Океанография и морской лед

В настоящей статье будут рассмотрены основные вопросы, касающиеся способов получения гидрофизической информации в СЛО при помощи таких комплексов, а также вопросы перспективности их дальнейшего использования для развития наблюдательной сети в СЛО.

Заякоренные буйковые измерительные комплексы

В последние годы все большее развитие в системе мониторинга текущих изменений состояния арктической климатической системы получают автономные заякоренные измерительные комплексы (или ПБС – притопленная буйковая станция), с помощью которых выполняется сбор информации в фиксированной точке в течение продолжительного (как правило, в течение одного года) периода времени. Автономные заякоренные буйковые станции, наряду с экспедиционными судовыми средствами получения информации, являются одним из мощнейших инструментов сбора данных о гидрофизическом состоянии водной толщи и протекающих в ней процессов. При этом перечень параметров, которые возможно регистрировать при помощи заякоренных станций, является весьма широким и определяется исключительно списком уже существующих приборов, предназначенных для измерения характеристик состояния морской среды и способных работать в автономном режиме. Кроме этого, подобные системы являются единственной возможностью получить достоверную оценку параметров динамического состояния водной толщи: скоростей и направлений морских течений, их сезонной и межгодовой изменчивости, характеристик приливных течений и пр. Кроме того, в настоящее время наряду с приборами, устанавливаемыми в составе ПБС на фиксированных горизонтах, в практику океанографических наблюдений все чаще входят профилографы, осуществляющие вертикальное перемещение вдоль несущего троса комплекса в пределах выбранного диапазона глубин и записывающие информацию о вертикальном распределении основных параметров состояния (температура, соленость, скорость течения) водных масс.

Конструктивно ПБС состоят из четырех основных элементов, к которым относятся: якорь, удерживающий измерительный комплекс в точке постановки (рис. 1 б); несущий буй положительной плавучести для поддержания станции в вертикальном положении (рис. 1 а); акустический размыкатель, служащий для связи с комплексом и приема сигнала на всплытие от бортового устройства (рис. 1 в), и связующий синтетический или металлический трос (рис. 1 г), на котором устанавливаются приборы и оборудование.

Рис. 1. Основные составляющие части автономного заякоренного буйкового измерительного комплекса: а) – несущие буи; б) – акустический размыкатель в комплекте с бортовым устройством; в) – якорь/груз; г) – трос

Основой успешного использования ПБС является учет нескольких основных моментов, часть из которых связана с чисто технических проблемами (правильный расчет нагрузки ПБС, защита от коррозии), а часть – с правильной последовательностью действий по подъему станции. При этом, как показывает опыт, при правильно организованной постановке ПБС проблем удается избежать.

Расчет нагрузки, в которую входит определение достаточного веса якоря для удержания станции в точке постановки и размера элементов плавучести в верхней части ПБС, производится в зависимости от общего количества используемых в составе станции приборов, их веса и размеров, при учете динамических нагрузок (течения), характерных для исследуемого района. Очевидно, что увеличение количества приборов приводит к увеличению веса и необходимости увеличения размеров элементов плавучести. Аналогичное увеличение плавучести требуется также при увеличении парусности станции за счет включения в ее состав значительных по размерам приборов или в условиях активной динамики водных масс. Одновременно с этим увеличение плавучести вызывает необходимость увеличения веса якоря и использования более прочного троса.

Суть борьбы с коррозией на металлических элементах конструкции ПБС заключается в установке в районе предполагаемого коррозионного разрушения протекторов – металлических накладок из магниево-алюминиевого сплава или цинка, электрический потенциал которого ниже потенциала защищаемого металла. Этот способ основан на разнице электрических потенциалов металла (катода), подвергающегося коррозии, и протектора (анода). Цинк в том случае оказывается эффективен только при высокой его чистоте (более 99,9 %) или в сплаве с 1–3 % магния. В противном случае протектор быстро покрывается окислами, изолирующими его поверхность от воды.

