Гидрофизические процессы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Гидрофизические процессы

Содержание

Введение (структуры гидрофизики как науки)

1. Системно-методологические основы и проблемы гидрофизики

2. Гидрофизические и гидрохимические показатели воды как среды обитания

3. Исследование и моделирование гидрофизических процессов в океанах и морях и их шельфовых зонах

4. Гидрофизические наблюдения

5. Обзор исследований и разработок

Выводы

Введение (структуры гидрофизики как науки)

Методологтческие основы гидрофизики, структуры гидрофизики как науки

Одной из важнейших особенностей развития современной науки является возникновение очень сложной иерархии специализированных дисциплин. Основной причиной, породившей тенденцию к раздроблению науки на узкие специальности, по мнению Дж.Клира, является «ограниченность возможностей человеческого разума. Поскольку объем знаний стал больше того, который человек в состоянии воспринять, всякое увеличение знания необходимо приводит к тому, что человек может охватить все меньшую его часть. Чем глубже это знание, тем более специализированным оно должно быть». Расширение и многообразие человеческих знаний о гидросфере привело к созданию сложной иерархии специализированных научных дисциплин о воде, учитывая ее первичный характер в физике многих природных процессов.

За последнее столетие накоплено и обобщено много сведений, которые существенно изменили подходы ученых и специалистов к пониманию процессов, происходящих в водных системах. Имея в виду практическую направленность исследований различных форм воды, заключающуюся в изучении взаимодействия природной воды с деятельностью человека, в ХХI веке актуальным становится вопрос о необходимости детального физического и математического описания свойств и процессов, обеспечивающих понимание поведения водных, ледяных и снежных масс, с последующим выходом на решение конкретных практических задач, стоящих как перед специалистами-гидрологами (в исследовании проблем, связанных с водными объектами на поверхности суши), гидротехниками (в части освоения водных ресурсов и безопасной эксплуатации гидротехнических сооружений), гляциологами, климатологами и метеорологами (в части динамики водных масс, ледниковых и снежных покровов и прогнозов погоды), океанографами (в описании морских вод и льдов), строителями (в вопросах использования льда как строительного материала). Сложность, многообразие и широкий круг таких задач потребовали при их рассмотрении применения детального геофизического подхода. Поэтому вода в различных ее состояниях, как основная часть гидросферы Земли, стала объектом исследований гидрофизики - геофизической науки, изучающей физические процессы, протекающие в водной оболочке Земли - гидросфере. Гидрофизика разделяется на физику моря и физику вод суши (состоящую из физики поверхностных вод и физики подземных вод). Последняя исследует процессы, протекающие в водных объектах на материках (реках, озерах, водохранилищах, подземных водах и т.п.), а также термические и динамические процессы, обусловливающие изменения запасов влаги в речных бассейнах. Научные проблемы гидрофизики неразрывно связаны с одной из физико-географических наук - гидрологией, изучающей природные воды, явления и процессы в них протекающие. Физика подземных вод в настоящем курсе не рассматривается, так как в учебном плане направления подготовки дипломированного специалиста «Водные ресурсы и водопользование», включающего в себя специальности 320600 - «Комплексное использование водных ресурсов» и 311600 - «Инженерные системы сельскохозяйственного водоснабжения и водоотведения», предусмотрен курс «Геологии и гидрогеологии», в котором она изучается.

