Наземные и морские измерения

Сеть морских гидрометеорологических буйковых станций и подводных аппаратов

Эта сеть состоит из стационарных якорных и подвижных буев и аппаратов, размещенных на акватории моря. Установка и эксплуатация буев и подводных аппаратов производятся с учетом требований безопасности морского су­доходства, поэтому требуется предоставление информации об их местонахождении. Буи и аппараты автоматически производят измерения метеорологических и океанографических (по­верхностных и глубоководных) параметров, накопление данных, их кодировку и передачу информации в центры сбора. С морских буев в автоматическом режиме с определенной диск­ретностью поступает следующая информация: атмосферное давление у поверхности моря, температура и влажность воздуха в приводном слое, направление и скорость ветра, температу­ра и электропроводность воды у поверхности моря и на глубинных горизонтах, направление и скорость течения (с якорного буя) или пара­метры дрейфа (с дрейфующего буя).

Сеть пунктов наблюдений за загрязнением морских вод

Данная сеть располагается на побережьях морей, морских заливов, бухт, гаваней, в при­брежной зоне и на акваториях морей и океа­нов. Полученная в результате функционирова­ния морской наблюдательной сети информа­ция о состоянии природной среды морей Украины в виде гидрометеорологических, ледовых, океанографических и других данных исполь­зуется в обслуживании информационных по­требностей отраслей экономики, военно-мор­ского флота, морского транспорта, рыбного промысла, разведки и эксплуатации морских месторождений нефти и газа, проектирования и строительства морских гидротехнических сооружений.

Морская наблюдательная сеть является также базой экспериментальных наблюдений, опытной эксплуатации новых технических средств измерений, апробации новых мето­дик наблюдений, подготовки специалистов по морской гидрометеорологии и океанографии.

Дистанционный мониторинг

Для мониторинга морей Украины применя­ются также летательные и космические аппа­раты.

Летательные аппараты применяются для океанографических наблюдений и работ при необходимости быстрого получения данных о распределении на больших акваториях тем­пературы поверхности моря (с помощью ра­диометров) и морских льдов (с помощью ра­диолокаторов), для аэрофотосъемок волнения, исследования циркуляции и динамики вод, профилей водной поверхности в прибрежной зоне моря (с применением лазерного профи- лографа), для установления признаков загряз­нения вод.

Космические аппараты находят широкое применение в практической океанографии для получения информации о распределении тем­пературы поверхности моря, морских льдов, циркуляционных структур, взвесей, фитоплан­ктона, нефтяного загрязнения и др. Спутнико­вая альтиметрия позволяет получать продоль­ные профили уровенной поверхности моря и осуществлять мониторинг изменений уровня моря. Использование метода спутниковой гео­дезии на основе глобальной системы позици­онирования GPS позволяет при наблюдениях уровня моря учитывать вертикальные движе­ния земной коры и обеспечивать привязку уро- венных наблюдений к единой высотной основе.

В настоящее время, к сожалению, наблю­дения в системе комплексного фонового мо­ниторинга природной среды морей Украины значительно сократились или прекратились полностью в условиях резкого сокращения государственного финансирования. Авиаци­онные и космические средства практически не используются из-за отсутствия современных специально оборудованных самолетов и оте­чественных природно-ресурсных спутников, предназначенных для изучения Земли.

Температура и соленость

Температура, соленость, плотность, ско­рость и направление течений, уровень поверх­ности моря являются основными физическими параметрами Мирового океана. До середины прошлого столетия они измерялись традици­онными контактными методами. С развитием приборостроения появились дистанционные методы зондирования поверхности океана как с борта самолета, так и с искусственных спут­ников Земли (ИСЗ). Таким образом, данные о состоянии океана условно можно подразделить на два типа: контактные и дистанционные.

Наземные и морские измерения

Основными источниками океанографичес­кой информации, получаемой контактными методами, являются попутные судовые изме­рения, океанографические станции, разные зонды и батитермографы, специализирован­ные платформы, уровенные посты, разные буи и др. Каждый из них дает свой спектр инфор­мации о состоянии океана. Кратко остановим­ся на каждом из них. Более подробно они опи­саны в работе (Воуег е! а1., 2006).

