресурсных космических аппаратов, оснащенных современными радарами, радиометрами высокого разрешения и пр. Остаётся надеяться на скорейшую реализацию мероприятий по вводу в эксплуатацию Многоцелевой Космической Системы (МКС) «Арктика».
В статье С.Б. Кузьмина и А.Ю. Ипатова рассмотрено применение приборов и технологий океанологических измерений, используемых в высокоширотных морских экспедициях с борта научно-исследовательских судов или непосредственно со льда в последнее десятилетие.
Несмотря на достаточное обеспечение современными приборами для океано-графических исследований (зонды, профилографы, обрывные зонды) морских экспедиций, следует отметить, что все они произведены за рубежом и, по-видимому, в ближайшее время не стоит ожидать производства их аналогов в России.
В статье С.А. Кириллова и К.В. Фильчука рассмотрены основные методы получения гидрологической информации с заякоренных и дрейфующих буйковых комплексов.
Одним из перспективных направлений развития наблюдательной сети в Северном Ледовитом океане является создание автономных дрейфующих измерительных комплексов (ITP), позволяющих производить зондирование океана до глубины 800 м и передавать полученную информацию в реальном времени в оперативные центры сбора.
Исторически, начиная с момента организации первой дрейфующей станции «Северный полюс» (СП-1), работы на дрейфующих льдах в Арктическом бассейне играли существенную роль в организации мониторинга СЛО и являлись научными обсерваториями для проведения экспериментальных исследований процессов в океане, морском льду и атмосфере.
С целью повышения эффективности и уменьшения рисков функционирования научно-исследовательских станций «Северный полюс» (СП), базирующихся непосредственно на дрейфующем льду, настало время использования плавучих сооружений в качестве долговременной дрейфующей обсерватории. Особенно остро встал вопрос об организации дрейфующей обсерватории на плавучем сооружении в связи с климатическими изменениями, происходящими в Арктике, сокращением срока действия СП до 9–10 месяцев, увеличением объема работ по обеспечению безопасности дрейфующей станции из-за многочисленных разломов льдины и необходимости передислокации лагеря. Все это привело к увеличению финансовых затрат. Предложение, разработанное в ААНИИ, по использованию в качестве платформы для дрейфующей обсерватории СП плавучее сооружение было одобрено руководством Росгидромета, МПР и положительно рассмотрено на Морской коллегии.
Описанию перспектив использования плавучих инженерных сооружений посвящена статья В.А. Лихоманова и др.
Вопросам развития экспериментальных методов исследований морского льда посвящены две статьи Г.К. Зубакина, Ю.П. Гудошникова и В.Т. Соколова и др. Рассмотренные в этих работах новые экспериментальные методы прошли апробацию в ходе инженерных изысканий для освоения морских углеводородных месторождений на арктическом шельфе и в научно-исследовательских экспедициях на российских судах и дрейфующей станции СП по Программе МПГ 2007/2008.
Второй раздел книги посвящен океанологическим процессам и особенностям распределения основных гидрологических характеристик в период МПГ 2007/2008 в Северном Ледовитом и Южном океанах, а также проведен сравнительный анализ с историческими данными.
Уникальность полученной океанологической информации состоит не только в её объёме, но и в том, что начало МПГ совпало с необычным развитием гидрометеорологических процессов в Арктике (статьи Л.А. Тимохова и др.). Сложившееся к осени 2007 года состояние СЛО не имело аналогов за всю историю инструментальных наблюдений.
Потепление вод атлантического происхождения в Евразийской Арктике оказалось самым значительным за весь исторический ряд наблюдений, а соленость вод Арктического бассейна и прилегающих арктических морей существенно уменьшилась.
В поверхностном слое СЛО была отмечена большая контрастность температуры и солености между Евразийским и Американским суббассейнами.
В Южном океане (статьи А.В. Клепикова и др.) структура вод не претерпела значительных изменений относительно своего среднего состояния, в частности установлено, что за период 2004–2010 гг. субтропический фронт сместился на юг почти на 2° широты, а антарктический полярный фронт сместился на 1° широты.
