ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА Том 10, № 3, 2014, стр. 54-60
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
УДК 551.465
МОРСКИЕ ИСПЫТАНИЯ МНОГОКАНАЛЬНОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПЛАТФОРМЫ
© 2014 г. Академик Г.В. Смирнов1, академик Г.Г. Матишов2, 3 , А.Л. Оленин1, Е.А. Аистов1, К.С. Григоренко2, 4, О.В. Степаньян2, 4
Поступила 12.05.2014
Приведены результаты натурных испытаний новейшей многоканальной измерительно-технологической платформы, созданной в Институте океанологии РАН. В условиях Чёрного моря комплекс приборов, входящих в состав платформы, подтвердил свою работоспособность. Получены вертикальные профили гидрофизических параметров, а также видеозаписи частиц взвеси на глубинах до 300 м. Обработка изображений частиц взвеси позволяет получить статистические данные о размерно-количественном составе частиц взвеси на различных глубинах. Одновременно с испытаниями нового оборудования осуществлено вертикальное зондирование водной толщи СТД-зондом SEACAT SBE 19 plus V2. Выявлено, что верхний перемешанный слой в районе свала глубин Анапской банки имеет мощность до 40 м, что обусловлено активизацией процессов термической конвекции и ветроволновой активностью. Холодный промежуточный слой зафиксирован на глубинах 60-120 м, ядро слоя отмечено между 90 и 100 м со значением температуры 7,8 °С. Слой скачка плотности расположен в пределах 35-50 м.
Ключевые слова: многоканальная измерительно-технологическая платформа, вертикальное зондирование, Чёрное море, научно-исследовательское судно "Денеб".
В настоящее время наиболее распространенным способом получения информации о состоянии Мирового океана и отдельных океанических бассейнов является дистанционное спутниковое зондирование. Для верификации получаемых данных об изменчивости параметров гидрофизических полей требуется проведение in situ измерений с помощью погружаемых зондов в заданных точках на подспутниковых полигонах. Это позволяет обеспечить корректность получаемой со спутников информации. Проведение подспутниковых наблюдений - одна из важных задач современной океанологии [1]. Такие наблюдения становятся обязательными при прове-
1 Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН (P.P. Shirshov Institute of Oceanology of the Russian Academy of Sciences), 117997, г. Москва, пр. Нахимовский, 36, gvsmirnov@ ocean.ru
2 Южный научный центр РАН (Southern Scientific Center, Russian Academy of Sciences), 344006, г. Ростов-на-Дону, пр. Чехова, 41, matishov_ssc-ras@ssc-ras.ru
3 Мурманский морской биологический институт Кольского научного центра РАН (Murmansk Marine Biological Institute, Kola Scientific Center of the Russian Academy of Sciences), 183010, Мурманск, ул. Владимирская, 17.
4 Институт аридных зон Южного научного центра РАН (Institute of Arid Zones of the Southern Scientific Center, Russian Academy of Sciences), 344006, г. Ростов-на-Дону, пр. Чехова, 41.
дении морских работ в Азовском и Чёрном морях, при этом основное внимание уделяется исследованию распределения хлорофилла а, органического вещества и взвеси [2-5].
Основные подспутниковые измерения океанологических параметров выполняют с помощью погружаемых многоканальных зондов. Однако если традиционные гидрофизические каналы (температура, электропроводность и т.п.) практически достигли совершенства, то корректные измерения растворенного вещества в морской воде, анализ размерно-количественного состава частиц взвеси в морской воде требуют разработки и развития новых измерительных каналов. Их работа основана на детальном изучении изображений частиц взвеси, в том числе получаемых голографическими методами, или на анализе оптических спектров пропускания, флуоресценции, комбинационного рассеяния и т.д. Это позволит учитывать влияние процессов, происходящих в разных горизонтах водной толщи в точке спутникового наблюдения, на исходящий из моря интегральный световой поток, регистрируемый спутниковым сенсором.
В процессе отладки, испытаний и собственно работы новых измерительных каналов требуется решить следующие задачи:
- высокоскоростная передача данных на борт судна (например, видеопотоков);
- достаточный уровень электропитания;
- установочное место для канала на силовой раме погружаемого зонда;
- получение граничных гидрофизических параметров в точке измерения.
В лаборатории методологии и технических средств океанологических исследований Института океанологии РАН создана измерительно-технологическая платформа [6], обеспечивающая решение указанных выше задач.
В состав измерительно-технологической платформы входят:
1. Многоканальный погружаемый измерительный гидролого-оптико-химический зонд, который обеспечивает интеграцию существующих измерительных океанологических каналов и позволяет существенно расширить функции для вновь создаваемых измерительных каналов, измерения обеспечиваются до глубины 300 м.
2. Волоконно-оптическая линия связи, состоящая из волоконно-оптического кабель-троса и многовходовых оптических модемов (на зонде и на судне).
3. Судовое оборудование, состоящее из электрической кабель-тросовой лебедки, вращающихся электрического и оптического переходов, блока управления, рабочего места операторов (бортовая ЭВМ и GPS-приемник).