Установка и демонтаж заякоренных буйковых комплексов осуществляется в основном во время проведения комплексных морских научно-исследовательских экспедиций. В последние годы большая часть таких комплексов на акватории СЛО была установлена в рамках международных проектов, таких как NABOS (Nansen And Amundsen Observational System – Система наблюдений в бассейнах Нансена и Амундсена), SEARCH (Study of Environmental Arctic Changes – Программа исследований изменений в природной среде Арктики), CABOS (Canadian Basin Observational System – Система наблюдений в Канадском бассейне), DAMOCLES (Developing Arctic Modeling and Observing Capabilities for Long-term Environmental Studies – Программа усовершенствования модельных и мониторинговых исследования природной среды Арктики), Laptev Sea System (Система моря Лаптевых), CASES (Canadian Arctic Shelf Exchange Study – Программа исследования процессов шельфового обмена в Канадской Арктике), SBI (Arctic Shelf-Basin Interaction – Проект изучения взаимодействия между шельфовой и глубоководной частью СЛО), RUSALCA (Russian-American Long-term Census of the Arctic – Российско-американская долговременная программа арктических исследований) и др. В ряде случаев задачи по постановке и снятию станций решались с привлечением средств авиации, например, в рамках программы наблюдательной системы в районе Северного Полюса (North Polar Environment Observatory), осуществляемой в Центре Полярных исследований университета Вашингтон (рис. 2).

Рис. 2. Постановка ПБС с дрейфующего льда в рамках научно-исследовательской программы NPEO

Российский вклад в развитие системы мониторинга при помощи заякоренных буйковых комплексов в основном представлен в виде совместных инициатив с зарубежными научно-исследовательскими институтами. Российские ученые и специалисты при этом принимали непосредственное участие в разработке и развитии целого ряда из представленных выше программ мониторинга, к которым можно отнести такие международные проекты как RUSALCA, NABOS и Laptev Sea System. При этом экспедиционные исследования, выполняемые в рамках этих проектов в окраинных морях российской Арктики, организовывались и проводились при непосредственном участии или под руководством ААНИИ.

В перспективе в Арктическом и антарктическом научно-исследовательском институте рассматривается возможность развития национальной системы мониторинга при помощи заякоренных станций в СЛО. В качестве предполагаемого места осуществления такой программы рассматривается район узкого шельфа и глубоководной части Арктического бассейна на траверзе мыса Арктического, как одном из наиболее интересных районов с точки зрения современных изменений морского климата северной полярной области и особенностей протекания океанографических процессов.

Основным препятствием для повсеместного внедрения практики использования автономных заякоренных комплексов в Арктике является практически круглогодичное присутствие ледяного покрова. В этих условиях экспедиции, в рамках которых осуществляется подъем и постановка комплексов, как правило, проводятся на судах, обладающих различными ледовыми классами. В настоящее время к научно-исследовательским судам ледокольного типа можно отнести: Академик Федоров (Россия), Louis St.Laurent, Amundsen (Канада); Polarstern (Германия); Oden (Швеция); Healy (США); Xuelong (Китай). Причем в подавляющем большинстве случаев использование этих судов возможно только в течение относительно короткого промежутка времени, ограниченного несколькими летними месяцами, когда наблюдается максимальное сокращение площади и толщины ледяного покрова в Арктическом бассейне. Кроме судов ледокольного типа в СЛО в летнее время экспедиционные исследования проводятся также с судов, обладающих более легким ледовым классом или даже отсутствием последнего, но район действия этих судов ограничен относительно небольшими пространствами чистой воды или разреженного льда в прикромочной зоне. Однако практика последних лет показывает, что в условиях значительного сокращения площади ледяного покрова в летний период, с помощью таких судов удается получать все большее пространственное покрытие натурными гидрофизическими данными.

Отдельной и самой сложной задачей является подъем ПБС в условиях присутствия ледяного покрова. Особенно подъем затрудняется в случае наличия разреженных льдов, когда сделать майну при помощи судна не представляется возможным и становится высокой вероятность всплытия поверхностных буев под отдельно плавающие льдины. В случае наличия сплоченного льда подъем также представляет собой известные трудности, которые связаны с целым набором последовательно выполняемых действий. Первым является триангуляция и расчет точного положения либо придонных акустических размыкателей, либо специального позиционирующего акустического устройства (транспондера), устанавливаемого в верхней части станций. В условиях глубокого океана и присутствия течений горизонтальная разница положения этих двух элементов может составлять несколько десятков метров, а иногда и более сотни. После этого осуществляется расчет скорости и направления дрейфа льда, времени, необходимого на подготовку майны необходимого размера, и начинаются работы по ее формированию. При условии правильной оценки дрейфа, в момент прохождения майны над позицией ПБС с бортового акустического устройства передается сигнал размыкателю на всплытие (рис. 3).

