Океанография и морской лед

Перед началом работ программой «SEATERM», поставляемой SeaBird Electronics, производятся следующие установки рабочего режима. Устанавливаются порядок производства измерений (в режиме зондирования): измерять при спуске, либо подъеме, либо в обоих направлениях; частоты измерений (дискретности измерений); порядок вывода измеряемых параметров, связываемых с калибровочными коэффициентами; широта места наблюдения (для перерасчета давления в глубину); текущее время. Непосредственно перед работой прибор тестируется программой «SEATERM». Профилограф опускается на лебедке (обычно модель СП-77), установленной на сани с электроприводом на тросе 1,5–2 мм через выстрел с блоком. Напряжение на электропривод подается либо от стационарного (на дрейфующих станциях СП), либо от автономного дизель – генератора (бензогенератора). Спуск прибора выполняется в контролируемом по скорости (1 м/с) свободном падении, либо при включенном электродвигателе с той же скоростью. Подъем прибора выполняется с помощью электропривода также со скоростью 1 м/с. Непосредственно перед спуском прибор выдерживается подо льдом 5–15 минут для выравнивания температуры корпуса прибора с термистором и морской воды. После подъема на воздух насос прибора промывается дистиллированной водой. Периодически насос промывается с применением штатного детергента. После каждой выполненной станции, либо после окончания полетов, полученные данные скачиваются из памяти зонда на ПК. Запас рабочего времени SBE 19plus в автономном режиме по питанию около 1 950 000 единиц измерения (электропроводность, температура, давление).

Обрывные зонды широко используются в судовых высокоширотных экспедициях, поскольку наблюдения с помощью данных зондов можно производить в отсутствии специально оборудованного рабочего места и с минимальными потерями судового времени (без остановки судна). Работы выполняются с борта судов с помощью обрывных зондов типа XBT (expendable bathythermograph) и XCTD (expendable conductivity, temperature, depth probe) производства фирмы Lockheed Martin Corp. (США – Мексика), Tsurumi – Seiki Co., Ltd. (Япония), выполненных по лицензии фирмы Sippican Inc. (Япония), ныне входящей в той её части, которая производит океанологическое оборудование, в состав фирмы Lockheed Martin Corp. В ходе экспедиций последних лет использовались следующие модели батитермографов (XBT): T4, T5, T7, обрывных зондов электропроводности, температуры и давления (XCTD): XCTD-1, XCTD-2. Используемые в приборах датчики (табл. 3) по своему принципу работы аналогичны описанным ранее, отличаются малой инерцией. Для производства работ обрывными зондами кроме собственно зондов, используется пусковое устройство LM-3A производства Lockheed Martin Corp., бортовое устройство MK-21 той же фирмы или MK-130 производства фирмы Tsurumi-Seiki Co. и персональный компьютер с установленным на нем программным обеспечением «Win MK21» или «English_Ver. 3.02» данных фирм соответственно. Измеряемые параметры передаются от датчиков свободно падающего зонда через тонкую (0,15 мм) проволоку на бортовое устройство. Здесь аналоговые в случае XBT или цифровые сигналы в случае XCTD декодируются и передаются дальше в компьютер, работающий в режиме непрерывного получения данных. Перед началом работ программно производится настройка по типу прибора, пределам шкал измерения, устанавливается имя и место выводного файла с данными (в виде ASCII-кода). Затем после включения зонда производится контроль наличия связи в сети зонд-бортовое устройство. В случае XCTD далее производится тестирование датчиков зонда на воздухе. Глубина измерения температуры для зондов типа XBT определяется по времени наблюдения при полагающейся постоянной известной скорости погружения зонда. Поскольку работы с обрывными зондами, как правило, выполняются на ходу судна, процесс их выполнения полностью согласуется с мостиком в режиме двухсторонней связи.

Таблица 2. Характеристики зонда SBE 9plus CTD, профилографа SBE 19plus SeaCat и измерителя SBE 37SM MicroCat, используемых для получения термохалинных характеристик.