Во втором разделе также рассмотрены и отдельные механизмы структурообразующих процессов формирования вод СЛО, таких как интрузия в районах океанических фронтов (С.А. Кириллов) и каскадинг на континентальном шельфе (В.В. Иванов).
Целый ряд статей посвящен гидрологическому состоянию арктических морей. В статье Р.Е. Власенкова, А.П. Макштаса обсуждаются новые данные о распределении взвесей и гидрооптических характеристик. Впервые, в рамках морских экспедиций МПГ были получены и проанализированы параметры, характеризующие концентрацию желтого вещества, важные как при оценке воздействия солнечной радиации на морскую биоту, так и при интерпретации спутниковых изображений.
Ряд статей посвящен исследованию Баренцева моря. Показана изменчивость термохалинного состояния моря за последние полвека (В.В. Денисов и др.), исследованы особенности водообмена с Арктическим бассейном и взаимодействие атлантических вод с арктическими (А.Г. Трофимов и др.), а также рассмотрено влияние придонных вод Баренцева моря на гидрохимический режим Арктического бассейна (А.П. Недашковский и др.).
Изменчивость гидрохимического режима моря Лаптевых рассмотрена в статье А.Е. Новихина и др.
В статьях И.М. Ашика и В.И. Дымова и др. рассмотрены особенности колебания уровня и ветрового волнения в арктических морях в период МПГ.
И, наконец, в третьем разделе книги рассмотрены особенности развития ледовых условий Северного Ледовитого и Южного океанов в период МПГ и их сравнение с историческими данными.
В статьях показано, что ледовитость СЛО летом 2007 года достигла своего минимума (В.М. Смоляницкий, А.В. Юлин), а дрейф льда стал более интенсивным (Ю.А. Горбунов и др.). Существенно уменьшились количество и толщина многолетних льдов в СЛО, что отмечено в статьях Л.П. Бобылева, О.М. Йоханнесена и др., С.В. Фролова и др.
На основе анализа полученных в период МПГ данных приведены отдельные параметры морского льда и характеристики ледового режима: распространение айсбергов (Ю.П. Гудошников, Г.К. Зубакин и др.), интенсивность процессов нарастания льда и накопления снежного покрова в Центральной Арктике (В.Т. Соколов, А.А. Висневский и др.), морфометрические характеристики и внутреннее строение торосистых образований (В.В. Харитонов), химический состав арктического морского льда (А.П. Недашковский), а также физико-механические процессы в морских дрейфующих льдах (В.Н. Смирнов).
Завершается книга (раздел 3) статьей И.Е. Фролова, А.И. Короткова, В.М. Смоляницкого, в которой авторами проанализирована за весь период наблюдений изменчивость распространения морского льда в Южном океане и приведено сравнение с изменениями площадей льда в СЛО. Сделан вывод, что в последние десятилетия среднегодовые площади морского льда в Южной и Северной полярных областях имеют противоположные тренды, а площадь антарктического морского льда в период МПГ достигла своего исторического максимума.
К основным достижениям МПГ 2007/2008 в области океанографии и морских льдов можно отнести следующее:
1. Получен опыт проведения и координации широкомасштабных исследований океана и морских льдов с применением современных контактных и бесконтактных средств измерений, что позволит уже в ближайшие годы создать международные системы оперативного и климатического мониторинга полярных районов.
2. Получена достаточно полная картина состояния вод и морских льдов полярных областей, которая при сравнении с историческими данными приведет нас к более полному пониманию причин и следствий происходящих в гидросфере изменений.
3. Приведенные экспериментальные гидрологические и ледовые исследования направлены на совершенствование процедур дешифрования данных ИСЗ и развитие численных моделей океана и морских льдов.
Полученные в период МПГ 2007/2008 результаты океанографических исследований вполне однозначно свидетельствуют о необходимости продолжения мониторинга природной среды и морских экспедиций в полярных районах Земли и следует приветствовать идею проведения Международного Полярного десятилетия как логического продолжения Международного Полярного года, высказанную на 60-й сессии Исполнительного Совета Всемирной Метеорологической Организации.
