Лекция 9 прод

Для дополнительной комплектации всех своих CTD-зондов фирма IDRONAUT предлагает широкий выбор гидрохимических датчиков своего производства (их быстродействие не менее 3 с.), а также датчик касания дна. Предусмотрена возможность под­ключения флюориметров и различных гидрооптических измери­телей.

Рис. 4. Внешний вид CTD-зондов фирмы IDRONAUT: а) ОS319 с гидрооптическими измерителями; б) ОS320 с дополнительными датчиками; в) Мк317 с микрокассетой батометров; г) ОS302; д) ОS303

СТП-зонды фирмы "Richards Brancker Research Ltd", Канад­ская фирма RBR, основанная в 1986 г. и известная ранее как "Data Loggers", в числе другого океанографического оборудова­ния ранее уже выпускала измерители параметров воды, но с от­носительно слабыми метрологическими характеристиками. Од­нако, благодаря помощи известной фирмы Guildline и украинских специалистов из МГИ, для нового зонда удалось создать индук­тивный датчик электропроводности с титановым прочным корпу­сом, который обладает очень высокими характеристиками (рис. 5).

Рис. 5. Внешний вид CTD-зонда ХR-420 в титановом корпусе (а) и его индуктивного датчика (б) - корпус зонда пластмассовый, датчика - титановый

Вместо индуктивного датчика, для работы в опресненных во­дах, зонд может комплектоваться кондуктивным датчиком элек­тропроводности, обладающим не менее высокими характеристи­ками. В качестве датчика температуры использован платиновый термометр сопротивления, а датчик давления - фирмы "DRUCK". Возможно подключение 2-3 внешних датчиков (кислорода, рН, освещенности, флюориметра и т.п). Аналого-цифровое преобразование по всем каналам выполняется с разрешением 24 бит. Час­тота опроса 6 Гц, время осреднения от 1 с до 3 ч, интервал между выборками программируется в пределах от 5 с до 24 ч.

Функционированием зонда управляет контроллер на основе микропроцессора. Внутренняя энергонезави­симая флэш-память объемом 4 Мбайт обеспечивает до 1200 ты­сяч записей по 24 бит. Связь с компьютером обеспечивается че­рез интерфейс КЗ-232 со скоростью до 57,6 кбод. В качестве ис­точника питания используются 3-вольтовые литиевые батареи типа СК123А. Зонд выпускается в пластиковом (до 740 м) и тита­новом корпусах (до 3 000 м). Работа с кассетами батометров не предусмотрена.

CTD-зонды норвежских фирм. Один из наиболее популярных приборов фирмы ААDI - зонд RСМ9, работающий до глубины 2 000 м (рис. 6).

Рис. 4.6. Внешний вид CTD-зондов RСМ9 и SD204: а) RСМ9; б) устройство RСМ9 - 1- датчик давления, 2- датчик мутности, 3-датчик температуры, 4- электронная плата, 5- блок батарей, 6-измеритель течений, 7- датчик электропроводности, 8- блок хра­нения информации; в) SD204

В комплектацию этого зонда, кроме CTD-датчиков, входят датчики мутности и кислорода, а также доплеровский датчик течений DSC 3920. Скорость течений измеряется в диапазоне от 0 до 300 cm/c , с точностью ±0,15 см-с"¹. Направле­ние течений в диапазоне от 0 до 360°, с точностью ±5°, Результа­ты всех измерений передаются по кабелю на берег в реальном масштабе времени или записываются в съемном блоке памяти внутри прибора. Зонд функционирует под управлением контрол­лера на основе микропроцессора 87С51.

Оригинальным приемом является применение съемного блока хранения информации DSU2990, рассчитанного на 9 000 записей семи параметров (2 месяца с интервалом в 10 мин). Расширенный блок ОЗУ 2990Е рассчитан на 36 100 записей. Эти блоки допус­кает визуальный просмотр данных на встроенном дисплее или позволяет считывать данные на компьютер через интерфейс К.8-232. Для питания зонда используется блок батарей напряжением 9 В и емкостью 19 А-ч.

Приборы могут опускаться на лебедке с судна, устанавливать­ся на дне в специальных рамах, па якорных притопленных или плавающих буях, а также крепиться к гидротехническим соору­жениям.

