Морские информационно-управляющие системы. Май 2014, № 1 (4) by Dimitry Lukash

морские системы

ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ

ОАО «КОНЦЕРН «МОРИНСИС-АГАТ»

морские системы

ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ

Межотраслевой корпоративный научно-технический журнал

редакционная коллегия:

ИЗДАТЕЛЬ:

АНЦЕВ Георгий Владимирович генеральный директор-генеральный конструктор ОАО «Концерн «Моринсис-Агат», главный редактор

Открытое акционерное общество «Концерн «Моринформсистема-Агат»

КОБЫЛЯНСКИЙ Валерий Владимирович заместитель генерального конструктора по инновационной политике ОАО «Концерн «Моринсис-Агат», заместитель главного редактора НОВИКОВ Евгений Станиславович главный конструктор направления ОАО «Концерн «Моринсис-Агат» БЕКИШЕВ Анатолий Тимофеевич генеральный директор-генеральный конструктор ОАО «НПП «Салют» БОНДАРЬ Михаил Владимирович главный научный сотрудник ОАО «ЦНИИ «Курс» ГОЛУБЕВ Анатолий Генадьевич доктор технических наук, ОАО «КГФИ» ГЛАДИЛИН Алексей Викторович директор института ФГУП «АКИН» КОПАНЕВ Александр Алексеевич генеральный директор ОАО «НПФ «Меридиан» МАКЛАЕВ Владимир Анатольевич генеральный директор ОАО «НПО «Марс» НЕМЫЧЕНКОВ Владимир Сергеевич генеральный директор, председатель научно-технического Совета ОАО «Тайфун» ПИРОГОВ Всеволод Анатольевич первый заместитель директора института по научной работе ФГУП «АКИН» ПРИХОДЬКО Иван Михайлович технический директор ОАО «НИИ «Атолл» ФИЛАТОВ Юрий Николаевич коммерческий директор ОАО «Завод «Топаз» ХАНИН Леонид Борисович генеральный директор-генеральный конструктор ОАО «КБ «Аметист» 2

КОЛОНКА РЕДАКТОРА Великий русский ученый Михаил Ломоносов, живший в ХVIII веке, был уверен, что богатство и мощь России прирастать будут Сибирью и арктическими районами. Сейчас, в начале XXI века, это очевидно всем. Арктический регион имеет очень сложные климатические условия, и до середины XX века уровень технических возможностей был таков, что любая хозяйственно-экономическая деятельность в Арктике приравнивалась к подвигу. Ныне многое изменилось. Началось промышленное освоение месторождений нефти и газа, в том числе на шельфе Арктических морей. Потепление климата может привести к тому, что Северный морской путь превратится в круглогодично функционирующую международную транспортную магистраль. Новые технологии сделают жизнь тружеников Севера более комфортной. Методы дистанционного зондирования Земли с использованием космических аппаратов позволяют иметь качественную и оперативную информацию обо всем регионе. В статьях данного номера мы постарались осветить большую часть проблем освоения Арктики, рассматривая современный уровень технологий, достигнутый в каждой конкретной области.

СОДЕРЖАНИЕ CONTENT

МОРСКИЕ ИНФОРМАЦИОННО–УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ No. 1 (4) / 2014 Экономические вопросы развития Северного морского пути Обзор по материалам прессы А.Г. Горшков ОАО «Концерн «Моринсис-Агат» Ледокольный флот России и его роль в освоении Арктики А.М. Воробьев ЗАО «Сервис ВМФ»

Океанологические исследования, необходимые для достоверного прогноза изменений климата в высоких широтах А.В. Соков, С.К. Гулев Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН 26 Оценка климатических изменений в арктических широтах в случае ослабления Северо-Атлантического течения В.В. Зуев ИМКЭС СО РАН

70 80

О возможной причине изменения русла Северо-Атлантического течения Гольфстрим С.М. Першин ИОФ РАН 44

86 106

Использование технологий дистанционного лазерного зондирования при исследованиях в Арктике А.Ф. Бункин, С.М. Першин ОАО «Концерн «Моринсис-Агат», ИОФ РАН 54 Распознавание свойств морского льда по картам индекса рассеяния М.В. Бухаров ФГБУ «НИЦ «Планета» 64 Роботизированная профилирующая океанологическая обсерватория «Аквалог» А.Г. Островский, А.Г. Зацепин, В.А. Соловьев, С.Я. Суконкин, А.Л. Цибульский, Д.А. Швоев Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Опытно-конструкторское бюро океанологической техники РАН 70

Беспилотные летательные аппараты в изучении и освоении Арктики О.К. Рыбаков, Н.В. Аллилуева ОАО «НПП Радар ммс»

Влияние дна на эффективность низкочастотного гидроакустического мониторинга арктических мелких морей А.В. Гринюк, В.Н. Кравченко, И.М. Приходько, А.И. Хилько ОАО «НИИ «Атолл», Институт прикладной физики РАН 94 Концепция создания единой базы данных по характеристикам морского дна для составления цифровых карт дна морей Арктики С.Л. Никифоров, И.А.Селезнев, В.А. Попов, Л.И. Лобковский ОАО «Концерн «Океанприбор» 100

Сеть мобильной автоматической радиосвязи с открытым доступом для арктического региона России В.Л. Хазан, И.В. Дулькейт ОАО «Омский НИИ приборостроения», Омский государственный технический универсистет 48

Новая научно-исследовательская станция в дельте реки Лены М.И. Эпов, М.Н. Григорьев, И.Н. Ельцов, В.А. Каширцев, ФБГУН ИНГГ СО РАН им. А.А.Трофимука

О некоторых аспектах применения морозостойких кабелей в арктических условиях А.В. Лобанов, В.А. Макаров, В.О. Левчук, В.В. Андреев, Ю.А. Фурс, Р.Г. Кузнецов ООО НПП «Спецкабель» 106 Технология интегрирования оборудования рулевой рубки скоростных судов М.Ю. Гаранов, Ю.Н. Шепета, А.Е. Лебедев ОАО «ЦКБ по СПК им. Р.Е. Алексеева» 112

112 116

Авиационная поддержка российского присутствия в Арктике Н. Д. Таликов ОАО «Авиационный комплекс им. С. В. Ильюшина» 116

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ РАЗВИТИЯ СЕВЕРНОГО МОРСКОГО ПУТИ Главная российская судоходная магистраль в Арктике – Северный морской путь, протянувшийся через моря Северного Ледовитого океана и соединяющий европейские и дальневосточные порты, переживает сегодня начало подъема. 4 июля 2012 года Государственной думой был принят федеральный закон № 132-ФЗ «О внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации в части государственного регулирования торгового мореплавания в акватории Северного морского пути», которым предусмотрен ряд мер по развитию арктической морской магистрали, в том числе, создание администрации Северного морского пути. В активном развитии Севморпути заинтересованы и участники международного проекта «Северный морской коридор», предусматривающего создание единой транспортной системы портов и инфраструктуры в северной части Европы. Проект объединяет восемь стран Северного региона, включая Россию. Предполагается, что Мурманский морской порт станет центральным звеном данной транспортно-логистической системы. ОАО «Концерн «Моринсис-Агат»* Москва Обзор по материалам прессы А.Г. Горшков * координатор Технологической платформы «Освоение океана» 4

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

Главные функции Севморпути – транзитная перевозка грузов между портами Канады, России, Северной и Западной Европы и юго-восточной Азии (в основном Китая, Японии, Южной Кореи), вывоз производимой продукции (основной объем – это горнорудная продукция Норильского комбината и углеводородное сырье с полуострова Ямал), а также жизнеобеспечение населенных пунктов, расположенных вблизи трассы Севморпути (так называемый «северный завоз»). В середине мая 2013 года в Москве начала свою работу администрация Северного морского пути. Введено новое определение границ его акватории (рис. 1). Под ними понимается водное пространство, прилегающее к северному побережью Российской Федерации, охватывающее внутренние морские воды, территориальное море, прилежащую зону и исключительную экономическую зону страны, ограниченное с востока линией разграничения морских пространств с США и параллелью мыса Дежнева в Беринговом проливе, с запада – меридианом мыса Желания до архипелага Новая Земля, восточной береговой линией архипелага Новая Земля и западными границами проливов Маточкин шар, Карские ворота и Югорский шар. Таким образом, Севморпуть начинается от Карских ворот и заканчивается Беринговым проливом. Его протяженность составляет 3023,76 морских мили или 5600 км. Продолжительность летней и зимней навигации зависит от ежегодных природно-климатических условий отдельных морей. Зимняя навигация начинается, как правило, с началом льдообразования на акватории порта и заканчивается после окончания ледохода. Начало и окончание зимней навигации на акватории отдельного порта объявляется приказом начальника администрации и доводится до судовладельцев и мореплавателей через региональную систему прибрежных предупреждений.

Рис. 1. Акватория Северного морского пути

Историческая справка Возможность практического использования Северо-Восточного прохода (так первоначально назывался Северный морской путь) для плавания из Европы в Китай рассматривалась еще в XVI веке. Англичане и голландцы предпринимали несколько неудачных попыток пройти вдоль арктического побережья России. Фактическое освоение Севморпути началось только в первой четверти XX века, когда адмирал А. В. Колчак, принимавший в молодости активное участие в полярных научных исследованиях, 23 апреля 1919 года издал распоряжение о создании при Российском правительстве Комитета Северного морского пути и организации исследовательской экспедиции. После поражения Восточного фронта Русской армии в Сибири Комитет в полном составе был сохранен и введен в состав учреждений Сибревкома. В 1932 году было создано Главное управление Северного морского пути, которому поручалось окончательно проложить морскую трассу от Белого моря до Берингова пролива, оборудовать морской путь, держать его в исправном состоянии и обеспечить безопасность плавания. В эти годы и было осуществлено первое сквозное плавание с востока на запад по Северному морскому пути в одну навигацию. В годы Великой Отечественной войны Северный морской путь уже был задействован как важнейшая транспортная магистраль, по которой осуществлялась проводка боевых кораблей Тихоокеанского флота в Баренцевом море. Через арктические порты было перевезено свыше 4 миллионов тонн различных грузов. На этих этапах развития вопрос экономической эффективности Севморпути не стоял на повестке дня; трасса рассматривалась исключительно как стратегическая и внутренняя, закрытая для прохода иностранных коммерческих судов. К 70‑м годам XX века в Советском Союзе был построен мощный ледокольный флот, способный обеспечить безопасность навигации. Но по ряду политических причин международное сотрудничество в развитии Северного морского пути еще два десятилетия было невозможно. Для международного судоходства Северный морской путь был открыт только в 1991 году. В 1993 году по инициативе Министерства морского флота СССР норвежский Институт Фритьофа Нансена совместно с ЦНИИ морского флота и японским Фондом морского судоходства приступили к разработке Международной программы освоения Северного морского пути – International North Sea Route Programme (INSROP). 12 марта 1997 года Россия ратифицировала Конвенцию ООН по морскому праву 1982 года. Акватория Северного морского пути официально получила статус международных вод. Согласно статье 234 этой Конвенции, Севморпуть рассматривается как исторически сложившаяся единая национальная транспортная коммуникация России. No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 2. Провод теплохода «Инженер Трубин» Причины интереса иностранных судоходных и деловых кругов к Северному морскому пути очевидны. Прежде всего, это более выгодная с экономической точки зрения альтернатива перевозкам между портами Европы, Дальнего Востока и Северной Америки, осуществляемым через Суэцкий и Панамский каналы. Например, расстояние от Гамбурга до Иокогамы через Суэцкий канал составляет 11 400 морских миль, а по Севморпути – всего 6 600 миль. Кроме того, Северный морской путь интересен как транспортная артерия для перевозки минерального сырья из арктических регионов России. В районах, прилегающих к Севморпути, содержится 35% мировых запасов нефти и газа. Магистральные трубопроводы в Западную Европу могут проходить только по территории других стран, трансфер через них обходится достаточно дорого. Морские перевозки могут оказаться выгоднее строительства газо- и нефтепроводов. Экономическая выгода перевозить, к примеру, сжиженный природный По экспертным оценкам удорожание судна ледового класса относительно судна базового дизайна составляет сегодня 10 % на каждый уровень, начиная с Arc4. К примеру, стоимость танкера ледового класса Arc7 для вывоза продукции с Ямала составляет порядка 320 млн долларов, в то время как конвенционный1 танкер той же грузовместимости стоит около 200 млн долларов.

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

газ морским транспортом появляется, когда транспортное плечо2 превышает 2000 морских миль, а объемы транспортировки измеряются миллионами тонн жидкого газа в год. При необходимости вывоза продукции из труднодоступных мест, где есть возможность строительства морского порта, но прокладка трубопровода затруднена, они становятся оправданными. Ледовая обстановка в Баренцевом море и в западной части Карского моря вполне благоприятна и позволяет проходить танкерам ледового класса в течение большей части года без сопровождения ледоколами. Кроме того, по Северному морскому пути можно организовать перевозку минеральных удобрений с Кольского полуострова в Восточную Азию, в Китай. Однако на сегодняшний день уровень обслуживания Северного морского пути, состояние портов и инфраструктуры вызывают сомнения у крупнейших иностранных судовладельцев относительно перспектив Севморпути пропускать большие объемы транзита, обеспечить сроки, безопасность и надлежащую информационную поддержку маршрута. Современные судовладельцы готовы рассматривать преимущества северного маршрута, основываясь не только на соображениях прибыльности, но также на готовности России обеспечить устойчивое и надежное обслуживание мореплавания. 1 Конвенционный корабль – судно, чьи параметры отвечают международным конвенциям, в том числе Конвенции ООН по морскому праву. 2 Транспортное плечо – расстояние между начальным и конечным пунктами доставки груза.

Основные доводы судовладельцев таковы: 1. Для работы на Северном морском пути требуются слишком большие капитальные вложения. Необходимы специализированные суда ледового класса (зимой – усиленного ледового класса), танкеры только с двойным корпусом (необходимо отметить, что на сегодняшний день в целом все международные нормы, в том числе нормы и правила Международной морской организации – IMO, направлены на скорейший вывод из эксплуатации однокорпусных танкеров на любом транспортном маршруте). Суда должны иметь дополнительное аварийное снабжение и управляться офицерами, подготовленными для работы в Арктике. По расчетам независимых консультантов норвежской компании Synergy Research, дополнительные расходы для танкера дедвейтом3 37 тыс. тонн в текущих ценах составят 15 млн долларов. Сюда входит разница стоимости строительства судна ледового класса по сравнению с обычным, ледокольные сборы в течение 20 лет, дополнительные расходы на страхование, более дорогостоящую покраску корпуса и т. д. К объективным факторам также относится современная тенденция повышения эффективности контейнерных перевозок с использованием все более крупных по водоизмещению судов. При расчете на перевезенный контейнер эти суда используют на 25 % меньше топлива, чем старые и более мелкие по водоизмещению корабли. Использование крупных контейнеровозов делает невозможным конкуренцию с ними более мелких судов даже в том случае, если последние используют Северный морской путь. Это также является сдерживающим фактором для развития транзитного плавания по арктической магистрали. 2. Слишком велики эксплуатационные расходы, включающие ледокольное обеспечение, тарифы за пограничное и таможенное оформление, повышенные ставки страховой премии, дополнительные риски. Сегодня размер сборов за использование Северного морского пути устанавливается в одностороннем порядке российской стороной и, по мнению иностранных судовладельцев, нередко оказывается завышенным. Фрахт атомного ледокола в настоящее время втрое дороже, чем грузового судна и составляет около 100 тыс. долларов в день. Дополнительные же риски, по оценке Томаса Петерсона, вице-президента Canarctic Shipping, подразделения канадской группы компаний Fednav, составляют не менее 50 тысяч долларов за рейс (2 тысячи долларов в сутки). Эти риски обусловлены низкой вероятностью предоставления ледокольного обеспечения в нужное время 3 Дедвейт (англ. deadweight) – полная грузоподъемность судна (масса груза, включая полезный груз, судовые запасы, экипаж).

и в нужном месте, высокой вероятностью ледового повреждения, простоев судна и дополнительными страховыми расходами. Высокие факторы риска делают Северный морской путь неконкурентоспособным по сравнению с маршрутами, на которых суточная тайм-чартерная ставка значительно выше. Новый транзитный маршрут будет иметь право на жизнь только в том случае, если он окажется выгоднее и конкурентоспособнее существующих. Еще 20 лет назад было подсчитано, что Северный морской путь будет эффективен при тарифе 5 долларов за тонну. Именно поэтому исполнительный директор администрации Суэцкого канала уверен, что Северный морской путь может стать реальным конкурентом для существующих маршрутов не ранее чем через 10–15 лет. Но и тогда ему будет трудно противостоять Суэцкому каналу, администрация которого готова вводить дополнительные меры для сохранения своих конкурентных преимуществ.

Рис. 3. Ледокол «Вайгач» Оказание услуг ледокольного флота при прохождении Северного морского пути осуществляется на договорной основе. Как показывает практика, тарифы, установленные Федеральной службой по тарифам, являются лишь верхней планкой. Реально стоимость услуг определяется договором и зависит от многих факторов, начиная от характеристик судов, заканчивая объемами продукции, предполагаемой к транспортировке. В итоге при больших объемах, стоимость услуг намного ниже, чем установленная Федеральной службой. К примеру, стоимость работы атомного ледокола «Вайгач» в зимнюю навигацию 2011 года составила порядка 3,3 млн руб./сутки, стоимость работы линейного дизель-электрического ледокола достигла до 2,5 млн руб./сутки.