Примечания: 1 – разрешение от диапазона 0,0001 См/м для пресной воды до 0,0007 См/м при высокой солености; 2 – для зонда SBE 9plus CTD при работе в автономном режиме приведены характеристики дата-логгера SBE 17plus; 3 – никель-металлогидридные батареи (аккумуляторные), возможна установка щелочных типоразмера «D»

Таблица 3. Характеристики обрывных зондов.

Примечание: 1 – для приборов производства фирмы Tsurumi – Seiki Co.

Современные приборы и технологии, используемые в высокоширотных экспедициях для изучения временного хода термохалинных характеристик на отдельных горизонтах

Ряды данных, описывающих временной ход термохалинных характеристик, были получены в ходе измерений, выполняемых чаще всего с помощью измерителя температуры и электропроводности SBE 37 в модификации SBE 37SM MicroCat. Также в отдельных случаях в ходе работ на дрейфующей станции СП-37 для данных целей использовался описанный ранее профилограф SBE 19plus SeaCat, установленный в режиме буйковой станции. Набор такелажа и установка прибора на льду производится аналогично описанному ниже для SBE 37SM MicroCat. Все данные наблюдения выполнялись с дрейфующего льда в рамках экспедиций на станциях «Северный полюс».

Измеритель температуры и электропроводности SBE 37SM MicroCat изготовлен компанией SeaBird Electronics (США) (рис. 1Е). Предназначен для измерения в автономном режиме электропроводности (солености), температуры морской воды, дополнительно оснащен датчиком давления (табл. 2). В отличие от рассмотренной ранее продукции данной фирмы, измерения электропроводности происходят в режиме свободного протекания воды, без насоса, что обеспечивает меньшие расход питания и большую автономность. Запас времени по питанию (литиевые батарейки) 300 000 единиц измерения (электропроводность и температура). Подготовка прибора к работе и считывание данных после окончания работы выполняется прилагаемой к нему программой «SEATERM». Выставляется дискретность наблюдений, текущее время и формат его представления, время пуска прибора. Прибор устанавливается на открытом воздухе в заранее выбуренной майне. В силу конструктивных особенностей прибор крепится на отрезке стального троса сечением 4 мм, который в свою очередь крепится к синтетическому тросу сечением 13 мм. Над прибором в такелаж набирается «мокрый» вертлюг для предотвращения кручения троса. Снизу прибор утяжеляется ввиду своего малого веса (табл. 2) грузом весом 15 кг. На верхнем трехметровом участке синтетический трос пропускается через пластиковую трубу сечением 35 мм для предотвращения разрыва троса при выбуривании прибора. Над майной данная конструкция фиксируется доской, на которую заведена петля на верхней оконечности троса. Место положения майны обозначается флажками.

Современные приборы и технологии, используемые в высокоширотных экспедициях для изучения временного хода течений

Значительным прорывом в океанологических исследованиях в СЛО стало использование при работе со льда измерителей и профилографов скорости течений. Впервые измерения течений с применением современных приборов и корректной привязкой к координатам (использование системы GPS) на дрейфующем льду были выполнены в рамках работы сезонного отряда СП-34. Для наблюдения за течениями при этом использовались акустические доплеровские измерители течения RCM 9IW (рис. 1Ж) производства фирмы AANDERAA (Норвегия) и акустические доплеровский профилограф течения ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) WorkHorse Sentinel 300 кГц (WHS300) производства фирмы RDI Teledyne (США) (рис. 1И). В дальнейшем к данным приборам добавились акустический доплеровский измеритель течений SEAGUARD RCM IW производства AANDERAA и акустический доплеровский профилограф течений дальней зоны действия ADCPLR (Acoustic Doppler Current Profiler Long Range) WorkHorse Long Ranger 75 кГц (WHLS75) от фирмы RDI Teledyne. Общим для всех данных приборов является принцип измерения скорости и направления течения. Основным различием между акустическими измерителями и профилографами течений является то, что в первом случае измерения производятся излученным акустическим сигналом на одном горизонте в кольцевой области горизонтальной плоскости, удаленной на радиус 0,5 м от прибора до внешней границы, удаленной на радиус 3,5 м от прибора. В случае профилографов измерения скорости течений выполняются на нескольких горизонтах по вертикали (в нескольких ячейках), причем измеряемая скорость отнесена не к отдельному горизонту, а к слою некоторой толщины (ячейке). Приборы имеют «мертвую зону» непосредственно за излучателями размером 6,12 и 12,57 м для профилографов WHS300 и WHLS75 соответственно. Характеристики RCM 9IW и SEAGUARD RCM IW сходны. Характеристики WHS300 и WHLS75 отличаются частотой акустического сигнала (табл. 4). С этим связаны и отличия в общей толщине исследуемого слоя и толщине каждой ячейки, в которой измеряется скорость течения (табл. 5).