Гидрофизические основы передвижения влаги в почве, в том числе уравнения влагопереноса в почвогрунтах, также не рассматриваются в данном курсе, так как эти вопросы подробным образом изучаются в курсах «Почвоведение» и «Мелиорация земель». Примерно с середины 30-х годов ХХ в., когда в Америке, Северной Европе и бывшем СССР начинают интенсивно осваивать водные и энергетические ресурсы, в связи с чем возникает целый ряд задач по количественной оценке термических и ледовых явлений на реках и водохранилищах, важным самостоятельным разделом внутри гидрофизики становится гидротермика, в которой рассматриваются тепловые процессы, протекающие в водоемах, водотоках, почвах и грунтах, ледовом и снежном покровах, а также других объектах. Одной из задач гидротермики является установление общих закономерностей, которым подчиняются температурные поля, а также изучение распространения теплоты в водных ламинарных и турбулентных потоках. Гидротермика своим возникновением и развитием обязана в первую очередь трудам норвежского исследователя О.Девика, первым предложившим производить расчет температуры воды в реке по тепловому балансу путем определения составляющих теплообмена, и русских ученых - Л.Ф.Рудовица, Н.М.Бернадского, В.Я.Альтберга, К.И.Россинского, В.В.Пиотровича, Б.В.Проскурякова и других. В 1970-1990-ые годы наибольшее внимание вопросам термического и ледового режимов рек, озер и окраинных морей уделялось в работах ученых Института водных проблем РАН (В.К.Дебольского, Е.И.Дебольской и др.), Института гидродинамики и Института водных и экологических проблем Сибирского отделения РАН (О.Ф.Васильева, А.В.Зиновьева, В.И.Квона и др.), МГУ им. М.В.Ломоносова (В.В.Пуклаков и др.). Современные тенденции развития гидротермики водных объектов состоят, прежде всего, в поисках аналитического представления гидрофизических процессов в водоемах и водотоках, а при невозможности такого представления - в описании этих процессов с помощью статистических характеристик. В настоящее время активно формируются пути дальнейших исследований и поисков решения многих гидротермических проблем, в том числе с учетом нелинейных эффектов, нестационарности процессов, их многофакторности, а также современных экологических требований к хозяйственному освоению водных объектов. Широкое развитие в 1960-1980-ые годы проектирования, строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений в зимних условиях, особенно в районах Сибири, Дальнего Востока и Крайнего Севера, потребовало от специалистов-гидрофизиков, гидрологов и гидротехников из института «Гидропроект»(Я.Л.Готлиб), ГГИ (Р.В.Донченко, А.Н.Чижов), ВНИИГ им. Б.Е.Веденееева (А.И.Пехович, В.Н.Карнович, И.Н.Шаталина, Г.А.Трегуб) разработки надежных методов расчета и прогноза зимнего термического и ледового режимов водохранилищ, каналов и рек. Это привело к закономерному появлению в составе гидротермики, а, следовательно, и гидрофизики, нового самостоятельного раздела - гидроледотермики, базирующейся на достижениях гидротермики, мерзлотоведения, хладотехники и охватывающей термические вопросы воздействия и использования тепла, холода и льда в строительстве и технике.
Таким образом, работами ведущих ученых и специалистов ХХ столетия гидрофизика из преимущественно описательной науки, располагавшей в начале прошлого века лишь некоторым запасом эмпирических формул, была переведена в разряд дисциплин физики и инженерного дела, рассматривающих природные явления и техногенные гидрофизические процессы в водных объектах и средах с позиций глубокого системного анализа, правильной постановки задач и комплексного их решения.

1. Системно-методологические основы и проблемы гидрофизики

Жизнь на Земле появилась из вод Мирового Океана и развивается благодаря использованию воды. Практически все современное многоотраслевое мировое хозяйство заинтересовано в использовании воды в любой форме и различных объемах. Россия не является в этом смысле исключением. Однако большая часть водных ресурсов нашей страны сосредоточена в районах Севера, Сибири и Дальнего Востока, освоение которых осуществлялось на протяжении последних ста лет и тесно связано с развитием гидротехники, гидроэнергетики, водного хозяйства и транспорта. Обычно с объектов гидротехники и транспорта начинается освоение новых отдаленных районов, на базе которых затем формируются крупные территориально-промышленные комплексы. Инженерные сооружения, возводимые для этих целей (гидроузлы, мосты, порты и др.), должны быть надежны и безопасны, а поэтому при их проектировании, строительстве и эксплуатации, в первую очередь, необходимо учитывать особенности термического и ледового режима водных объектов (рек, озер и морей). Решению этих проблем мы во многом обязаны знаниям, накопленным гидрофизикой, которые развивались главным образом в связи с потребностями гидротехнического и транспортного строительства.
В настоящее время, когда наши знания о земных геосистемах и влиянии на них хозяйственной деятельности человека (геотехносистемах) становятся более обширными и разнообразными, когда в науку активно внедряются уникальные по своим возможностям информационные технологии, гидрофизика, как самостоятельная наука, характеризуется сменой парадигм (от греч. paradeigma - образец, пример - строго научная теория, воплощенная в системе понятий, выражающих существующие черты действительности; исходная концептуальная схема, модель постановки проблем и их решения, методов исследования, господствующих в течение определенного исторического периода в научном сообществе). Смена парадигм должна сопровождаться и сменой методологии. Под методологическими основами понимается совокупность исходных идей, понятий и принципов, включающая такие составляющие каждой из наук, как концепция (определенный способ понимания, трактовки каких либо явлений, основная точка зрения, руководящая идея для их освещения), объект (имя предмета) и предмет (все то, что может находиться в отношении или обладать каким либо свойством), которые, в свою очередь, способствуют логической организации научной и практической деятельности, целью которой является описание, объяснение и предсказание процессов и явлений действительности, составляющих предмет изучения. Основные положения концепции гидрофизики включают в себя следующее.

В основу ее содержания положены знания из фундаментальных и прикладных разделов геофизики, гидрологии, гидрогеологии. Основой для изучения курса являются такие дисциплины как физика, высшая математика, гидромеханика (механика жидкости и гидравлика) и др. Концепция гидрофизики предполагает, что как наука она изучает физические основы природных и техногенных процессов и явлений, возникающих и протекающих в водной среде и грунтах земной гидросферы. Глобальными объектами гидрофизики как науки являются:

· природные системы (водных объектов (озер, незарегулированных водотоков, болот), почвогрунтов, ледников и др.), которые обладают рядом фундаментальных свойств: пространственно-временной эволюционной изменчивостью, дискретностью, организованностью;

· природно-технические и технические системы (зарегулированные водоемы и водотоки совместно с гидротехническими и другими сооружениями и инженерно-техническими объектами).

