Введение.
Черное море является водоемом с весьма тонким (по сравнению с океаническим) деятельным слоем. Лишь в верхнем 100–150 м слое есть кислород и имеются благоприятные условия для жизнедеятельности организмов. Основная толща вод - от 150 м и до дна (приблизительно 2000 м), представляет собой безжизненную сероводородную среду. Такие специфические условия определяются наличием резкого пикно-халоклина, блокирующего вертикальное перемешивание и перенос кислорода в глубинный слой Черного моря. Очевидно, что небольшая толщина деятельного слоя делает экосистему вод Черного моря чрезвычайно чувствительной к изменениям климатических условий, а также к антропогенному воздействию. Так, например, потепление регионального климата и связанное с ним ослабление интенсивности поля ветра и конвективного перемешивания в зимний сезон должно приводить к дальнейшему уменьшению толщины кислородного слоя и, соответственно, к подъему зоны сероводородного заражения. Все это может крайне негативно отразиться на функционировании черноморской экосистемы в целом. Однако достоверно предсказать реакцию экосистемы на климатические изменения принципиально невозможно. Поэтому дальнейший мониторинг, систематическое изучение влияния изменяющихся климатических условий в регионе на экосистему Черного моря является важнейшей задачей современного комплексного научного исследования.
С другой стороны, усиление антропогенного стресса, обусловленного, в основном, промышленно-хозяйственной активностью на берегу и в прибрежных районах моря увеличивает загрязнение и эвтрофикацию вод шельфовой зоны и также может приводить к изменениям на экосистемном уровне. При этом, в условиях жесткой вертикальной плотностной стратификации, степень антропогенного воздействия на экосистему шельфовой зоны в большой степени зависит от интенсивности берегового стока, поступающего в российский сектор Черного моря как непосредственно из малых и средних рек российского побережья, так и из Азовского моря через Керченский пролив, и процессов горизонтального обмена вод шельфа и глубоководной части бассейна. Большой береговой сток и, связанный с ним поток загрязняющих веществ, в условиях низкого уровня горизонтального и вертикального обмена, способствующего вентиляции прибрежных вод и их очистке от загрязнений, будет усиливать негативное влияние антропогенного стресса на шельфе. Таким образом, влияние динамики прибрежных вод и других гидрофизических и метеорологических факторов на их качество является весьма значительным и подлежит исследованию и мониторингу.
Вселение в Черное море и массовое размножение в конце 80-х годов прошлого века гребневика Mnemiopsis leidyi, питающегося зоопланктоном и личинками рыб, привело к черноморскую экосистему к глубокой деградации. В конце 90-х годов положение несколько выправилось благодаря вселению другого гребневика – Beroe ovate, являющегося хищником в отношении Mnemiopsis leidyi, после чего влияние последнего на зоопланктон уменьшилось, и черноморская экосистема начала восстанавливаться. Однако, в любой момент, имеется вероятность появления новых вселенцев, способных оказать негативное влияние на биоту Черного моря. Потепление регионального климата (более чем на два градуса Цельсия за последние 25 лет) способствует продвижению биологических видов с юга на север. В силу этого постоянное получение данных о динамике популяции, заселяющих прибрежную зону моря является важной задачей фундаментальных и прикладных черноморских исследований
Общая характеристика Полигона ИО РАН«Геленджик», созданного на базе ЮО ИО РАН в прибрежной зоне Черного моря.
Южное отделение Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН (далее – ЮО ИО РАН) расположено на берегу Рыбацкой (Голубой) бухты Черного моря в районе г. Геленджика. Время пути на автомобиле от аэропорта г. Геленджик до ЮО ИОРАН составляет 10-15 мин.
Рис. 1. Расположение ЮО ИО РАН (Голубая бухта Черного моря).
ЮО ИО РАН является базой для проведения ежегодной черноморской экспедиции ИО РАН. Экспедиционные исследования направлены на изучение фундаментальных вопросов взаимодействия шельфовой зоны и глубоководных районов бассейна, а также на комплексный мониторинг состояния черноморской экосистемы. Работы охватывают физическое, химическое, геологическое и биологическое направления и являются продолжением цикла многолетних исследований. В экспедиционных работах (80-120 судовых суток) ежегодно принимают участие более 70 сотрудников Института и его Южного отделения и 30-50 специалистов и студентов из других научных организаций.
В период с 2010-2013 г., в шельфово-склоновой зоне моря в районе г. Геленджик на базе ЮО ИО РАН был развернут постоянно действующий полигон (далее – Полигон), предназначенный для судового комплексногомониторинга состояния черноморской прибрежной экосистемы и отработки методов и средств оперативной океанографии [1].