1. Современные средства исследования океана и ледяного покрова
1.1 Современные средства зондирования и исследования океана
С.Б. Кузьмин[2], А.Ю. Ипатов[3]
Современные приборы и технологии наблюдения за гидрологическими условиями в Северном Ледовитом океане
АннотацияОписаны современные приборы, применяющиеся при океанологических исследованиях в Северном Ледовитом океане. Подробно даны технические характеристики профилографов, измерителей и зондов. Приведены количественные оценки, показывающие рост современной приборной базы, используемой при исследованиях в полярных регионах, а также увеличение объемов полученных измерений океанологических параметров за последнее десятилетие. Современные технологии проведения наблюдений за океанологическими параметрами описаны на примерах экспедиций, организованных Арктическим и антарктическим научно-исследовательским институтом (ААНИИ), выполненных в Северном Ледовитом океане в последнее десятилетие, в том числе в период Международного полярного года (МПГ 2007/08).
ВведениеНаблюдения за гидрологическими условиями подразумевают возможность измерения в различных режимах значений температуры, солености (электропроводности) морской воды, а также скорости и направления течений, колебаний уровня моря, параметров волнения. Кроме того, в качестве сопутствующих параметров можно рассматривать скорость звука в морской воде (при прямых измерениях), мутность. В ходе экспедиционных работ на подвижных платформах (судовые экспедиции, работа на дрейфующем льду) в Северном Ледовитом океане (СЛО) возможны наблюдения за всеми указанными гидрологическими параметрами, кроме колебаний уровня моря и волнения. Очевидно, что рациональная организация исследований в любой области науки, в том числе и океанологии, сопряжена с достоверностью данных, получаемых в ходе экспериментов (полевых, экспедиционных работ). Использование современной приборной базы, аналогичной используемой зарубежными коллегами, позволяет при правильной эксплуатации приборов получать результаты, не вызывающие в научном сообществе сомнений в их корректности.
Принципы измерения гидрологических параметров, используемые в описанных ниже приборах одинаковы. Измерение температуры производится термистором. Электропроводность определяется при прохождении морской воды через ячейку индуктивности (при возбуждении индуктивных токов в ячейке). При этом вода: либо протекает сквозь ячейку под действием насоса, обеспечивающего равномерный поток жидкости, либо протекает свободно. Давление измеряется кварцевым датчиком на основе пьезоэффекта, либо тензодатчиком. Мутность морской воды определяется путем оценки величин рассеяния излученного света. Скорость течения в акустических доплеровских измерителях и профилографах определяется по частотному сдвигу акустического сигнала. Направление течений определяется магнитным компасом. Время измеряется автономно запитываемыми кварцевыми часами. Имеются отличия в характеристиках датчиков, классификация которых по классу точности приведена в таблице 1.
Передача данных производится, как правило, через интерфейс типа RS232 (RS232C) со скоростью 9600 бод. При подготовке приборов обязательными элементами перед использованием являются их тестирование на работоспособность, проверка запаса питания и объема свободной памяти.
Современные приборы и технологии, используемые в высокоширотных экспедициях для получения данных о вертикальном профиле термохалинных характеристикПервыми образцами современного оборудования, задействованными для получения данных о вертикальном распределении (профилей) термохалинных характеристик, в ходе высокоширотных экспедиций стали зонд SBE 9plus CTD и профилограф SBE 19plus SeaCat производства компании SeaBird Electronics (США). Приборы данных моделей успешно эксплуатируются и сейчас, причем SBE 19plus является наиболее часто используемым прибором в арктических экспедициях в силу простоты и надежности в эксплуатации, автономности и малого веса. Несколько позже в судовых высокоширотных экспедициях начали применять обрывные зонды также позволяющие получить профили термохалинных характеристик.
SBE 9plus CTD и SBE 19plus SeaCat по характеристикам установленных на них датчиков (табл. 2) относятся к высшему классу точности измерения согласно принятой классификации измерительных приборов в океанологии (табл. 1). Обрывные зонды (характеристики датчиков даны в табл. 3) относятся к ненормируемым по классу точности (табл. 1).