Учитывая, что основным методом исследования уровней организации природных и природно-технических систем выступает системный анализ, а каждая такая система может выступать в качестве объекта исследований различных научных дисциплин, то предметом исследований гидрофизики будут являться те или иные аспекты этих систем. Для гидрофизики - это изучение:

· молекулярного строения воды во всех ее состояниях (жидком, твердом, газообразном);

· физических свойств воды, снега и льда - тепловых, радиационных, электрических, радиоактивных, акустических, механических;

· процессов, происходящих в водоемах и водотоках - динамических (течения, волны, приливы и отливы), термических (нагревание и охлаждение водоемов, испарение и конденсация, образование и таяние льда и снега), а также оптических, связанных с распространением, поглащением и рассеянием света в толще воды, снега и льда.

Поэтому вода и ее различные состояния в природных и природно-технических системах могут рассматриваться гидрофизикой как один из самостоятельных первичных объектов исследования.

Гидрофизика имеет большое хозяйственно-экономическое и экологическое значение. Особенно велика ее роль в гидротехническом строительстве и гидроэнергетике, сельском хозяйстве (в том числе, в гидромелиорации). В настоящее время невозможно себе представить проектирование ни одного гидротехнического сооружения без использования методов, созданных и накопленных гидрофизикой. Так, например, современный расчетный прогноз ледового режима бьефов проектируемых гидроузлов основывается на тепловых расчетах, созданных гидрофизикой. Установление возможного давления ледяного покрова на гидротехнические и транспортные сооружения, вызванного расширением льда при повышении температуры, нагревание и охлаждение водоемов, формирование и таяние ледяного и снежного покровов также производится методами, разработанными гидрофизикой. Без привлечения гидрофизики немыслимо проектирование гидротехнических сооружений и других сооружений на вечной мерзлоте. Практическая деятельность в области гидрофизики направлена на сохранение и улучшение экологических условий при гидроэнергетическом и водохозяйственном освоении регионов страны.

2. Гидрофизические и гидрохимические показатели воды как среды обитания

Название: Гидрофизические и гидрохимические показатели воды как среды обитания

Раздел: Рефераты по экологии

Тип: реферат Добавлен 16:18:01 30 марта 2008 Похожие работы

Просмотров: 174 Комментариев: 0 Оценило: 0 человек Средний балл: 0 Оценка: неизвестно Скачать Общая минерализация - (гидрохимические свойства) ионный состав, содержание органических веществ, растворенных газов, состав донных отложений и т.д.

Прозрачность - определяет интенсивность продукционных процессов, и чем выше температура и прозрачность, тем интенсивнее идут продукционные процессы.

Кислородный режим - содержание органического вещества и биогенных элементов. Концентрация кислорода в воде и степень окисляемости органического вещества служит критерием уровня трофности: бихроматная окисляемость, как мера общего содержания органического вещества без характеристики и качественного состава; перманганатная окисляемость указывает а содержание легко окисляемых, а также частично трудноминерализуемых гумусовых веществ в воде. Концентрация последних обуславливает цветность воды.

Концентрация водородных ионов (рН) тесно связана с уровнем содержания различных веществ в воде. Антропогенное воздействие на величину рН проявляется через сток за счет органических и минеральных веществ антропогенного происхождения, а также за счет поступления окислов серы из атмосферы.

Для жизнедеятельности организмов большое значение имеет реакция среды, которая определяется концентрацией водородных ионов, образующихся в водном растворе при электролитической диссоциации воды. Количественно реакцию среды выражают при помощи рН - водородного показателя. Чистая вода имеет рН = 7, уровни ниже 7 определяют кислотность среды, выше 7 - ее щелочность.

Каждый организм существует в определенных границах рН и имеет специфический оптимум реакции среды. У большинства микроорганизмов оптимум рН = 6-7 и лишь немногие могут расти при рН ниже 2 и выше 10. Организмы, хорошо развивающиеся при кислой реакции - рН= 5-6 - называются ацидофильными (кислотолюбивыми). Водоросли, которые лучше развиваются при щелочной реакции, имеют оптимум при рН=9, называются алкалифильными (щелочелюбивыми).

Соединения азота - содержится в природных водах в виде неорганических соединений: аммонийных, нитратных, нитритных ионов, в белках организма и в продуктах их жизнедеятельности. Неорганические соединения азота необходимы для жизнедеятельности организмов, особенно автотрофов.

Соединения фосфора - также как и азотные содержатся в виде неорганических и органических соединений. Соединения фосфора необходимы для жизнедеятельности организмов при отсутствии азота и фосфора в воде, что бывает при интенсивном фотосинтезе в воде, развитие растений прекращается.

Инертность системы - способность экосистемы сохранять при внешнем воздействии исходное состояние в течение некоторого времени.

Пластичность или упругость системы - способность экологической системы переходить из одного состояния равновесия в другое, сохраняя при этом внутренние связи.

Восстанавливаемость системы - способность экологической системы возвращаться в исходное состояние после временного внешнего воздействия.