Комплексный мониторинг состояния прибрежной морской экосистемы осуществляется на повторяемом (стандартном) судовом разрезе (рис. 2) и является важным элементом программы черноморских исследований ИО РАН. Судовой разрез имеет общую протяженность в 9 миль и включает в себя 7 станций, выполняемых с борта малого научно-исследовательского судна (МНИС) БПМ-74«Ашамба» (рис. 3).
Рис. 2 Станции (точки) комплексного судового мониторинга состояния прибрежной черноморской морской экосистемы на девятимильном разрезе на траверзе
Голубой бухт: схема разреза на карте - (а); расположение гидрофизических и комплексных станций на разрезе в зависимости
от глубины (числами указана глубина места в точках станций) - б.
Рис. 3. МНИС БПМ-74 «Ашамба» водоизмещением 27 т.
Судно имеет ограничения района плавания в 12-ти мильной зоне территориальных вод (глубина моря в этой зоне – до 1700 м). Экипаж судна: команда – 2 чел, научный состав – до 8 чел.
Судно имеет следующее техническое оснащение:
- бортовое электропитание 220В, 380В, 12 В;
- бензиновый генератор – 1 Квт, 220 В;
- двух-барабанная лебедка (с тросом и кабель-тросом) с турачкой грузоподъемностью до 250 кг;
- кормовая П-рама для работы с CTD-зондами, а также используемая для постановки и снятия донных и заякоренных станций,
- отводная стрела 5 м по левому борту для работы с планктонными сетями;
- эхолот;
- метеостанция;
- GPS-навигатор;
- средства радиолокационнойсвязиь;
- две шахты в днище для установки научного оборудования, используемого на ходу судна (в одной шахте стационарно установлен эхолот).
На всех станциях разреза выполняются CTD-зондирования зондом SBE 19 plus от поверхности и до дна, или до глубины 350 м в области континентального склона, с измерением профилей температуры, солености и плотности морской воды. На четырех станциях (с глубинами 25, 50, 100 и 500 м) производится отбор проб воды на химический анализ и определение содержания хлорофилла, на трех станциях (с глубинами 25, 50 и 500 м) выполняются сетные ловы зоопланктона. С 2012 года к списку измеряемых параметров добавились флюоресценция хлорофилла и мутность. Судовой разрез обычно выполняется раз в две недели, но не реже, чем один раз в месяц на протяжении всего года.
Данные, получаемые на станциях судового разреза, позволяют изучить внутрисезонную, сезонную и межгодовую изменчивость ключевых параметров прибрежной черноморской экосистемы (рис. 4), а также выявить закономерности изменения значений этих параметров в поперечном берегу направлении.
Рис. 4. Вертикальное распределение хлорофилла-а (вверху) и температуры воды (внизу) в районе континентального склона в 2017 г. по данным комплексного судового мониторинга.
Основу Полигона (рис. 5) составляют размещенные на нем автономные измерительные системы в составе зондов-профилографов «Аквалог» (разработка ИО РАН) на заякоренных буйковых станциях (рис. 6) [2], донных станций с акустическими доплеровскими профилографами скорости течения (ADCP) и заякоренных термокос (рис. 7, 8) [3]. Эти системы обеспечивают регулярное получение гидрофизических, данных с высоким пространственно-временным разрешением.
Рис. 5. Схема Полигона по состоянию на 2018 г.. На схеме обозначено: зеленые звездочки – донные станции в составе ADCP и термокосы (ближайшая к берегу станция обеспечена подводной оптоволоконной линией связи), зеленый кружок – станция профилаграфа “Аквалог”, зеленый квадрат – морская метеостанция, красные молнии – радиолокационные измерения;. оранжевая пунктирная ломанная – галсы судна для измерения пространственной структуры течений буксируемым ADCP.
Рис. 6. Схема функционирования мобильного зонда-профилографа «Аквалог» на заякоренной буйковой станции
Рис. 7. Донная станция с акустическим профилографомRDIWH 600 кГцв пирамиде из немагнитного материала перед ее постановкой в море с моторной лодки.
Рис. 8. Термокоса на заякоренной буйковой станции с подповерхностной плавучестью.
На Полигоне отрабатываются средства оперативного сбора и передачи данных океанографических измерений. Проводится тестирование морских вариантов GSM и радиосвязи, средств подводной акустической связи. На ближайшей станции к Голубой бухте организована он-лайн связь измерительного комплекса с береговым сервером. Автономные измерительные системы подключены к береговому питанию посредством подводного оптоволоконного кабеля и 8-ми канального подводного модема станции, с помощью которых осуществляется оперативная передача данных в береговой центр (рис. 9).
Рис. 9. Схема он-лайн станции.
