ПРОЕКТ АРГО
СОЗДАНИЕ ГЛОБАЛЬНОЙ СЕТИ ОКЕАНОГРАФИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ

Стандартные океанографические наблюдения до недавнего времени отличались от метеорологических меньшим количеством, несинхронностью, сильным разбросом в качестве, высокой стоимостью и малой доступностью.

Измерение параметров океанских вод проводилось с экспедиционных судов, которые производили обычно 1-2 станции в день. Стоимость одной станции составляет около 1 тысячи долларов. Понятно, что число накопленных за 100 лет океанографических данных оказалось на порядок меньше числа метеорологических. Например, ДВНИГМИ Росгидромета, обладавший до недавнего времени самым многочисленным (более 10 крупнотоннажных специализированных судов) экспедиционным флотом мира, за 35 лет (1959-1994 гг.) интенсивной работы получил лишь около 116 тысяч станций. Из них к собственным водам относится лишь небольшая часть (в Японском море — около 15, а в Охотском — около 7 тысяч).

После изобретения телеграфа метеостанции были объединены в сеть — появились единые сроки наблюдений и соответствующие им синоптические карты. Пространственные поля океанографических данных до недавнего времени строились не для срока, а для периода времени (до нескольких месяцев, в зависимости от района). Лишь за большой временной период оказывалось возможным судну (или нескольким судам) покрыть океанографическими станциями сколько-нибудь большой район океана. По таким данным построить морские синоптические карты было невозможно.

Ещё одной проблемой океанографических данных был разброс в качестве данных. Разные датчики, приборы, методы измерений и обработки составляли проблемы в их интерпретации. Когда (например, Gamo, Horibe, 1976) уже было известно, что солёность глубинных вод Японского моря не бывает ниже 34.05 и выше 34.08 psu, в отечественных публикациях (например, Покудов, Манько, Хлусов, 1976) на горизонте 1000 м всё еще находили и 33.96 и 34.20 psu.

В отличие от иностранной практики, российские (СССР) океанографические данные не публиковались и доступ к ним был весьма затруднён даже учёным из другого ведомства. Незнание чужих данных приводило к ненужным (дублирующим) измерениям. Так, суда ДВНИГМИ в течение десятка лет производили станции примерно в тех же точках, что и японские суда, данные которых открыто и оперативно публиковались. Из-за ограниченного доступа годами не устранялись систематические ошибки в данных, а часть их (например, 1-метровые файлы зондовых наблюдений) была потеряна навсегда.

С недавнего времени в технологии производства океанографических измерений произошли революционные изменения, меняющие количество, качество, стоимость и доступ к данным. В Мировом океане создаётся постоянно действующая океанографическая сеть, с которой непрерывно и оперативно (в течение суток) поступают данные измерений высокого качества. Глобальная сеть состоит из глубоководных свободно дрейфующих буёв-измерителей. Данные наблюдений с них несколько специальных спутников ежедневно поступают в береговые центры, а от них — в глобальную сеть. Данные прежде всего используются в прогнозах погоды, состояния океана и изменения климата, но могут быть использованы широким кругом пользователей (от учеников до учёных) интернета. Все страны — участники проекта по созданию сети получают несомненную выгоду от экономии средств. Эти данные не только высокого качества, но и однородны, что обусловлено качественными однообразными датчиками, единой методикой контроля и обработки. Участие в проекте выгодно всему Мировому сообществу, так как данные впервые широко доступны.

Проект АРГО даёт основание для возникновения новой дисциплины — оперативной океанографии.

Задачами проекта, кроме размещения в Мировом океане заданного (3000) количества буев, являются: 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; задержанный контроль и передача (в течение 6 месяцев) в глобальный центр откорректированных данных.