3. Исследование и моделирование гидрофизических процессов в океанах и морях и их шельфовых зонах

гидрофизика вода океан море

4. Гидрофизические наблюдения

(исполнители С.Писарев, С.Кременецкий и С.Дикарев, ИО РАН, С.Кузьмин, ААНИИ).

Основной целью гидрофизических работ в экспедиции ПАЛЭКС-2007 было изучение пространственно-временных распределений термохалинных характеристик, а также исследование мезомасштабной изменчивости и вертикальных процессов обмена вод в приполюсном районе СЛО.

Технические средства гидрофизических работ, методика их применения и обработки.

Для измерения вертикальных профилей температуры и солености в экспедиции ПАЛЭКС использовались современные высокоточные CTD (электропроводность-температура - давление) зонды производства компании Sea-Bird Electronics (CША). Использовались два зонда модели SBE 25 SEALOGGER CTD (серийные номера 0385 и 0297) и три зонда модели SBE19plus SEACAT Profiller (серийные номера 4717, 4165 и 5060) (рис.10). Зонд № 0385 имел специальное «полярное» исполнение, по сути сводящееся к измененной, усиленной конструкции разъемов зонда (см. www.seabird.com).

SBE 25 имеет диапазон измерений температуры - -5 - +350С, электропроводности 0-7 S/m, давление - 0-20/100/350/600/1000/2000/3500/7000 м в зависимости от модели датчика давления. В наших зондах стояли датчики давления до 3500 м (зонд № 0385) и 1000 м (зонд № 0297). Разрешение SBE25 - по температуре - 0.00030С, по электропроводности - 0.00004 S/m, по давлению - 0.015 % от всего диапазона измерения датчика давления. Начальная точность SBE25 - по температуре - 0.002 0С, электропроводности - 0.0003 S/m, по давлению - 0.1% от всего диапазона измерения давления. Максимальная частота, с которой осуществляется опрос датчика зонда этой модели - 8гц. (см. www.seabird.com).

SBE 19 plus имеет диапазон измерений температуры - -5 - +350С, электропроводности 0-9 S/m, давление - 0-20/100/350/600/1000/2000/3500/7000 м в зависимости от модели датчика давления. В наших зондах стояли датчики давления до 600 м (зонд № 4165, № 4717, № 5060). Разрешение SBE19plus - по температуре - 0.00010С, по электропроводности - 0.00005 S/m, по давлению - 0.002 % от всего диапазона измерения датчика давления. Начальная точность SBE19plus - по температуре - 0.005 0С, электропроводности - 0.0005 S/m, по давлению - 0.1% от всего диапазона измерения давления. Частота опроса датчиков зонда SBE19plus - 4 гц. (см. www.seabird.com).

Легко видеть, что, несмотря на высокую точность зондов SBE19plus, по точности, они примерно в два раза уступают SBE25. C другой стороны, поскольку на зондах SBE19plus были установлены датчики давления с более узким диапазоном по сравнению с SBE25, по этому параметру зонды SBE19plus в экспедиции ПАЛЭКС 2007 были точнее зондов SBE25.

Для опускания зондов применялись два вида тросовых лебедок. Одна - хорошо известная и опробованная лебедка модели Северный Полюс с ручным приводом. Четыре другие - портативные лебедки, специально изготовленные к экспедиции ПАЛЭКС 2007 (рис.7 а,б) с электрическим и ручным приводами. Все лебедки позволили осуществлять зондирования в пределах запланированных глубин не менее 300м и со скоростью, превышающей минимальную скорость измерений для зондов SBE - 0.25 м/с.

Внешний вид лебедки с электрическим приводом специально изготовленной для ПАЛЭКС 2007.

Все зонды во время экспедиции ПАЛЭКС 2007 использовались в автономном режиме с записью информации на внутреннюю память. Начало и конец измерений осуществлялись сдвигом магнитного ключа зондов. Частота опроса датчиков при всех измерениях выставлялась максимально возможной - 8 и 4 Гц соответственно. Считывание информации из внутренней памяти зондов на персональные компьютеры проходило с помощью программы SeaTerm. Перевод измеренных зондами кодов в физические величины осуществлялось программой SBE Data Processing. Во всех случаях использовались последние версии рекомендованных компанией Sea-Bird Electronics программ SeaTerm и SBE Data Processing - 5.30a (2003 г) и новее. (см. www.seabird.com).

При обработке данных программой SBE Data Processing для всех измерений применялись следующие процедуры:

1. Data Conversion - перевод кодов измеренных зондом в величины давления, температуры и электропроводности. При этой операции для каждого зонда использовался свой конфигурационный файл отражающий результаты последней калибровки этого зонда. Конвертации и последующей обработке подвергались, в соответствии с рекомендациями фирмы производителя, только результаты зондирования вниз.

