Особенности зондов различных производителей

CTD-зонды фирмы "Sea-Вird Е1есtrопics, 1пс.". Фирма SВЕ, несмотря па наличие исследовательского отдела, является в большей степени промышленно-торговой компанией, и ее дея­тельность полностью соответствует всем нормам, присущим по­добной организации. Фирма довольно консервативна в своей на­учно-технической политике. Образцы продукции меняются ред­ко, в основном только тогда, когда намечается спад уровня продаж. При этом продукция чаще проходит модернизацию, что позволяет использовать ее возможный потенциал до последней степени. В то же время, компанией проводится очень активная рек­ламная политика наступательного характера. Свой имидж фирма строит, рекламируя собственную продукцию как "стандарт океа­нологического оборудования".

Отличительными чертами и характерными "фирменными" особенностями разработанной SВЕ аппаратуры являются:

- преимущественно модульная конструкция погружаемых уст­ройств;

- ячейка датчика электропроводности кондуктивного типа;

- помповая система прокачки;

-частотные аналого-цифровые преобразователи.

В качестве датчика электропроводности все зонды фирмы SВЕ используют одну и ту же ячейку кондуктивного типа, разрабо­танную в 1973 г. Ее высокие метрологические качества обеспечиваются благодаря применению системы при­нудительной прокачки воды с помощью специальной помпы. Кстати, здесь стоит развенчать одну красивую легенду фирмы, согласно которой помповая система (вроде как фирменное "ноу-хау", которого ни у кого больше нет) специально используется для достижения равномерного потока внутри датчика и повыше­ния метрологических качеств. Действительно, для некоторых мембранных датчиков, напри­мер, кислородного, это довольно действенный прием. Однако в нашем случае все не так. Здесь сознательно перепутаны причина и следствие. В старых публикациях сам конструктор кондуктив-ного датчика А. Педерсон пишет, что для датчика он использовал готовую ячейку кондуктивного типа от проточного лабораторно­го кондуктомера. Причем первоначально для работы датчика SВЕ4 в водной толще использовать помпу не предполагалось. Позже при экспериментах по использованию датчиков на букси­руемых системах было выявлено, что скорость протока воды в ячейке составляла примерно только одну четверть от скорости движения самого датчика при его перемещении в бассейне со скоростью более 1 м-с -1. В связи с этим, для нормальной работы датчика в составе буксируемой системы пришлось использовать специальную помпу. Дело в том, что, по законам физики, при зондировании со скоростью 1 м-с"1, трубка длиной 200 мм и диа­метром 4 мм будет играть роль капилляра, а вода через нее сама не будет протекать с такой скоростью. Никому из "изобретате­лей" датчика первоначально это в голову не пришло. Ну а потом все забыли про это, и родилась красивая легенда, которую пред­ставители фирмы рассказывают нашим молодым специалистам. В статье уже других авторов описываются эксперименты, связан­ные с исследованием временных характеристик ячейки при ее движении с разными скоростями в бассейне, а также варианты математических моделей и формулы для минимизации погреш­ностей измерений. В частности, показано, что при использовании помпы и скорости 1 м-с"1 во входной трубке диаметром 7 мм в самой ячейке с внутренним диаметром 4 мм скорость увеличится до 3 м-с"1, при числе Рейнольдса равном 12000. Появляющаяся при этом турбулентность создает дополнительные и трудно учи­тываемые погрешности при измерениях электропроводности.

Наиболее точным зондом до недавнего времени считался CTD-зонд SВЕ911+, который создан еще в 70-80-х годах. Его наименование составлено из названий собственно зонда (погруж­ного устройства) SВЕ9 и бортового устройства SВЕ11.

Зонд SВЕ911 + представляет собой модульную конструкцию и состоит из центрального большого модуля 8ВЕ9 со встроенным датчиком давления и нескольких контейнеров меньшего размера, связанных с основным блоком резиновыми соединительными кабелями (рис. 1).