Свободнодрейфующие профилемеры. Проект «АРГО»

Изучение океана и его влияния на погоду насчитывает уже не одно столетие, однако до середины прошлого века наблюдения ученых ограничивались только поверхностью. Заглянуть вглубь, а тем более вести там длительные наблюдения было невозможно. Только с середины 1950-х годов начались инструментальные измерения, которые проводились с помощью погружаемых буев. Поначалу эти аппараты почти не содержали электроники и выполняли роль щепок, брошенных в реку. Дрейфуя на больших глубинах, они периодически подавали звуковые сигналы, которые пеленговались океанографическими судами и позволяли определить координаты зонда. Кстати, даже по форме первые аппараты напоминали гигантские щепки — длинные алюминиевые трубы, заполненные жидкостью, сжимаемой меньше морской воды. Наблюдая за подводным движением таких маяков, ученые смогли обнаружить крупные глубоководные течения, невидимые инерционные и приливные колебания океана. Лучше всего была изучена северная Атлантика — ближайший и самый обжитый морской регион.

В 70-е годы развитие электроники позволило устанавливать на буи более сложные детекторы и постепенно превращать их в полноценные исследовательские зонды. Размеры буев могли быть достаточно большими, батареи — емкими, собранная информация — очень важной, но проблемой по-прежнему оставалась передача данных. Как известно, морская вода проводит электричество, а значит — экранирует радиоволны. Поэтому удобная радиосвязь, позволяющая управлять приборами даже на других планетах, в океане оказывается бесполезной. Если подлодки еще могут кое-как использовать ее, применяя сверхнизкие частоты и киловаттные мощности, то для погружаемых буев это невозможно. До сих пор у них есть только два выхода — передавать данные звуком, который в воде распространяется далеко, или всплывать на поверхность, поднимая над водой антенну.

В 70-е годы, как в заякоренных, так и в дрейфующих зондах, применялись оба способа связи, но по мере развития исследовательских спутников радио стало доминировать. Спутники впервые позволили ученым не охотиться за буями на океанографических судах, а сидеть в институтах и с комфортом принимать данные, собранные со всего земного шара. Осваивая эту технологию, океанологи проводили все более глобальные эксперименты, пока, наконец, в 1990 году не начался WOCE (The World Ocean Circulation Experiment; www.woce.org) — эксперимент по изучению циркуляции всего Мирового океана. Этот проект впервые потребовал покрыть зондами все океаны (на поверхности и под ней), и в его рамках был создан новый тип автономных аппаратов, которые могли многократно погружаться, дрейфовать на глубине и всплывать для передачи собранной информации.

Проект был международным, и в нем применялось несколько разновидностей зондов (например, SLOCUM — без батарей, питающийся за счет разницы температур), но главное — была отработана конструкция автономных аппаратов, свободно дрейфующих в глубине, а при всплытии — передающих данные через спутник. В большинстве случаев для этого использовалась орбитальная система Argos, состоящая из нескольких ретрансляторов на спутниках американского метеоведомства NOAA (Ретрансляторы Argos System всегда составляли лишь часть полезной нагрузки метеоспутников). Они вращались на низких (850 км) полярных орбитах и за сутки несколько раз сканировали всю планету, принимая данные из любого медвежьего угла.

Океанские зонды WOCE погружались на километровую глубину, а их установка длилась до конца 90-х, но уже в середине проекта ученые поняли, что сбор данных такими зондами чрезвычайно перспективен и его надо расширять. Так и родился проект Argo, своим названием не связанный ни с Argos System (через которую идет передача его данных), ни с военным спутником ARGOS, запущенным в 1999 году по заказу ВВС США. Согласно FAQ’у на официальном сайте www.argo.net, имя выбрано «для отражения синергии исследований проекта с орбитальным зондированием океанов, которое проводит спутник Jason-1» (Греческий герой Язон плавал на корабле Арго за золотым руном. Кстати, главная задача спутника Jason-1, выведенного на орбиту в 2001-м — съемка рельефа морской поверхности с ошибкой не более 45 мм, успешно завершилась 7 декабря прошлого года. Съемка подтвердила старые рассказы моряков о необычно высоких волнах, внезапно возникающих посреди спокойного океана).

Сегодня автоматические погружаемые зонды для проекта Argo изготавливаются в США и Франции. Возможно, в скором времени их начнет выпускать Индия. Конструкции разных производителей отличаются в деталях, но в целом они похожи, как родные братья. Самые популярные зонды APEX (американской Webb Research Corporation) представляют собой алюминиевые цилиндры диаметром 16,5 см, высотой 1,3 м и весом 26 кг. Они могут плавать, как буйки на поверхности воды, и они это делают, когда передают собранные данные, но главное — они могут погружаться. Внутри корпуса находится электромотор с поршнем, а под корпусом — пузырь со специальной жидкостью. Двигая поршень, мотор выдавливает жидкость из цилиндра в пузырь, или наоборот — засасывает внутрь, отчего зонды всплывают и погружаются на заданную глубину.

