Опубликовано: 07 июня 2016 г.
Метки: приборостроение, Мотыжев С.В.
В настоящее время арктический регион является объектом особого внимания. Такое пристальное внимание к Арктике объясняется рядом причин. Прежде всего, наличием большого количества природных ресурсов, доступ к которым ограничен в связи с суровыми природными условиями. Для Северного полушария это регион в значительной степени погодообразующий и влияющий на климатические процессы. Наконец, возможность проводки судов через Северный морской путь существенно снижает издержки транспортных перевозок из Азии в Европу.
Понимание процессов образования и таяния льда в различные сезоны, его движения, изменчивости толщины является ключевым моментом для успешного решения задач, обозначенных выше. Для контроля этих процессов в рамках международного гидрометеорологического сотрудничества создана Международная Арктическая Буйковая Программа (IABP), в работу которой существенный вклад вносит Морской гидрофизический институт РАН.
По предложению IABP разрабатываемая в институте дрифтерная технология должна была пройти адаптацию к условиям применения в Арктике, что и было сделано. Производство новых приборов было организовано севастопольской фирмой ООО «Марлин-Юг», созданной сотрудниками института для внедрения своих разработок.
Начиная с 2010 г. было выпущено свыше 300 буйковых комплексов ледового класса различного назначения. Приборы используются как российскими, так и зарубежными научными центрами для решения различных задач, в частности контроля движения как ледового поля в целом, так и отдельных льдин, включая айсберги. Изучается движение ледников на суше, которые являются «генераторами» айсбергов. Контролируется изменчивость уровня воды в прибрежной зоне в результате влияния приливов, отливов и ветровых сгонно-нагонных явлений. Обеспечивается надежное круглогодичное измерение атмосферного давления по всей арктической акватории, что является решающим фактором для формирования достоверного прогноза погоды.
Отдельной проблемой стоит задача контроля тепловых процессов в толще воды подо льдом. Как солнечное тепло проникает сквозь лед и накапливается в воде в летнее время и как накопленное тепло расходуется зимой во время полярной ночи? Для ответа на эти вопросы спутниковые методы не применимы. Судовые измерения также невозможны, поскольку ледокольные экспедиции организуются в основном летом и их стоимость очень высока. К тому же ледоколы разрушающе воздействуют на структуру водной толщи в деятельном слое.
До недавнего времени единственным методом подледных наблюдений были обитаемые арктические станции. Однако этот метод, возможный в единичных точках, также отличается дороговизной и в последнее время стал опасным из-за уменьшения толщины льда и быстрого разрушения ледового поля.
В 2011 г. со стороны IABP нам было предложено разработать специальный буй, предназначенный для изучения термической изменчивости подо льдом. В 2012 г. была выпущена первая партия буев, которые вместе с аналогичными буями зарубежных разработчиков с помощью нескольких ледоколов были выставлены на лед.
Буи были оснащены специальными термокосами, отклонение которых от вертикали и изменчивость профиля под воздействием подледных течений контролировались с помощью датчиков гидростатического давления, распределенных вдоль косы.
Также коса позволяла определять толщину льда. Кроме присоединенной косы в небольшом сферическом корпусе диаметром 40 см находилась аппаратура для измерения атмосферного давления и температуры льда, определения координат, передачи данных через ИСЗ. Тут же размещались батареи питания.
Особенность дрейфующих буев состоит в том, что по своей природе они являются приборами разового применения. Пока буй работает, нет необходимости его тревожить. Если он перестал работать, то возможность его найти отсутствует, поскольку пока судно дойдет до последних зафиксированных координат, буй уйдет оттуда под воздействием течений. К тому же переход поискового судна намного дороже стоимости буя, и поэтому судовая схема возврата отработанных буев экономически не оправдана.
В полярных условиях применение судов ледокольного класса обходится еще дороже. Здесь велика вероятность повреждения буя вследствие ледовых подвижек, образования и «схлопывания» полыней, когда буй может уйти под лед или будет раздавленным. Поэтому для арктических буев ставится задача надежной работы в течение как минимум одного года, т. е. между летними сезонными ледокольными экспедициями, когда можно на регулярной основе поддерживать плотность буйковых наблюдений в Арктике.
Первая группа наших буев с термокосами, запущенная в 2012 г., отработала на уровне зарубежных аналогов, т. е. в течение нескольких месяцев. Однако один буй показал надежное функционирование в течение одного года, согласно требованиям IABP. Успешный результат послужил основанием для того, чтобы IABP заказала в 2013 г. 12 модифицированных буев с расчетным временем жизни на уровне полутора лет. Запуски буев в 2013 г. подтвердили, что буи способны надежно работать в течение этого времени. В 2014 г. IABP приняла решение, что для задач подледных исследований будут использоваться только севастопольские буи.
В силу известных событий и наложенных санкций поставки буев в 2014 г. были частично, а в 2015 г. – полностью сорваны. Попытка зарубежных партнеров обеспечить импортозамещение не удалась. Буи быстро вышли из строя, и на сегодня подледные измерения обеспечиваются только одним нашим буем.
Этот уникальный прибор был выставлен 30 августа 2013 г. с помощью южнокорейского ледокола «Араон». Полностью сохранив свою работоспособность и качество измерений по всем датчикам, буй находился в эксплуатации 1000 дней по состоянию на 19 мая 2016 г. Этот показатель на порядок превышает среднее время жизни всех буев такого типа и в два раза превысил предыдущий рекорд в 520 дней, установленный нашим же буем. При этом необходимо учесть, что буй продолжает работать, хотя по телеметрической информации видно, что запас батарей практически исчерпан. За время работы буй преодолел приблизительно 7500 км со средней скоростью около 9,0 см/с. Очень ценная информация, полученная этим буем (так же, как и другими), о сезонной, годовой и межгодовой изменчивости физических полей сформирована в виде банка данных, который зарегистрирован в качестве уникального объекта интеллектуальной собственности ФГБУН МГИ.
Поздравления в связи с продолжающейся и сегодня работой буя-долгожителя поступили от ученых, изучающих Арктику, из России, Англии, Франции, США. Несмотря на непростую геополитическую обстановку, обсуждаются перспективы дальнейших исследований. Есть предположение, что этим летом площадь ледового поля достигнет наименьшего за все время размера и буй сможет оказаться в воде. Однако, учитывая исчерпывающийся энергетический ресурс, надежда дождаться такого интересного поворота событий крайне мала.
Тем временем в разработке находятся буи нового поколения, которые будут способны, кроме измерений температуры, контролировать профили солености, плотности воды и скорости звука. По отклонению косы можно будет оценивать вертикальную изменчивость подледных течений. Буй будет иметь специальный корпус, который позволит с большей вероятностью быть вмороженным в лед без ухода под нижнюю кромку. Наконец, буй будет обеспечен онлайн-камерой, которая даст возможность дистанционно контролировать состояния ледового поля вокруг. В результате будет получена очень ценная информация о формировании и разрушении ледовых образований. Прототип этого буя будет показан в экспозиции института на Международном военно-техническом форуме «Армия-2016», который пройдет в КВЦ «Патриот» в сентябре 2016 г.