Обозначения:
а) заякоренная цепочка температурных датчиков (термокоса) ;
б) доплеровский профилограф скорости течения ADCP;
в) восьмиканальный подводный модем on-line мониторинга;
г) оптоволоконная кабельная линия связи с береговым центром;
д) береговой модем для приёма данных и передачи команд измерительным приборам;
е) персональный компьютер для сбора данных измерений.
Морская метеостанция, размещенная на навигационном заякоренном буе, установленном на расстоянии 7 км от берега, по радиоканалу передает данные измерений на береговой сервер с периодичностью 1 раз в 10 мин., которые оперативно обновляются на доступном зарегистрированному пользователю сайте: https://weather.noiselab.ru//quick.php (рис. 10).
Рис. 10. Буй морской навигационный БМС-780-ПУ - (а) с установленной на нем на высоте 6 м над уровнем моря
автоматической метеостанцией AIRMAR 200WX-IPX7 - (б) в комплекте с GPS/ГЛОНАСС
модемом и модулем оперативной передачи данных по радиоканалу
Новым шагом в развитии Полигона ИО РАН «Геленджик» является получение в реальном времени данных о пространственной структуре поля поверхностных течений на акватории полигона на основе совместного использования данных измерений, получаемых с помощью высокочастотного доплеровского радара. Радиолокационные измерения проводятся сотрудниками Крыловского Государственного Научного Центра (рис. 11-12). Данные этих измерений верифицируются на основе сопоставления с данными судовых буксировок ADCP (рис. 13). Радиолокационные измерения проводились в 2015-2017 гг. и продолжаются в 2018 г.
Рис. 11 Доплеровский коротковолновой радиолокатор SeaSonde (CODAR)на пирсе-стенде ЮО ИО РАН, размещенный в помещении кунга (контейнерная лаборатория)
Рис. 12. Расположение приборов в районе исследования и области покрытия радиолокационным зондированием.
Рис. 13 Сопоставление поляскорости течения по даннымизмеренийрадиолокатора SeaSonde 24 сентября.2015 г.
с данными судовой буксировки ADCP
Причал - пирс-стенд (рис. 14) является местом базирования МНИС БПМ-74 «Ашамба». Кроме того, на нем размещены контейнерные лаборатории - кунги с научным оборудованием, подведено электропитание, оптоволоконная линия, Интернет. Оборудование в кунгах (коммуникация с подводным оптоволоконным кабелем, радиолокационная связь, связь GSM) позволяет оперативно принимать и передать в сеть Интернет данные измерений приборных комплексов Полигона.
Рис. 14. Пирс-стенд ЮО ИО РАН. В мористой части пирса расположены кунги с научным оборудованием.
В структуру ЮО ИО РАН входит участок площадью 6.0 Га, непосредственно примыкающий к урезу воды. Участок рассматривается как перспективная площадка для организации стендовых испытаний новых опытных образцов радиолокационных средств измерений в СВЧ и КВ спектральных диапазонах. В настоящий момент площадка не освоена. Это дает преимущество перед другими урбанизированными участками берега. На площадке отсутствуют искусственные преграды распространения радиоволн. Существенная отдаленность от жилых застроек и хозяйственных объектов г. Геленджика снимает вопросы негативного воздействия опасного радиоизлучения и упрощает процедуру согласования санитарно-защитных зон (ССЗ) участка проведения экспериментов. Площадка на протяжении ~ 200 м непосредственно примыкает к морю - береговому уступу, что обеспечивает беспрепятственное распространение радиоволн в акватории моря от м. Идокопас до м Долгий (Анапский район), включая бухту Дюрсо (рис. 15, 16).
Рис. 15. Основная территория ЮО ИО РАН и верхняя площадка 6.0 Га на карте местности
Рис 16. Территория 6.0 Га ЮО ИО РАН в Голубой бухте. а) верхний участок; б) нижний участок
Материально-техническая база (инфраструктурные научные объекты, дорогостоящее или уникальное научное оборудование) черноморского гидрофизического полигона на базе ЮО ИО РАН включает:
- инфраструктуру Южного отделения ИО РАН (научные лаборатории, склады, причал и пр.).
- МНИС БПМ-74 «Ашамба» водоизмещением 27 т.
- подводный робототехнический зондирующий комплекс "Аквалог"- 1 шт.
- акустические измерители течений Aquadopp3D - 3 шт.
- океанографические зонды CTD SeaBird19plus - 3 шт, CTD DirectReadBio - 1 шт. Idronaut 316 - 2 шт.
- датчик растворенного кислорода SBE43 - 2 шт.
- флуориметр и турбидиметрEcoView -2 шт.
- дистанционный измеритель волнения и уровня GeneralAcoustics - 1 шт.