 

 

Рис. 1. Внешний вид и устройство зондов SВЕ911+ (а,б), SВЕ19+ (в), SВЕ25 (г): 1 - основной блок SВЕ9; 2 - помпа SВЕ5Т; 3 - модуль температуры SВЕЗ; 4 - модуль электропро­водности SВЕ4; 5 - вход системы прокачки; 6 - герморазъемы к датчикам; 7 - выход системы прокачки; 8 - основной и дополни­тельные герморазъемы; 9 - основной блок SВЕ25; 10 - модуль давления SВЕ29

 

 

СТО-зонды фирмы "Falmouth Scientific, 1пс.". Характер фирмы FSI можно описать как научно-производственное объединение. Здесь, наверное, играет большую роль близость Вудсхольского океанографического института, работы по его заказам, участие в совместных экспедициях и широкие контакты между сотрудниками. В отличие от SВЕ, сотрудники FSI имеют очень большое число научных публикаций. К сожалению, занятие нау­кой и пренебрежение рекламой влияет на бизнес, особенно если во главе фирмы стоит ученый. Свидетельство этому - вся исто­рия компании.

Н. Браун изобретает свой датчик электропроводности, создает зонд Магк-Ш и основывает для их реализации компанию "Neil Brown Instruments Systems, Inс." (NBIS). Своей надежностью и простотой в эксплуатации зонд завоевал широкую популярность и стал своеобразным стандартом "де-факто" при проведении мeждународных океанологических исследований. Однако, в конце концов, Н. Брауну надоело руководить, он продал свою фирму крупной транснациональной компании ЕG&G, которая начала выпускать зонды в массовом порядке, и полностью перешел на научную работу.

В течение примерно пяти лет компания ЕG&G успешно ведет продажи зондов Магк-IIIВ, но неодобрительно относится к идеям сотрудников по созданию новой аппаратуры. В результате, ком­пания ЕG&G потеряла интерес к своему отделению по выпуску CTD-зондов и передала технологию производства зонда Магк-IIIВ фирме "Gеnегаl Осеаnics" (GО) (США), хорошо известной по пластиковым батометрам и кассетам (ими комплектовались зон­дирующие комплексы на основе зонда Магк-IIIВ).

Часть сотрудников ЕG&G, занимавшихся работой над зондом, также перешла в эту фирму, а другая часть разработчиков и 1989г. организовала свою собственную фирму “Falmouth Scientific, 1пс”. Президентом фирмы FSI был вы­бран талантливый инженер А. Фужер, а главным консультантом стал Н. Браун, одновременно продолжавший работу в Вудсхольском институте.

В новой фирме решили начать свою деятельность, как гово­рится, "с чистого листа". Дело в том, что еще в 60-х годах экспе­рименты по сравнению двух типов датчиков убедили Н. Брауна и перспективности индуктивного метода измерений, и только несо­вершенство технологий того времени заставила его разработать для зонда Магк-III кондуктивный датчик. К 1992 г, используя новейшие технологии, Н. Браун совместно с фирмой FSI разработал целый ряд новых индуктивных датчиков и измерителей, в том числе известные зонды IСТD и МСTDЗ, обладающие высокими метрологическими и эксплуатационными качествами.

Четвертый этап. А. Фужер, которому через некоторое время тоже надоедает администрирование, уходит со своего поста. Фирма FSI добровольно вошла в состав международной компа­нии, оставив за собой свое имя и А. Фужера в качестве техниче­ского директора, а Н, Брауна в качестве консультанта. При этом, как и во времена ЕG&G, уровень продаж зондов FSI резко возрос.

В результате, за последние 30 лет, группа исследователей во главе с Н. Брауном, а затем и с А. Фужером разработала ряд CTD-зондов, получивших большое распространение в океаноло­гической, в том числе и отечественной, практике.