Таблица 1. Классификация океанологических приборов по точности установленных на них датчиков (взята из работы Левашова Д.И., 2003)
Работа с описываемыми здесь приборами с борта судна возможна в дрейфе, в случае обрывных зондов, и на ходу. При сплоченности льда более трех баллов, при сильном ветре (более 10 мс) и (или) значительном дрейфе, любые океанографические станции выполняются с подработкой подруливающими устройствами, либо с использованием главного двигателя судна.
Зонд SBE 9plus CTD предназначен для измерения в режиме непрерывной передачи данных (основной режим работы) по кабель-тросу электропроводности (солености), температуры морской воды, давления (рис. 1Г). Кроме того, имеется возможность дополнительной установки датчиков растворенного кислорода, pH, флюоресценции фитопланктона, рассеяния солнечной радиации, мутности. Зонд устанавливается в батометрическую секцию-блок крепления зонда и батометров (розетту) SBE 32 Caroucel (рис. 1А), либо отдельно, в титановой раме. Конструкция розетты позволяет закреплять на ней дополнительно автономные измерительные приборы, что значительно увеличивает объем получаемой информации. Розетта SBE 32 Caroucel рассчитана на 24 пластиковых батометра емкостью 5 л типа 1080, произведенных фирмой General Oceanics Inc. (США). С помощью батометров производится отбор проб воды для последующего анализа в лабораторных условиях на судне.
Рис. 1. Приборы и оборудование, используемые в высокоширотных экспедициях. А – комплекс SBE 32 Caroucel с зондом SBE 911plus; Б – комплекс SBE 32 Caroucel c профилографом SBE 19plus и модулем AFM; В – комплекс SBE55 ECO Water Sampler c профилографом SBE 19plus; Г – зонд SBE 9plus CTD; Д – профилограф SBE 19plus; Е – измеритель температуры и электропроводности SBE 37SM; Ж – измеритель течений RCM 9IW; З – измеритель течений Seaguard IW; И – акустический доплеровский профилограф течений WHS300; К – акустический доплеровский профилограф течений дальней зоны действия WHLS75
В режиме непрерывной передачи данных зонд работает с бортовым устройством SBE 11plus. В этом случае он обозначается как SBE 911plus. При необходимости может работать в автономном режиме без кабель-троса, при подключении дата-логгера SBE 17plus. Все указанные приборы и оборудование также произведены фирмой SeaBird Electronics. Комплекс SBE 911plus эксплуатируется в ААНИИ на борту НЭС «Академик Федоров», в частности использовался в экспедициях «Арктика-2007», «Шельф-2010». На основе полученных комплексом данных строятся, в частности, пространственные распределения гидрологических параметров. На рис. 2Б в качестве примера такого построения приведен разрез от пролива Карские Ворота до пролива Вилькицкого в диапазоне глубины 0–100 м, выполненный по данным измерений в экспедиции «Шельф-2010».
Спуск и подъем через кран-балку розетты с зондом и батометрами выполняется лебёдкой со скоростью не более 1 м/с, при этом используется кабель-трос диаметром 9 мм. На барабане лебедки имеется 6000 м троса. Управление работой комплекса выполняется программой «SeaSave» из пакета программ «SEASOFT». Данные, передаваемые при спуске на бортовое устройство и соединенный с ним персональный компьютер (ПК), используются для определения горизонтов отбора проб воды батометрами. В нижней точке зондирования (10–20 м от дна) комплекс выдерживается для выравнивания по вертикальному углу. Измерение термохалинных характеристик и прочих параметров производится при подъеме (со скоростью 0,8 м/с). На выбранных горизонтах программно по кабель-тросу подается команда устройству, закрывающему батометры, отбирающие пробы воды.
Профилограф SBE 19plus SeaCat предназначен для измерений в автономном режиме (в режиме зондирования или буйковой станции, основной рабочий режим) электропроводности (солености), температуры морской воды, давления. Как и SBE 9plus может иметь такие же дополнительно устанавливаемые датчики параметров. Прибор устанавливается в штатной титановой раме (рис. 1Д), либо крепится на розетту SBE 32 Carousel вместе с устройством для автоматического закрытия батометров на заданных горизонтах (Auto Fire Module (AFM)). При работе с розеттой глубина срабатывания батометров программируется для AFM по давлению с помощью интерфейса RS232.