Таблица 4. Характеристики измерителей течений RCM 9IW и SEAGUARD RCM IW, профилографов течений WorkHorse Sentinel (WHS300), WorkHorse Long Ranger (WHLS75).

Примечания: 1 – разрешение в задаваемых диапазонах: «arctic» –3,12…+5,83, «low» –2,7…+21,7, «wide» –0,6…+32,8, «high» +9,8…+36,6; 2 – первое значение для угла наклона до 15°, второе – для угла наклона до 35°; 3 – количество сборок батарей; 4 – для литиевых батарей

Таблица 5. Размер ячейки (слоя) измерения, общая толщина слоя и соответствующие им значения среднеквадратичного отклонения (СКО) скорости профилографов течений WHS300 и WHLS75

Набор описываемых приборов в такелаж и их установка на льду производится аналогично описанному ранее для SBE 37SM MicroCat.

Измеритель течения RCM 9IW кроме датчика скорости течения (тип 3680 или 4220) имеет датчик давления, основанный на пьезоэффекте (тип 4017D или 4017А…4017F), датчик электропроводности (тип 3919B или 3919А, 4119, 4120), датчик температуры (тип 3621). Характеристики штатных датчиков, указанных первыми приведены в табл. 4. Дополнительно может быть установлен датчик мутности (3612А), а также датчики флюоресценции фитопланктона или датчик растворенного кислорода.

Перед установкой измерителя выполняется его настройка. Производится очистка устройства накопления данных Data Storage Unit DSU 2990 (либо DSU 2990E). На центральной плате устанавливаются следующие параметры: интервал измерения температуры и электропроводности; количество каналов; режим работы излучателя акустических сигналов. По умолчанию производится 600 излучений акустического сигнала (пингов). Режимы, при которых производится 150, 300 или 1200 пингов реализуются перестановкой соединительных клемм на плате прибора. Затем производится включение прибора в режиме измерений за заданный интервал 1, 2, 5, 10, 20, 30, 60, 120 минут (Normal mode по умолчанию) «On», либо в режиме измерений в течение последней минуты заданного интервала «Burst mode», при этом питание экономится. Опрос датчиков происходит следующим образом. В нормальном режиме в течение заданного интервала выполняется установленное количество пингов, и один раз опрашиваются прочие каналы. В режиме «Non stop» – непрерывно (но с количеством пингов не более 600) дважды выполняется цикл излучения акустических сигналов и производится считывание каналов. Интервал измерения в секундах в этом случае равен количеству каналов, умноженному на 4 плюс 2 секунды. В режиме «R» заданное количество пингов приходится на десятиминутный интервал при непрерывном излучении акустических сигналов, а запрос каналов производится после последних 600 пингов.

Прибор устанавливается в монтируемой к корпусу раме. Отличием в креплении RCM 9IW в такелаже является то, что прибор вывешивается на конце синтетического троса, а утяжеляющий груз весом 15 кг удален вниз от прибора на синтетическом тросе на 5 м. Запас времени по питанию (батареи типа 3614 AANDERAA) при измерении через 10 минут равен 92 суткам.