Попутные судовые измерения

Попутные судовые измерения начались с наблюдений за погодой и состоянием поверх­ности океана, которые проводились с начала активного мореплавания. Первые попутные судовые измерения температуры поверхнос­ти океана (ТПО), которые можно найти в базе данных "Мировой океан 2005" относятся к 1867 г. Эти изме­рения проводили норвежские суда во время работ в Северном и Нор­вежском морях и в Северной Атлантике около о. Исландия.

Помимо традиционных наблюдений за ос­новными метеорологическими величинами (температурой воздуха, скоростью и направ­лением ветра и т. д.) при попутных судовых измерениях собирается информация о харак­теристиках океанической поверхности. Снача­ла это были только измерения ТПО и высоты морских волн, позднее некоторые рыболовец­кие суда стали проводить измерения содержа­ния С0₂ и хлорофилла в поверхностном слое океана. Число подобных измерений к настоя­щему времени значительно увеличилось

При попутных корабельных измерениях точность измерения ТП5)[1].О (ртутными термо­метрами) составляет не более 0,001°С, а солености — 0,02%о .

Океанографические станции

История проведения измерений океано­графических параметров океанографическими или гидрографическими станциями начинает­ся с экспедиции английского военного кораб­ля "Challenger" в 1872—1876 гг. Это была первая комплексная экспедиция по изучению Мирового океана, организованная по инициативе Британско­го адмиралтейства и Королевского общества.

Было пройдено около 69 тыс. морских миль (более трех окружностей экватора), пересече­ны с севера на юг и с запада на восток Атлан­тический и Тихий океаны, проведены наблю­дения на 362 океанографических станциях. Впервые были взяты пробы морской воды с разных глубин (горизонтов) и измерены ее фи­зические свойства, химический и биологичес­кий состав. Таким образом, данные океаногра­фических станций содержат комплексную информацию не только о приповерхностных водах океана, но о всей его толще. Их еще называют профилями океа­нографических параметров.

По продолжительности работ океаногра­фические станции подразделяются на разовые, многочасовые, полусуточные, суточные и мно­госуточные. Наблюдения ведутся с судна, ле­жащего в дрейфе (дрейфовые океанографичес­кие станции) или стоящего на якоре (якорные океанографические станции), а также с дрей­фующего или неподвижного льда. Глубоковод­ные измерения на океанографических станци­ях выполняются на горизонтах, принятых за стандартные (0, 5, 10, 20, 50, 75 м и т. д.).

В начале 1960-х годов механические инс­трументы были заменены электронными инструментами, из­меряющими электропроводность, температу­ру и глубину.

Начиная с 1970-х годов в рамках разных международных и национальных проектов проводятся периодически повто­ряющиеся измерения вертикальных профи­лей разных океанографических параметров на стандартных горизонтах вдоль разрезов по акватории всего Мирового океана. Это позво­ляет получить информацию, необходимую в первую очередь для исследования и модели­рования как состояния Мирового океана, так и изменчивости его климата. В базе данных WOD05 за период 1872—2004 гг. общее число данных таких измерений превысило 2,2 млн

Измерения батитермографами и зондами Принцип измерения этих датчиков основан на фундаментальной зависимости электропро­водности морской воды от температуры и соле­ности (^а11асе, 1974; Рпеп, 2001). Измерения записываются в электронной форме или внутри инструмента во время погружения или на ком­пьютер, находящийся на корабле. Температура обычно измеряется термистором, электропро­водность — с помощью электромагнитной ин­дукции, давление — кварцевым кристаллом.

Батитермограф — механическое устройс­тво, которое показывает профиль температу­ры в зависимости от глубины на задымленном куске стекла. Это устройство широко использовалось для картирования термичес­кой структуры вод верхней части океана вклю­чая слой перемешивания до того, как было заменено в 1970-х годах сначала цифровыми, а потом невозвратными батитермографами ( ХВТ).

Невозвратный батитермограф (ХВТ) — электрический прибор, который измеряет изменение темпера­туры с глубиной, используя термистор на сво­бодно падающем обтекаемом грузе. Термистор соединен с омметром на корабле тонкой медной проволокой, которая разматывается с тонущего груза. Зонд достигает глубины от 200 до 1830 м в зависимости от мо­дели прибора.

В начале 1960-х годов, помимо замены ме­ханических инструментов электронными инструментами, из­меряющими электропроводность, температу­ру и глубину, была проведена разработка спе­циализированных СТО-зондов. Они получили свое название от Conductivity Temperature Depth. Результаты изме­рений записываются в электронной форме или внутри инструмента во время погружения (автономная система) или на компьютер на борту корабля (телеметрическая система). Температура обычно измеряется термистором, электропро­водность — с помощью электромагнитной ин­дукции, давление — кварцевым кристаллом.

