Начиная с дрейфующей станции СП-37, в программу работ всех последующих станций «Северный Полюс» включается установка и эксплуатация ледового масс-балансового буя (ЛМБ) производства компании Metocean Data Systems (Канада/США).
ЛМБ-буи были включены в оперативную практику метеорологических наблюдений в период Международного Полярного года 2007/2008 и предназначались для долговременного автономного измерения в точке параметров тепло– и массообмена снежно-ледяного покрова. Измеренные параметры оперативно передавались в национальные и международные системы сбора данных ВМО (с целью последующей ассимиляции в численных синоптических моделях) посредством спутниковой системы АРГОС (метеорологические ИСЗ серий «МЕТОР», «NОАА»). Первичный сбор и обработка информации выполняется в Лаборатории по инженерии и исследованиям холодных районов США (http://imb.crrel.usace.army.mil/).
Одновременно с этим данные ЛМБ-буя дополняли другие измерения, выполняемые на дрейфующей станции СП, и обеспечивали уникальную возможность комплексного мониторинга тепло и массообмена в системе атмосфера-снежно-ледяной покров-океан в сезонном цикле. ЛМБ-буй может выполнять измерения с дискретностью 2 часа или 5 минут (устанавливается оператором в момент установки). Измеряются следующие метеорологические характеристики: профиль температуры снежно-ледяного покрова и прилегающих дециметровых слоев воды и воздуха (с помощью косы термисторных датчиков температуры длиной 4 м с интервалом расстановки 10 см); температура и давление воздуха на высоте 1 м; толщина снежного покрова и толщина льда с помощью ультразвукового датчика.
Установка ЛМБ-буя выполняется вблизи или непосредственно на ледовом полигоне дрейфующей станции СП, что обеспечивает, во-первых, возможность сравнительного анализа различных инструментальных данных, а во-вторых, возможность оперативного доступа к прибору при необходимости устранения поломок или экстренного снятия. Установка буя выполняется на ледяной покров с толщиной льда порядка 140–180 см, вдали от снежниц.
На рис. 6 представлены результаты измерений метеорологических параметров, профилей температуры и толщины снежного покрова с помощью ЛМБ-буя на дрейфующей станции СП-37 в период сентябрь – октябрь 2009 г.
Рис. 6. Профиль температуры в слое воздух/снег/лед/вода (а), толщина снега/льда (б) и температура и давление воздуха (в), переданные ЛМБ-буем дрейфующей станции СП-37
Магниторезонансные измерения (электромагнитный ледовый толщиномер EM31Ice)
Электромагнитный ледовый толщиномер EM31Ice (ЭМЛТ) производства компании Geonics (Канада) введен в опытную эксплуатацию дрейфующих станций «Северный Полюс», начиная с СП-37, и предназначен для выполнения автоматизированных измерений толщин морского льда в одной точке или по отдельным профилям. Опция подключения GPS и автономность работы прибора, составляющая до 20 часов, обеспечивают возможность выполнения морфометрических съемок как непосредственно в районе станции, так и в целом по льдине, на которой располагается станция.
Принцип измерения толщины льда с помощью ЭМЛТ основан на существенном различии электропроводности льда (<<2,0 S/m) и морской воды (порядка 2–3 S/m для диапазона солености 20–35 ‰). Технические характеристики ЭМЛТ позволяют обеспечить временную дискретность измерений толщины льда, начиная от 1 сек, в диапазоне толщины 0–999 см с относительной точностью 1 см.
Тестовая работа с ЭМЛТ выполнялась в пределах ледового полигона СП-37 (80×100 метров) и включала:
– развертывание, первичную калибровку, тестовые площадные измерения и их верификацию в период высадки дрейфующей станции СП-37;
– методические работы по оценке зависимости результатов измерений от позиционирования прибора по отношению к объекту измерения и влияния задаваемого параметра электропроводности на результаты измерений;
– оценка предельно допустимого диапазона измеряемой толщины льда (минимальная и максимальная толщины, доступные измерению);
– оценка сопоставимости и согласованности результатов измерений общей толщины льда толщиномером и прямых традиционных прямых измерений (рейкой).
Внешний вид и рабочее положение ЭМЛТ приведено на рис. 7. Пример двумерного картирования измерений толщин льда с помощью прямых измерений (рейкой) и ЭМЛТ представлен на рис. 8. На рис. 9 приведены результаты синхронного измерения толщин льда с помощью прямых измерений (рейкой) и ЭМЛТ.