2. Filter - применение низкочастотного фильтра к данным каналов электропроводности и температуры зонда для сглаживания высокочастотных данных и применение низкочастотного фильтра для данных давления с целью увеличения их разрешения. Параметры низкочастотных фильтров для каждого из каналов измерений подбирались в зависимости от модели зонда (SBE25 или SBE19plus) в полном соответствии с рекомендациями компании производителя (см. www.seabird.com). Контроль характера сигнала зондов после применения данной процедуры во всех случаях показал эффективность работы рекомендованных параметров низкочастотных фильтров.

3. Align CTD - сдвиг результатов измерений по каналу электропроводности и температуры относительно канала измерения давления. Эта операция необходима для того, чтобы гарантировать измерение одного и того же объема воды в один момент времени всеми каналами зонда. Как и на предыдущем этапе обработки рекомендованные фирмой производителем параметры сдвигов показали свою эффективность.

4. Cell Thermal Mass - введение поправки на температуру для ячейки электропроводности. Несмотря на то, что эта процедура проводилась для всех наших измерений CTD зондами, отличий в данных до этой процедуры и после практически не наблюдалось.

5. Loop Edit - процедура присвоения плохих знаков качества для тех результатов опроса датчиков зондов при которых скорость опускания зонда была менее минимальной рекомендованной скорости 0.25 м/с.

6. Derive - вычисление ряда физических величин из показаний зонда - солености, глубины измерений в соленой воде на данной широте, потенциальной плотности, потенциальной температуры и др.

7. Bin Average - осреднение полученных при процедуре 6 параметров в пределах одного метра глубины.

Для отдельных станций зондов SBE19plus между процедурами 1 и 2 применялась также процедура - Wild Edit - специальный фильтр для удаления значительных аномальных выбросов данных.

Поскольку предыдущие калибровки наших СTD зондов происходили в различное время, то гидрофизические работы были начаты с проведения интеркалибровки всех зондов. Процесс сводился к проведению зондирования с помощью двух скрепленных друг с другом зондов (рис. 9). Перед началом зондирования приборы (и при процессе интеркалибровки и при последующих зондированиях) выдерживались вблизи нижней кромки льда в течении не менее 5 мин для принятия корпусом прибора температуры воды и гарантированного «замачивания» ячейки электропроводности. И при калибровочных процедурах и при последующих зондированиях зонды быстро, в течении десятка секунд, доставлялись из теплых жилых палаток к лунке в рабочей палатке.

Также быстро они возвращались в теплое помещение после окончания зондирований. Такая быстрая доставка исключала, по нашему мнению, возможность порчи или даже разрушения ячейки электропроводности зондов вследствие замерзания воды при низких, до -300С, температурах окружающего воздуха.

Равномерное вертикальное опускание зондов, в случае интеркалибровки, по возможности, сопровождалось остановками в слоях однородной температуры и солености. В качестве «поверочного зонда» при интеркалибровках экспедиции ПАЛЭКС 2007 выступал зонд SBE25 № 0385 прошедший калибровку весной 2006 г и не работавший с тех пор. Поправочные коэффициенты для других зондов экспедиции вводились после сравнения показаний на вертикальном профиле «поверочного зонда» и любого другого. До введения поправочных коэффициентов показания каждого зонда проходили весь перечень процедур перечисленных выше с использованием последних по времени калибровочных коэффициентов для этого прибора.

Процедуры обработки данных и интеркалибрация позволили гарантировать на настоящий момент точность всех наших CTD измерений в пределах 0.010С по температуре и 0.01 епс по солености, а также точности определения глубины порядка 3.5 м для зондов SBE25 и 2 м для зондов SBE19plus. В случае проведения после экспедиционной калибровки, которая запланирована к осуществлению на фирме производителе, точности проведенных измерений возрастет примерно в два раза.

Для измерений показаний температуры - электропроводности - давления на отдельных горизонтах применялись как перечисленные выше CTD зонды, так и три прибора производства компании Sea-Bird Electronics - SBE 37-SM MicroCAT (серийные номера - №4220, № 3942 и № 3664). Эти самописцы предназначены для установок на заякоренные буйковые станции, буи или, как в нашем случае, на дрейфующие ледовые платформы. Все самописцы SBE 37-SM MicroCAT экспедиции ПАЛЭКС 2007 были в специальном полярном варианте изготовления .

SBE 37 имеет диапазон измерений температуры - -5 - +350С, электропроводности 0-7 S/m, давление - 0-20/100/350/600/1000/2000/3500/7000 м в зависимости от модели датчика давления. Наш самописец № 4220 не имел датчика давления. Самописец № 3942 был оснащен датчиком давления до 600 м. Самописец № 3664 имел датчик давления до 350 м. Разрешение SBE37 - по температуре - 0.00010С, по электропроводности - 0.00001 S/m, по давлению - 0.002 % от всего диапазона измерения датчика давления. Начальная точность SBE37 - по температуре - 0.002 0С, электропроводности - 0.0003 S/m, по давлению - 0.1% от всего диапазона измерения давления. Максимальный период опроса датчиков самописца SBE37 - 1-3 сек в зависимости от выбора процедуры производства отдельного измерения.