Идея создания глобальной сети океанографических станций возникла после успешного использования в северной части Атлантического океана сети из нескольких десятков буев-измерителей в 1997-1998 гг. во время глобального эксперимента по изучению циркуляции океана (WOCE). Предложенный впервые в 1999 г., проект был одобрен Международной океанографической комиссией, Всемирной Метеорологической организацией и начал воплощаться в жизнь в 2000 г. Данные с этой сети полезны для прогноза погоды и климата (поэтому проект АРГО является частью программы CLIVAR), а также для прогноза состояния океана (поэтому проект АРГО является частью программы GODAE).

Правда, из-за неожиданно возросших расходов (одна из стран с, кажется, наибольшей морской границей неожиданно вяло отнеслась к проекту) планируемую дату создания сети (2005 г.) пришлось перенести на 2008 год.

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, Норвегия, Ирландия). Широкое представительство государств в проекте обеспечит более равномерное финансирование проекта в накоплении, обработке и анализе данных. Но наибольшую (около половины) финансовую нагрузку несут США.

Несмотря на то, что проект проводится совместными усилиями многих организаций многих стран, управление проектом такого масштаба впервые проводится без большой бюрократической надстройки. Проект управляется ежегодными собраниями Научного Комитета и Комитета по данным. Комитеты ежегодно собираются в основных странах-участницах. Комитеты рассматривают состояние сети станций, потребности и возможности распределения буев, качество буев и данных, проблемы распространения данных.

Вместе с данными измерений температуры и солёности (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, избегая, таким образом, посадки на дно. Вместе со спутниковыми измерениями возвышения поверхности океана, полученные данные позволяют определить характеристики течения от поверхности до заданного (2000 м) нижнего горизонта измерений.

2. Буи-измерители и их повторное использование

Буи измеряют давление, температуру и электропроводность на всплытии с горизонта 2000 м (примерно в течение 2 часов), в течение 10 часов передают данные (примерно 6кб) на проходящие спутники (АРГОС или ИРИДИУМ), затем погружаются на заданный горизонт и свободно дрейфуют в течении 10 суток. Без внешнего воздействия каждый буй стоимостью около 15 тыс. долларов может произвести около 150 станций (т.к. номинальная, без учёта накладных расходов, стоимость станции упадёт в 10 раз). Точность измерений давления, температуры и электропроводности составляет не более 1 дб, 0.01°C и 0.01 мс/см соответственно.

Погружение и всплытие буя обеспечивается перекачкой воздуха и масла из внутреннего (в герметичном корпусе) во внешний резервуар (резиновый двухсекционный пузырь). На рис. 1 представлена фотография буя перед погружением. Пластиковый кожух (слева) закрывает от повреждений внешний резервуар, а металлический (справа) — датчики. Белое пластиковой кольцо обеспечивает устойчивость буя.

Микропроцессоры обеспечивают программу измерений, а передающий блок — целостность данных.

Над водой возвышается лишь небольшая (20 см — датчики и 60 см — антенна) верхняя часть буя — рис. 2.

Oceanography of the East sea. Chang K.I., Zhang C.I., Park C., Kang D.J., Ju S.J., Lee S.H., Wimbush M., eds. London, Springer Publ. Corp., 2016, 454 pp.

В настоящее время в проекте используются 4 типа буёв (американские APEX и SOLO, французские PROVOR, японские NINJA). Немецкий NEMO близок, а китайские СOPEX и индийский — пока далеки от эксплуатации. Наибольшее (около 65% и 25%) распространение получили два американских вида, что отчасти обусловлено высокой долей участия США в проекте. Однако, распространение буёв APEX обусловлено также лучшими эксплуатационными показателями. Организации, использовавшие несколько типов (для сравнения характеристик), неизменно переходили к буям АПЕКС.

Общими для буев — измерителей разных типов являются датчики (хотя и двух основных типов), микропроцессоры, панели контроля и связи. Наиболее заметно отличаются устройства погружения-всплытия. Конструкция очень технологична. Головная часть (антенна, датчики, передатчик и платы) соединяются с корпусом (плата памяти, передатчик, насос и батареи) единственным болтом. Загрузка программы работы буя может быть загружена или изменена с любого компьютера.