No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 4. Ледокол «50 лет Победы» проводит небольшое судно обеспечения 3. Иностранные судовладельцы плохо информированы о портах, расположенных вдоль трассы Северного морского пути. Исключение составляют порты Игарка и Дудинка. Мало что известно о возможностях для проведения грузовых операций, предоставлении услуг по судоремонту и ликвидации последствий аварий в других портах. В то время даже небольшой опыт работы с российскими северными портами танкеров компании Fortum Oil and Gas дал основания ее руководству говорить о плохом оборудовании портов, низком уровне информационного обеспечения и больших простоях под грузовыми операциями. 4. Судовладельцы считают необоснованными пограничные и таможенные сборы при транзитном проходе Северным морским путем, поскольку «транзит – не что иное, как мирный проход через территориальные воды и открытое море». Такие сборы действительно не предусмотрены международным правом. Тем не менее, специалисты, проводившие исследования в рамках INSROP, убеждены в необходимости разработки этого маршрута, в его перспективах с экономической, технологической и экологической точек зрения и считают, что XXI век станет веком международного круглогодичного использования Северного морского пути. В докладе Балтийского и Международного морского совета – BIMCO (международная неправительственная морская организация, учрежденная в 1905 году судовладельцами для выработки согласованной политики и практики в области трампового судоходства) – было 8

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

подчеркнуто, что Северный морской путь, сокращая почти вдвое проход судов по сравнению с существующими транзитными маршрутами, позволит судовладельцам только на текущих эксплуатационных расходах, на горючем экономить огромные суммы, что не замедлит сказаться на уровне фрахтовых ставок. Более того, сокращение времени на доставку грузов повысит качественные показатели международной торговли. Секретариат Конференции пользователей Северного морского пути (The Northern Sea Route User Conference) в 2000 году опубликовал подробные инструкции для капитанов, намеревающихся использовать арктический маршрут. В этих инструкциях указаны все ограничения прохода по Севморпути и адреса служб, обеспечивающих плавание. Иностранные судовладельцы опасаются аварий на среднем участке пути, севернее восточной Сибири, в удалении от существующих баз спасательных служб. Расширение масштабов судоходства в Арктике требует от России улучшения готовности аварийно-спасательных служб по маршруту и введения нового свода правил мореходства. Принципы и нормы, регламентирующие работу и поведение на трассе экипажей судов и персонала, обслуживающего маршрут, будут изложены в «Полярном кодексе» (Polar Code), который разрабатывается Международной морской организацией. Кодекс вступит в силу с 2016 года и установит более строгие нормы для арктического судоходства.

Признавая потенциал Северного морского пути, зарубежные специалисты и судовладельцы полагают, что потребуются годы для развития коммерческой жизнеспособности маршрута и ставят вопрос о необходимости максимального снижения факторов дополнительных рисков. Первоочередные проблемы, которые необходимо решить администрации Северного морского пути, чтобы начать приводить маршрут в соответствие с международными стандартами морского судоходства, следующие: 1. Администрация Севморпути должна гарантировать, что любое судно своевременно получит лоцмана для проводки через опасные участки пути и помощь ледоколами на отдельных участках или в критической обстановке. 2. Проход по Северному морскому пути и открытость портов должны быть свободны от протекционизма. Суда всех флагов, с экипажами любых национальностей должны получить право прохода по трассе, а объем и порядок предоставления услуг должен быть одинаковым для всех, как российских, так и иностранных судов. Необходимо для судов любого флага открыть порты-убежища и сделать доступными услуги ремонта. 3. Для получения конкурентного преимущества в ценовой политике руководству Северного морского пути необходимо установить фиксированные ставки гарантированного обслуживания транзита. Это значительно снизит ценовую привлекательность альтернативных маршрутов. 4. Плавание по Северному морскому пути существенно облегчит устранение излишних бюрократических процедур для допуска судов на трассу и обеспечения их плавания. Известно, что уже на сегодняшний день процедура получения разрешения в большинстве портов существенно упрощена, сроки его выдачи сокращены.

5. Поиск и спасение на всех участках Северного морского пути должна обеспечить организация централизованной поисково‑спасательной службы быстрого реагирования, способная в чрезвычайной ситуации оказать помощь в любой точке Северного морского пути. В суровых условиях региона промедление в случае чрезвычайной ситуации может иметь серьезные последствия для самого судна, его экипажа, груза, а также для окружающей среды. 6. Должно быть налажено бесперебойное обеспечение всех судов информацией о погодных и ледовых условиях на всех участках трассы во время их прохода по Северному морскому пути. Необходим единый центр, через который судно, его владельцы и операторы могли бы получать всю необходимую информацию: от текущих погодных и ледовых условий до счетов на оплату сборов за предоставленные услуги. Подробная метеорологическая информация необходима и судовладельцам для принятия решения о направлении судна в Арктику и наблюдения за его движением по маршруту. 7. В экстремальных условиях Арктики приобретает особое значение высокая квалификация работающего на трассе персонала. Экипажи большинства иностранных судов окажутся здесь в незнакомых и очень суровых условиях. Их успешная работа во многом будет зависеть не только от опыта, подготовки и интуиции плавсоставов, но и от квалификации лоцманов, капитанов ледоколов, операторов портов и других лиц, контактирующих с проходящими по трассе судами. Помимо всего вышесказанного стоит добавить о гидрографической изученности района. Этот вопрос также является проблемным. На карте, показывающей сегодняшнее состояние гидрографической изученности акватории Северного морского пути (рис. 5), зеленым цветом показаны районы, где рельеф дна изучен достаточно,

Рис. 5. Карта гидрографической изученности морей, относящихся к акватории Северного морского пути и находящихся в зоне ответственности Гидрографической службы ВМФ No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

чтобы гарантировать навигационную безопасность общего мореплавания, желтым – районы с недостаточно изученным рельефом дна. Это преимущественно прибрежные районы морей со сложным (по расчлененности) рельефом дна, в которых последние гидрографические работы выполнялись 40–50 и более лет назад, техническими средствами, не отвечающими современным требованиям, что не позволяет дать полную гарантию безопасности плавания. Коричневым цветом показаны участки морей с изменчивым рельефом дна (устья рек, каналы, фарватеры, акватории морских портов и подходы к ним), относящиеся к первоочередным районам исследований. На этих участках гидрографические работы должны производиться периодически, в зависимости от изменчивости рельефа дна, определяемой по данным контрольных промеров. На наиболее важных из них, отличающихся повышенной интенсивностью прибрежного судоходства, гидрографические работы должны проводиться ежегодно. Планируется, что обновленные навигационные карты Северного морского пути без «желтых пятен» будут созданы к 2015–2016 годам. Таким образом, привлекательность Северного морского пути, сроки прохождения судна, безопасность кораблей, экипажей, груза и окружающей среды может быть гарантирована при организации и скоординированной работе высококвалифицированных служб, привлечении оборудования соответствующего уровня, упрощении бюрократических механизмов, обеспечении безопасности и хорошо подготовленного персонала. Все это возможно только при активном развитии инфраструктуры ключевых портовых узлов Севморпути.

Рис. 6. Морской порт Мурманск 10

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

Порты Северного морского пути Порты, расположенные вдоль северной морской трассы, имеют разный товарооборот и условия для своего развития. В начале 90‑х объем перевозок по Севморпути снизился в 5–6 раз. Морские базовые порты Северного морского пути: Мурманск (рис. 6), Архангельск, Кандалакша, Владивосток, Ванино обеспечивают накопление и отгрузку сухих грузов в контейнерах и укрупненных грузовых местах; Архангельск, Находка – осуществляют отправку наливных грузов. Порты Мурманск, Архангельск, Кандалакша, Владивосток, Находка, Ванино обеспечивают «северный завоз», объемы которого в этих портах составляют не более 5% от их общего грузооборота. И несмотря на то, что в настоящее время наметилось некоторое увеличение грузопотока, сегодня стоит вопрос о востребованности некоторых портов, которые в свое время создавались как система опорных баз освоения Севморпути. Восточная часть пути – самая северная, суровая, практически на 80‑й широте огибающая Таймыр, ведущая далее к устьям Лены, Индигирки, Колымы и далее мимо Чукотки к Берингову проливу, по-прежнему используется крайне мало. Классический пример умирающего порта – порт Амдерма, построенный в советское время для освоения Арктики и обеспечения северного завоза. В советское время грузооборот порта Амдермы составлял порядка 30 тысяч тонн, сейчас он в лучшем случае составляет около 1,5 тысяч тонн. В районе Амдермы находятся два бетонных причала, которые используются для обслуживания баржебуксирных

Рис. 7. Дизель-электроход усиленного ледового класса «Заполярный», принадлежит ОАО «ГМК «Норильский никель» составов, осуществляющих заходы в этот район. Учитывая мизерный грузооборот, порт Амдерму решено не выделять в качестве отдельного порта, а присоединить к крупному соседу – порту Нарьян-Мар, через который осуществлять портовые сборы и оформление сопроводительной документации. Общий объем грузоперевалки в морском порту Нарьян-Мар, напротив, растет и по итогам 2012 года составил более 118,4 тыс. тонн. Ежегодный грузооборот порта Диксон составляет всего 11,5 тыс. тонн. Мощности этого заполярного порта используются менее чем на 10 %, его пропускная способность достигает 150 тыс. тонн в год. Он также кандидат на исключение из реестра морских портов России. Хотя у порта Диксон и есть ряд преимуществ перед Дудинкой или Хатангой – другими арктическими портами региона. Они заключаются в 100‑метровой длине причалов и 14‑метровой глубине у причальной стенки. Это дает возможность принимать довольно крупные суда. К недостаткам относится устаревшая материальная база – причал работает с 1941 года. Крупный порт Северного морского пути – порт Дудинка, принадлежащий Горно-металлургическому комбинату «Норильский никель», в 2012 году получил статус международного. Начиная с 2006 года «Норильский никель» принял в эксплуатацию пять контейнеровозов усиленного ледового класса, которые составляют основу морского флота компании (рис. 7). Кроме того, с ноября 2011 года успешно эксплуатируется танкер ледового класса. Годовой грузооборот по трассам Северного морского пути, приходящийся на морской флот «Норильского никеля», составляет порядка 1 млн тонн, из которых 0,45 млн тонн – товарная металлопродукция и 0,55 млн тонн – грузы для Норильского промышленного района. Морской порт в Дудинке предназначен для обслуживания морских судов с определенными параметрами: длина не более 260 метров, осадка до 11 метров. Порт Игарка во времена СССР был вторым (после Архангельска) по вывозу леса с обработкой около 1,5 миллиона кубометров (до 2,7 млн тонн) за навигацию. Навигация

очень короткая, а обрабатывалось за нее около 200 судов, поэтому порт имеет большое количество глубоководных причалов. Сейчас лесопромышленный комбинат закрыт, население города сократилось до 5000 человек, а порт внесен Минтрансом в список на исключение из государственного реестра портов. Порт Хатанга основан в 1954 году. В 1974 году порт перерабатывал 159 тыс. тонн и перевозил 75 тыс. тонн грузов, а в 1984 уже 312 тыс. тонн и 177 тыс. тонн соответственно. В конце 90‑х годов прошлого столетия и начале двухтысячных годов Хатангский порт испытывал трудности. Производственные объемы упали, флот требовал ремонта, часть судов была списана или выведена с Крайнего Севера и передана другим организациям. В 2008 году был подвергнут процедуре банкротства. В настоящее время на вывоз практически не работает, обеспечивает северный завоз Таймырского региона. Сейчас годовой грузооборот порта составляет около 75 тыс. тонн. Морской порт Тикси расположен на берегу одноименной бухты в одном из самых труднодоступных участков Северного морского пути, близ дельты реки Лены, основан в 1933 году. Является основной базой снабжения и обеспечения плавания всего морского каботажа в восточной части российской Арктики. Порт функционирует только в период летней навигации, длящейся около 90 дней. Ввозят в порт, в основном, продовольствие, промышленные товары и оборудование. Основная проблема порта – мелководность, он может принимать суда с осадкой не более пяти метров. В 1987 году грузооборот порта достигал 850 тыс. тонн, к 2011 году снизился до 55 тыс. тонн. По итогам 2012 года грузооборот тиксинского филиала – ФГУ «АМП Восточный» – составил 358,4 тыс. тонн. Зеленый Мыс – морской порт Северо-Восточного управления морского флота, расположен в 3 км от поселка Черский (Якутия), на правом берегу реки Колымы, в 130 км от ее устья. Продолжительность навигации в среднем составляет 85 суток. В 1980‑е годы, в связи со строительством Билибинской АЭС, годовой грузооборот No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 8. Состояние некоторых портов северо-восточной части Северного морского пути

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

Рис. 9. Стационарный морской ледостойкий отгрузочный причал «Варандей» достигал 500 тыс. тонн, в 2001 году грузооборот составлял 90 тыс. тонн. Сейчас грузопоток мал и статус порта снижен до портопункта. Порт Певек доступен судам для захода в акваторию порта с осадкой до 13 м; для подхода к причалу – от 7,8 до 9,3 м (в зависимости от места постановки). Открыт для захода судов в период летней навигации с начала июля по конец октября. В благоприятные годы возможно прибытие судов без ледокольного сопровождения. Для оказания помощи транспортным судам при их швартовке (отшвартовке, перетяжке) имеется буксиркантовщик. Портальные краны порта работают при скорости ветра до 15 м/сек. Переработка генерального груза производится в круглосуточном режиме. В настоящее время инфраструктура порта очень сильно изношена физически и морально. Эксплуатация самого протяженного причала (186 м) официально запрещена еще с 1996 года, второй причал находится частично в аварийном состоянии – из его длины в 180 метров действует только половина. На данный момент максимальная длина принимаемого судна может составить не более 134 метров. Грузооборот порта в последние годы достигал 200 тыс. тонн, в 2012 году составил 208,8 тыс. тонн. Основное направление деятельности порта – обеспечение горнодобывающей промышленности Чукотки, обеспечение северного завоза. Порт Мыс Шмидта включен как участок в систему порта Певек. В поселке Мыс Шмидта сейчас проживает немногим более 300 жителей, решается вопрос с их переселением. Говорить о каком-либо значении этого порта невозможно. Похожая ситуация складывается и в чукотском порту Провидения, хотя он и является местом формирования караванов, идущих под ледокольной проводкой по восточному участку маршрута Севморпути. Несколько в лучшей ситуации находится порт Эгвекинот. В то же самое время создаются новые морские отгрузочные терминалы для освоения нефтегазовых месторождений. Собственно, их всего два – Варандей и Сабетта.

С 2000 года для отгрузки Тимано-Печорской нефти действует порт Варандей. При этом был ликвидирован старый ненецкий поселок Варандей, жителей которого в 2002 году принудительно переселили в столицу округа Нарьян-Мар и другие места. Поселок Варандей был закрыт, в официальных документах появился «Морской порт Варандей», открытый для иностранных судов. Сегодня через варандейский терминал экспортируется нефть, добываемая компанией «Лукойл» (проект реализован совместно с ConocoPhillips), преимущественно на рынок США. «Лукойл» построила комплекс морской отгрузки нефти в ледовой части Баренцева моря, состоящий из берегового резервуарного парка, рассчитанного на хранение 65 тыс. м3 нефти, насосной станции и трубопровода, вынесенного в море. До недавнего времени комплекс действовал во временном режиме, пока не был построен стационарный причал башенного типа. В 2007 году в Калининграде на заводе по производству строительных металлоконструкций «Лукойл-Калининградморнефть» был собран стационарный морской ледостойкий отгрузочный причал и доставлен на баржах на север. В 22 км от берега опорное основание отгрузочного причала было спущено на воду и закреплено 24‑мя сваями на морском дне на глубине 17 м. С берега к причалу подведены две нитки подводного трубопровода. 17‑метровая глубина достаточна для того, чтобы к причалу могли подходить и загружаться крупные танкеры (рис. 9). Пропускная способность терминала составляет 12 млн. тонн нефти в год. За первый год работы через Варандейский терминал было отгружено около 2 млн тонн нефти. Состоялось 73 загрузки судов. На челночной линии Варандей-Белокаменка сегодня работают четыре танкера усиленного ледового класса Arc6 дедвейтом около 70 тыс. тонн и грузовместимость более 80 тыс. м3. «Лукойл» не оставляет планов создания в перспективе собственного стационарного перевалочного порта на Кольском полуострове или в Норвегии. No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

Строительство нового порта Сабетта началось летом 2013 года. В будущем этот новый порт на северовостоке полуострова Ямал должен стать крупнейшими арктическими морскими воротами России и ключевым элементом транспортной инфраструктуры проекта «Ямал СПГ», предусматривающего создание завода по сжижению природного газа (СПГ) на ресурсной базе Южно-Тамбейского месторождения компании. Строительство порта Сабетта создает фундамент для разработки месторождений Ямала и Обской губы. На первом этапе должны быть построены причалы для приемки крупногабаритных технологических

модулей завода по сжижению природного газа и строительных материалов (уже в июле 2014 года порт должен принять первые модули). На втором этапе планируется построить причалы для отгрузки СПГ и газового конденсата. Подводя итоги, можно сказать, что грузопоток Северного морского пути (рис. 11 и 12), как транзитный, так и локальный, растет на сегодняшний день в основном за счет вывоза углеводородов и горно-металлургической продукции. Очень незначителен объем рыбы и морепродуктов с Дальнего Востока в европейскую часть России – всего 3 % от общего грузооборота.

