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.

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