После запуска (простым движением магнита) и спуска буй несколько часов остается на поверхности, передавая на спутник свои параметры. Затем буй погружается на горизонт дрейфа. Вначале погружение происходит медленно (перекачкой масла из внешнего резервуара во внутренний), затем — со стандартной (5 см/с) скоростью (перекачкой воздуха из внешнего резервуара во внутренний). На заданной программой горизонте буй свободно дрейфует в течение заданного времени. Затем буй всплывает на поверхность со стандартной и медленной (для более частых измерений в поверхностном слое) скоростью. На поверхности буй находится несколько часов, достаточных для передачи данных на несколько проходящих через район специальных спутников связи (ARGOS или IRIDIUM). Затем цикл повторяется до истощения батарей, и буй остается навсегда в глубинных водах океана.

Буй АПЕКС обычно комплектуется тремя датчиками (давления, температуры и электропроводности) компаний Sea-Bird или FSI. 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).

Наибольшую проблему составляет уменьшение точности измерений солёности 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).

Единственный невосполняемый ресурс буя — батареи. Если бы удалось упростить поимку буёв после истощения батарей, то повторное использование буёв уменьшило бы стоимость станций. Ведутся разработки возвратных буёв с собственным ходом.

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

3. Связь и данные

Данные измерений одной станции передаются (рис. 3) на систему спутников, 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.

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.

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 данным 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.

Стоимость обустройства национальных центров данных АРГО составляет (зависит от функций, технического оснащения и уровня оплаты труда сотрудников) не менее 100 тыс. долларов. Стоимость ежегодных расходов на работу центра составляет не менее 30 тыс. долларов. Стоимость одного буя-измерителя только у производителя составляет 15 тыс. долларов, а с учетом транспортировки, расходов на постановку, создание центра, связь и обслуживание связи — около 18 тыс. долларов. Минимальные расходы стран-участниц (при ежегодной постановке 10 — 20 буев) составляют 100 тыс. долларов разово и 200 — 350 тыс. долларов ежегодно. Ежегодно страна-участница получит по обмену около 100 тысяч станций. Себестоимость одной станции — 4 доллара.

То есть, стоимость стандартной (давление-температура-солёность) станции — около 1000 долларов, стоимость станции собственного буя-измерителя — около 100 долларов (с учётом накладных расходов — вдвое больше), а себестоимость с учётом всех получаемых по обмену станций составит около 4 долларов. Преимущества от использования буёв и от мирового разделения труда очевидны.

Немного об истории

Первая сеть метеостанций возникла спустя более века от появления первых метеостанций.

Действующая сеть (непрерывный поток данных) возникла (примерно в середине 19 века) только при использовании телеграфа. Большое значение имела синхронность (основные синоптические сроки) измерений и однотипность приборов.

Первые регулярные измерения параметров воды океана были начаты также в 19 веке, но океанографическую сеть оказалось возможным создать только в недавнее время. И использование спутников и спутниковой связи — лишь часть решённой проблемы. Важное значение имело и развитие вычислительной техники и появление новых энергоёмких батарей. Но решающее значение имеет и объединение ресурсов разных стран в одном дорогостоящем проекте.

Первый дрейфующий буй для изучения течений создан англичанином Сваллоу в конце 50-х годов. По дискретным сигналам (50 кгц) с буя определялось место и строились траектории на заданном заранее горизонте дрейфа. В дальнейшем (70-е годы прошлого века) были разработаны варианты автономного буя (частота принимаемого сигнала — 200 кгц), сигнал с которого принимался (SOFAR) береговыми или заякорёнными станциями. Буи 80-х годов (RAFOS) работали иначе: ими принимался сигнал от станций, а направлялся через систему (ARGOS) спутников во время всплытия. В конце 80-х годов международный проект WOCE дал жизнь глубинным дрейфующим буям ALACE. Они также были связаны с берегом через спутники ARGOS. Но впервые кроме возможности определения положения они посылали на спутник и данные измерений температуры воды и давления (измеренные на всплытии с горизонта дрейфа на поверхность). Первые буи ALACE были поставлены (горизонты дрейфа — 350 и 1000 м) в Японском море японскими учёными в 1996 г. С установкой датчика электропроводности появились буи-измерители: PALACE = Р (профиллер)+ ALACE.