CTD-зонд Маrk-III первоначально был разработан для иссле­дования вертикальной плотностной структуры океана. Прототи­пом этого прибора послужил микропрофилограф Н. Брауна. В зонде в качестве датчика температуры используется платиновый термометр типа 171-В1 вместе с термистором ОС325М2. С помощью термистора осуществляется корректировка частотной характеристики платинового датчика в области высоких частот, стабильность же всего изме­рителя определяется стабильностью платинового датчика. Для измерения электропроводности используется миниатюрная четырехэлектродная ячейка N618. Глубина измеряется тензометрическим преобразователем давления типа 210 Рапе.

Заканчивая тему зонда Магк-III, следует отметить, что после прекращения его выпуска в компании ЕG&G, право на его производство приобрела фирма GО. На основе новой элементной базы серьезной модернизации подверглась схемотехника (конструкция корпуса и датчиков практически не затрагивалась), в результате чего был создан последний вариант зонда - Магс-IIIС, обладаю­щий несколько более высокими характеристиками, чем преды­дущий вариант.

CTD-зонд типа IСТD сохранил все лучшие качества зонда Магк-III и является основным высокоточным зондом среди про­дукции фирмы FSI (рис. З).

 

 

Рис. 3. Внешний вид CTD-зондов ICTD (а), МСТD-3 (б) и NХIC (в)

 

 

CTD-зонды фирмы "IDRONAUT S.r.l.” В настоящее время фирма IDRONAUT - ведущий европейский производитель зон­дов собственной разработки, широкий спектр которых выпуска­ется под названием "Осеаn Seven" (ОS). Во многом этот успех вызван тем, что зонды имеют относительно низкие цены при вы­соком качестве измерений. В значительной степени такой резуль­тат стал возможен благодаря удачной конструкции 7-электродного кондуктивного датчика электропроводности с про­точным отверстием большого диаметра и без внешнего поля, а также предложению дополнительного оснащения CTD-зондов рядом других гидрохимических датчиков, тоже соб­ственной разработки. Специально для датчика электропроводно­сти и платинового температурного датчика, используемого в зон­дах, фирма выпускает компактное устройство ", позволяющее калибровать эту пару датчиков в полевых условиях, используя всего одну стандартную ампулу нормальной воды.

Кроме того, в качестве дополнительных устройств, все зонды могут комплектоваться блоком внешнего питания, позволяющим им непрерывно работать до 100 ч, а также специальным проточ­ным боксом для использования зондов на борту судна в режиме прокачки забортной воды. Бокс имеет посадочные места для ус­тановки ряда дополнительных гидрохимических датчиков. Пред­лагается также компактная кабель-тросовая лебедка.

В производственной программе фирмы IDRONAUT имеется пять модификаций зондов 1-го класса, позволяющих работать с батометрическими кассетами. Все эти зонды могут измерять и передавать требуемые параметры в реальном масштабе времени на бортовое устройство с частотой выборки до 20 Гц, а также осуществлять автоматический сбор данных в зависимости от вы­бранных интервалов времени (от 0,1 с до 24 ч) или от прираще­ния глубины (от 0,01 до 100 дцб). Смена режимов производится внешним магнитным переключателем, причем в двух последних режимах электронные схемы зонда переходят в состояние энер­госбережения в промежутках между измерениями. Вся система измерения, хранения и передачи данных управляется 32-битным микроконтроллером с флэш-памятью объемом до 512 кбайт для хранения вариантов конфигурации зонда, его внутренних про­грамм и калибровочных коэффициентов. Для хранения данных зонды имеют отдельную энергонезависимую память объемом I Мбайт, позволяющую записать до 56 000 блоков, каждый из ко­торых содержит дату, время и данные выбранных датчиков. CTD-датчики имеют постоянную времени порядка 50 мс, а фир­менное программное обеспечение оптимизировано для скорости зондирования в 1 м/с. Зонды также могут собирать данные от датчиков и измерителей других производителей, распределяя эти данные по встроенным дополнительным аналоговым и цифровым каналам менее чем за 50 мс.

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.


Дата добавления: 2014-01-07; просмотров: 8643;