Кабель­ные зонды используют кабель-трос для своего электропитания и передачи данных в цифро­вом виде в бортовое устройство или сразу в компьютер. Главным достоинством кабельных зондов является возможность наблюдения за изменением измеряемых величин в реальном масштабе времени. Это качество особенно важно для оперативной оценки изменяющихся характеристик водных масс.

Буйковые измерения Дальнейшим развитием системы измере­ний основных океанографических парамет­ров (температуры и солености) стало создание сети автономных или буйковых океанографи­ческих станций. Буйковые измерения можно подразделить на три основных группы: заяко­ренные, дрейфующие и профилирующие.

Заякоренный буй — закрепленный на яко­ре буй, на тросе которого закреплены датчики измерения температуры, солености (электро­проводности) и давления, а в некоторых слу­чаях — и датчики скорости течения. На самом буе расположена небольшая автономная мете­орологическая станция, иногда и измеритель высот ветровых волн. Получаемая информа­ция передается по кабелю или через спутник в центр обработки данных.

Первыми дрейфующими по сути своей стала "бутылоч­ная" почта, которая еще в начале 1800-х годов позволила сделать первые шаги в изучении по­верхностной циркуляции Мирового океана. В дальнейшем для изучения течений на глубине стали использовать поплавки нейтральной пла­вучести, пространственное и временное рас­положение которых определялось с помощью акустических локаторов.

Современный дрейфующий буй (или дрифтер) помимо передачи на борт спутника сигнала, позволяюще­го определить его местоположение, оснащен датчиками измерения основных метеороло­гических величин (атмосферного давления, температуры воздуха, скорости ветра и т. д.) и океанографических параметров— температуры и солености.

Международная программа WОСЕ потре­бовала глобального покрытия Мирового океана дрейфующими буями не только на поверхнос­ти, но и на глубине. Для этого были созданы поплавки нейтральной плавучести нового типа. Они дрейфовали на заданном го­ризонте (от 200 до 1000 м), всплывали на по­верхность через заданный интервал времени, передавали на спутники сигнал, позволяющий зафиксировать их поло­жение, и вновь опускались на горизонт дрейфа.

Первые эксперименты с дрейфующими дрифтерами в Черном море были проведены в конце 1990-х годов совместными усилиями Морского гидрофизического института (Се­вастополь, Украина) и Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН (Москва). Следующим этапом развития буйковых из­мерений основных океанографических пара­метров стало создание профилирующих буев.

Спущенный на воду буй опускается на за­данный горизонт и дрейфует в течение 10 сут. После этого он поднимается на поверхность с постоянной скоростью 1 м/с, проводя измере­ния давления, температуры и электропровод­ности (на основании которой в дальнейшем рассчитывается соленость морской воды). Процесс подъема с глубины 2000 м и измере­ния обычно занимают около 6 ч. Поднявшийся буй дрейфует на поверхности в течение не­которого времени, достаточного для переда­чи данных на проходящие спутники (обычно 6—12 ч). Цикл повторяется до тех пор, пока не истощатся батареи или буй не будет выловлен случайно рыбаками. Поймать буй специально довольно сложно — требуется сочетание мно­гих условий (спутниковый телефон, пеленгационный контур и хорошая погода).

Успешное использование в северной час­ти Атлантического океана сети из нескольких десятков профилирующих буев в 1997—1998 гг. в рамках программы WОСЕ позволило при­ступить к созданию международной системы ARGO, представляющей собой прообраз гло­бальной сети автономных океанографических станций. Предложенный впервые в 1999 г. проект был одобрен Межправительственной океанографической комиссией и Всемирной метеорологической организацией (ВМО). Он начал воплощаться в жизнь в 2000 г.

Первичная цель проекта АRGO — созда­ние и поддержание глобальной сети из 3000 буев (что соответствует более 100 тыс. изме­рений СТD-зондами) — была достигнута в ноябре 2007 г. Одновременно были созданы национальные центры АRGO и обеспечен сво­бодный доступ к данным через Интернет в те­чение 24 ч (требуемых на первичный контроль качества) с момента их поступления.

Информация с всплывающих буев посте­пенно становится более востребованной, чем данные корабельных измерений СТD-зондами.