Первый крупный эксперимент с PALACE был проведён американскими учёными в 1998 г. в северо-западной Атлантике. Там, собственно, и начался проект АРГО (часть долгоживущих буёв перешла из эксперимента в проект).

5. Американский президент знает и поддерживает АРГО.
Российский президент никогда не слышал про АРГО

Первый буй, проведший измерения в российской экономической зоне, был запущен учёными Южной Кореи в феврале 1999 г. (горизонт дрейфа — 1000 м).

Первая постановка буёв (оттестированы японской компанией) с русского (Профессор Хромов) судна произошла в мае 1999 года в совместной российско-японской (JAERI) экспедиции по изучению радиоактивного загрязнения Японского моря. Один из буев с самого начала остался на поверхности моря и через 6 месяцев был вынесен в Тихий океан. Вторая пара буев-измерителей была выставлена по той же программе в следующем году и имела аналогичную судьбу (один из буев остался на поверхности). Из-за такого соотношения количества рабочих и нерабочих буёв их использование в экспедиции пришлось прекратить.

Иные результаты показали буи проф. С. Райзера (Школа океанографии Университета штата Вашингтон), устройства и датчики которых подвергались дополнительному и тщательному контролю. Из них ни один не остался на поверхности. Часть из них была вынесена в океан, у некоторых возникли проблемы с датчиками давления (перерывы в появлении на поверхности), но большинство проработало несколько лет, произведя более 3000 станций (максимально для одного буя — 218). Анализ их дрейфа сразу же показал интересные результаты. Оказалось, что в Японской котловине (вдоль 41° с.ш.) расположен крупномасштабный циклонический круговорот. На его северной границе (42.5° с.ш.) проходит сильное течение, переносящее теплые и солёные воды к побережью Приморья, а в его восточной части расположен стационарный циклонический вихрь (рис. 4). Зональный поток вдоль 42.5° с.ш. («восточное течение») менял направление лишь в районе подводной возвышенности (42.5° с.ш., 136° в.д.). Обнаруженное течение — лишь одно из открытий, сделанных по данным буёв профессора С. Райзера.

В водах Охотского моря работало 18 буёв (постановки 2000-2003 гг.), размещенных учёными Хоккайдского университета (горизонты дрейфа — от 400 до 1500 м). Основная проблема измерений буями в Охотском море — зимний лёд. Однако, даже после обусловленного этим перерыва связи, буи продолжали измерения и передачи.

Максимальное количество станций для одного буя здесь составило 170.

Однако в самом проекте АРГО России пока участвует недостойно. Причина обычна — работы по проекту не финансируются правительством. Пока работа по всем направлениям (ведение центра приёма и обработки данных АРГО; постановка двух буёв; связь с Комитетами и зарубежными центрами) ведётся только за счёт скромного бюджета одного ведомства — РОСГИДРОМЕТа.

Два закупленных ДВНИГМИ буя (компании WEBB) успешно (прошли дополнительный контроль в Университете штата Вашингтон) работают в районе северо-восточнее Курильских островов. На начало 2005 г. ими произведено около 80 станций.