Комплекс SBE19plus SEACAT с розеттой SBE 32 Carousel (рис. 1Б) может использоваться в рейсах при отсутствии на борту судна лебедки с кабель-тросом. Примером таких экспедиций на борту НИС «Иван Петров» могут служить «БАРКАЛАВ-2007», «БАРКАЛАВ-2008», где данный комплекс включал в себя профилограф и розетту на 12 батометров типа 1080 емкостью 5 л. Температура и соленость в поверхностном слое, полученные описываемым комплексом в ходе экспедиции «БАРКАЛАВ-2007» представлены на рис. 2А.
Рис. 2. Пространственные распределения гидрологических параметров (1 – температура, 2 – соленость), полученных в ходе высокоширотных судовых экспедиций с помощью измерительных комплексов SBE 19plus (А) и SBE 911plus (Б).
Перед спуском с помощью программы «SeaSaveAF» из пакета программ «SEASOFT» устройство AFM через интерфейс RS232 программируется на давление, при котором будут закрываться батометры, либо на промежутки времени, при которых данная операция будет выполняться при нахождении комплекса на постоянной глубине. Кроме того, AFM записывает в свою память последовательность закрытия батометров, их номера, время и подтверждение закрытия для каждого батометра. AFM работает от 9 щелочных батареек типа Duracell MN1300 (LR20), которые обеспечивают приблизительно 40 часов работы, либо от никель-кадмиевых источников питания. Спуск и подъем комплекса производится судовой лебедкой на тросе 8 мм. После подъема комплекса данные считываются из памяти SBE 19plus на ПК. Методика выполнения гидрологической станции описана выше для зонда SBE 911plus. Основным недостатком данного комплекса является невозможность отслеживать флуктуации измеряемых характеристик водной среды на профиле в режиме непрерывной регистрации.
При океанографических работах, выполняемых на борту судна возможно также использование SBE 19plus в режиме непрерывной передачи данных (по кабель-тросу). Существует три варианта эксплуатации SBE 19plus в таком режиме. Первый – без розетты как комплекс, состоящий из профилографа и закрепленного на его раме модуля Power Data Interface Module (PDIM), соединенных с бортовым устройством (БУ) SBE 36 CTD Deck Unit. Модуль питается от SBE 19plus и обеспечивает передачу данных на БУ. Либо – два варианта комплексов с розеттой. В первом случае прибор монтируется на розетте SBE 32 Carousel и составляет комплекс с бортовым устройством SBE33 Carousel Deck Unit. Во втором варианте прибор монтируется на розетте SBE55 ECO Water Sampler вместе с модулем SBE55 Electronic Control Module, блоком магнитных размыкателей SBE55 Lanyard release assembly и тем же бортовым устройством SBE33 (рис. 1В).
Профилограф SBE 19plus широко используется при работах, выполняемых на льду. К таким экспедициям относятся, в первую очередь, научно-исследовательские дрейфующие станции «Северный полюс» (СП); работы в лагере «Барнео»; экспедиции «Полынья-2008», «Полынья-2009»; вертолетные станции, выполнявшиеся попутно, в частности в ходе экспедиции «Арктика-2007». Здесь отбор проб воды батометрами в розетте не осуществляется, прибор установлен в штатной титановой раме, работает автономно. Как правило, гидрологические станции делаются в закрытом помещении. Над майной, заранее выбуренной с применением мотобуров (на станциях СП для таких целей используется мотобур «Jiffy»(США)), либо над трещиной или краем разводья устанавливается палатка без пола, например КАПШ-3. На дрейфующих станциях СП работы выполняются в панельном мобильном домике типа ПДКО, где один половой щит над майной снят и она окружена фанерным коробом для предотвращения заносов снегом и замерзания. Майна обогревается и освещается галогенной лампой (мощность 500 Вт), установленной на боковой стенке короба. При необходимости майна обогревается гибким теплоэлектрическим нагревателем (ТЭН) на плавучей раме, а также ТЭНами, закрепляемыми на стенках короба под поверхностью воды для предотвращения бокового нарастания льда.