- акустические размыкатели InterOcean - 2 шт.
- акустический доплеровский профилограф течений RDI Workhorse 600 с модулем измерения направленных поверхностных волн - 2 шт.
- акустический доплеровский профилограф течений RDI 300 - 1 шт.
- акустический доплеровский профилограф течений SONTEK 250 - 1 шт.
- акустический доплеровский профилограф течений с функцией измерения поверхностного волнения AWAC 1000 - 1 шт.
- акустический доплеровский измеритель трехмерных флуктуаций скоростей Vector 3D.
- обтекаемая гондола для буксировки ADCP за судном - 2 шт.,
- гирлянды термодатчиков ЮО ИО РАН (термокосы) - 3 шт.
- автоматические метеостанции.
- морская метеостанция;
- профессиональная видео и фотоаппаратура для подводной съемки.
Дальнейшее развитие Полигона, дополнительное оснащение его измерительными комплексами, средствами оперативной передачи и обработки данных, способствует прорывному развитию российской океанологической науки, отвечающему стратегии НТР РФ. При этом разработка технологии оперативнойокеанографии прибрежных зон морей России, на основе применения высокоразрешающих гидродинамических моделей с усвоением данных береговой радиолокации и автономных гидрофизических станций с передачей данных в реальном времени, является задачей, для решения которой черноморский полигона ИО РАН имеет важное значение. Решение этой задачи необходимо также для океанологического обеспечения морской деятельности в прибрежных районах морей России.
Используемая во многих странах мира, в том числе, и в России технология оперативного мониторинга морских акваторий базируется на получении в реальном времени данныхатмосферного воздействия, спутниковых измерений уровня моря (спутниковой альтиметрии) и температуры морской поверхности (спутниковой ТПМ) и их усвоении в численных гидродинамических моделях. С помощью моделей даются диагноз и прогноз трехмерных полей температуры, солености и скорости течений на срок до десяти дней. Верификация результатов численных расчетов производится на основе сопоставления с разнообразнымиданными контактных наблюдений, в том числе, ныряющих поплавков типаАРГО.
В прибрежных зонах морей, шириной до 200 км, в качестве альтернативы усвоению данных уровня моря, может послужить усвоение данных поверхностной скорости течения, получаемой путем использования доплеровских радиолокаторов КВ диапазона. Данный метод уже используется в ряде передовых стран для получения оперативного диагноза и прогноза в прибрежных зонах морей и океанов. При использовании гидродинамических моделей высокого разрешения он позволяет в реальном времени производить текущее оценивание и кратковременный прогноз компонент скорости течений, морского волнения и основных гидрофизических полей заданных акваторий: температуры, солености, плотности, гидростатического давления и скорости звука с пространственным разрешением, характерным для субмезомасштабных неоднородностей, т.е. не хуже 0.2 - 0.5 км по горизонтали, 2 -7 м по вертикали для прибрежных зон шириной до 200 км морей России.
Постоянно действующий гидрофизический полигон ИО РАН в шельфово-склоновой зоне Черного моря является уникальной инфраструктурой, позволяющей производить перманентный комплексный судовой и автоматический мониторинг состояния водной среды с помощью автономных измерительных станций, оборудованных системами оперативной передачи данных. На полигоне накоплен опыт использования доплеровских радиолокаторов КВ диапазона для измерения скорости поверхностного течения. Таким образом, для решения задачи разработки технологии региональной прибрежной оперативной океанографии требуется сделать еще один шаг: разработать программные комплексы ассимиляции радиолокационных данных по скорости течения в гидродинамической модели высокого разрешения и верифицировать результаты расчета путем их сопоставления с данными контактных измерений на полигоне.
Имеющаяся в ЮО ИО РАН научная и производственная инфраструктура позволяет обеспечить решение основных задач разработки и внедрения методов оперативной океанографии.
Ссылки
Перечень оборудования
Перечень оборудования Лаборатории химии ЮО ИО РАН
Перечень методик
Перечень зданий и сооружений
Перечень плавсредств
Перечень реализуемых проектов
Перечень услуг
Регламент доступа к оборудованию
Статьи в научных журналах по результатам исследований на Полигоне
Ссылка лаборатория химии ЮО ИО РАН
Ссылка лаборатория литодинамики и геологии ЮО ИО РАН
Научно-технические исследования, выполнявшиеся ИО РАН с использованием инфраструктуры Черноморского полигона ИО РАН «Геленджик» (ЧПГ ИОРАН) в 2015-2018 гг.
Прохождение практики студентов в ЮО ИО РАН
Типовой договор обеспечения
Результаты научно-технических исследований, выполненных на ЧПГ ИОРАН в 2017 г.