Прочность и простота инициализации аппаратов (в APEX надо лишь ввести регистрационный номер и провести магнитом по нужному месту), позволяют сбрасывать их даже с низколетящих самолетов. После попадания в воду каждый зонд проекта Argo находится на поверхности несколько часов, измеряя температуру и соленость воды. Затем, по команде собственного процессора, начинается погружение на два километра со скоростью около 10 см/с. Это занимает более шести часов, после чего зонд дрейфует девять дней в глубоководных течениях. На девятый день начинается всплытие, при котором записывается окружающая температура и соленость. Добыча этих данных (от 2 км до поверхности, в случайной точке океана) и есть главная задача зонда.

После подъема на поверхность запись передается через Argos System на частоте 401,65 МГц в виде пакетов длиной до 256 бит. Это обычные характеристики для орбитальной системы Argos System, созданной, кстати, еще в 1979 году и сегодня обслуживающей более 10 тысяч наземных передатчиков (Маяки Argos System крепят даже на животных и крупных птиц. Обслуживание одного передатчика в системе Argos стоит примерно 10 долларов в сутки за данные и вычисление координат, и вдвое меньше только за данные. Подробнее см. www.argosinc.com). Сейчас Argos System состоит из двух спутников, которые проходят над любой точкой экватора (в зоне радиовидимости) шесть-семь раз в сутки, а над полюсами 28 раз. «Окно» радиосвязи (пока односторонней) длится около десяти минут. Интересно, что эта система позволяет определять координаты наземных маяков безо всякой GPS. Принимая сигналы, два спутника фиксируют доплеровский сдвиг частот (когда приближаются к передатчику и удаляются от него), а наземный центр обработки может вычислить по таким сдвигам расположение маяка с точностью от 1 км до 150 м.

Океанские зонды дрейфуют на поверхности воды до полусуток, а затем опять погружаются (Глубина подводного дрейфа может быть задана и меньше 2 км, но перед всплытием зонд все равно должен попытаться нырнуть и снять данные, начиная с двухкилометровой глубины). Щелочные батареи, занимающие большую часть алюминиевого корпуса, позволяют выполнить более полутора сотен циклов погружение-всплытие. В промежутках между ними зонд почти не расходует энергии, поэтому общий срок работы должен составлять четыре года.

Хотя аппараты полностью отданы на волю волн, океанологи утверждают, что их будет редко выбрасывать на берег — гораздо чаще они будут попадаться в сети рыбакам, но такая естественная убыль не должна сильно повлиять на ход проекта. Большинство зондов проработает положенный срок до разряда батареи, когда они не смогут всплыть на поверхность и останутся в глубине, пока коррозия не разрушит корпус и они не упадут на дно. По словам изготовителей, зонды не содержат опасных для гидросферы материалов, не засоряют океан шумом и не вредят кораблям, если тем случается их «переехать».

Каждый такой аппарат стоит примерно 15 тысяч долларов, еще в такую же сумму обходится годовая обработка его данных. Начиная проект в 2000 году, участники собирались запустить полторы тысячи зондов до конца 2003-го, однако это случилось годом позже. Всего должно быть установлено три тысячи устройств, а потребуется на это более 200 млн. долларов. Сейчас в проекте участвуют восемнадцать стран, но очень неравномерно. Почти половину зондов установили США, а, например, Россия, смогла выделить деньги, по одним данным, на четыре, по другим — лишь на два аппарата (см. rus.hydromet.com/~argo).

Аrgos System передает информацию с океанских зондов тем ученым, которые оплачивают ее обработку (обычно это национальные метеоцентры), поэтому на большинстве этапов проект Argo является децентрализованным. После проверки, температурные данные зондов должны в течении суток (Данные о солености задерживаются на несколько месяцев, поскольку выводятся из электропроводности воды и их правильное вычисление требует учета дополнительных сведений) передаваться во Всемирную сеть метеоинформации, где они становятся общедоступными, а также в глобальные координационные центры проекта, расположенные в Монтеррее (США, www.usgodae.org) и Бресте (Франция, www.coriolis.eu.org).