После окончания работы прибор извлекается из прочного корпуса, выключается, снимается устройство накопления данных DSU 2990 (либо DSU 2990E). Оно подключается к устройству считывания данных DSU Reader 2995, подключенному к персональному компьютеру. С помощью штатной программы «Data Reading Program DRP 5059» производится синхронизация часов прибора с компьютером, считывание данных, они ассоциируются с измеряемыми переменными. Далее возможно сохранение данных в виде ASCII – кодов, расчет статистических оценок рядов данных.

Измеритель течения SEAGUARD RCM IW во многом принципиально схож с RCM 9IW. Отличием является использование датчика скорости течения типа Zpulse (на RCM 9IW установлен датчик типа DCS 3820). В данной модификации (рис. 1З) также, как и RCM 9IW, имеются аналогичные датчики температуры и электропроводности, давления. Кроме того, подготовка прибора к работе производится с использованием программы «SEAGUARD Studio». Данные хранятся в несъемном блоке. Однако для подготовки к работе и считывания данных прибор также извлекается из прочного корпуса. По классу точности датчиков температуры и RCM 9IW, и SEAGUARD RCM IW относятся к минимально точным, электропроводности и давления – к высшему классу точности (табл. 1, табл. 4). Набор такелажа и схема установки прибора аналогичны описанному выше для RCM 9IW.

Акустические доплеровские профилографы (ADCP) WorkHorse Sentinel 300 кГц (WHS300) и (ADCPLR) WorkHorse Long Ranger 75 кГц (WHLS75) имеют четыре излучателя акустического сигнала типа Convex, расположенные на верхней крышке прибора (рис. 1И, рис. 1К). Излучатели наклонены относительно горизонтальной оси на 20°. На приборах также установлены датчики температуры для коррекции значений скорости, могут быть установлены датчики давления (тензорный датчик). Запас времени по питанию 45 и 55 суток в установленном десятиминутном режиме измерения для профилографов WHS300 и WHLS75 соответственно.

Подготовка прибора к работе и считывание данных производится программно. Разбирать прибор требуется только для подключения (замены) питания или переключения типа интерфейса. Перед установкой прибор тестируется с помощью приложенного к нему программного обеспечения (программа «WinSc»). После контрольного включения проводится оценка измерений каналов температуры и давления. Перед включением прибора в рабочий режим проводится калибровка магнитного компаса, установка нуля глубины, времени встроенных часов. Непосредственно перед установкой профилографа в майну, программой «PlanADCP» выставляются следующие параметры: тип измерителя (частота сигнала), диапазоны измерения (океан), тип постановки (буйковая станция), диапазон глубин измерения, размер и количество ячеек (слоев) измерения, объем памяти, интервал осреднения (дискретность), максимальная продолжительность работы, примерная температура и соленость воды в период измерений. Также можно установить: допустимое стандартное отклонение измерений скорости, количество пингов в ансамбле измерений (умолчание 50 пингов), интервал между пингами, магнитное склонение. Более тонкая настройка прибора может осуществляться командами в программе «WinSc» перед пуском программы, планирующей постановку «PlanADCP». Можно устанавливать режим мгновенных измерений и его параметры, регулировать амплитуду сигнала, ширину полосы излучения, режим высокого разрешения (для WHLS75) и т. п. Перенос данных на компьютер, обработка измерений производится с помощью программы «WinSc». Более подробное представление исходных данных и вывод их в виде ASCII-кодов выполняется с помощью программы «WinADCP».

Излучатели профилографов можно ориентировать как вверх, так и вниз. Задаваемая толщина слоев лимитируется необходимой точностью измерения (табл. 5). По классу точности датчика температуры данные профилографы относятся к ненормируемым, что оправдано, поскольку данный параметр выступает как вспомогательный. По классу точности датчика давления они относятся к высшему классу точности (табл. 1). Кроме интерфейса типа RS232 (RS232C) профилографы течений также имеют интерфейс типа RS422. Передача данных производится со скоростью 9600–115 400 бод.