Основные характеристики платформы:
- рабочая глубина - до 300 м;
- лебедка - грузоподъёмность 250 кг, емкость барабана 370 м (диаметр кабеля 9,4 мм);
- тип привода - электрический, частотно-регулируемый;
- питание - 220 В, 50 Гц, 2,5 кВт;
- кабель-трос - механические параметры: диаметр 9,4 мм, рабочая нагрузка до 1800 кг; линии: 2 одномодовых волокна +1 витая пара + силовая линия до 3 А, 200 В;
- интерфейсы передачи данных измерительных каналов - 4 канала Fast Ethernet 100 Mbit, 1 канал RS485;
- электропитание исследуемых каналов - 5, 12, 24, 48 В, мощность до 300 Вт;
- гидрофизический модуль - канал температуры -5...+35 °С, точность ±0,01 °С;
- канал электропроводности - 0-80 мСм/см, точность ±0,01 мСм/см;
- канал абсолютного гидростатического давления - 0-30 бар, точность ±0,05 % от полного диапазона;
Рис. 1. Размещение измерительно-технологической платформы на палубе научно-исследовательского судна "Денеб": многоканальный гидролого-оптико-химический зонд (1); лебедка морская электрическая (2). Справа один из разработчиков комплекса А.Л. Оленин
- канал показателя ослабления направленного света - 0,03-2 м-1, точность ±5 % от полного диапазона;
- диаметр светового пучка - 14 мм, база 250 мм, длина волны источника 530 нм, частота модуляции светового потока 500 Гц, 5000 Гц;
- канал концентрации растворенного кислорода - 0-500 цМ, точность < 8 цМ, постоянная времени <8 с.
Морские испытания проведены в октябре 2013 г. совместно сотрудниками Института океанологии РАН и Южного научного центра РАН на научно-исследовательском судне (далее - НИС) "Денеб". Общий вид технологической платформы, установленной на палубе НИС "Денеб", показан на рис. 1. Район работ охватывал Азовское и Чёрное моря (рис. 2). Испытания технологической платформы проводили в районе свала глубин Анапской банки.
Были последовательно проведены испытания лебедки электрической, затем лебедки в комплексе
37° 38° 39° 40° 41°
37° 38° 39° 40° 41° в.д.
Рис. 2. Карта-схема маршрута экспедиции и район проведения испытаний с экспериментальным разрезом
с погружаемым зондом вплоть до глубины 320 м. Была подтверждена работоспособность измерительной платформы в целом, выполнены тестовые вертикальные зондирования на экспериментальном разрезе.
На рис. 3 показан многоканальный погружаемый измерительный гидролого-оптико-химический зонд. Он состоит из гидрофизического модуля, обеспечивающего измерение стандартных гидрофизических параметров, измерительного канала идентификации частиц взвеси и блока связи и питания. На рис. 4 изображена лебедка морская электрическая, она снабжена оптическим и электрическим вращающимися переходами для передачи сигналов по оптико-волоконной линии связи и питания. В судовой лаборатории были расположены рабочие места операторов, осуществляющих контроль при зондировании, наблюдениях на фиксированных горизонтах и других режимах измерения параметров водной среды.
В ходе испытаний технологической измерительной платформы получены визуализированные изображения распределения гидрофизических
параметров по глубине (рис. 5) и осуществлена регистрация взвеси и зоопланктона в морской воде каналом идентификации частиц (рис. 6), принципиальная схема которого опубликована ранее [7]. Регистрация проводилась в режиме стоп-кадра. В ряде кадров можно легко идентифицировать представителей зоопланктона - копепод.
Проведенные натурные испытания подтвердили работоспособность созданной технологической платформы в условиях морской экспедиции. Получены вертикальные профили гидрофизических параметров, а также видеозаписи частиц взвеси на глубинах до 300 м. Обработка изображений частиц взвеси позволяет получить статистические данные о составе и размерных характеристиках частиц взвеси и зоопланктона по глубине.
В Чёрном море с использованием океанографического зонда SEACAT SBE 19 plus V2 было выполнено 16 станций вертикального профилирования как в прибрежье, так и на глубоководье. Профили распределения температуры, солености и плотности на станциях глубоководных станциях представлены на рис. 7.
Верхний перемешанный слой (ВПС) имеет мощность до 40 м, смещение нижней границы ВПС может обусловливаться активизацией процессов термической конвекции, а также ветро-волновыми процессами.
Слой скачка температуры на глубоководных станциях (сезонный термоклин), верхняя граница которого является непосредственным продолжением ВПС, а нижняя граница расположилась на глубинах 45-60 м, среднее значение перепада температур в этом слое достигает 7,00 °С, вертикальный градиент температуры для данной станции составляет 0,27 °С/м. Холодный промежуточный слой (ХПС) зафиксирован на глубинах 60-120 м, ядро ХПС прослеживается на глубине 90-100 м, значение температуры 7,8 °С (ст. 21). На станциях 103 и 104 верхняя граница ХПС находится на глубине 60-65 м, а нижняя - на глубине 105110 м. По мере увеличения глубины в дальнейшем происходит равномерный рост
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.