Обходясь без обычных бюрократических структур, Argo является весьма гибкой инициативой, к которой легко присоединиться новым участникам. Конструкция зондов может постоянно меняться и насыщаться дополнительными сенсорами, соблюдая лишь основные требования к проведению замеров температуры и солености. Например, 31 августа прошлого года французские океанологи сбросили в центр атлантического урагана три зонда, оснащенных приемником GPS и терминалом связи системы Iridium. Они были запрограммированы держаться несколько суток на малой глубине, чтобы случайно не быть поврежденными сильным волнением, но воспринимать общее движение штормовых течений. Скорость течения измерялась экспериментальным сенсором, учитывавшим электрический ток, возникающий от прохождения соленой воды сквозь магнитное поле Земли. Когда ураган утих, аппараты всплыли, им передали новую программу, и они присоединились к «племени Argo». Очевидно, что можно придумать и другие варианты похожих устройств.

В будущем двухсторонняя спутниковая связь с зондами несомненно станет обычной, и обновления их программ будут проводиться регулярно. Кроме того, со временем аппараты наверняка станут активно передвигаться, превратившись в настоящих подводных роботов. Наверное, у них не будет привычных гребных винтов — горизонтальное смещение обеспечат небольшие плавники, толкающие аппарат «вбок» при погружении и всплытии обычным способом. Такой способ движения уже испытан и прошлой осенью позволил роботу Spray самостоятельно проплыть в океане тысячу километров — за пятьдесят дней, от мыса Код до Багамских островов (с попутным Гольфстримом). За одно погружение-всплытие на километровую глубину, длившееся десять часов, Spray продвигался по горизонтали на 5 км, что было вполне достаточно для перехода в нужные течения. Примечательно, что конструкция Spray повторяет зонды Argo. Разница лишь в наличии у Spray двух коротких «крыльев», из-за которых его называют «подводным планером» (Underwater Glider), да подвижной батареи, позволяющей сдвигать центр тяжести аппарата, меняя его крен.

Проект АРГО является первой попыткой организации постоянно действующей глобальной сети океанографических станций на основе дрейфующих буев-измерителей. С учетом существующей сети поверхностных буев сеть буев-измерителей составляют основу новой науки- оперативной океанографии.

Данные, получаемые с этой сети полезны, прежде всего, для прогноза погоды и климата (поэтому проект АРГО является частью программы CLIVAR), а также прогноза состояния океана (поэтому проект АРГО является частью программы GODAE).

Большой объем расходов по проекту распределяется между странами-участницами. Каждая из них должна на свой счет закупить, разместить в океане посильное количество буев, а также принимать и распространять информацию, полученную с них. В проекте в настоящее время принимают участие все развитые и развивающиеся страны, включая США, Канаду, Австралию, Новую Зеландию, Японию, Южную Корею, Индию, страны Европейского союза совокупно и раздельно (Франция, Германия, Великобритания, Дания, Испания).

Широкое представительство государств в проекте обеспечит финансирование проекта в накоплении, обработке и анализе данных.

Целью проекта АРГО создание и поддержание глобальной сети из 3000 буев-измерителей. Задачами проекта являются :размещение в Мировом океане заданного количества буев; создание национальных центров АРГО; обеспечение свободного доступа к данным; передача в Глобальную сеть данных в течение 24 часов (требуемых на первичный контроль качества) с момента поступления.

Несмотря на то, что проект проводится совместными усилиями многих организаций многих стран, управление проектом такого масштаба впервые проводится без бюрократической надстройки. Проект управляется ежегодными собраниями Научного Комитета и Комитета по данным. Комитеты ежегодно собираются в основных странах-участницах. Научный комитет собирался в Истоне, США (1999); Саутгемптоне, Великобритания (2000); Сиднее, Канада (2001); Хобарте, Австралия (2002), Бресте, Франция (2003); Саутгемптоне (2004).

Собрания комитетов рассматривают состояние сети станций, потребности и возможности распределения буев, качество буев и данных, проблемы распространения данных.

Вместе с данными измерений температуры и солености (электропроводности) дрейфующие буи обеспечивают также и данные о течениях на двух горизонтах (заданной глубине дрейфа и поверхности). Заметим, что буи нового поколения по команде с берега могут изменять горизонт дрейфа. Вместе со спутниковыми измерениями возвышения поверхности океана, полученные данные позволяют определить характеристики течения от поверхности до горизонта дрейфа.