Приборы устанавливаются в монтируемой к корпусу раме. Набор такелажа и крепление WHS300 в майне выполняется аналогично описанному ранее для RCM 9IW, но приборы не утяжеляются. Профилограф течений WHLS75 имеет значительный вес (120 кг с рамой) и габариты (табл. 4), что требует использования иной, нежели для WHS300 схемы установки. Он устанавливается под лед в обогреваемую майну размером около 100×150 см внутри палатки КАПШ-3. Майна обогревается ТЭНом на плавучей раме мощностью 1 кВт. Дополнительно на стенках майны с двух сторон устанавливаются притопленные ТЭН мощностью 0,4–0,5 КВт. Синтетический трос, на котором висит прибор, пропускают через блок для обеспечения возможности его быстрого извлечения, а также возможности его подъема для контрольного считывания данных.

При расстановке профилографов WHS300 и WHLS75 следует иметь в виду возможность наложения сигналов разной частоты, приводящего к сбоям. Как показала практика работ на СП, для исключения наложения сигналов следует разносить измерители на расстояние не менее 50 м. В качестве примера использования данных измерения течения профилографом WHS300 может служить представление пространственного распределения средних векторов (трехсуточное осреднение) течений на горизонте 69 м, полученное в ходе экспедиции СП-36, приведенное на рис. 3.

Рис. 3. Пространственное распределение средних векторов течений на горизонте 69 м по данным, полученным профилографом течений WHS300

Заключение

Качественный и количественный прорыв в приборной базе, используемой при проведении океанологических исследований в Арктике, наиболее очевиден на примере экспедиций на научно-исследовательских дрейфующих станциях «Северный полюс», организуемых ААНИИ (табл. 6). Увеличение приборной базы по номенклатуре и по количеству измеряемых этими приборами океанологических параметров имело место, начиная с работ сезонного отряда дрейфующей станции СП-34 в 2006 г. Нарастание объема выполняемых наблюдений связанное с расширением приборной базы видно из табл. 7, где показан объем наблюдений, выполненных в тех же экспедициях, что и указанные в табл. 6. При этом если количество гидрологических станций определяется продолжительностью работ на каждой из СП, то объем выполненных измерений течений в большей степени связан с указанными выше тенденциями. Значительный спад количества данных наблюдений на дрейфующей станции СП-37 определяется субъективными причинами.

Таблица 6. Состав приборной базы (в единицах), активно используемой при проведении океанологических исследований на российских дрейфующих станциях «Северный полюс»

Таблица 7. Общий объем наблюдений, выполненных океанологическими отрядами на российских дрейфующих станциях «Северный полюс» с применением современной приборной базы.

Примечания:1 – суммарная продолжительность измерений течений на всех горизонтах

Углубление исследований СЛО с применением современных приборов и оборудования связано со следующими перспективными решениями:

• в рамках работ на дрейфующем льду:

– незначительное увеличение количества автономных измерителей температуры и электропроводности SBE 37SM и профилографов течений WHS300 для обеспечения полигонных постановок с целью исследования пространственно-временной изменчивости гидрологических параметров на отдельных горизонтах;

– качественное увеличение получаемой информации за счет исследования микропульсаций гидрологических параметров подо льдом, например, используя RMS (Recording Microstructure System) производства Rockland Scientific (Канада);

– использование современного вспомогательного оборудования (треноги, лебедки);

• в судовых экспедициях:

– увеличение количества измеряемых при зондировании параметров, например, при установке на розетте профилографа WHS600 или WHS300, имеющего режим работы LADCP, установке датчиков растворенных газов (кислород, метан), датчика флюоресценции фитопланктона;

– использование малоинерционных приборов для исследования поверхностного слоя, например, турбулиметров (VMP750VMP2000 производства Rockland Scientific или Turbo MAP-L производства ALEC Electronics (Япония)).