Измерения с помощью самописцев были начаты 16 апреля 2007 г. в дрейфующем лагере Эрнест и продолжались 8 суток. Основная цель проведенных измерений - получить характеристики пространственно-временной изменчивости верхней и нижней границ галоклина приполюсного района Арктического Бассейна, а также получение оценок частотных характеристик внутренних волн в этом районе. Для этого самописцы SBE37 были закреплены на одном капроновом фале диаметром 8 мм и опущены в лунку (рис.11). Верхний самописец без датчика давления был закреплен вблизи верхней границы галоклина и нижней границы верхнего перемешанного слоя на горизонте 70 м. Следующий самописец, с датчиком давления до 350 м был закреплен примерно в середине галоклина на горизонте 95 м. Третий самописец SBE37 был расположен на горизонте 120 м - вблизи нижней границы галоклина.

Поскольку вертикальное положение фала с самописцами обеспечивалось только весом самих приборов, то, как показал предварительный анализ полученных данных, самописцы, под действием дрейфа, смещались периодически от своего начального положения на несколько метров вверх. Анализ вертикальных смещений приборов снабженных датчиками давления показал, что их движения синхронны и прямо пропорциональны. Таким образом, определение вертикальных смещений самописца, не снабженного датчиком давления, было произведено исходя из предположения о линейном смещении всех самописцев закрепленных на одном фале.

Период опроса датчиков самописцев был выбран 3 мин, что соответствует половине максимальной частоты плавучести в данном районе океана. Как известно, частота плавучести определяет верхний предел существования свободных внутренних инерционно-гравитационных волн в океане. Таким образом, период опроса в 3 мин позволил измерить самые высокочастотные внутренние волны этого района океана.

Для измерения вертикальных профилей течений и течений на отдельных горизонтах в экспедиции ПАЛЭКС 2007 применялся доплеровский акустический измеритель Aquadopp фирмы Nortek. Время осреднения на одном горизонте составляло 3 мин, дискретность измерений по вертикали - 20 м в верхнем 100 м слое, 50 м - в нижележащих водах. Всего получено 4 серии (от двух до 5 часов) измерений вертикального распределения скорости течения. Кроме этого, был получен ряд измерений скорости течения в слое скачка плотности вод (глубина залегания около 80 м от поверхности) длительностью около 9 часов. Одновременно с измерениями скорости течения всегда велась непрерывная запись координат станции по данным GPS для учета скорости дрейфа льдины, а также измерения температуры и электропроводности воды зондом SBE 19 Plus № 4717.

Все измерения экспедиции ПАЛЭКС сопровождались определением географических координат с использование системы навигации GPS. Для этого использовались несколько разных GPS приемников фирмы Garmin. В силу технических причин периоды определения координат отличались для разных дрейфующих лагерей. В лагере Эрнест координаты фиксировались практически непрерывно с периодом записи 10 мин в течение всего дрейфа. В лагере Иван - координаты фиксировались также практически непрерывно с периодом 10 или 30 мин. В лагере Петр координаты записывались в ручном режиме при производстве любых измерений. В лагере Евгений учащенная запись координат производилась только при измерениях течений доплеровским акустическим измерителем, а в остальное время - координаты записывались только в моменты производства каких-либо измерений. Различная частота определения координат отражена на рис.3,4, где точки, иногда сливающиеся, показывают координаты каждого из дрейфующих лагерей. В любом случае, все измерительные действия в любом из дрейфующих лагерей сопровождались фиксацией географических координат.

В лагере «Эрнест» дополнительно проводились измерения вертикальных распределений скорости течения доплеровским акустическим измерителем Aquadopp фирмы Nortek. Время осреднения на одном горизонте составляло 3 мин, дискретность измерений по вертикали - 20 м в верхнем 100 м слое, 50 м - в нижележащих водах. Кроме этого был получен ряд измерений скорости течения в слое скачка плотности вод (глубина залегания около 80 м от поверхности) длительностью около 9 часов. Одновременно с измерениями скорости течения всегда велась непрерывная запись координат станции по данным GPS для учета скорости дрейфа льдины, а также измерения температуры и электропроводности воды зондом SBE 19 Plus.

Предварительные результаты гидрофизических работ.

За время экспедиции ПАЛЭКС 2007, с 9 по 24 апреля в приполюсном районе было получено 138 вертикальных профиля температуры и солености, проведено в общей сложности около 12 суток записей изменения температуры и солености одновременно на нескольких горизонтах с периодом не более 3 мин, выполнено 4 серии измерений вертикального профиля скорости течения общей продолжительностью 16 часов, получена одна пятичасовая запись изменчивости скорости течения, температуры и солености в слое скачка плотности.

Глубокий анализ выполненных работ потребует значительных временных затрат и проведения дорогостоящих после экспедиционных калибровок приборов. Однако, некоторые выводы очевидны уже сейчас.