Рис. 10. Танкер класса «Суэцмакс» Vladimir Tikhonov (дедвейт – 160 тыс. тонн) стал крупнейшим судном в истории мирового судоходства, осуществившим транзитный переход из Атлантического в Тихий океан по трассам Северного морского пути с полным грузом газового конденсата. Принадлежит ОАО «Совкомфлот»

Рис. 11. Грузооборот портов Севморпути, в тыс. тонн (без учета порта Сабетта) Из данных цифр следует, что наблюдается устойчивая тенденция к росту нетранзитного грузопотока по Севморпути. В то же время более 90% грузооборота обеспечивают два порта – Варандей и Дудинка. Это подчеркивает значимость горнорудной промышленности Норильска и нефтегазовой – Тимана и Ямала и показывает слабость экономики остальной Арктики 14

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

В 2013 году объем перевозок составил около 1,5 млн тонн. В 2014 планируется перевезти около 5 млн тонн. Основными пользователями Северного морского пути в России сегодня остаются российские компании: «Норильский никель», «Газпром», «Лукойл», «Роснефть», «Росшельф». Для крупных океанских международных грузовых судов все перечисленные порты Севморпути, кроме Сабетты, как места погрузки-выгрузки бессмысленны, их инфраструктура не подготовлена. По мере сокращения населения и снятия с линий судов «река-море», доставляющих грузы потребителям от морских портов, год от года сокращается северный завоз. Уходит активное производство, уходит и население. Порты, обеспечивающие только северный завоз, постепенно умирают, часто вместе с соответствующими поселками (Мыс Шмидта, Амдерма, Диксон). Угасание этих объектов подводит некую черту под старой советской моделью освоения Арктики, когда строились поселки для постоянного проживания работников с семьями, с соответствующей инфраструктурой – системами здравоохранения, образования, соцобеспечения. Сейчас эти населенные пункты ждут тяжелые времена, будущее их неопределенно. Явным исключением является Норильск (порт Дудинка) стоящий на феноменальном Талнахском полиметаллическом месторождении и имеющий рядом месторождения нефтегазовые, обеспечивающие его энергонезависимость от поставок топлива с Большой Земли. Обеспечивающие порты – Дудинка, Варандей, отчасти Певек – работают и развиваются весьма успешно; новый строящийся порт Сабетта принадлежит также категории «сырьевых» портов. Следует отметить, что два новых порта Севморпути – Варандей и Сабетта, как и обслуживаемые ими нефтегазовые предприятия, эксплуатируются в основном вахтовым методом, что больше соответствует современным реалиям освоения Арктики. Безусловно, Россия заинтересована в развитии конкурентоспособного, безопасного, окупаемого и привлекательного для международного транзита морского пути. В 2009 году была разработана программа строительства Мурманского арктического узла, который призван повысить грузопоток.

Рис. 12. Транзитная перевозка грузов по Севморпути. Видно, что, несмотря на заметный рост, транзитная перевозка грузов по Севморпути сильно отстает от внутренних перевозок В 2012 году морской порт Дудинка на Таймыре получил статус международного пункта грузопассажирского пропуска. Планируется открыть десять специализированных территориальных центров для обеспечения безопасности мореплавания на Северном морском пути. Первые центры начали свою работу в навигацию 2013 года. Начал действовать порядок плавания судов, при котором прием заявок идет через интернет. Крупнейшая добровольная ассоциация судовладельцев, судостроительных фирм, изготовителей судовых механизмов и страховых компаний Регистр Ллойда (Lloyd’s Register of Shipping) прогнозирует потенциальный рост судового морского трафика по Северному морскому пути, предполагая, что в 2021 году по Северному морскому пути будет перевозиться уже около 15 млн тонн транзитного груза. Сверх этого объема планируется перевозка 15 млн тонн сжиженного газа и 10 млн тонн нефти. Конечно, Карские ворота не смогут стать новым Суэцким каналом, но, возможно, перспектива доведения транзита Северного морского пути до 50 млн тонн к 2030 году – достаточно реальна.

No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

ЛЕДОКОЛЬНЫЙ ФЛОТ РОССИИ И ЕГО РОЛЬ В ОСВОЕНИИ АРКТИКИ Всем странам, осуществляющим судоходную деятельность в акваториях замерзающих морей, в том числе в арктическом регионе, необходима помощь специализированного флота – флота ледоколов. Сегодня ледоколы имеют 17 стран. Наибольшее количество судов данного типа у России. В Дании их насчитывается восемь, Финляндии и Швеции – по семь, Канаде – шесть, США – пять. Ледокольные флоты Дании, Финляндии и Швеции разрабатывались для использования в замерзающих морях неарктического бассейна, например, Балтийском. Атомные ледоколы есть только у России. На Северный полюс суда приходили более 100 раз, из них лишь 15 раз это делали иностранные суда: восемь раз шведский дизельный ледокол Oden и единожды – якорезаводчик ледокольного типа Vidar Viking, трижды ледоколы США и Германии и один раз ледокол Louis st. Laurent из Канады. Первым российским ледоколом, дошедшим до географической точки Северного полюса, стал атомный ледокол «Арктика» под руководством капитана Юрия Кучиева 17 августа 1977 года. В прошлом году состоялось юбилейное сотое посещение Северного Полюса надводным судном за всю историю судоходства в Арктике. Совершил его российский атомный ледокол «50 лет Победы», контрольной точки он достиг 30 июля в 23.49. Это был двадцатый рейс этого судна к полюсу. Из дизельных российских судов первым стал ледокол «Капитан Драницын», свои поход он совершил 21 июля 1994 года. Научно-исследовательское судно «Академик Федоров»было на полюсе трижды – в 2005, 2007 и 2010 годах. Среди атомных ледоколов чаще всего до географической вершины планеты добирался атомоход «Ямал» – 46 раз.

ЗАО «Сервис ВМФ»* Москва А.М. Воробьев * партнер ОАО «Концерн «Моринсис-Агат»

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

Из истории атомного флота России Атомный ледокол «Ленин», сданный в эксплуатацию в 1959 году, открыл эру атомных судов‑ледоколов. Вслед за «Лениным» были построены линейные атомные ледо‑ колы, предназначенные для работы на основных трассах западного сектора Северного морского пути. Восточные трассы с существенно меньшими грузопотоками продол‑ жали обслуживаться дизельными ледоколами Дальнево‑ сточного морского пароходства. С 1959 по 1991 год в было построено девять граждан‑ ских судов с ядерными энергетическими установками: восемь ледоколов и один лихтеровоз. Условно суда гражданского атомного флота принято де‑ лить на три поколения:

Чтобы обеспечить надежную проводку грузовых судов в устьях рек, по заказу СССР на судостроительной верфи компании «Вяртсиля» в Финляндии были построены два атомных ледокола «Таймыр» и «Вайгач» с ограниченной осадкой – 8 м. Строительство шло с января 1985 года по март 1989 года. Монтаж атомных паропроизводящих установок на обоих ледоколах производился на Балтий‑ ском заводе, комплексные швартовные и ходовые испы‑ тания проводились советскими специалистами. Атомный ледокол «Таймыр», проект 10580–1, принят в эксплуата‑ цию 30 июня 1989 года; атомоход «Вайгач», проект 10580 – 25 июля 1990 года.

1‑е поколение: атомный ледокол «Ленин» Решение о строительстве этого ледокола принято Сове‑ том министров СССР 20 ноября 1953 года. Спустя три года судно было заложено на верфи Адмиралтейского завода в Ленинграде, а спущено на воду 5 декабря 1957 года. В конце 1959‑го ледокол вступил в эксплуатацию, про‑ работал 30 лет, после чего был выведен из эксплуатации и поставлен на вечную стоянку в Мурманске. Активные зоны выгружены, судно переведено в категорию ядернобезопасных. Сегодня проводятся работы по преобразова‑ нию его в музей и бизнес-центр.

2‑е поколение, типа «Арктика»: атомные ледоко‑ лы «Арктика», «Сибирь», «Россия», «Советский Союз» и «Ямал» Строительство ледоколов велось на Балтийском заво‑ де им. Серго Орджоникидзе (Ленинград) в период с июня 1971 года по октябрь 1992 года. Ледокол «Арктика» сдан в эксплуатацию в 1975 году, «Сибирь» – в 1978 году, «Рос‑ сия» – в 1985 году, «Ямал» – в 1992‑м: все они относятся к проекту 1052. Ледокол «Советский Союз» представляет отдельный проект – 10521, сдан в 1989 году. Последний ледокол из этой серии – «50 лет Победы», ранее извест‑ ный как «Урал» – спущен на воду, и с 1994 года достраивался на Балтийском заводе. В 2006 году начались его испытания, планируется передача заказчику и начало эк‑ сплуатации.

3‑е поколение, типа «Таймыр»: атомные ледоколы «Таймыр» и «Вайгач» Существенное транспортное дополнение к Севморпути – реки, соединяющие внутренние районы материка с морем. Линейные атомные ледоколы не могут войти в устья рек из-за большой осадки – 11 м. Для примера – глубина Турушинского переката в устье Енисея составляет 9 м. Дизельные ледоколы оказались также неэффектив‑ ными, поскольку зимой в устьях образуется толстый при‑ пайный лед, который под силу лишь мощным ледоколам. No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

Иностранные суда, достигшие Северного полюса Канадский ледокол арктического класса Louis st. Laurent (рис. 1, табл. 1) построен в 1969 году на верфи Canadian Vickers Limited в Монреале. В августе 1994 года он совместно с аме‑ риканским ледоколом Polar Sea достиг Северного полюса (рис. 2), впервые в истории континента. Второй визит к Северному полюсу Louis st. Laurent со‑ стоялся в 2011 году совместно с германским научно-ис‑ следовательским судном ледокольного типа Polarstern и американским Healy. Существуют планы утилизации канад‑ ского ледокола в 2017 году, на смену ему в Ванкувере будет построено судно под именем John G. Diefenbaker. Ледоколы США Polar Sea и Healy (рис. 3, 4; табл. 2) сооружены в 1977 году на верфи Lockheed Shipbuilding and Construction Company в Сиэтле и в 1999 на верфи Avondale Industries в Но‑ вом Орлеане соответственно. В Германии, как сказано выше, Северного полюса дости‑ гло НИС ледокольного типа Polarstern (рис. 5), построенное

на верфи Howaldtswerke-Deutsche Werft в Киле. Судно пла‑ нируется вывести из эксплуатации в 2017 году, на смену ему придет Polarstern II. Первое плавание к полюсу Polarstern совершил в 1991 году совместно со шведским ледоколом Oden. Они стали первыми судами классической компо‑ новки, достигшими полюса. Прежде это удавалось лишь атомным ледоколам и подводным лодкам. Двубортное судно Polarstern сохраняет работоспособность при темпе‑ ратуре до –50°C, а благодаря четырем двигателям общей мощностью 20 000 л. с. способен проходить во льдах тол‑ щиной до 1,5 м со скоростью порядка 5 узлов. По более тол‑ стым льдам усиленная носовая стальная общивка позволяет идти, работая ударами (табл. 3). Шведские ледокольные суда Oden и Vidar Viking (рис. 6, 7) пришли на Северный полюс в 2004 году. Целью якореза‑ водчика ледокольного типа Vidar Viking было бурение сква‑ жины глубиной 428 м на подводном хребте Ломоносова. В этом проекте, помимо Vidar Viking, участвовали атомный ледокол «Советский Союз» и дизельный ледокол Oden. Бу‑ ровая установка была смонтирована на борту Vidar Viking. «Советский Союз» и Oden несли постоянное дежурство, разрушая ледовые поля, благодаря чему бурового ледоко‑ ла достигали лишь относительно мелкие осколки льда. При этом глубина океана в точке бурения составляла около ки‑ лометра (табл. 4, рис. 7, 8).

Рис. 1. Ледокол Louis st. Laurent Основные характеристики ледокола Louis st. Laurent Валовый тоннаж, т

11345

Водоизмещение, т

15324

Длина, м

119,8

Ширина, м

24,38

Осадка, м

9,91

Высота надводного борта, м

16,3

ГЭУ, кВт Максимальная скорость, узлы Дальность плавания, км

Таблица 1 Рис 2. Ледоколы Polar Sea и Louis st. Laurent под проводкой атомного ледокола «Ямал» на пути к Северному полюсу

5 × Krupp MaK 16M453C (5 × 5880 кВт) 16 43000

Автономность, дни

205

Численость экипажа, человек

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

Рис. 4. Ледокол Healy

Таблица 2 Основные характеристики ледоколов Показатель

Healy

Polar Sea

Водоизмещение, т

16257 тонн

13623 тонн

Длина, м

128

122

Ширина, м

25,45

Осадка, м

8,92

9,4

4×Sulzer 12ZAV40S (всего 34560 кВт)

6х Alco 16V-251F (6 × 3000 л.с.)

19 членов команды 12 военнослужащих 54 пассажиров 50 ученых

15 членов команды 127 пассажиров 33 ученых 12 пилотов

ГЭУ, кВт

Рис. 5. НИС ледокольного типа Polarstern Максимальная скорость, узлы Экспедиционный состав, человек

Таблица 3 Основные характеристики НИС ледокольного типа Polarstern Рис. 6. Ледокол Oden

Длина максимальная, м

117,91

Ширина максимальная, м

25,07

Проектная осадка, м

10,70

Максимальная осадка, м

11,21

Валовой регистровый тоннаж, т

12614

Нетто-регистровый тоннаж, т

3784

Основные характеристики Рис. 7. Ледокол Vidar Viking

Показатель

Таблица 4

Vidar Viking

Oden

Водоизмещение, т

3382

13000

Длина, м

83,70

107,8

Ширина, м

18,00

31,0

Осадка, м

6,00

8,5

13440

4 × Sulzer 8ZAL4OS (4 × 4,500 кВт)

Максимальная скорость, узлы

Численность экипажа, человек

15 членов экипажа 65 пассажиров

ГЭУ, кВт

Рис. 8. Российский атомный ледокол «Советский Союз» и шведские ледоколы Oden и Vidar Viking No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

Судоходство по Северному морскому пути Северный морской путь – важнейший транспортный коридор, соединяющий Европу и Азию (рис. 9). В по‑ следние годы судовой трафик и объем перевозимых по Севморпути грузов растет. В 2013 году по сравнению с 2012 годом количество грузов, перевезенных тран‑ зитом между иностранными портами Европы и Ази‑ атско-Тихоокеанского региона в летнюю арктическую навигацию 2013 года, увеличилось почти в два раза и со‑ ставило 634 тыс. тонн. Среди судов, осуществивших эти рейсы, 5 танкеров, 2 балкера, 2 сухогруза и один газо‑ воз. Первую курпнотоннажную перевозку сжиженного природного газа осуществил танкер «Река Обь» между портами Норвегии и Китая, что доказало безопасность данного транспортного пути. Танкер Propontis (судов‑ ладелец Tsakos Columbia Shipmanagment, под флагом Греции) перевез из порта Ульсан (Южная Корея) в порт Роттердам рекордное количество груза (газойль) – 109 тыс. тонн. В общих направлениях грузопотоков перевозка осу‑ ществлялась между портами Канады, Нидерландов, Норвегии, Польши, Финляндии и Китая, Японии, Южной Кореи, Вьетнама, Тайваня. Следует отметить, что Грузообо‑ рот арктических портов Дудинка, Игарка, Тикси, Диксон, Певек также вырос. Через операторов морских термина‑ лов арктического бассейна в 2013 году прошло 46,2 млн. тонн грузов, что на 19,2 % больше, чем в 2012 году. Общий объем перевезенного транзитом гру‑ за по Севморпути в летнюю арктическую на‑ вигацию 2013 года, включая российские порты, составил 1 млн. 162 тыс. тонн. (по состоянию на 18 ноября 2013 года).

В июле 2012 года началось строительство нового ар‑ ктического порта Сабетта на Ямале. Этот порт – ключевой объект инфраструктуры проекта «Ямал СПГ» («Новатэк», Total), включающий в себя создание мощностей по про‑ изводству, хранению и отгрузке сжиженного природного газа Южно-Тамбейского месторождения. Осуществить это без помощи арктического ледокольного флота было бы невозможно. Организация навигации, согла‑ сно правилам, осуществляется штабами морских операций (специальные навигационные службы Мурманского и Даль‑ невосточного морских пароходств, непосредственно осу‑ ществляющие морские ледовые операции по Севморпути) и администрацией, которая координирует работу штабов. Для практического обеспечения плавания администрация Северного морского пути должна организовывать в портах Мурманск, Владивосток и Провидения свои представитель‑ ства. Проводка судов производится на основании Правил плавания по трассам Северного морского пути, Положения о государственном ледовом лоцмане Северного морского пути, Правил для судов, проводимых ледоколами через лед (за исключением пп. 9, 14), а также законодательных актов и распоряжений государственных органов Российской Феде‑ рации по вопросам мореплавания, изложенных в Приложе‑ нии к выпуску № 1.