Рис. 7. Общий вид ЭМЛТ и его рабочее положение при тестовой съемке толщин льда 08.09.2009 г. 1 – блок регистрации ЭМЛТ; 2 – наладонный компьютер Allegro CX; 3, 4 – дипольные катушечные излучатель/приемник; 5 – секция ледового полигона
Рис. 8. Карта толщины льда (см) на ледовом полигоне СП-37 08.09.2009 г. на основе измерений контактными методами (слева) и с помощью ЭМЛТ (справа)
Рис. 9. Результаты синхронного измерения толщины льда на ледовом полигоне, выполненные 04.03.10, с помощью прямых измерений (рейкой) и ЭМЛТ
Опыт применения ЭМЛТ на дрейфующей станции СП-37 показал, что при оптимальных условиях эксплуатации (предварительная тарировка прибора прямыми измерениями, соблюдение горизонтального положения и постоянства высоты измерений, минимизация наклона) погрешность измерений ЭМЛТ относительно прямых контактных измерений приближается к естественной изменчивости толщин льда в ~2–3 см/м.
ЭМЛТ (в комплексе с наладонным компьютером Allegro CX и GPS) может расцениваться как достаточно эффективное и удобное средство выполнения экспресс-съёмок общей толщины льда на значительных площадях и ледовых полях, на которых расположены дрейфующие станции СП. Абсолютная калибровка результатов достигается сопровождением измерений ЭМЛТ прямыми измерениями (рейкой), однако возможно и автономное использование прибора.
Измерения параметров экзарации дна с использованием ТПА
Одной из совершенно новых методик и технологий, внедряемых в арктические морские исследования, являются телеметрические системы на базе необитаемых подводных аппаратов. Наиболее простые их модификации именуются телевизионными подводными аппаратами (ТПА). Их использование позволяет получать визуальную информацию о состоянии подводной части ледяного покрова для изучения особенностей рельефа нижней поверхности льда и подводной части торосов. Еще одним направлением работ является проведение подводных осмотровых работ с целью выявления деформаций дна ледяными образованиями. Так, использовавшийся в экспедиции «Байдара-2010» ТПА «ГНОМ-стандарт» (рис. 10), является аппаратом среднего уровня по габаритам и оснащению. Его размеры позволяют погружаться в лунку диаметром 250 мм, работать под килями ледяных образований при зазоре между ними и дном не более 50 см.
Рис. 10. Комплект оборудования ТПА
Технические данные ТПА:
– число движителей – 3, ресурс работы (данные производителя) – 500 час;
– скорость горизонтального движения – до 1 м/с, вертикального – до 0,5 м/с;
– рабочая глубина – 100 м, предельно допустимая – 120 м;
– длина кабеля – до 150 метров;
– тип кабеля – специальный подводный, упрочненный кевларом;
– диаметр кабеля – 3 мм;
– усилие на разрыв – 50 кг, функциональные повреждения при усилии
> 25 кг;
– осветители – 35 светодиодов белого свечения, плавная регулировка яркости;
– видеокамера – цветная PAL CCD 1/3'', 0,1 лк, 450 твл фирмы SNB (Корея);
– вторая камера (вместо заднего вертикального мотора);
– лазерные указатели (для определения размеров объекта под водой);
– 2 дополнительные осветители (с боков);
– датчик глубины (точность 105 см);
– режим автоматической стабилизации глубины «автоглубина»;
– компас с выводом информации на видеомонитор в режиме «Телетекст».
Блок питания и управления:
– питание от сети 220 В или от встроенного аккумулятора емкостью 7–12 а/ч;
– влажность окружающей среды – до 100 %;
– диапазон рабочих температур: -5° … +45° С;
– вес аппарата ГНОМ 3 кг, полной системы – 18 кг;
– размеры аппарата ГНОМ 320150120 мм.
Система ТПА состоит из собственно подводного аппарата «ГНОМ» (2), катушки с кабелем (1) и надводного блока управления (3). Подготовка к работе системы занимает 10–15 минут.
Всего для определения геометрических параметров экзарации дна за время проведения полевых работ (общей продолжительностью 16 часов) было выполнено 17 погружений.
Вертикальные размеры объектов при съемке определялись с помощью глубиномера ТПА.
Ниже приведен ряд снимков, выполненных ТПА в период экспедиции «Байдара-2010» в 2010 г. На рис. 11 приведена съемка, выполненная 20.05.2010 г. на стамухе № 1. Дно песчаное, плоское, волнообразное, глубина 6,0–7,0 м. На обследованном участке на глубине 6,6 м обнаружены деформации дна килем стамухи в виде углублений и валов высотой до 30–40 см.