Температура промежуточных атлантических вод в приполюсном районе продолжает оставаться выше по сравнению с осредненными «климатическими» характеристиками полученными для зимнего сезона (ноябрь - май) за период 1950-1990 годы (EWG,1997). Максимальные температуры атлантических вод в районе работ ПАЛЭКС по климатическим данным не превышают 0.80С, а средняя температура максимума при наших измерениях составляет 1.2 0 С. Средняя глубина залегания верхней границы атлантических вод при наших измерениях составляет 190 м, а согласно климатическим данным эта величина равна 220 м. Все это свидетельствует об увеличенном теплосодержании атлантических вод в приполюсном районе Арктического бассейна в апреле 2007 г. по сравнению с климатическими данными (рис.12,13).

Второе безусловное отличие результатов гидрофизических измерений ПАЛЭКС от климатических данных состоит в относительно увеличенной солености в верхних 40-50 м, где соленость этого слоя по климатическим данным составляет 31.3 епс, а по измерениям ПАЛЭКС 33.0 епс. При этом горизонт залегания основания холодного галоклина, за которое различными авторами принимается изогалина 34.3-34.5 (Rudels и др., 1996, 2001, Steele и др, 1998, Boyd и др., 2002) составляет около 120 м и практически совпадает по климатическим данным и данным ПАЛЭКС. Отмеченное увеличение солености верхнего слоя и практическое постоянство горизонта основания галоклина приводит к существенному уменьшению градиента солености в поверхностных арктических водах. Уменьшение градиента солености полностью определяет уменьшение градиента плотности и, как следствие, создание условий для относительной интенсификации передачи тепла от атлантических вод, которые и сами на настоящий момент имеют аномально высокое теплосодержание, ко льду.

Отмеченные ПАЛЭКС тенденции изменений в верхних 300 м водной толщи приполюсного района Арктического бассейна отмечались и в ряде экспедиций прошлых лет. Хорошей иллюстрацией этого служат графики распределения температуры и солености на Северном Полюсе которые получены в результате исследовательской активности проекта NPEO (рис.14).

Данные ПАЛЭКС свидетельствуют о том, что температуры в ядре атлантических вод несколько увеличились (около 0.10С) по сравнению с 2006 г но, конечно, меньше тех величин (0.30С), которые наблюдались в этом районе в период 1993 - 2003 года. Горизонт верхней границы атлантических вод по результатам ПАЛЭКС практически равен величинам, наблюдавшемся в 2004 - 2006 годах, но на около 40 м ниже, чем в 1993-2003 годы. Все это свидетельствует о том, что в 2007 г. теплосодержание атлантических вод в приполюсном районе Арктического бассейна превышало климатическую норму, незначительно увеличилось по сравнению с 2004-2006 годами, но не достигло тех аномально больших значений, которые наблюдались здесь в 1993-2003 годы.

p>Сравнение отмеченного в ПАЛЭКС увеличения солености верхних 40-50 м с данными экспедиций прошлых лет особенно интересны экспедиции SCICEX 1995 и NPEO, поскольку именно измерения, выполненные в этих экспедициях, проводились, как и ПАЛЭКС, в зимний период и процессы сезонного ледотаяния не влияли на соленость верхнего слоя

Легко видеть, что столь соленость верхних 40-50 м поверхностных арктических вод измеренных в ПАЛЭКС не только существенно превышает климатическую норму, но и равна максимальной из когда-либо наблюдавшихся в этом районе океана. Это свидетельствует о существенном ослаблении галоклина и пикноклина в приполюсном районе в апреле 2007г и создании максимально благоприятных условий для передачи тепла от атлантических вод ко льду.

5. Обзор исследований и разработок

Учитывая многопараметрический и изменчивый характер физических процессов, протекающих в океане, современный гидрофизический эксперимент требует, как правило, комплексного подхода. В настоящее время на вооружении океанологов находится большой арсенал различного рода исполнения зондирующих, буксируемых автономных многоканальных измерительных гидрофизических систем. В зависимости от измеряемых параметров различают: гидрофизические, гидрохимические, гидробиологические и другие зонды. По способам применения системы делятся на вертикально-зондирующие, горизонтально-зондирующие и размещаемые на подводных аппаратах, буях. Однако в большинстве случаев они непременно оснащаются каналами измерения основных гидрофизических параметров - температуры, удельной или относительной электрической проводимости и гидростатического давления (глубины).

В последнее время, в связи с достижениями в областях тонкопленочной микроконтактной, полупроводниковой технологий и разработкой соответствующих измерительных преобразователе, системы начинают оснащаться каналами измерения не только средних значений параметров, но и их пульсационных значений. Таким образом, современные гидрофизические системы способны регистрировать распределение средних и пульсационных значений температур, удельной электрической проводимости, по которым рассчитываются соленость, плотность, скорость звука в воде, в пространственных масштабах тонкой структуры и микроструктуры.