о. Врангеля

Чукотский п-ов

Певек Северная земля

Мурманск Новая земля

п-ов Ямал

Диксон

Новосибирские острова

п-ов Таймыр

Тикси

Рис. 9. Границы Северного морского пути и принятые национальные транспортные маршруты в арктической зоне РФ 20

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

В настоящее время функции штаба морских операций выполняет подконтрольное Росатому ФГУП «Атомфлот», которому в 2008 году были переданы атомные ледоколы, осуществляющие проводку. До 2008 года они находились под оперативным управлением Мурманского морского па‑ роходства. Влияние администрации Севморпути на работу «Атомфлота» минимально. Под проводкой по Северному морскому пути подразу‑ мевается, что судно в период всего плавания находится

под постоянным наблюдением штабов морских операций запада и востока. Эти штабы осуществляют координацию судопотоков и ледокольного обслуживания на трассах Сев‑ морпути, предоставляют судам ледового лоцмана (если он не был принят на борт ранее), необходимое ледокольное обеспечение, а также производят систематическое опове‑ щение капитанов судов о ледовой и гидрометеорологи‑ ческой обстановке для быстрого и безопасного прохода по Северному морскому пути. Штабы морских операций в зависимости от конкретных ледовых, гидрометеороло‑ гических и навигационных условий устанавливают и обес‑ печивают следующие виды проводок судов, находящихся на трассах Северного морского пути: • проводка по указаниям с берега по рекомендован‑ ным маршрутам до определенного географического пункта; • проводка по указаниям с самолетов или вертолетов по отдельным участкам трассы; • лоцманская проводка; • ледокольная проводка; • ледокольно-лоцманская проводка. Таблица 5

Технические характеристики атомных ледоколов Название судна (год сдачи в эксплуатацию)

«Аркти‑ ка» (1975)

«Си‑ бирь» (1978)

«Россия» (1985)

«Совет‑ ский Союз» (1989)

«Ямал» (1992)

«50-лет Победы» (2007)

С.-Петербург, Балтийский завод

Место постройки

«Таймыр» (1988)

«Вайгач» (1990)

Хельсинки, верфь «Вяртсиля Марин»; ЯЭУ – С.-Петербург, Балтийский завод

Хельсинки, верфь «Вяр‑ тсиля Марин»; ЯЭУ – С.-Петер‑ бург

Длина, м

148,0

159,6

151,8

Ширина, м

30,0

29,2

23000

25168

21000

54,0

35,0

2х171

1х171

Скорость хода, уз.

20,6

18,6

18,5

Автономность плавания, мес.

7,5

Ледопроходоимость, м

2,0

2,8

1,77

в отстое с 2008 г.

закон‑ серви‑ рован в 1993 г.

2018

2020

после 2020

2018

2020

Водоизмещение, т Пропульсивная мощность, МВт Кол-во и номинальная мощность реакторов, МВт

Срок вывода из эксплуатации (с учетом продления ресурса), г.

No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

На участке от Новоземельских проливов до порта Певек проводку судов осуществляют: • ФГУП «Атомфлот» госкорпорации «Росатом» (атомны‑ ми ледоколами) по соглашению между Росморреч‑ флотом и ГК «Росатом». Этим соглашением в составе ФГУП «Атомфлот» предусмотрена специальная нави‑ гационная служба – штаб морских операций. • Мурманский филиал ФГУП «Росморпорт», использующий находящиеся у него в хозяйственном ведении два арктических дизельных ледокола. • Суда Ленского объединенного речного пароходства между портами Хатанга и Певек проводят арендуе‑ мые пароходством речные ледоколы «Капитан Баби‑ чев» и «Капитан Бородкин». • Суда ГМК «Норильский никель» на линии «Мур‑ манск – Дудинка» ходят самостоятельно, договоры на ледокольную проводку судов с операторами ле‑ докольного флота компания не заключает, однако на четыре зимних месяца обычно привлекает ледо‑ кол на условиях аренды. Характеристики ледоколов, осуществляющих провод‑ ку судов, приведены в табл. 5, 6. После 2020 года из дей‑ ствующих ныне атомных ледоколов останется только два – «Ямал» и «50 лет Победы».

Развитие ледокольного флота предусмотрено Фе‑ деральными целевыми программами «Модернизация транспортной системы России» и «Развитие транспор‑ тной системы России» за счет средств федерального бюджета. К 2020 году планируется построить два универ‑ сальных атомных ледокола с переменной осадкой типа ЛК‑60 Я мощностью 60 МВт и 5 дизельных линейных ле‑ доколов типа ЛК‑25 Д и ЛК‑18 Д мощностью 24 и 18 МВт соответственно (табл. 7). В октябре 2012 года в Санкт-Петербурге на стапеле ООО «Балтийский завод – судостроение» заложен линейный дизель-электрический ледокол проекта 22600 (ЛК‑25). Проект корабля разработан ПКБ «Петробалт». В декабре 2015 новый ледокол планируется передать заказчику ФГУП «Росморпорт» (рис. 10). Последний раз дизель-электриче‑ ский ледокол такой мощности пополнял отечественный ле‑ докольный флот 36 лет назад – им стал ледокол «Красин», построенный в 1976 году в Финляндии на верфи компании Wärtsilä по заказу СССР. В ноябре 2013 года на Балтийском заводе состоялась закладка атомного ледокола ЛК‑60 проекта 22220, кото‑ рый станет самым большим и мощным ледоколом в мире. Специально для него разработана двухреакторная энерге‑ тическая установка с основным источником пара от реак‑ торной установки нового поколения «РИТМ‑200». Таблица 6

Технические характеристики дизельных ледоколов «Капитан Николаев» (1978)

«Капитан Драницын» (1980)

«Капитан Хлебников» (1981)

«Адмирал Макаров» (1975)

«Красин» (1976)

«Капитан Бабичев» (1983)

«Капитан Бородкин» (1983)

Финляндия

Длина, м

134,2

131

129,1

134.84

76,5

Ширина, м

26,5

26,75

25,97

25.97

16,6

Водоизмещение, т

15200

12290

12288

14058

2291

Пропульсивная мощность, МВт

4х3720

26,5

6,6

Срок вывода из эксплуатации, г.

2017

2019

2017

2015

2017

Название судна (год сдачи в эксплуатацию) Место постройки

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

Таблица 7 Технические характеристики ледоколов нового поколения Основные характеристики

Рис. 10. Памятная таблица о закладке ледокола ЛК-25 «РИТМ‑200» – это установка с двумя реакторами тепло‑ вой мощностью по 170 МВт. Мощность установки КЛТ, ис‑ пользуемой в современных атомных ледоколах, составляет 140–150 МВт. В то же время «РИТМ‑200» почти в два раза легче и компактнее, а следовательно, более материалоем‑ ка и занимает меньше места на судне, что экономически эффективнее. Конструктивно такое решение достигается благодаря тому, что парогенераторы, раньше находившиеся вне реактора, теперь располагаются непосредствен‑ но в нем (интегральная компоновка). Технический проект атомохода разработан ЦКБ «Айсберг» в 2009 году. Двухосадочная конструкция судна по‑ зволяет использовать его как в арктических водах, так и в устьях полярных рек. Ледокол будет работать в запад‑ ном районе Арктики: в Баренцевом, Печорском и Карском морях, а также на более мелководных участках устья Енисея и в районе Обской губы. Контракт на строительство ЛК‑60 стоимостью 37 млрд. рублей с Балтийским заводом был подписан 20 августа 2012 года. Спуск на воду судна назначен на ноябрь 2015 года, сдача заказчику – на конец 2017 года. Новый ледокол «Арктика» относится к классу РС (Рос‑ сийский морской регистр судоходства). Символ класса: КМ Icebreaker9 [2] AUT2‑ICS EPP. В процессе постройки ле‑ докола специалисты РС осуществляют техническое наблю‑ дение за его корпусом, установкой механизмов, устройств,

Тип ледоколов ЛК -60

ЛК-25

ЛК-18

Длина, м: наибольшая по проектной ватерлинии

176,0 164,0

139,6 129,6

118,0 112,8

Ширина, м: наибольшая по проектной ватерлинии

34,0 32,2

30,0 28,0

29,0 28,0

Высота борта, м

15,8

13,2

12,8

Осадка, м по проектной ватер‑ линии минимальная

10,5 8,5

8,5 –

32400

19500

15900

Ядерный реактор

Дизельэлектроход

Мощность на гребном валу, МГв

Число винтов

Скорость на чистой воде, узлы

22,3

19,2

18,2

Ледопроходимость, м

2,9

2,0

1,6

неограни‑ ченный

Проектное водоизмещение, т Тип силовой установки

Запас топлива, дни Экипаж, человек

радионавигационного и электрического оборудования, систем автоматизации в соответствии с требованиями Пра‑ вил РС и одобренной РС проектной документацией, а так‑ же всеми применимыми требованиями международных кодексов и конвенций. РС также освидетельствовал кован‑ ные заготовки корпуса реактора «РИТМ‑200». В ходе работ специалистами Филиала по атомным судам РС были прове‑ No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

рены заготовка фланца корпуса массой 61 тонна, заготовка обечайки с патрубками весом 72 тонн, две заготовки па‑ трубков и четыре заготовки колец для корпусов реакторов. Судьба контракта на строительство второго атомного ледоколо проекта 22220 пока неизвестна. По некоторым данным, Балтийский завод может не получить право на вы‑ полнение работ по этому контракту. Не исключено, что появ‑ ление данной информации вызвано желанием «Росатома» снизить стоимости проекта, заявленную Балтийским за‑ водом. Заказ может быть передан «Опытному конструк‑ торскому бюро машиностроения им. И. И. Африкантова», входящему в «Росатом», или другому судостроительному предприятию как отечественному, так и зарубежному, например финской компании Arctech Helsinki Shipyard.

Таблица 8 Технические характеристики ледокола Основные характеристики Длина, м наибольшая по проектной ватерлинии

206,0 193,6

Ширина, м наибольшая по проектной ватерлинии

40,0 38,2

Высота борта, м

20,3

Осадка, м по проектной ватерлинии минимальная

13,0 11,0

Проектное водоизмещение, т

При условии роста объемов перевозок по трас‑ сам Северного морского пути имеющегося коли‑ чества атомных ледоколов может оказаться недостаточно для обеспечения надежной непре‑ рывной круглогодичной навигации. В связи с большим объемом поставок сжиженного при‑ родного газа и невозможностью обеспечения постоянной конвойной проводки предусматривается, что основная часть пути будет преодолеваться танкерами высокого ледового класса самостоятельно. Проводка ледоколами будет осуществляться только в особо сложных экстремаль‑ ных условиях навигации. Сейчас для работы в Карском море до района Дудинки достаточно обеспечить ледо‑ проходимость 2,6 м. Существующие атомные ледоколы, например, «50 лет Победы» обеспечивают ледопроходи‑ мость 2,8 м. Атомные ледоколы нового поколения проек‑ та ЛК‑60 Я будут иметь ледопроходимость 2,9 м. Сегодня самые мощные современные ледоколы («50‑лет Победы») могут обеспечить гарантированную непрерывную навига‑ цию по Севморпути в Восточном районе только в течение 7 месяцев. Для обеспечения надежной круглогодичной работы на трассах необходимо повысить ледопроходимость. Под ледопроходимостью понимается предельная тол‑ щина ровного сплошного льда, преодолеваемого ледо‑ колом непрерывным ходом с минимальной устойчивой скоростью 2 узла. В частности, ледопроходимость ледо‑ кола-лидера должна быть около 3,5 м. С точки зрения пер‑ спективы перевозок потребность в таком сверхмощном ледоколе существует. Решением этой проблемы может стать реализация проекта создания атомного ледокола «Лидер» в рамках государственного заказа в 2014–2016 годах. Разработ‑ кой морского судна поручено заниматься Центральному научно-исследовательскому институту имени академи‑ ка А. Н. Крылова. Хочется надеяться, что при его проек‑ 24

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

ЛК-110

Тип силовой установки Мощность на гребном валу, МГв Число винтов

55600 ядерный реактор 110 3

Скорость на чистой воде, узлы

24,0

Ледопроходимость, м

3,5

Запас топлива, дни Экипаж, человек

неограниченный 127

тировании будет учтен опыт разработок, накопленный ведущими институтами: ЦНИИМФ, Союзморниипроек‑ том, ААНИИ, КБ «Айсберг». Предварительно ледокол ЛК‑110 будет обладать характеристиками приведенными в таблице 8. При проводке крупнотоннажных судов в восточном направлении, тем более в период зимней навигации, од‑ ним «Лидером» не обойтись. Скорее всего, исходя из при‑ нятой тактики, придется использовать вспомогательные ледоколы, обеспечивающие надлежащую ширину канала и безопасность судоходства. Все это, в свою очередь, от‑ разится на стоимости оказания услуг ледокольного фло‑ та. Например, исходя из существующих сейчас тарифов на услуги ледокольного флота в зимне-весенний пери‑ од навигации, для судов валовой вместимостью свыше 100 000 тонн при проводке газовоза грузовместимостью 170000 м3 (валовый тоннаж судна около 110 000 тонн) из планируемого порта Сабетта до границы в районе Карских ворот (то есть маршрут будет пролегать только в Зоне 1 Севморпути установленных тарифовых начи‑ слений), затраты судовладельца могут составить около 36 млн. руб., и это для транспортных судов с ледовым усилением Arc6 – Arc9.

ИСТОЧНИКИ 1. www.ccg-gcc.gc.ca 2. www.uscg.mil 3. www.awi.de 4. www.sjofartsverket.se 5. www.morflot.ru 6. http://esimo.ru/portal 7. www.bz.ru 8. www.rosmorport.ru 9. www.rosatomflot.ru 10. http://iceberg.sp.ru 11. http://krylov-center.ru/rus 12. www.okbm.nnov.ru 13. www.fstrf.ru 14. Фролов С. В. Высокоширотные плавания в Арктике. История, опыт, перспективы. // Сборник «Гидрометеорологическое обеспече‑ ние арктического мореплавания в XX и нача-ле XXI века» / Под ред. И. Е. Фролова, Б. А. Крутских. – СПб.: ААНИИ, 2008. С. 117–138.

No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

ОКЕАНОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ДОСТОВЕРНОГО ПРОГНОЗА ИЗМЕНЕНИЙ КЛИМАТА В ВЫСОКИХ ШИРОТАХ Достоверный прогноз ледовой и климатических условий в Арктике на последующие десятилетия крайне важен для экономической инфраструктуры арктических и субарктических территорий, включая нефтедобычу, строительство и особенно транспортные операции на Северном морском пути. При наблюдаемой тенденции потепления, уже начиная с 2020 года, перевозки между Европой и Азией Северным морским путем могут стать намного выгоднее любых альтернативных. Планирование строительства платформ и причальных сооружений даже на 10–15 лет должно учитывать современные климатические изменения и связанное с ними возможное увеличение частоты и интенсивности экстремальных природных явлений. Современные климатические изменения в Арктике являются беспрецедентными за всю историю инструментальных наблюдений (рис. 1). Наблюдаемое повышение температуры воздуха в Арктике по интенсивности значительно превосходит тренд в среднеглобальных или среднеполушарных температурах [1]. В течение последних 30 лет рост поверхностных температур в Арктике ускорился по сравнению с предыдущими десятилети-

ями и составляет примерно 0,4 градуса в десятилетие при вдвое меньшем среднеполушарном сигнале [2]. Принципиальной особенностью наблюдаемого резкого потепления Арктики является его большая интенсивность в зимний сезон по сравнению с летним, когда тренды потепления лишь немного сильнее наблюдаемых в средних широтах и тропиках. Арктическое потепление сопровождается беспрецедентным сокращением

Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН, Москва А.В. Соков С.К. Гулев

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

ледового покрова в Арктике. За последние 30 лет это сокращение составило более 25 %. Прямая экстраполяция таких трендов допускает возможность исчезновения плавучих льдов, по крайней мере, в летний период через 2–3 десятилетия. Необходимо отметить, что в Арктике имеются дополнительные механизмы формирования климатических изменений, которые, помимо сокращения площади Арктических льдов, включают массированные выбросы метана на арктическом шельфе. Развитие этого процесса, который наблюдался в течение нескольких последних лет, может вызвать климатические изменения в сторону потепления, поскольку метан относится к категории парниковых газов. Кроме того, эти процессы приводят к существенной трансформации физико-механических свойств верхней осадочной толщи. Последнее, в свою очередь, может привести к трудно предсказуемым рискам при освоении нефтегазовых месторождений Арктики и связанным с ними большим материальным затратам. Очевидно также, что явление аномальной эмиссии метана на шельфе должно учитываться при анализе перспектив эксплуатации Северного Морского пути.

По существующим оценкам общие экономические потери за счет аномальной эмиссии метана и связанного с ней возможного потепления климата к середине XXI века могут составить 60 триллионов долларов США, что сравнимо с ВВП всей мировой экономики в 2012 году (70 триллионов долларов США). Тем не менее, среди океанологов и климатологов все более устанавливается убеждение, что global warming is the ocean warming, что подтвердил последний 5‑й Оценочный доклад МГЭИК (IPCC) [1]. Для достоверного ответа на вопрос, насколько вероятна тенденция существенного потепления Арктики, предполагающего критические изменения в структуре всей хозяйственной деятельности в регионе, надо уверенно оценить, насколько устойчивы во времени современные тренды, возможны ли изменения их интенсивности (а возможно, и знака), и насколько существенно в ближайшие десятилетия будут влиять процессы на Арктическом шельфе на климатические тенденции в Арктике. Ответ на эти вопросы требует оценивания относительной роли антропогенных факторов и естественной изменчивости, в первую очередь связанной с океанскими процессами на границе Атлантики и Арктики.