Поступающие данные проходят оперативный и задержанный контроль качества в центре АРГО при ДВНИГМИ (Данченков, 2003). Они же параллельно обрабатываются (для сравнения и отработки методов контроля), по нашей просьбе, в Школе Океанографии Университета штата Вашингтон. В сеть ГСТ данные выставляются службой CLS (Франция). Для полноценного участия России в проекте необходимо регулярная постановка определённого количества буёв и финансирование работы Центра АРГО. Но неоднократные (2000-2005 гг.) предложения в Правительство под разными предлогами были отклонены. И, несмотря на это, работы продолжаются. В МГТУ им Баумана проф. С.П. Северов поставил задания по расчёту систем буя; в ИО РАН Гладышев С.В. поставил два буя ПРОВОР, в ДВНИГМИ ведётся приём, контроль и обработка данных. Но, понятно, без специального финансирования полноценная работа невозможна.

В высокотехнологичном изучении Мирового океана Россия пока отходит на обочину. Глобальная океанографическая сеть будет развиваться независимо от России. Для замедления этого процесса (учитывая слабость государства и сильную бюрократию) необходим интерес первых лиц. Даже в развитых странах первые лица государств не считают зазорным проявлять интерес и поддержку науки. Прилагаемая (рис. 6) фотография подтверждает личное знакомство американского президента с АРГО.

Сомневаюсь, что российский президент когда-нибудь слышал об этом ещё недавно фантастическом проекте. На слуху иной проект — о 10-кратном сокращении научных институтов…

ПРОБЛЕМЫ ГЛОБАЛИЗАЦИИ

В реализации проекта есть несколько подводных камней. Проект предусматривает свободу плавания буёв (буи не должны уничтожаться при заходе в экономические зоны), свободный обмен данными (региональные центры для лучшего контроля данных должны обладать полной базой исторических данных), единство измерителей (при множестве типов буёв они должны обеспечивать необходимую точность данных). Между тем, по действующим документам МОК о намерении провести океанографические измерения страна-собственник территориальных вод должна быть запрошена заблаговременно — за 6 месяцев. Понятно, что при непредсказуемом дрейфе буёв это сделать невозможно. Налицо конфликт между действующими документами и реальностью. Россия (в отличие от большинства стран) до сих пор не публикует данные океанографических измерений. Из-за этого часть данных (например, зондовых измерений 70-80-х годов) уже безвозвратно потеряна. Обмен данными даже внутри страны обычно весьма затруднён и ВНИИГМИ не обладает всей полнотой информации. Например, во Владивостоке каждое ведомство ведёт свою базу данных. Передача данных в международные региональные центры столкнётся с интересами последних. В стремлении уменьшить расходы страны-участницы проекта стремятся к собственному производству буёв. Хотя датчики измерений и платы связи обычно одного (американского) производства, а стоимость сборки составляет лишь небольшую часть стоимости буя, растущая разнокалиберность буёв может привести к разной точности измерений.

Для того, чтобы распространить сеть станций АРГО на ледовитые районы Арктики недавно предложена особая подпрограмма (с передачей данных не на спутники а на прибрежные береговые центры-СОФАР) и особые буи. При её реализации возможен оперативный контроль за перемещениями подводных лодок в Арктике. Несмотря на декларации о стремлении к миру как в странах НАТО, так и в РФ, интересы военных в таком контроле не сомнительны.

Однако проект АРГО так выгоден всем странам мира, что никакие препятствия уже его не остановят. Такая глобализация отвечает общим интересам.

Литература

Danchenkov M.A. (2003a): АRGO project in Russia. Pacific Oceanography, v.1, N 1, p.74-75.

Danchenkov M.A., Riser S.C. (2003b): Profilling floats: lost and caught in the Japan Sea. Pacific Oceanography, v.1, N 2, p. 192-193.

Gamo T., Horibe Y. (1983): Abyssal circulation in the Japan Sea. J.Oceanogr.Soc.Japan, 1983, v.39, N 2, p.220-230.

Покудов В.В., Манько А.Н., Хлусов А.Н. (1976): Особенности гидрологического режима вод Японского моря в зимний период. Труды ДВНИГМИ, вып.60, с. 74-115.

ПРИЛОЖЕНИЕ