Рассмотрим ряд систем, отражающих современное состояние развития зондовой океанографической техники. Измерения распределений температуры, солености и гидростатического давления производятся с помощью СТД-зондов, буйковых и дрейфующих станций. На основании полученных данных строятся гидрофизические модели

NLOM -- Navy Layered Ocean model, с разрешением порядка 1\16 градуса предназначена для оперативного анализа и прогноза основных гидрофизических полей океана с разрешением синоптического пространственно-временного масштаба. NCOM -- Navy Coastal Ocean model запущена в оперативный режим в конце 2002г., предназначена для более детального описания прибрежных, мелководных и слабостратифицированных районов. MODASNRLPOM --система с весьма развитым математическим и программным обеспечением, позволяющим быстро, в течение нескольких часов перенастраивать систему на любой заданный морской регион с учетом специфической термогидродинамики рассматриваемого района. Концепция этой системы -- за несколько часов выполнить анализ и дать прогноз на 2 дня для любого района Мирового океана независимо от того имеются ли в районе наблюдения in-situ или другие наблюдения непосредственно в интересующем районе. Концепция MODAS-NRLPOM определенно направлена на решение задач военного флота в первую очередь.

Описанные системы, как и ряд подобных им, моделируют состояние структуры водной среды на основании имеющихся эмпирических данных. Они анализируют эти данные, предоставляю различную необходимую графическую и аналитическую информацию. Как указывалось выше, данные получаются со стационарных и дрейфующих буйковых станций, а также в результате специальных исследовательских экспедиций с буксируемыми зондирующими комплексами. Последний вариант является как наиболее эффективным, так и наиболее дорогостоящим. Главной проблемой при получении данных является оптимальное использование зондирующих систем во время экспедиции. Решением данной проблемы может являться выбор оптимальной конфигурации измерительной системы, а также маршрута исследовательского судна на основании имеющихся данных. Для этого необходимо построить модель структуры водной среды в районе проведения исследований и выбрать для данной модели наиболее эффективный сценарий исследования.

Разработка объектной модели

Основной задачей является построение наиболее оптимального пути измерительной системы по стоимости. Для поиска такого маршрута нам необходимо построить модель измерительной системы и ее взаимодействия с водной средой. Модель водной среды представлена полиномом, полученным с помощью численного анализа. Она строится на основе известных данных в определенных точках. Каждое измерение характеризуется временем, поэтому аппроксимирующий полином учитывает эту характеристику. С помощью полученного полинома измерительная система может получить значение выбранного параметра в тех точках, в которых не было реальных данных. Моделируя исследования при различных конфигурациях измерительной системы и разных маршрутах следования измерительного судна, мы получаем наборы измеренных данных, сравнивая которые можем определить наиболее оптимальные маршрут судна и конфигурации системы.

Рисунок 1 -- Модель измерительной системы

Опишем компоненты модели:

1) Датчик -- характеризуется инерционностью и типом измеряемого параметра. Главной функцией является получения текущего значения. Для этого датчик вызывает функцию Рассчитать() у класса Модель среды.

2) Панель датчиков -- содержит некоторое количество датчиков. Количество и расстояние между датчиками являются параметрами оптимизации системы. В ходе моделирования измерений панель поочередно опрашивает все датчики, или отвечающие за измеряемый параметр.

3) Двигатель -- главным свойством является дискретность шага, от чего зависит плотность измерений. С его помощью осуществляется погружение на заданную глубину.

4) ОЗУ -- запоминающее устройство хранящие данные полученные от датчиков до сохранения их в БД. Связано с АЦП и получает от него дискретные значения параметра.

5) АЦП -- аналаго - цифровой преобразователь. Для уменьшение временной задержки между датчиками в ходе одного цикла измерений данные записывает в ОЗУ. Откуда в дальнейшем они попадают в БД.

6) Контроллер --управляет действиями измерительной системы. Действия системы могут быть представлены следующей диаграммой.

7) Модель среды -- модель водной среды главной задачей которой является возврат значения параметром водной среды в заданной точке. Модель строится на основе существующих данных. Для точек, в которых значение параметров неизвестно, применяется аппроксимация методом четырехмерного численного анализа. Опишем принцип данного метода. Существует две принципиально различные схемы четырехмерного анализа:

- Дискретная -- предусматривает построение диагностических полей лишь для синоптических сроков наблюдений. В этом отношении она не отличается от существующих методик объективного анализа. Различие же состоит в том, что при построении каждого диагностического поля, наряду с данными наблюдений, относящихся к рассматриваемому сроку, используется также асиноптическая информация, относящаяся к другим, более ранним моментам времени.

- Наиболее логичной является другая непрерывная схема четырехмерного анализа, в рамках которой каждое наблюдаемое значение (синоптическое или асиноптическое) усваивается соответственно тому времени, к которому это наблюдение относится. Это усвоение заключается в изменении результатов численного прогноза для момента времени, соответствующего поступившему наблюдению. Иначе говоря, каждый результат наблюдения вводится в численную прогностическую модель, которая действует непрерывно. Рассмотрим, например, один из подходов решения задачи четырехмерного анализа -- полиномиальный. Метод полиномиальной интерполяции обобщается следующим образом. При представлении поля скалярного аргумента, например температуры, геопотенциала, давления и пр., в виде какого-либо полинома время t рассматривается в качестве одной из независимых переменных. Так, при использовании полинома второго порядка на плоскости принимается, что