Рис. 1. Современные климатические изменения в Арктике. Наблюдаемые за последнее столетие аномалии поверхностной температуры воздуха над Северным полушарием (а) и Арктикой (b) оцененные по данным наблюдений и расчетов с учетом антропогенного и естественного сигналов; с – зонально осредненные тренды в поверхностной температуре воздуха над Северным полушарием с 1951 по 2010 годы; d – изменения площади Арктических льдов за последние 30 лет, указывающие на их более чем 25%-ное сокращение No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 2. Долгопериодные изменения оптической толщины аэрозолей над Атлантикой и реакции температуры на эти изменения и долгопериодные изменения турбулентных потоков тепла и температуры поверхности в среднеширотной Атлантике Современные климатические модели, хорошо воспроизводя наблюдаемые тренды поверхностной температуры в Арктике (определяемого как естественными, так и антропогенными причинами), не способны объяснить природу аналогичного потепления в середине 20‑го столетия, являвшегося естественным сигналом [2, 3]. Принципиально важным моментом является то, что и естественный, и антропогенный сигнал в значительной степени модулированы океаном, в частности процессами взаимодействия океана и атмосферы в Атлантике [4, 5] и переносами вод и тепла между Атлантикой и Арктикой [6, 7, 8, 9]. Причиной значительного разброса модельных оценок в Северной Атлантике и Арктике является сильные естественные колебания климата, связанные с внутренними изменениями крупномасштабного меридионального круговорота воды в Северной Атлантике и, следовательно, с изменениями океанического переноса тепла в высокие широты. Амплитуда таких естественных колебаний оценивается в 0,1•1015 Вт, что составляет около 10 % общего океанического переноса тепла. С другой стороны, этот перенос в значительной степени регулируется интенсивным теплообменом между океаном и атмосферой в Северной Атлантике, особенно в зимний период [5]. Для детального оценивания роли антропогенных и естественных факторов, понимания их механизмов, включения их в прогностические схемы и получения достоверного прогноза состояния ледовитости и климатических условий Арктики главной неразрешенной проблемой является достоверная оценка переносов вод и тепла между Атлантикой и Арктикой, оценка роли процессов метанообразования на Арктическом шельфе, а также точная оценка изменений интенсивности процессов обмена теплом на границе океана и атмосферы в субполярной Атлантике. Именно поэтому главный акцент в современных экспериментальных и модельных исследованиях должен быть сделан на исследованиях океанских регуляторов высокоширотного климата. На рисунке 2 показаны результаты двух работ [5, 10] 2012–2013 годов, которые впервые подтвердили тесную 28

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

взаимосвязь потоков на границе «океан-атмосфера» с долгопериодными изменениями океана. При этом выводы специалистов, представивших эти работы, диаметрально противоположны. В одной [9] утверждается, что изменения приходящей радиации на поверхности за счет влияния аэрозолей на пропускающую способность атмосферы способны порождать температурные изменения, связанные с Атлантической мультидекадной осцилляцией. В работе [5] показано, что точно такая же изменчивость может быть следствием долгопериодных изменений турбулентных потоков тепла на поверхности, а следовательно, эти колебания происходят в рамках механизма, предсказанного еще Бьеркнесом в 1964 году. В качестве критики механизма, изложенного в первой работе, можно говорить о том, что оценки потоков радиации, связанных с аэрозольным влиянием, крайне неточны. Выводы другой работы тоже достаточно легко критиковать, говоря, например, о неучете радиационных потоков и, следовательно, о невозможности проверки замыкания баланса тепла. Окончательного ответа на поставленный вопрос дать невозможно до тех пор, пока не будут рассмотрены все компоненты потоков на поверхности «океан-атмосфера», включая потоки радиации, а также массы, за счет разности «осадки-испарение», и не будет гарантировано замыкание балансов тепла и массы в океане. Ответы на поставленные вопросы требуют анализа процессов взаимодействия океана и атмосферы и получения достоверных оценок изменений интенсивности Межширотной термохалинной циркуляции вод в субполярной области Атлантического океана для выделения природной составляющей в современных изменениях климата высоких широт. Межширотная термохалинная циркуляция вод – один из основных элементов глобального механизма перераспределения воды и тепла в Мировом океане – глобального межокеанского «конвейера», снабжающего теплом Европу, европейскую часть России и Арктику. Североатлантическое течение переносит теплые субтропические воды на север – в субарктическую Атлантику и Арктический бассейн. Здесь эти воды отдают

тепло атмосфере, охлаждаются и утяжеляются, вследствие чего погружаются на глубины и переносятся на юг преимущественно Западным глубинным пограничным течением – основным течением нижнего звена межширотной термохалинной циркуляции. Количественная оценка интенсивности циркуляции, ее изменений во времени, а также расходов океанских течений, участвующих в межширотном переносе воды и тепла на севере Атлантики, необходимы для понимания причин современных климатических изменений в европейской части России и прогноза этих изменений. Развитие систем наблюдения над океаном в последние несколько десятилетий привело к значительному прогрессу в исследованиях крупномасштабной циркуляции вод в регионе. Обратимся к результатам исследований влияния водных масс, поступающих вместе с течением Гольфстрим в субполярные зоны Атлантического океана на температуру и соленость морской воды в этом регионе. Результаты измерений получены и проанализированы специалистами Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН в конце 1990‑х и в течение 2000‑х годов [9, 10].

Исследования тенденций потепления и осоло‑ нения промежуточных вод южного происхожде‑ ния в 1990 – 2000‑х годах Мониторинг вод субполярной части Атлантического океана на трансатлантических разрезах в целях исследования изменений термохалинных и гидрохимических ха-

рактеристик и циркуляции вод, а также взаимодействия океана и атмосферы в регионе – одна из приоритетных задач, выполняемых Институтом океанологии РАН. Исследования проводятся в рамках ФЦП «Мировой океан» и международной программы CLIVAR (Climate Variability and Predictability), направленной на изучение и прогноз изменений климата. Для оценки изменений температуры и солености в слое промежуточных вод южного происхождения в восточной части субполярной Северной Атлантики были использованы данные 14 съемок на трансатлантических разрезах, выполненных в 1990–2007 годах (см. рис. 3 и таблицу): • семи повторных съемок на разрезе 60° с. ш. (1997– 2007) – разрез проходит от шельфа Великобритании до южной оконечности Гренландии; • пяти съемок на стандартном разрезе WOCE A1E (1990–1996); • двух съемок на ~53° с. ш. (2001 и 2002) – разрез проходит от полуострова Лабрадор до шельфа Ирландии. Промежуточные воды, распространяющиеся на север из южных широт в слое постоянного пикноклина (σ0 < 27,7), в районе исследования легко идентифицировать по пониженному содержанию растворенного кислорода (~200–250 μмоль/кг) на фоне богатых кислородом (> 250 μмоль/кг) вод субполярного происхождения (рис. 5). Основные компоненты слоя промежуточного минимума кислорода (слоя ЮПВ) в восточной субарктической Атлантике – Средиземноморская водная масса, распространяющаяся на север преимущественно вдоль европейского склона из Кадисского залива, и Антарктическая

Рис. 3. Положение станций повторяемых гидрологических разрезов, использованных в настоящем исследовании. Информация о времени выполнения съемок и научно-исследовательских судах дана в таблице. Пунктирными прямоугольниками выделены районы определения характеристик промежуточных вод южного происхождения. Обозначения: 1 – Датский пролив, 2 – Фарерско-Шетландский пролив, 3 – Разлом Чарли-Гиббс [10] No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

промежуточная водная масса, поступающая в регион с Северо-Атлантическим течением. Севернее 50° с. ш. эти воды представлены в сильно трансформированном виде в плотном интервале ~27,5 ≤ σ0 ≤ 27,6. На первом этапе исследования на основе анализа вертикального распределения концентраций кислорода и Θ-S‑O2‑диаграмм (рис. 5), построенных по данным, полученным на разрезах по 60° и ~53° с. ш., был выбран плотностной интервал водных масс южного происхождения (27,5 ≤ σ0 ≤ 27,65), репрезентативный для всего рассматриваемого периода наблюдений, и западная граница слоя ЮПВ. В качестве условной западной границы выбран меридиан 25° з. д. Западнее этой долготы на разрезе по 60° с. ш. изопикна1 σ0 = 27,45 резко поднимается до глубин менее 500 м, и выбранный плотностной интервал включает здесь более холодные, богатые кислородом (>250 µмоль/кг) воды субполярного происхождения. Анализ данных, полученных на ~53° с. ш., показал, что выбор 25° з. д. в качестве западной границы слоя ЮПВ справедлив и для этого региона.

Для зональной структуры слоя ЮПВ характерно увеличение солености с запада на восток, что свидетельствует об увеличении доли субполярной модальной водной массы в слое ЮПВ в западном направлении (западнее 13° з. д.) сопровождается уменьшение содержания кислорода с 230–250 до 210–230 μмоль/кг вследствие увеличения доли сильно трансформированных антарктических промежуточных вод, менее соленых и менее насыщенных кислородом, чем субполярные.

Таблица Основные сведения о повторных съемках на разрезах в субполярной Северной Атлантике, данные которых использованы в настоящем исследовании. Положение станций разрезов показано на рисунке 3 Месяц, год

Научно-исследовательское судно

Номер рейса

Разрез по 60° с.ш. Октябрь, 1997

Профессор Штокман

Август, 2002

Академик Мстислав Келдыш

Июнь, 2003

Академик Иоффе

Июнь, 2004

Академик Иоффе

Июнь, 2005

Академик Иоффе

Июль, 2006

Академик Иоффе

Июль, 2007

Академик Иоффе

Разрез WOCE A1E Июль, 1990

Tyro

TR903

Сентябрь, 1991

Meteor

Сентябрь, 1992

Valdivia

129

Декабрь, 1994

Meteor

Август, 1996

Valdivia

161

Разрез по ~53° с.ш. Апрель, 2001

Академик Иоффе

Сентябрь, 2001

Академик Мстислав Келдыш

Изопикна (от греч. pyknos – плотный) – линия на карте, соединяющая точки с одинаковой плотностью воды 1

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

Рис. 4. Научно-исследовательские суда, участвующие в экспедиционных работах: «Профессор Штокман», «Академик Мстислав Келдыш» и «Академик Иоффе»

Рис. 5. Схема основных путей распространения промежуточных и глубинных вод в субполярной Северной Атлантике. Показано положение разреза по 60° с. ш. Промежуточные и глубинные водные массы, формирующиеся на северной периферии субполярной Северной Атлантики, их средние показатели температуры (Θ) и солености (S): • Лабрадорская – далее ЛВ – 2,7°C < Θ < 4°C; 34,8 < S < 34,9 епс – формируется в результате глубокой зимней конвекции в море Лабрадор и эпизодически в море Ирмингера; • Северо-восточная глубинная – далее СВГВ – 2°C < Θ < 3°C; 34,9 < S < 35,0 епс – формируется из промежуточных вод Норвежского моря, поступающих в Атлантику главным образом над порогом Фарерско-Шетландского пролива. При погружении этих вод в северной части Исландского бассейна их температура и соленость возрастают вследствие перемешивания со значительно более теплыми и солеными атлантическими водами. • Северо-западная глубинная – далее СЗГВ – Θ < 2°C, S ≤ 34,9 епс – наиболее холодная, придонная водная масса, образуется при перетекании порога Датского пролива арктическими промежуточными водами из Гренландского моря. Эти водные массы циркулируют в субполярном круговороте и распространяются на юг в системе Западного глубинного пограничного течения, образуя «холодное» глубинное звено глобальной термохалинной циркуляции. Пути их распространения показаны на рисунке. • Воды южного происхождения – далее ЮПВ – 5,5°C < Θ < 8°C; 35,0 < S < 35,5 епс – результат смешения сильно трансформированных средиземноморских и антарктических промежуточных вод с субполярными водами Атлантического океана. Эти воды распространяются с теплыми течениями в северном направлении (см. рис.).

На втором этапе получены средние значения солености и потенциальной температуры в слое ЮПВ по данным каждой съемки на разрезах. Результаты расчетов представлены в виде временных рядов на рисунке 6. На ~53° с. ш. температура и соленость в слое ЮПВ практически не изменилась в 1990–1992 годах, однако в течение следующего десятилетия (1992–2002) произошло значительное потепление и осолонение водных масс, поступающих с юга: на 0,67 °C и 0,121 епс соответственно. На 60° c.ш. в слое ЮПВ в 1997–2005 годы зафиксирова-

но устойчивое увеличение температуры на 0,35°C и солености на 0,064 епс, которое сменилось двухлетним охлаждением и распреснением в 2005–2007 годах. Изменения температуры и солености затронули весь слой ЮПВ восточнее 25° з. д. Величины выявленных тенденций почти вдвое превысили величины долгопериодного потепления и осолонения вод в тропической и субтропической Северной Атлантике. Следовательно, должна быть дополнительная причина столь резкого потепления и осолонения ЮПВ. Наиболее No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 6. Идентификация промежуточных вод южного происхождения (ЮПВ) в субарктической Атлантике. Слева: распределение концентраций кислорода на разрезе по 60° с. ш. по данным зондирования в 2007 году; нанесены изопикны σ0 = 27,45 и σ0 = 27,65 – верхняя и нижняя границы слоя южных промежуточных вод; вертикальная пунктирная линия – долгота 25° з. д., выбранная в качестве западной границы ЮПВ; положения станции отмечены на верхней оси. Θ-S‑O2‑диаграммы, построенные по данным 2007 года (в центре) и данным о концентрациях кислорода в пробах в 1997–2006 годах (справа) на 60° с. ш. к востоку от 25° з. д.; нанесены изолинии потенциальной плотности σ0. Обозначения водных масс: СПМВ – Субполярная модальная вода, ЛВ – Лабрадорская водная масса [10]

Рис. 7. Временные ряды температуры (слева) и солености (справа) в слое южных промежуточных водных масс на 60° с. ш. (синие точки) и ~53° с. ш. (красные точки). Линейные регрессии построены для периодов устойчивого потепления и осолонения ЮПВ [10] вероятной причиной наблюдаемых процессов является изменение циркуляции в субполярном регионе. После резкого уменьшения кодекса Севератлантического колебания2 зимой 1995–1996 годы произошло замедление и «сжатие» субполярного круговорота и связанное с этим смещение Субполярного фронта на северо-запад в восточном бассейне к северу от 50° с. ш. Смещение фронта привело к быстрому увеличению температуры и солености вод в верхних слоях океана в проходе Роколл, вследствие увеличения вклада субтропических 2 Североатлантическое колебание – устойчивые колебания атмосферного давления противоположные по фазе с многомесячной цикличностью на севере и на юге северного Атлантического океана

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

вод. Авторы полагают, что аналогичный процесс имел место на промежуточных глубинах и привел к выявленному потеплению южных вод.

Вероятные механизмы влияния Североатланти‑ ческого колебания на температуру и соленость вод субарктической Атлантики В соответствии с многолетними наблюдениями, уменьшение зимнего индекса Североатлантического колебания отражает уменьшение разницы атмосферного давления на поверхности океана между Азорскими островами и Исландией – разницы между «Азорским максимумом» и «Исландским минимумом». Это приводит

к ослаблению северо-западного переноса воздушных масс над субарктической Атлантикой; в результате значительно уменьшается теплоотдача с поверхности океана, что, в свою очередь, ослабляет зимнюю конвекцию в море Лабрадор, сокращая обновление холодной и распресненной водной массой и, как следствие, приводит к потеплению и осолонению промежуточных вод субарктической Атлантики. Ослабление конвекции в море Лабрадор вместе с ослаблением северо-западного переноса и, возможно, прямым эффектом Североатлантического колебания приводит к ослаблению общей циклонической циркуляции Субполярного круговорота и сдвигу Северо-Атлантического течения и Субполярного фронта на северо-запад в восточном бассейне Атлантики к северу от 50° с. ш. [11, 12]. В свою очередь, смещение Субполярного фронта приводит к увеличению вклада более теплых и соленых вод Субтропического круговорота в приток атлантических вод в Арктику через проливы между Исландией и Великобританией (рис. 8). Как следствие, происходит осолонение вод, проникающих из арктического бассейна в Атлантику, что зафиксировано после 1995 года в придонных слоях пролива Фарерской Банки, где берет свое начало Северовосточная глубинная водная масса. И в результате, как показывают данные настоящего исследования, повышается соленость и температуры в глубинных слоях субарктической Атлантики. Еще одно вероятное следствие смещения Субполярного фронта на северо-запад – увеличение вклада промежуточных водных масс южного происхождения в восточном

субарктическом бассейне, что также привело к интенсивному потеплению и осолонению вод в регионе, подтвержденными измерениями, зафиксированными с середины 1990‑х до середины 2000‑х годов [11, 12]. В периоды увеличения индекса Североатлантлического колебания изменения, предположительно, противоположны описанным выше, о чем свидетельствует опреснение всей толщи промежуточных и глубинных вод субарктической Атлантики в период с середины 1960‑х до середины 1990‑х годов. Отметим, что долгопериодное опреснение глубинных вод в субполярном бассейне в 1960 – 1990‑х годах рассматривалось как результат антропогенного воздействия. В соответствии с этой гипотезой, глобальное потепление климата, вызванное увеличением концентрации парниковых газов в атмосфере, приводит к увеличению испарения в низких широтах и выпадению осадков в высоких широтах, что и приводит к опреснению Арктического бассейна. Численные модели, исходящие из «антропогенного сценария», предсказывали продолжение опреснения глубинных вод в первой половине XXI века. Результаты настоящего исследования свидетельствуют об обратном: в середине 1990‑х годов тенденция опреснения Северовосточной водной массы сменилась на противоположную (вслед за уменьшением индекса Североатлантического колебания). Представляется маловероятным, что однонаправленное антропогенное воздействие на климат может приводить к разнонаправленным тенденциям изменений характеристик глубинных вод океана. Тем не менее циркуляция и основные механизмы формирования промежуточных и глубинных вод в регионе изучены

Рис. 8. Схематическая иллюстрация увеличения теплых и соленых вод Субтропического круговорота (СтК) в приток атлантических вод в Арктический бассейн через проливы между Исландией и Великобританией при многолетнем уменьшении индекса Североатлантического колебания (САК). СпК – Субполярный круговорот. Нанесены изобаты дна 500, 2000 и 4000 м. Светло-серой заливкой выделены глубины менее 500 м [12] No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

далеко не полно. Существующие современные количественные оценки абсолютных расходов всего ансамбля океанских течений и интенсивности циркуляции в регионе основаны на небольшом числе съемок на трансатлантических разрезах, выполненных в последние два десятилетия. Вследствие интенсивной изменчивости циркуляции вод в широком диапазоне временных масштабов, этих оценок (дающих достоверную информацию о «мгновенных» синоптических состояниях циркуляции) недостаточно ни для анализа долговременных изменений циркуляции вод, ни для получения достоверной информации о средних многолетних (климатических) величинах переноса вод. Достоверные сведения о долговременных изменениях циркуляции вод в регионе ограничены количественными оценками изменения расходов пограничных течений [6, 8], регулярные наблюдения над которыми менее трудоемки и затратны в сравнении с наблюдениями над течениями в открытом океане. В настоящее время нет достоверных количественных оценок средних многолетних переносов вод всей совокупностью течений субарктической Атлантики, в том числе поверхностных и глубинных течений в открытом океане, течений, участвующих в межширотном водообмене.