Данные сети постоянных океанографических станций позволяют получить следующее.

- Оперативно (в реальном времени) данные для прогноза состояния океана;

- начальные, граничные и усвояемые данные для наладки и работы моделей состояния океана и парных моделей (океан-атмосфера);

- Качественные климатические трехмерные схемы состояния Мирового океана и параметры их временной изменчивости;

- Временные ряды параметров теплового состояния океана и параметров морской воды;

- характеристики состояния промежуточной и глубинной водных масс;

- характеристики течений в 2000-метровом слое океана;

- данные для объяснения глобальных феноменов в атмосфере и океане (Эль-Ниньо);

- данные необходимые для определения абсолютного уровня Мирового океана;

Все данные измерений АРГО должны быть доступны в своих странах всем желающим: от учеников до ученых. Первичный (оперативный) поток данных поступает в глобальную метеорологическую сеть (ГСТ) после первичного контроля (в течение 24 часов после передачи на спутник).

Данные, прошедшие контроль качества (что занимает несколько месяцев), поступают от т.н. «основных» учёных в национальные центры данных АРГО, а от них- в несколько международных: региональные (в каждом океане), американский (в Монтеррее) и глобальный (в Тулузе). Доступ к данных обычно производится только через национальные центры данных..

Заметим, что буи-измерители использовались до проекта АРГО и используются также вне проекта.

Однажды созданная сеть океанографических станций будет существовать долго (до тех пор, пока будет потребность в океанографической информации). Возможны лишь непринципиальные изменения: увеличится количество буев в сложных районах, изменится количество измеряемых параметров и вид буев.

БУИ АРГО

Непосредственными предшественниками буёв-измерителей были глубинные дрейфующие буи ALACE, широко использованные в проекте WOCE в конце 80-х годов.

В настоящее время производится 4 разновидности буев-измерителей, используемых в проекте АРГО. Наибольшее распространение получили два вида, производимых в Фалмуте, США (АПЕКС) и во Франции (ПРОВОР). Организации, использовавшие несколько типов (для сравнения характеристик), неизменно переходили к буям АПЕКС. Япония начало использование буёв NINJA. Буи Китая и Индии не вышли за пределы экспериментов.

Буй АПЕКС обычно комплектуется тремя датчиками (давления, температуры и электропроводности) компаний Си-берд или ФСИ. Его длина с антенной- около 2 м. Горизонт дрейфа и нижний горизонт измерений на буях нового типа можно задавать различными.

Для проекта АРГО приняты следующие установочные параметры буев: нижний горизонт измерений-2000 м, а дискретность измерений- 10 дней, время нахождения на поверхности- около 6 часов. Параметры неизменны в течение всей продолжительности дрейфа (3-4 года, если буй не будет выловлен). Предполагается, что буй стоимостью около 15 тыс.долларов должен произвести до 150 станций за весь период работы. Без учета стоимости подготовки и постановки (используются добровольные и попутные суда) стоимость одной станции составит около 100 долларов.

Наибольшую проблему составляет уменьшение точности измерений солености с увеличением времени дрейфа. Для оценки этого тестировались датчики нескольких буев, как пойманных случайно (рыбаками), так и специально (что непросто, учитывая, что буй находится на поверхности весьма непродолжительное время и трудно пеленгуется).

Предполагается, что параметры буев в будущем могут меняться по команде с берегового компьютера (по обычному каналу). Соответствующие спутники уже запущены и ведется отладка таких буев.

СВЯЗЬ И ДАННЫЕ

Данные измерений одной станции передаются (рис.1) на систему спутников (АРГОС), проходящих через место всплытия буя. Если сеанс связи пропущен (нет спутника или поверхность недоступна- лед или вода более низкой, чем предполагалось, плотности)- данные пропадают.

Полученные через спутник данные перекодируются (с шестнадцатиричного в десятиричный код), проверяются их координаты и точность и в течение суток- передаются в глобальную метеосеть (ГСТ), т.е. доступны всем странам. После более детального контроля качества данных (занимающего несколько месяцев), они передаются в два глобальных центра АРГО.

Рис.1. Схема связи буя измерителя с береговым центром.

Степень доступности к таким данным дифференцирована в зависимости от страны и группы, к которой относится пользователь. Для ученых данные доступны с разрешения того ученого(ПИ- principal investigator), кто является ответственным за проект. Так как в одной стране могут быть несколько ведомств, осуществляющих постановку, и несколько ПИ, то их интересы соблюдаются.