Рис. 3. Подъем притопленной буйковой станции в условиях высокой сплоченности льда в районе постановки ПБС (а, б)

Наиболее интересные результаты могут быть получены при использовании профилографов, перемещающихся вдоль несущего троса ПБС. Пример записи изменений вертикального профиля температуры в северной части моря Лаптевых показан на рис. 4. В частности, благодаря использованию технологии профилирования удалось установить ряд интересных особенностей динамики и термохалинной изменчивости глубинной атлантической водной массы в этом районе и зафиксировать существенный рост температур в ядре Атлантических вод в 2003–2004 гг.

Рис. 4. Пример записи изменений вертикального профиля температуры в северной части моря Лаптевых по данным притопленной буйковой станции в период с 9 сентября 2003 г. по 6 февраля 2005 г.

Дрейфующие буйковые измерительные комплексы

Одним из перспективных направлений развития наблюдательной сети в СЛО является создание и поддержка системы автономных дрейфующих измерительных комплексов, выполненных на базе современных технических средств, позволяющих получать высокодискретные вертикальные профили гидрофизических характеристик в толще воды, осуществлять глобальное позиционирование, выполнять операции обмена данными с использованием спутниковых каналов связи. Впервые подобный подход был опробован в рамках совместного американо-канадско-японского проекта Beaufort Gyre Exploration Project (проект исследований в круговороте Бофорта). Специально для задач проекта был разработан научно-технический комплекс, получивший наименование ITP (Ice-Tethered Profiler). В период 2004–2005 гг. на дрейфующем льду моря Бофорта были установлены три прототипа ITP. Опыт эксплуатации прототипов (два из трёх сохраняли работоспособность в течение десяти месяцев с момента установки, передав на сервер разработчиков результаты профилирования температуры и солёности более чем в тысяче пунктов каждый, а также большой объём диагностической информации о состоянии прибора) позволил обосновать целесообразность дальнейшего развития проекта.

Комплекс ITP состоит из трёх основных компонентов: находящегося на поверхности льда буя, подвеса с концевым грузом и профилографа, перемещающегося в вертикальном направлении по подвесу (рис. 5). Буй представляет собой выполненный из пенопласта высокой плотности цилиндр, внутри которого размещен водонепроницаемый алюминиевый бокс с электронной аппаратурой. Набор аппаратуры включает в себя контроллер, индукционный модем, GPS-приёмник, оборудование спутниковой связи системы Iridium. Антенны GPS-приёмника и спутникового телефона размещены в верхней, выступающей за пределы пенопластового кожуха, части бокса и защищены прочным радиопрозрачным колпаком. Также в корпусе буя размещаются аккумуляторные батареи. Поздние модификации комплекса стали оснащаться пенопластовым конусом, призванным обеспечить бую дополнительную плавучесть, что позволяет производить установку на открытой воде. Конус устанавливается на лёд вершиной вниз, а на его основание монтируется блок с аппаратурой. К нижней части буя металлическим фланцем крепится кабель-трос подвеса. Кабель-трос совмещает функции направляющей движения профилографа и сигнальной линии. Для того чтобы подвес принимал вертикальное положение при значительных скоростях дрейфа, к его нижнему концу подвешивается груз весом около 100 килограмм. Верхние 5 метров кабель-троса защищены от механических воздействий льда уретановым рукавом. Кроме того, на нижнем конце рукава закреплена бронзовая контактная пластина, обеспечивающая коммуникационной схеме комплекса электрическую «землю». Перемещающийся по подвесу профилограф представляет собой пластиковый бокс цилиндрической формы, внутри которого размещены: измерительное оборудование Sea-Bird 41CP CTD, индукционный модем, электродвигатель, аккумуляторные батареи. Состав измерительного оборудования может быть расширен за счёт оснащения профилографа дополнительными датчиками. Профилограф монтируется на кабель-тросе через верхний и нижний направляющие ролики, а также ролик электродвигателя. Вращение плотно прижатого к тросу ролика электродвигателя и обеспечивает вертикальные перемещения профилографа. Коммуникационный обмен с поверхностным блоком осуществляется посредством индукционных модемов. Модем профилографа наводит в проводнике кабель-троса полезный сигнал, считываемый модемом, размещённым в корпусе буя. Заряда аккумуляторных батарей комплекса хватает не менее чем на два года непрерывной работы. Разворачивается комплекс с использованием специального оборудования силами трёх человек в течение трёх-четырёх часов.

Рис. 5. Схема (а) и процесс установки (б) элементов комплекса ITP

Начиная с 2006 года и по настоящее время на дрейфующих льдах Арктического бассейна ежегодно выставляется от трёх до двенадцати буёв ITP, а всего за рассматриваемый период в Арктике было задействовано тридцать восемь комплексов. Общее количество полученных профилей оценивается в тридцать тысяч.