Создание системы мониторинга циркуляции водных масс в северной части Атлантического океана Конфигурация наблюдательной системы, предварительная схема которой представлена на рисунке 9, разрабатывается научным коллективом Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН в сотрудничестве с ОАО «Концерн «Моринсис-Агат» в части информационных и наблюдательных систем и специалистами Французского института морских исследований (IFREMER, г. Брест, Франция) в части автономного измерительного океанологического оборудования. Создаваемая система мониторинга должна состоять из глубоководного океанского и поверхностного гидрометеорологического модулей. Глубоководный модуль должен включать стационарные притопленные буйковые станции с непрерывной регистрацией температуры, солености и скорости течений на глубинах в океане. Такая система стационарных буев сможет предоставлять непрерывную информацию о состоянии водной толщи в субарктическом регионе Атлантики. Данные буев необ-

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

ходимы для восстановления годового хода температуры и солености водных масс, расходов течений, а также для более точной оценки межгодовой изменчивости гидрологических параметров. Поверхностный модуль включает метеорологические буйковые станции, непрерывно наблюдающие и передающие информацию о состоянии приводной атмосферы, потоках энергии и океанских процессах в верхнем 700‑метровом слое океана. Установку таких буев целесообразно проводить в районах наиболее активного взаимодействия океана и атмосферы, а именно в очагах зимней океанской конвекции. Для расчета потоков энергии океан-атмосфера планируется использовать архив попутных метеорологических наблюдений в Мировом океане I–COADS (International Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set) [15]. Наиболее важными отличительными особенностями I–COADS, по сравнению с предыдущими версиями архива, являются: • уникальная длительность, покрывающая 150‑летний период, начиная с 1850 года; • обеспеченность данных сведениями о типах измерительных платформ и приборов за счет включения в массив данных международного списка судов, входящих в систему добровольного наблюдения Всемирной метеорологической организации (International list of selected, supplementary and auxiliary ships); • унифицированная система контроля данных и использование единого формата АММА для всех данных за весь период наблюдений. Также в оценках будут использованы поверхностные метеорологические данные за период последних десятилетий, которые обеспечивают равномерное пространственно-временное покрытие акватории Мирового океана. В рамках данного проекта предлагается использование принципиально нового подхода к синтезу различных типов оценок потоков энергии на поверхности «океан-атмосфера». Для расчетов потоков энергии на границе «океанатмосфера» для Мирового океана будут использованы методы коррекции индивидуальных попутных метеорологических наблюдений, учитывающие эффекты влияния макроструктуры судов на измеряемые величины и методы выполнения измерений. Для выяснения механизмов формирования климатических сигналов в океане и их влияния на формирование климатических аномалий в Арктике будет выполнено глобальное и региональное численное моделирование климата, основанное на тестировании нескольких рабочих гипотез.

Рис. 9. Общая архитектура Атлантического блока наблюдательной системы. На верхнем рисунке кружками показано положение автономных буйковых станций, зелеными треугольниками – положения метеорологических буев. Циркуляция глубинных арктических вод на севере Атлантического океана показана голубыми стрелками. На нижнем рисунке – схема установки автономных заякоренных буйковых станций в море Ирмингера. Положение станций показано на фоне распределения средних (за период 2002–2008 гг.) скоростей течений в толще вод на 60° с. ш. No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

ЛИТЕРАТУРА 1. Rhein M., Rintoul S. R., Aoki S., Campos E., Chambers D., Feely R. A., Gulev S., Johnson G. C., Josey S. A., Kostianoy A., Mauritzen C., Roemmich D., Talley L. D. and Wang F. Observations: Ocean//Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Stocker, T. F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S. K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P. M. Midgley (eds.)]. – Cambridge University Press, Cambridge and New York, 2013. 2. Semenov V. A., Latif  M., Dommenget  D., Keenlyside  N. S., Strehz  A., Martin  T., Park  W.  The Impact of North Atlantic-Arctic Multidecadal Variability on Northern Hemisphere Surface Air Temperature//J. Climate – 2010. – Vol. 23. – pp. 5668–5677. – doi: 10.1175/2010JCLI3347.1. 3. Otterå, O. H. et al. External forcing as a metronome for Atlantic multidecadal variability//Nature Geoscience. – 2010. – No. 3. – pp. 688–694. 4. Gulev S. K., and Belyaev K. P. Probability distribution characteristics for surface air-sea turbulent heat fluxes over the global ocean//J. Climate. – 2012 – Vol. 25. – pp. 184–206. – doi: 10.1175/2011JCLI4211.1. 5. Gulev S. K., Latif M., Keenlyside N., Park W., Koltermann K. P. North Atlantic Ocean control on surface heat flux on multidecadal timescales// Nature. – 2013. – Vol. 499. – pp. 464–467. – doi: 10.1038/nature12268. 6. Falina A., Sarafanov А., Sokov A. Variability and renewal of Labrador Sea Water in the Irminger basin in 1991–2004//J. оf Geophys. Res. – 2007. – Vol. 112, C01006. – doi: 10.1029/2005JC003348. 7. Sarafanov A., Falina A., Mercier H., Lherminier P. and Sokov A. Recent changes in the Greenland–Scotland overflow-derived water transport inferred from hydrographic observations in the southern Irminger Sea, Geophys. Res. Lett. – 2009. – Vol. 36. – L13606, doi: 10.1029/2009GL038385. 8. Sarafanov A., Falina A., Mercier H., Sokov A., Lherminier P., Gourcuff C., Gladyshev S., Gaillard F., and Daniault N. Mean full-depth summer circulation and transports at the northern periphery of the Atlantic Ocean in the 2000s//Journal оf Geophysical Research. – 2012. – Vol. 117. – C01014, doi: 10.1029/2011JC007572. 9. Sarafanov A., Falina A., Lherminier P., Mercier H., Sokov A., Gourcuff C. Assessing decadal changes in the Deep Western Boundary Current absolute transport southeast of Cape Farewell (Greenland) from hydrography and altimetry//Journal Geophys. Res. – 2010. – Vol. 115. – C11003, doi: 10.1029/2009JC005811. 10. Сарафанов А. А., Фалина А. С., Соков А. В. Многолетние изменения температуры и солености промежуточных и глубинных вод субполярной Северной Атлантики: тенденции и причины//Морские испытания. – № 1. – М.: 2008. – C. 12–30. 11. Sarafanov, A., Sokov A., Demidov A., and Falina A. Intense warming and salinification of intermediate waters of southern origin in the eastern subpolar North Atlantic in the 1990s to mid‑2000s//Jour. оf Geophys. Res. – 2008. – Vol. 113, C12022, doi: 10.1029/2008JC004975. 12. Сарафанов А. А. Механизм воздействия Североатлантического колебания на температуру и соленость промежуточных и глубинных вод субполярной Северной Атлантики//Метеорология и гидрология. – 2009. – № 3. – С. 65–73. 13. Sarafanov A. On the effect of the North Atlantic Oscillation on temperature and salinity of the subpolar North Atlantic intermediate and deep waters//ICES Journal оf Marine Science. – 2009. – 66 (7). – pp. 1448–1454. – doi: 10.1093/icesjms/fsp094. 14. Booth B. B. et al. Aerosols implicated as a prime driver of twentieth – century North Atlantic climate variability//Nature. – 2012. – Vol. 484. – pp. 228–232. 15. Woodruff, S. D., and Coauthors. ICOADS release 2.5: Extensions and enhancements to the surface marine meteorological archive// Int. J. Climatol. – 2011. – Vol. 31. – pp. 951–96. – doi: 10.1002/joc.2103.

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

ОЦЕНКА КЛИМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ В АРКТИЧЕСКИХ ШИРОТАХ В СЛУЧАЕ ОСЛАБЛЕНИЯ СЕВЕРО-АТЛАНТИЧЕСКОГО ТЕЧЕНИЯ Перенос тепла из тропических широт в Арктику Северо-Атлантическим течением является постоянно действующим фактором, который способствует существенному повышению среднезональных значений температуры поверхности океана в высоких широтах. В то же время глобальное потепление климата сопровождается увеличением осадков в Северном полушарии и таянием ледников, что приводит к опреснению поверхностных вод и ослаблению глубоководной конвекции вплоть до ее полной остановки, а, соответственно, к прекращению переноса тепла. В этом случае не исключается возможность полного прекращения притока океанического тепла в Баренцево море из-за положительной обратной связи между ним и границей морского льда. Оценка возможности реализации этого явления может быть получена в идеализированных экспериментах с климатической моделью.

Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН* Томск В.В. Зуев * участник Технологической платформы «Освоение океана» 38

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

Согласно оценкам, полученным в результате анализа эмпирических данных, среднегодовой меридиональный перенос тепла в Северном полушарии достигает максимума вблизи 40° c. ш. и составляет примерно 6•1015 Вт. При этом около 80 % приходится на перенос тепла атмосферой. Несмотря на относительно меньший вклад в общий среднезональный перенос, океанический перенос тепла может играть существенную роль в формировании регионального климата. Для численных экспериментов была использована совместная модель общей циркуляции атмосферы ECHAM5 и термодинамическая модель верхнего (50 м) перемешанного слоя океана, разработанная в Метеорологическом институте им. Макса Планка [1]. Модель имеет спектральное горизонтальное разрешение Т31 (примерно 3,75°x3,75° по широте и долготе). Температура поверхности океана в модели определяется из уравнения баланса тепла на поверхности океана, а образование морского льда происходит при понижении температуры до –1,8°C. Для реалистичного воспроизведения климата в таких моделях в уравнение теплового баланса к потокам радиационного и турбулентного тепла добавляется так называемый поток океанической конвергенции тепла, который описывает приток тепла к модельной ячейке вследствие динамики океана. Поток океанической конвергенции тепла оценивается из эксперимента с моделью с заданными граничными условиями для температуры поверхности океана и концентрация морского льда как дисбаланс потоков тепла на поверхности. Использовалась среднемесячная климатология температуры поверхности и концентрации морского льда по данным HadISST1 [2], осредненным для периода 2000–2009 годов. Концентрации парниковых газов задавались на уровне современных значений. Карта среднегодового потока океанической конвергенции тепла представлена на рисунке 1. Для анализа рабочих гипотез были выполнены три эксперимента: • контрольный, в котором воспроизводился климат первого десятилетия XXI века, • эксперимент 1 с обнулением потока океанической конвергенции тепла в атлантическом секторе (80° з. д. – 80° в. д., 50° c. ш. – 90° c. ш.); • эксперимент 2 с обнулением потока океанической конвергенции тепла в Баренцевом море (10° в. д. – 80° в. д., 65° c. ш. – 85° c. ш.). Длительность каждого эксперимента составляла 100 лет. Осредненный по указанным областям поток океанической конвергенции тепла, например, в январе составляет 1,9•1015 Вт и 0,4•1015 Вт для экспериментов 1 и 2, соответственно. Применяемый в данной работе подход весьма схож с подходом, использованным ранее в работе [3], но облада-

Рис. 1. Карта меридионального круговорота воды в Северной Атлантике, частью которого является Северо-Атлантическое течение, обеспечивающего перенос океанического тепла в Баренцево море ет рядом существенных отличий. Поток океанической конвергенции тепла обнулялся только в ограниченном регионе северной Атлантики, в том числе отдельно в Баренцевом море. Таким образом, представленные далее результаты следует рассматривать как реакцию климатической системы «атмосфера – верхний слой океана» на прекращение потока океанической конвергенции тепла. Время релаксации к равновесному состоянию для глобальной температуры в используемой модели составляет около 10 лет. Для анализа использовались последние 80 лет каждого эксперимента. Подчеркнем, что наиболее значимые изменения между результатами экспериментов и контролем происходят во внетропических широтах Северного полушария. В Южном полушарии изменения несущественны. На рисунке 2 представлены изменения январского давления воздуха на уровне моря во внетропических широтах Северного полушария в виде разности «эксперимент минус контроль» для экспериментов 1 и 2 соответственно. В целом прекращение потока океанической конвергенции тепла в атлантическом секторе приводит к понижению давления над континентами и увеличению над океанами с наиболее сильными изменениями в северной Атлантике с образованием контрастного диполя давления воздуха на уровне моря с положительной аномалией с центром над Лабрадорским морем и отрицательной аномалией над Гренландией. Следует отметить, что самые значительные изменения, с понижением давления до 5 гПа, произошли в области Канадского антициклона. Также можно отметить положительную аномалию давления (превышающую 3 гПа) в регионе Черного и Каспийского морей. При сравнении карт распределения давления воздуха в контрольном эксперименте и эксперименте 1 (не показаны) оказывается, что прекращение потока океанической конвергенции тепла приводит к уменьшению амплитуды атмосферных центров действия с незначительным измеNo. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

С.Ш. 85° 75° 65° 55° 45° 35° 100°

0°

100°

В.Д.

Рис. 2. Среднегодовые значения потока (Вт/м2) океанической конвергенции тепла, использовавшиеся с экспериментах с совместной моделью общей циркуляции атмосферы и термодинамической модели верхнего перемешенного слоя океана. Показаны регионы в северной Атлантике (большой прямоугольник) и Баренцевом море (маленький прямоугольник), где поток океанической конвергенции тепла обнулялся нением их положения. Причем положение стационарных антициклонов над континентами практически не меняется, а депрессии над океанами несколько (на 5°–10° долготы) смещаются на восток. Интересно отметить, что эффект смещения стационарных областей пониженного давления на восток отмечается в экспериментах по моделированию антропогенного воздействия на климат, а также отмечался на рубеже 1970‑х и 1980‑х годов при анализе интенсивности синоптической изменчивости. Полученные результаты в целом согласуются с результатами моделирования коллапса МКВ в эксперименте с совместной моделью общей циркуляции атмосферы, океана и морского льда и объясняются уменьшением температурного контраста между континентами и океаном.

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

В эксперименте 2 изменения давления воздуха на уровне моря значительно слабее и характеризуются формированием антициклонической аномалии над Баренцевым морем, образующейся из-за полного покрытия моря льдом, и циклонической аномалией к северу от Британских островов (рис. 2). Изменения приповерхностной температуры и границы ледового покрова (определяемые по изолинии 50 % концентрации льда в модельной ячейке) показаны на рисунке 3. Прекращение потока океанической конвергенции тепла в эксперименте 1 приводит к значительному похолоданию с максимальной амплитудой, достигающей –20 °C в Норвежском и Гренландском морях, которые, как и остальная часть Атлантики севернее 50° c. ш., становятся покрытыми льдом.

С.Ш. 85° 75° 65° 55° 45° 35°

85° 75° 65° 55° 45° 35° 100°

0°

100°

В.Д.

Рис. 3. Изменения давления воздуха на уровне моря (гПа) в январе в экспериментах с обнулением потока океанической конвергенции тепла в атлантическом секторе (вверху) и Баренцевом море (внизу) относительно контрольного эксперимента. Изолинии показаны через 1 гПа, пунктирные изолинии – отрицательные значения, сплошные – положительные Сильное похолодание, более чем на 7 °C, происходит над северной частью Евразии. Изотермы температурных аномалий имеют волновую структуру, связанную с соответствующими изменениями атмосферной циркуляции (рис. 2). Так, например, язык холода к востоку от Каспийского моря связан с антициклонической аномалий в этом регионе и адвекцией аномально холодного воздуха. Меньшие по сравнению со среднезональными аномалии температуры в районе Сибирского и Канадского антициклонов объясняются понижением давления в этих центрах действия в эксперименте 1. Как видно, существенное похолодание происходит на территории России. Например, на Черноморском побережье температура понижается на 3–4 °C, в Московской области – на 7 °C, а Ленинградской области – на 10 °C. Похолодание более чем на 7 °C происходит на Дальнем Востоке, при этом Охотское море полностью покрывается льдом. В Северной Америке наблюдается более слабое похолодание, чем в Евразии, с наибольшими отрицательными аномалиями на восточном побережье.