В работе использованы данные технических описаний приборов, а также информация фирм-изготовителей, размещенная на их сайтах.

Литература

Левашов Д.И. Техника экспедиционных исследований. М.: Издательство ВНИРО, 2003. 399 с.

S.B. Kuzmin[4], A.Yu. Ipatov[5]. Modern oceanographic instruments and observations technique applied with respect to research of hydrological conditions at the Arctic Ocean

Аbstract

Modern oceanographic instruments used during expeditions at the Arctic Ocean are described. Characteristics of recorders, profilographs, probes are shown in details. The quality estimations of augmentation of instruments assembly used to investigate oceanographic parameters in the Arctic Ocean are presented. The quantitative estimations of augmentation oceanographic data base during last decade has been obtained, are presented too. Few expeditions took place at last decade (during IPY 2007/08 too) under Arctic and Antarctic research institute (AARI) leadership at the Arctic Ocean both from the ice and onboard are used as example to show up-to-date oceanographic technique.

С.А. Кириллов[6], К.В. Фильчук[7]

Использование заякоренных и дрейфующих буйковых измерительных комплексов для непрерывной регистрации параметров состояния морской среды в Арктике

Аннотация

В статье рассмотрены основные методики получения информации по гидрофизическому состоянию Северного Ледовитого океана (СЛО) с автономных измерительных платформ, к которым относятся заякоренные и дрейфующие буйковые комплексы. Анализируются преимущества и недостатки каждого из видов наблюдений, а также перспективы их дальнейшего использования для развития наблюдательной сети в СЛО.

Введение

Северная полярная область является частью глобальной климатической системы, где наблюдаются наиболее сильные естественные флуктуации ее состояния. Это связано со значительным влиянием адвективного обмена с субарктической зоной с одной стороны, а также с существованием сложных процессов взаимодействия отдельных компонентов арктической климатической системы между собой и многочисленных механизмов прямых и обратных связей с другой. В течение двух последних десятилетий климатические изменения в Арктике стали наиболее заметны в связи со значительными изменениями, выраженными в существенном увеличении температуры воздуха и сокращении площади и толщины арктических льдов. С 1987–1989 гг. началось повышение температуры атлантических вод в Северном Ледовитом океане (СЛО), которое для отдельных районов превысило максимальные значения за весь исторический с 1887 г. период наблюдений. В конце 90-х годов прошлого века научная активность в области исследования Северного Ледовитого океана стала нарастать. Вначале это были отдельные рейсы судов и ледоколов в арктические моря и Арктический бассейн СЛО, авиационные экспедиции с высадкой на лед и др. Затем стали выполняться международные научные программы, которые ставили задачей исследование океанографических процессов в отдельных частях Северного Ледовитого океана в условиях быстро меняющихся природных условий.

Наблюдаемые климатические изменения, в свою очередь, открывают широкие перспективы развития природопользовательской и хозяйственной деятельности в высокоширотных районах, что сопровождается усилением антропогенного влияния на хрупкую арктическую экосистему в целом. Одновременно с этим возрастают риски, связанные с влиянием сложных гидрометеорологических условий на хозяйственную деятельность. В этой связи безусловным фактором, снижающим упомянутые риски, является развитие системы мониторинга гидрофизического состояния вод арктического бассейна и окраинных морей, действующей в автономном режиме.

В настоящее время поступление информации о гидрофизическом состоянии СЛО с автономных измерительных комплексов обеспечивается в двух вариантах. Первый вариант подразумевает получение данных при помощи заякоренных буйковых измерительных комплексов, устанавливаемых в отдельных районах арктического бассейна на длительный период с последующим подъемом этих комплексов и скачиванием информации. Второй вариант предполагает оперативное поступление информации через спутниковые каналы связи с дрейфующих буйковых измерительных комплексов.