На рис. 6 с цветовой дифференциацией по годам представлены пункты акватории Арктического бассейна, в которых было выполнено профилирование комплексами ITP. Как видно, наибольшая концентрация точек профилирования достигнута в акватории моря Бофорта, в соответствии с первоначальными целями проекта. Однако и в центральной части Арктического бассейна были задействованы двенадцать буёв ITP, в том числе в период МПГ в рамках российских арктических экспедиций на НЭС «Академик Федоров» были установлены в 2007 году пять комплексов, в 2008 году – 4 комплекса ITP.

Рис. 6. Положение пунктов в Арктическом бассейне СЛО, в которых с буев ITP выполнялось профилирование в период 2004–2010 гг.

Дрейфующие комплексы ITP являются автономными платформами, обеспечивающими регулярное поступление оперативной океанографической информации в течение всего года. Поздние модификации буёв выполняют термохалинное профилирование до шести раз в сутки. Наличие приёмника GPS позволяет рассматривать комплекс как источник информации высокого временного разрешения о характере дрейфа морского льда в месте нахождения буя. В случаях удачного выбора района постановки, когда льдина-носитель оказывается вовлечённой в продолжительный дрейф и в течение долгого времени не разрушается и не выносится из Арктического бассейна, комплекс ITP несколько лет может служить поставщиком океанографических данных (рис. 7).

Рис. 7. Пример записи изменений вертикального профиля температуры в приполюсном районе по данным ITP-буя № 14 в период с 13 сентября по 5 ноября 2007 г.

Накопленный опыт использования ITP позволил выявить и устранить ряд технологических недостатков, оптимальным образом реализовать заложенные на этапе проектирования комплекса идеи. Таким образом, можно считать, что наиболее затратный в экономическом отношении период опытной эксплуатации преодолён. Стоимость производства и развёртывания комплекса невелика в сравнении с затратами на организацию океанографических наблюдений с других платформ, таких как научно-исследовательские суда и дрейфующие станции. Конечно, ITP не обеспечивает комплексную регистрацию дополнительных параметров, характеризующих состояние снежно-ледяного покрова и атмосферы. Этот недостаток может быть устранён путём использования ITP в составе автономных дрейфующих обсерваторий, включающих также автоматические метеостанции, балансомерные ледовые буи и другое измерительное оборудование. Ввиду особенностей конструкции, обусловленных необходимостью адаптации комплекса к усреднённым характеристикам ледяного покрова и батиметрическим условиям на целевой акватории, ITP не может получать информацию о поверхностном слое воды до глубины 5–7 метров и выходить на мелководные участки Арктического бассейна. Тем не менее, с помощью ITP-комплексов может осуществляться мониторинг пространственного расположения струи Атлантических вод и термохалинных характеристик в их ядре. Поскольку совокупность перечисленных параметров определяет один из основных климатообразующих факторов арктического региона, дальнейшее развитие программы ITP на всей глубоководной части акватории СЛО представляется перспективным направлением научных исследований в Арктике.

Заключение

Подводя итог обзора автономных измерительных комплексов можно отметить, что если заякоренные комплексы нацелены в основном на изучение гидрологических процессов, то задачам мониторинга гидрофизического состояния СЛО в большей степени отвечают дрейфующие буйковые станции. Современные модификации дрейфующих комплексов позволяют осуществлять их постановку как на открытую воду, так и на дрейфующий лед. Наряду с этим надежность разработанных и уже используемых комплексов доказывает высокую экономическую эффективность их дальнейшего использования в Арктике вне зависимости от направленности климатических изменений и состояния ледяного покрова. Кроме этого дрейфующие буйковые станции являются единственными автономными платформами, обеспечивающими оперативное поступление океанографической информации в течение круглого года. В экономическом отношении они значительно выигрывают у дрейфующих ледовых станций, организация, обеспечение и эвакуация которых приводит к высоким финансовым затратам.

S.A. Kirillov[8], K.V. Filchuk[9]. The anchored and drifted observational platforms for continuous registration of seawater parameters in the Arctic Ocean

Аbstract

The anchored and drifted observational platforms are considered as the main autonomous techniques which gains information on hydrophysical state of the Arctic Ocean. The advantages and disadvantages of both methods are discussed along with the perspectives of their further using for the observational network in the Arctic.