Прекращение океанического потока тепла в Баренцевом море приводит к замерзанию всего Баренцева и значительной части Гренландского морей, с наиболее сильным похолоданием над Баренцевым морем. Существенное похолодание в Евразии при этом происходит лишь над ее северным побережьем. Интересно отметить, что образование антициклонической аномалии в регионе Баренцева моря и похолодание над регионами Евразии могут происходить и при уменьшении площади ледового покрова [6, 7], что связано с нелинейным откликом атмосферной циркуляции на уменьшение концентрации льда в Баренцевом и Карском морях [6]. Изменения осадков над континентами (не показаны) в обоих экспериментах сравнительно невелики. В целом осадки над континентами уменьшаются с максимальными No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

С.Ш. 85° 75° 65° 55° 45° 35°

85° 75° 65° 55° 45° 35° 100°

0°

100°

В.Д.

Рис. 4. Изменения приповерхностной температуры (°С, тонкие штриховые изолинии через 3°C) в январе в экспериментах с обнулением потока океанической конвергенции тепла в атлантическом секторе (вверху) и в Баренцевом море (внизу) относительно контрольного эксперимента и соответствующие границы ледового покрова (изолинии 50% концентрации льда в модельной ячейке) для контрольного эксперимента (жирные прерывистые контуры) и экспериментов с прекращением потоков океанической конвергенции тепла (жирные сплошные контуры)

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

изменениями, достигающими 20 % в высоких широтах (севернее 65° с. ш.) и южнее 40° с. ш. Среднеполушарное похолодание в январе в экспериментах 1 и 2 составляет 2,7 °C и 1,0 °C соответственно, с наиболее сильными аномалиями в северо-западной части Евразии. Это похолодание для эксперимента 1 значительно превосходит по абсолютной величине потепление за последние 50 лет, составляющее для Северного полушария 1,0 °C по данным [8]. Однако оно уступает оценкам потепления (относительно современного климата) к концу XXI века, 3,7 °C, полученным по данным климатических моделей (в среднем по ансамблю моделей) в экспериментах по моделированию антропогенного воздействия на климат [4]. В тоже время следует отметить, что чувствительность среднеполушарной температуры к изменениям концентрации парниковых газов в моделях может быть существенно завышена, что следует, например, из результатов [1]. В этом случае эффект от прекращения потока океанической конвергенции тепла в северной Атлантике может привести к похолоданию в Северном полушарии в конце XXI века даже при учете антропогенного воздействия на климат. Следует отметить, что разница температур между Западной Европой и северо-восточной частью Северной

Америки в эксперименте 1 уменьшилась примерно на 25 %, с 11,5 °C до 8,7 °C, что подтверждает выводы о преобладающем влиянии (в сравнении с океаническим переносом тепла) западного переноса и стационарной волновой структуры атмосферной циркуляции в высоких широтах СП, вызванной орографией и источниками тепла на нижней границе атмосферы, в формировании аномально теплого климата в Европе и аномально холодного в восточной части Северной Америки [3]. Изменения приповерхностной температуры и границы ледового покрова (определяемые по изолинии 50 % концентрации льда в модельной ячейке) для июля показаны на рис. 3. Прекращение потока ОКТ в эксперименте 1 в летний период приводит к похолоданию с максимальной амплитудой, достигающей –7 °C в Норвежском и Гренландском морях. Ледяной покров смещается из Карского моря в Баренцево, южная граница которого охватывает побережье Новой Земли. В эксперименте 2 прекращение потока ОКТ приводит к похолоданию с максимальной амплитудой, достигающей –3 °C в Норвежском и Гренландском морях, а границы ледяного покрова смещаются подобно эксперименту 1.

ЛИТЕРАТУРА 1. Roeckner E., Bauml G., Bonaventura L. et al. The atmospheric general circulation model ECHAM 5. – Part I: Model description. Hamburg: Max Planck Inst. Meteorol. – 2003. – 140 p. 2. Rayner N. A., Parker D. E., Horton E. B. et al.//J. Geophysical Research-Atmospheres. – 2003. – V. 108. – № D14. – P. 4407–4435. 3. Seager R., Battisti D. S., Yin J. et al.//Quarterly J. the Royal Meteorol. Society. – 2002. – V. 128. – № 586. – P. 2563–2586. 4. Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, 2007/S. Solomon, D. Qin, M. Manning, et al.//Eds. Cambridge; N. Y.: Cambridge Univ. Press. – 2007. – 996 p. 5. Semenov V. A., Park W., Latif M.//Geophys. Res. Lett. – 2009. – V. 36. – P. L14709–L14713. 6. Petoukhov V., Semenov V. A.//J. Geophys. Res. – 2010. – V. 115. – P. D21111–D21121. 7. Семенов В. А., Мохов И. И., Латиф М.//Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. – 2012. – Т. 48. – № 4. – С. 18. 8. Hansen J., Ruedy R., Glascoe J., et al.//J. Geophys. Res. – 1999. – V. 104. – Iss. D24. – P. 30997–31022.

No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

О ВОЗМОЖНОЙ ПРИЧИНЕ ИЗМЕНЕНИЯ РУСЛА СЕВЕРО-АТЛАНТИЧЕСКОГО

ТЕЧЕНИЯ ГОЛЬФСТРИМ Океанское течение Гольфстрим – основной стабилизирующий фактор глобального климата, а также климата высоких широт Северо-Атлантического региона и Северной Европы. Глобальное потепление климата отчетливо проявляется, в частности, в потере запасов льда на Земле (из 7 млн км3 его осталось около четырех). Это, в свою очередь, сопровождается опреснением поверхностных вод и ведет к уменьшению плавучести Гольфстрима. Данные сравнительно медленные процессы могут быть учтены существующими моделями эволюции глобального климата и в прогнозах флуктуации русла Гольфстрима. Однако существует вероятность развития событий по катастрофическому сценарию. Примером такого сценария может рассматриваться катастрофа 20 апреля 2010 г. на нефтедобывающей платформе Deepwater Horizon в Мексиканском заливе.

Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН*, Москва Першин С.М.

* участник Технологической платформы «Освоение океана»

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

ИОФ РАН

30 25

t*, S

10 5

100

Глубина, м

Физическая природа значений температуры особых точек (их в воде и льде несколько десятков [2]) остается пока неясной. Удалось [2] установить совпадение энергии kTс = hΩ (1) теплового движения kTс и вращательного кванта hΩ спиновых орто-пара изомеров молекулы Н2О в окрестности температур особых точек Tс. Резонансные столкновения (1) приводят к орто-пара конверсии в смешанных квантовых состояниях спиновых изомеров Н2О [2, 5, 6], которые принципиально отличаются квантовыми свойствами. Отметим, что один из спиновых изомеров, орто-Н2О, имеет магнитный момент, проявляется в ЯМР томографе и всегда вращается [8], тогда как пара-изомер Н2О не имеет магнитного момента, и часть из них может не вращаться. Изменение соотношения орто-пара изомеров, особенно в окрестности значений температуры особой точки, меняет способность молекул воды к образованию водородосвязанных комплексов и другие свойства воды [6, 8, 9]. Такое кратное уменьшение сил внутреннего трения при температуре 19–20° С (см. рис. 2) в большом объеме потока Гольфстрим может сопровождаться его соскальзыванием с прежней траектории русла (как автомобиль на скользком повороте) и сохранением инерционного движения на север, «проскакивая» поворот на восток.

Вязкость, о.е.

Осенью 2011 г. было обнаружено заметное потепление и значительное увеличение скорости течения на шельфе у берегов Новой Англии. Измерения, выполненные учеными института Океанографии США – (Wood Hole Oceanographic Institution (WHOI)) – показали, что основное русло Гольфстрима аномально (более чем на 200 км) сместилось на север и прижалось к берегам Северной Америки [1]. Сильный до 19–20° С нагрев верхнего слоя (до 50–70 м) океана (больше обычного на 6,5–6,7°) с одновременным повышением солености (см. профиль на рис. 1) не удовлетворял какому-либо известному на настоящий момент механизму. В физике воды [2] эта область температур известна как температура особой точки – локального экстремума сдвиговой вязкости или внутреннего трения. Ранее [3] было экспериментально установлено, что сдвиговая вязкость уменьшается кратно (в 3–5 раз) в окрестности температуры особых точек воды 4 и 19° С (см. рис. 2 по данным работы [3]). Из рисунка видно, что снижение температуры раствора соли на 3–5 градусов с 20 до 14–15° С сопровождается быстрым увеличением сдвиговой вязкости. Отсюда следует, что температура воды в океане в окрестности 19–20° С является управляющим фактором, который существенно меняет значение коэффициента внутреннего трения и, соответственно, реологические свойства воды. Заметим, что для пресной воды (рис. 2, сплошные круги) изменения вязкости менее критичные и более инерционные по температуре, чем для соленой. Очевидно, что гидродинамика жидкости будет отражать подобные изменения внутреннего трения, в частности, это будет проявляться и в перемещении больших объемов океанских течений, например, фрагмента 100х100х0,1 км3 Гольфстрима, что является типичной ячейкой расчетных моделей движения [4].

5 200

300 5 Дек. 8 Дек. 20 Дек. 21 Дек.

400 5

10 15 20 Температура, °С

35,5 36 Соленость

36,5

Рис. 1. Вариации профиля температуры (а) и солености (b) по данным работы [1].

10 Температура, °С

Рис. 2. Зависимость времени восстановления (правая шкала, секунды) оптических неоднородностей в воде (сплошные точки) и растворе соли NaCl (крестики), измеренная методом теневой фотографии области механического возмущения в объеме сосуда. 1 – скорость сдвиговой деформации воды (левая шкала) 2 – время восстановления оптической однородности воды (правая шкала) 3 – время восстановления оптической однородности солевого раствора воды (правая шкала) No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

Следует заметить, что начало понижения температуры слоя океана (см. профиль на рис. 1) в конце декабря 2011 г. до 17° С совпало с возвращением Гольфстрима в прежнее русло. Что же могло послужить причиной аномального изменения температуры и солености верхнего слоя течения Гольфстрим? Приведем результаты экспериментальных исследований – зондирование радужной нефтяной пленки на поверхности воды лидаром на диодном импульсном лазере с предельно малым уровнем излучения по плотности энергии (сравнимым с солнечным и ниже). На рис. 3 представлена схема лидарного зондирования поверхности акваторий с надводного корабля. Лидар был установлен на верхней палубе, на треноге со стандартным адаптером для крепления фото- или телекамеры, кото-

Берег

III

Лидар

Рис. 3. Схема размещения лидара на корабле для зондирования загрязнения акваторий. Трассы указывают направление сигнала лидара на чистую поверхность воды (I), на пятно радужной пленки нефти (II) и на береговые объекты через двукратное отражение от водной поверхности (III).

Сигнал лидара, число фотоотсчетов

20000

32 000 импульсов усреднение

15000

10000

5000

30 40 Расстояние, м

Рис. 4. Сигнал лидара обратного рассеяния – от пятна радужной пленки нефти – от чистой поверхности воды 46

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

рый обеспечивал поворот и фиксацию лидара по азимуту и углу места. Пучок лазера был направлен к поверхности под углом около 30° к ее поверхности. При зондировании радужной пленки нефти на водной поверхности было обнаружено новое явление – увеличение сигнала обратного рассеяния по сравнению с зондированием чистой поверхности воды, несмотря на «выглаживания» поверхности и демпфирование капиллярных волн в скин-слое воды при наличии пленки. На рис. 4 сигналы лидарного зондирования в виде гистограммы распределения числа фотоотсчетов от чистой поверхности воды (штрихованные линии) и от пятна (сплошные линии) сведены вместе для удобства сравнения и анализа. Отчетливо видно более чем 10‑кратное увеличение сигнала обратного рассеяния при наличии пленки. Физический механизм этого явления до конца неясен [7] и требует отдельного изучения. Одним из факторов здесь может быть переупаковка водородосвязанных комплексов воды в контактном слое, прилегающем к пленке. Ранее подобная переупаковка наблюдалась в слое воды, контактирующем с полимером [8], из которого выталкивались от стенки в объем взвешенные в воде полистирольные микрошарики. Мы считаем, что наиболее вероятной структурой здесь могут быть кластеры воды с льдоподобной структурой водородных связей. Особенно важно здесь то, что радужная пленка нефти кардинально (см. рис. 4) изменяет профиль рассеяния света в толще приповерхностного слоя воды, несмотря на ее микронную толщину, сравнимую с длиной волны излучения, и высокую прозрачность. Известно, что морская вода в условиях штиля обеспечивает пропускание до 10% солнечного света на глубину более 100 м в соответствии с законом Ламберта-Берра. Принимая во внимание то, что коэффициент френелевского отражения морской поверхности около 2–3% (см. рис. 5), можно утверждать, что основная доля солнечного излучения (см. рис. 6) идет на нагрев слоя толщиной более 100 метров. Обнаруженное увеличение коэффициента рассеяния света при наличии радужной пленки на поверхности приводит к изменению профиля нагрева воды в сторону повышения температуры приповерхностного слоя толщиной несколько десятков метров. Таким образом, мы подошли к обоснованию гипотезы, что причиной изменения характеристик течения Гольфстрим может быть тонкая нефтяная пленка на поверхности, образовавшаяся после выхода меандра течения из Мексиканского залива. Напомним, что авария на нефтяной платформе в Мексиканском заливе 20 апреля 2010 года привела к тому, что около 200 тонн сырой нефти в сутки выливалось в воды залива в течение нескольких месяцев. Специалисты обнаружили гигантские подводные пятна, дрейфующие по Мексиканскому заливу на глубине, дости-

Кэффициент опережения, %

100.0 50.0

Растительность 2

Растительность 1

20.0 Почва

10.0 5.0

Турбулентная вода

2.0 1.0 .5

Чистая вода

.2 .1

.6 .7 .8 Длина волны, мкм

1.0

1.1

Рис. 5. Дисперсия коэффициента отражения (альбедо) 5-ти поверхностей: растений, почвы и акваторий в видимом и ближнем (до 1,1. мкм) ИК-диапазоне

Сигнальные излучения, Вт/м2

гающей несколько сотен метров. Такие пятна имеют толщину до 90 метров и могут всплывать по нескольку раз в течение продолжительного времени. Под действием солнца и высокой температуры экваториальной зоны океана часть нефти испаряется и распадается на фракции, часть перерабатывается микроорганизмами. Типичные радиоизображения нефтяных пятен (зондирование радаром и радиометром) отражают только сравнительно толстые, в 2–3 см, слои. Пятна типа радужной пленки, толщина которой порядка длины волны (микрон и меньше), занимают несравненно большие площади, однако их влияние на перераспределение баланса солнечной энергии до настоящего времени не принималось во внимание, несмотря на то, что подогрев воды мирового океана при образовании радужной пленки нефти на большой площади может индуцировать изменение сдвиговой вязкости огромной массы воды и циркуляционных потоков, установившихся в океане, например, Гольфстрима [4, 9] или атмосферы [10], как случилось в результате катастрофы в Мексиканском заливе 20 апреля 2010 года, разразившейся из-за аварии на нефтяной платформе Deepwater Horizon. Несомненно, аномально большие смещения русла Гольфстрима, не регистрировавшиеся до настоящего времени, будут оказывать сильное влияние на глобальный климат [10] и требуют постоянного мониторинга площади радужной нефтяной пленки и других загрязнений мирового океана лидарными средствами [7, 11] с борта беспилотных носителей.

Вне атмосферы

2000

На уровне моря 1000

1 2 Длина волны, мкм

Рис. 6. Спектр мощности излучения Солнца вне атмосферы и на уровне моря

ЛИТЕРАТУРА 1. Glen Gawarkiewicz et. al. Direct interaction between the Gulf Stream and the shelfbreak south of New England, Scientific Reports. – 2012. – No. 2. 2. Pershin S.M. Coincidence of rotational energy of ortho-para molecules and translation energy near specific temperatures in water and ice // Phys. of Wave Phenomena. – 2008. – No. 16(1). – P. 15-25. 3. Стебновский С.В. О сдвиговой прочности структурированной воды // Журнал технической физики. – 2004. – № 74(1). – С. 21-24. 4. Стоммел Г. Гольфстрим. Физическое и динамическое описание. – М.: Изд. ИЛ, 1963г. – 227 стр. 5. Першин С.М. Влияние квантовых отличий орто-пара спиновых изомеров Н2О на свойства воды // Биофизика. – 2013. – № 58(5). – С. 910-918. 6. Першин С.М. Доклады академии наук. – 2014. – Вып. 455(1). – С. 44-47. 7. Pershin S.M. Oil spills detection by portable micropulse eye-safe backscattering lidar // Phys. of Vibr. – 2001. – No. 9(3). – P. 192-196. 8. Pollack G.H. Fourth Phase of Water. – Seattle: Ebner&Sons Publishers, 2013. – 357 p. 9. Монин А.С., Жихарев Г.М. Океанские вихри // УФН. – 1990. – №160 (5). – С. 1-47. 10. Семенов В.А., Шелехова Е.А., Мохов И.И. и др. Роль Атлантического долгопериодного колебания в формировании сезонных аномалий температуры воздуха в Северном полушарии по модельным расчетам // Оптика атмосферы и океана. – 2014.– №3. 11. Bunkin A.F., Voliak K.I. Laser Remote Sensing of the Ocean. Methods and Applications. – John Wiley&Sons, Inc., 2001. – 244 p.