Е.В. Блошкина[10], А.К. Платонов[11], Н.А. Куссе-Тюз[12], В.И. Дымов[13], Т. А. Пасечник[14], В.В. Алексеев[15]

Возможности и перспективы мониторинга и изучения гидрологических условий Северного Ледовитого океана по данным спутниковых измерений

Аннотация

Статья посвящена возможностям использования спутниковой информации для мониторинга и изучения гидрологических условий Северного Ледовитого океана и его морей. Приводятся основные технические характеристики некоторых космических спутников и аппаратов дистанционного зондирования Земли. Рассматриваются особенности космического зондирования для определения температуры поверхности океана и уровня моря. Обсуждается вопрос использования спутниковой альтиметрической информации для верификации моделей ветрового волнения и её усвоение (ассимиляция) моделями ветрового волнения в оперативной практике. На конкретном примере показывается, что спутниковые данные по морскому волнению не всегда подходят для оперативной ассимиляции. Наблюдения за проявлениями на поверхности моря сложных динамических метеорологических и океанографических явлений, пятен поверхностных загрязнений позволяют проводить радиолокаторы с синтезированной апертурой, установленные на борту космических спутников.

Введение

Результаты анализа изменений гидрометеорологических процессов различных пространственно-временных масштабов, наблюдающихся в последние десятилетия в Арктическом бассейне Северного Ледовитого океана (СЛО), позволяют судить о современном состоянии и дальнейшем развитии глобальной климатической системы. Данных, получаемых различными контактными методами для изучения этих изменений, недостаточно. В связи с этим, важной задачей современных полярных исследований является применение спутниковой информации для мониторинга различных гидрологических характеристик и ее использование в прогностических и диагностических моделях. Основными преимуществами данных дистанционного зондирования (ДДЗ) над контактными методами является их относительная доступность, оперативность, высокое пространственное и временное разрешение. К факторам, затрудняющим применение части ДДЗ в Арктическом бассейне, можно отнести сезонные ограничения, связанные с распределением ледяного покрова и освещённостью поверхности моря, а также частым экранным эффектом облачности.

Температура поверхности океана

Одним из важнейших гидрологических параметров является температура воды. На сегодняшнем этапе развития космической океанологии спутниковые методы позволяют получать только данные распределения температуры поверхности океана (ТПО). Но уже сейчас существуют модели, позволяющие на основе данных дистанционного зондирования рассчитывать вертикальное распределение этой характеристики.

Первый спутник серии TIROS-N агентства NOAA, несущий на себе радиометр AVHRR, измеряющий ТПО в инфракрасном (ИК) диапазоне, был запущен еще в 1978 году [http://ngdc.noaa.gov]. Наиболее широкое использование методов получения ТПО из космоса начинается с 1990-х годов. На данный момент наилучшие ИК-данные по ТПО предоставляются радиометрами MODIS (спутники Aqua и Terra) и AVHRR/3.

Огромным достижением в развитии данного направления спутниковой океанологии стала возможность использования приборов, измеряющих ТПО в микроволновой части спектра (спутник TRMM с камерой TMI (1997 г.) [http://trmm.gsfc.nasa.gov], спутник Aqua с радиометром AMSR-E (2002 г.)).

Каждый из двух методов измерения ТПО имеет свои недостатки. Для инфракрасного излучения непреодолимой преградой является облачность любого типа, что не позволяет получать данные о ТПО в районах закрытых облаками. Также определенную негативную роль играет наличие в атмосфере различных аэрозолей, газов, водяного пара и состояние водной поверхности.

При сканировании морской поверхности в микроволновом диапазоне важную роль играют различные атмосферные явления, такие как осадки, сильный ветер, некоторые виды облачности, которые могут приводить к существенным ошибкам при измерении ТПО. Из-за малого разрешения снимка становится невозможным качественное определение ТПО вблизи берегов и кромки льда.

ИК и микроволновое излучения проникают под водную поверхность только на глубину порядка 1 мм, что также влияет на точность значений ТПО из-за наличия скин-слоя.

В общем случае на качестве спутниковой информации сильно сказываются угол сканирования камеры, положение конкретного пиксела на снимке, наличие солнечных бликов.

Пространственное разрешение данных, получаемых с ИК и микроволновых радиометров, очень отличается. Для ИК-камер оно достигает 1 км, для микроволновых радиометров – 50 км. Поэтому, при решении различных задач необходимо учитывать особенности этих методов измерения ТПО. Также, в некоторых случаях, возможно совместное использование данных, полученных как в инфракрасном, так и микроволновом диапазонах. Технические характеристики и точность измерения различных космических аппаратов и измерительных приборов представлены в таблице 1 [http://gis-lab.info/projects/ss/ss.html], (Гарбук, Гершензон, 1997).