No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

СЕТЬ МОБИЛЬНОЙ АВТОМАТИЧЕСКОЙ РАДИОСВЯЗИ с открытым доступом для арктического региона России Радиоволны частот КВ-диапазона могут распространяться на сотни и тысячи километров благодаря способности отражения от ионосферы. Но ионосферные каналы связи, в отличие от спутниковых, являются нестационарными, подвержены замираниям сигнала и поэтому имеют меньший коэффициент исправного действия. КВ-передатчики с наименьшей мощностью (исчисляемой единицами и десятками ватт) используются на односкачковых трассах, когда между передатчиками и приемниками расстояние равно 2000-3000 км [2]. Тем не менее эта связь пользуется популярностью у многих пользователей из-за низкой стоимости – она во много раз дешевле спутниковой по стоимости как оборудования, так и услуг связи. Кроме того, абоненты общедоступных спутниковых каналов связи зависят от зарубежных монопольных компаний-операторов, которые могут в любое время, например, в зависимости от политических отношений между странами, прекратить доступ тех или иных абонентов к каналам связи.

ОАО «Омский научно-исследовательский институт приборостроения»*

Омский гоcударственный технический университет* Дулькейт И.В.

Хазан В.Л.

* участники Технологической платформы «Освоение океана»

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

Несмотря на преимущества перед спутниковыми си‑ стемами, сети мобильной КВ‑радиосвязи с открытым доступом пользователей на сегодняшний день не эксплу‑ атируются. Это объясняется, во‑первых, низким энергетическим потенциалом транспортных средств (мощность автомобильного передатчика не может превышать 10–100 Вт, что недостаточно для надежной передачи со‑ общений на дальние расстояния обычными методами). Во‑вторых, ограниченные габариты транспорта не позво‑ ляют размещать на нем достаточно эффективные про‑ водные передающие СВ‑и КВ‑антенны, имеющие в длину десятки метров. Ученые Омского государственного технического университета нашли техническое решение использования в мобильных системах связи СВ- и КВрадиоволн. Зона обслуживания такими сетями может охватывать огромные территории, например, всю Россию, включая акватории Северного Ледовитого и Тихого океанов. В предлагаемой мобильной автоматической сети ра‑ диосвязи повышение надежности передачи сообщений со стороны транспорта при низкой мощности передатчи‑ ка достигается снижением скорости манипуляции вплоть до 4‑х бит/с [2] и использованием для тактовой и цикло‑ вой синхронизации точного времени [3]. Для повышения надежности передачи сообщений между отдельными абонентами сети, которые могут находиться на любом расстоянии в пределах обслуживаемой сетью террито‑ рии, предлагается использовать удаленные от абонентов на оптимальное для распространения радиоволн рас‑ стояние (2000–3000 км) базовые КВ‑ретрансляторы [4], которые имеют территориально-разнесенные приемные центры [5]. В канале связи «абонент – базовый КВ‑ретранслятор» ис‑ пользуется низкоскоростной режим частотной манипуля‑ ции с уплотнением канала связи по частоте. В канале связи «базовый КВ‑ретранслятор – абонент» используется высо‑ коскоростной режим фазовой манипуляции [6] с уплотне‑ нием канала связи по времени [7]. Уменьшения габаритов передающих антенн для мало‑ мощных (менее 100 Вт) передатчиков удалось добиться применением в резонансных антеннах индуктивностей с ферритовыми сердечниками [8, 9]. Указанные антен‑ ны имеют габариты, которые составляют доли процента от длины излучаемой радиоволны, и могут использоваться как на любом виде транспорта, например, на легковом ав‑ томобиле (рис. 1), так и в качестве носимых антенн (рис. 2). Площадь сечения ферритового магнитопровода в антенне с целью предотвращения его насыщения увеличивается пропорционально мощности передатчика.

Рис. 1. Мобильная резонансная ферромагнитная антенна, установленная на крыше легкового автомобиля

Рис. 2. Использование носимой резонансной ферромагнитной антенны

Особенности организации КВ‑сети связи для арктической зоны России На средних широтах КВ‑каналы связи, как правило, имеют многолучевую структуру и доплеровское смещение часто‑ ты в каждом из лучей. Разность хода лучей может дости‑ гать 4 и более миллисекунд [10]. Доплеровское смещение частоты в переходные периоды суток могут быть равны ±1,5 Гц. Эти явления приводят к замираниям сигнала (фе‑ дингу), которые поражают как отдельные участки спектра сигала (селективные замирания), так и отдельные времен‑ ные интервалы, на которых присутствует спектр сигнала. На высоких широтах ионосферная радиосвязь в КВ‑диапазоне радиоволн по сравнению со среднеширотной еще более проблематична из-за сложной неоднородной структуры полярной ионосферы, формируемой процес‑ сами взаимодействия ионосферы, магнитосферы Зем‑ ли и другого рода физических явлений, заключающихся во взаимодействии силовых линий магнитного поля Зем‑ ли и ионизированных частиц солнечного ветра. Через несколько часов после вспышки на Солнце начинается интенсивное поглощение КВ‑радиоволн, которое распро‑ страняется на всю полярную область. Ослабление ради‑ No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

Северный полярный круг Ширина кольца обслуживаемого омским КВ-ретранслятором

КВ-ретранслятор Проекции на Землю точек отражения сигналов от ионосферы

Омск

Рис. 3. Территория, обслуживаемая КВ‑ретранслятором, расположенным в Омске осигналов может достигать 100 дБ. Разность хода лучей на высокоширотных трассах достигает 7 мс, а доплеров‑ ское смещение частоты может быть равно ±30 Гц. [11]. В связи с этим селективные замирания вдоль оси частот имеют меньший период, а скорость их вдоль оси времени значительно выше по сравнению со среднеширотными трассами. В условиях затененной ионосферы и в период геомагнитных возмущений (ионосферных суббурь) неста‑ ционарные явления в ионосфере на высокоширотных трассах не дают возможности обеспечить передачу дан‑ ных с удовлетворительным качеством. Использование удаленных КВ‑ретрансляторов, располо‑ женных на расстоянии 2000–3000 км южнее заполярного региона, может помочь решить проблему обеспечения связью арктической территории России [7]. Рассмотрим, например, КВ‑ретранслятор, который рас‑ положен в Омске, как изображено на рисунке 3. Голубым цветом окрашена основная часть территории, на которой могут обслуживаться этим ретранслятором абоненты с маломощными передатчиками (до 10 Вт). Если мощность абонентского передатчика будет равна 100 Вт, то ши‑ рина обслуживаемого кольца практически увеличится в 1–1,5 раза [1]. За северным полярным кругом омский ретранслятор обслуживает Кольский полуостров, остров Новая Земля, судоходную магистраль Северного морского пути в Баренцевом и Карском морях, полуостровы Ямал и Таймыр. Следует обратить внимание на тот факт, что места от‑ ражения радиоволны от ионосферы (желтое кольцо) для абонентов, находящихся в Заполярье, расположены южнее 50

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

северного полярного круга. Это создает благоприятные условия для двусторонней связи через КВ‑ретранслятор между абонентами, которые находятся севернее поляр‑ ного круга, и между абонентами сети, располагающимися на обслуживаемой территории севернее полярного круга, а также абонентами другой сети (проводной, сотовой, спут‑ никовой), с которой интегрируется данная КВ‑сеть через базовый КВ‑ретранслятор. Для обслуживания только территории российской Ар‑ ктики достаточно четырех КВ‑ретрансляторов, располо‑ женных, например, в городах: Волгоград, Омск, Улан-Удэ и Николаевск-на-Амуре. Для сплошного покрытия всей территории России необходимо дополнительно иметь еще четыре ретранслятора, размещенных в городах: Уфа, Красноярск, Благовещенск и Магадан. Если ставить целью обслуживать весь евразийский континент, то потребуется еще четыре ретранслятора в городах: Калининград, Пекин и Куньмин (Китай), Никосия (о. Кипр). Таким образом, сеть, состоящая из двенадцати КВ‑ретран‑ сляторов, девять из которых расположены на территории России, позволит всем жителям Евразии везде, где бы они не находились, в том числе и севернее полярного круга, включая акватории морей Северного Ледовитого океана, в любое время общаться друг с другом и с абонентами дру‑ Один базовый ретранслятор способен одновременно обслуживать несколько десятков тысяч абонентов.

гих сетей (проводных, сотовых, спутниковых), с которыми интегрированы КВ базовые ретрансляторы. Это достигается благодаря частотному уплотнению од‑ нополосного телефонного канала связи узкополосными (с полосой 4 Гц) телеграфными каналами. В одной боковой стандартной полосе частот 3100 Гц телефонного канала связи можно разместить 775 узкополосных телеграфных каналов связи, которые позволяют КВ‑ретранслятору од‑ новременно принимать информацию от 775 абонентов. Передатчики ретранслятора должны быть достаточно мощ‑ ными, порядка 10 кВт. В этом случае от ретранслятора к або‑ ненту возможно обеспечить достаточно высокую скорость передачи сообщений – порядка 1000 бит/с и передавать транслируемые сообщения методом фазовой манипуляции в режиме уплотнения по времени. Все КВ‑ретрансляторы обмениваются информацией по внешним линиям связи (проводным, спутниковым и др.). Каждый ретранслятор имеет базу данных обслу‑ живаемых абонентов сети, которая периодически обнов‑ ляется. Последовательность операций при проведении сеансов связи (определение заявок на связь, соблюдение очередности предоставления каналов связи, назначение абонентам рабочих частот, прием, регистрация и ретран‑ сляция сообщений, прием, регистрация и ретрансляция радиоквитанций и т. п.) централизовано определяют базо‑ вые КВ‑ретрансляторы. С помощью описываемой КВ‑радиосети автоматически по регламенту, инициативно или по запросу из вне, воз‑ можно передавать по заданным адресам различного рода данные, например, координаты объекта, определенные автоматически с помощью навигационных спутниковых систем Глонасс и GPS, и данные всех систем жизнеобеспе‑ чения контролируемого объекта на любые расстояния, как в пределах всей обслуживаемой данной сетью территории (страны или континента с прилегающими к нему акватория‑ ми), так и в пределах всего земного пространства, обслужи‑ ваемого другими сетями связи, с которыми через базовые ретрансляторы интегрируется КВ‑радиосеть. КВ‑радиосеть предоставляет также возможность переда‑ вать на любые расстояния сигналы управления от диспет‑ черов к управляемым объектам. Важным является также то, что КВ‑каналы радиосвязи обеспечивают передачу сообщений не только на равнин‑ ной, но и в гористой местности. Автоматически (по сигналам от специальных датчиков) или инициативно (нажатием специализированной кнопки или педали) все абоненты КВ‑радиосети, которые попали в чрезвычайную ситуацию, могут передать сигналы типа SOS по заранее заданным адресам. Для защиты от несанкционированного перехвата переда‑ ваемых сообщений в сети предусмотрено их криптографи‑ ческое шифрование. Кроме прочего, при использовании низкоскоростной манипуляции предусмотрена быстрая передача условных

сообщений с автоматической расшифровкой и выводом со‑ держания этих сообщений на дисплей и громкоговорящего голосового воспроизведения через динамик. Предусмотрен также адресный автоответ в течение вре‑ мени, когда абонент не в состоянии по тем или иным при‑ чинам лично выйти на связь. Особо следует обратить внимание на то, что сеть КВ‑ра‑ диосвязи с удаленными ретрансляторами обеспечивает надежной экстренной связью в режиме передачи коротких сообщений (SMS) в любое время всех абонентов собствен‑ ной сети, находящихся в любом месте обслуживаемой этой сетью территории, которая может быть как отдельно взятой страной, так и целым континентом.

No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

УКВ

СВ

УКВ

КВ1 КВ2

СВ

БР1

СВ

Спутниковая сеть связи

УКВ

СВ-КВ-УКВ Зона 1

УКВ

СВ

УКВ

СВ

БРn

СВ

Удаленные КВ ретрансляторы

КВm

УКВ

СВ-КВ-УКВ 2000–3000 км

Зона 1

Рис. 4. Структурная схема многозоновой комбинированной СВ‑КВ‑УКВ-сети радиосвязи Условные обозначения: БРN – N‑ый СВ‑КВ‑УКВ базовый ретранслятор; СВ – корреспондентская СВ‑радиостанция; УКВ – корреспондентская радиостанции УКВ‑диапазона радиочастот; КВi – i‑я индивидуальная КВ‑радиостанция.

Комбинированная СВ‑КВ‑УКВ сеть радиосвязи Комбинированная СВ‑КВ‑УКВ‑сеть радиосвязи позволяет реализовать следующие преимущества вышеописанных вариантов систем связи: • минимизацию габаритов и веса радиоаппаратуры при связи на удалении от базовой СВ‑КВ‑УКВ-радиостанции на расстояние до нескольких километров благодаря использованию корреспондентами УКВрадиостанций; • возможность голосовой и буквенно-цифровой связи в зоне, обслуживаемой базовой СВ‑КВ‑УКВрадиостанцией (с радиусом до 50–200 км) путем ис‑ пользования корреспондентами СВ-радиостанций; • возможность межзоновой голосовой связи и голо‑ совой связи с пользователями спутниковых, сотовых и проводных сетей связи, за счет интеграции с этими сетями базовых СВ‑КВ‑УКВ радиостанций; • возможность двусторонней связи через удален‑ ные КВ базовые ретрансляторы в режиме передачи дискретных сообщений (в режиме SMS) с пользова‑ телями сети в других зонах и индивидуальными кор‑ респондентами, имеющими специализированные 52

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

•

КВ радиостанции, а также со всеми пользователями сотовых систем связи; передачу телефонограмм через диспетчера АТС в любую точку Земли.

На рисунке 4 изображена структурная схема такого рода сети связи, позволяющая реализовать перечислен‑ ные режимы работы. Базовые СВ‑КВ‑УКВ зоновые ретрансляторы взаимодей‑ ствуют со спутниковыми каналами связи и удаленными КВ‑ретрансляторами. Через спутниковые каналы связи абоненты сети могут пользоваться голосовой связью из любой точкой земного шара, через коротковолновые ретрансляторы передавать друг другу на любой сотовый телефон буквенно-цифровую информацию. Пользователи, находящиеся в пределах прямой види‑ мости от базовых СВ‑КВ‑УКВ‑радиостанций, могут поль‑ зоваться малогабаритными УКВ‑приемопередатчиками типа сотовых телефонов. Абоненты, имеющие СВ‑радио‑ станции соответствующей мощности, могут вести двусто‑ роннюю голосовую и буквенно-цифровую связь, находясь от базовой радиостанции на расстоянии 50–200 км. Поль‑ зователи, которые имеют в своем распоряжении спе‑

циализированные КВ‑радиостанции могут передавать и принимать дискретные сообщения в любом месте севернее полярного круга, используя непосредствен‑ ную связь с удаленными базовыми КВ‑ретрансляторами. При этом все пользователи сети могут передавать через КВ‑ретранслятор, который интегрируется с сотовыми ли‑ ниями связи, буквенно-цифровые сообщения на любой сотовый телефон (в режиме SMS). Таким образом, к внедрению предлагается новая мо‑ бильная комбинированная СВ‑КВ‑УКВ‑сеть радиосвязи с открытым доступом пользователей, использующая но‑ вейшие научно-технические достижения в области связи. Эта сеть обеспечивает голосовой и телеграфной связью всех пользователей мобильной связи, находящихся в зо‑ нах с низкой плотностью населения, в радиусе до 100 км

и более (при наличии СВ‑ретрансляторов), а в телеграф‑ ном режиме передачи данных – пользователей, нахо‑ дящихся в любой точке суши и водного пространства, покрытых сетью базовых КВ‑ретрансляторов и сущест‑ вующими сетями радиосвязи, с которыми интегрируется данная мобильная комбинированная СВ‑КВ‑УКВ‑сеть ра‑ диосвязи. Данная мобильная комбинированная СВ‑КВ‑УКВ‑сеть радиосвязи может использоваться на всех видах тран‑ спорта (автомобилях, речных и морских судах, железнодо‑ рожном транспорте и самолетах). Кроме того, этим видом радиосвязи могут пользоваться различные ведомства и частные лица, которые временно или постоянно нахо‑ дятся вне зон действия существующих сетей сотовой мо‑ бильной связи.

ЛИТЕРАТУРА 1. Коноплева Е. Н. О расчете надежности радиосвязи на коротких волнах. // Электросвязь. – 1967. – № 11. – С. 36–38. 2. Патент на изобретение № 2454015. Хазан В. Л., Калинин А. Н., Романов Ю. В., Лушпай А. В., Азанов А. А. Способ демодуляции частот‑ но-манипулированных абсолютно-биимпульсных сигналов, используемых для передачи информации по коротковолновому ка‑ налу связи. Опубл. 20.06.2012. – Бюл. № 1. – 8 с.: ил. 3. 3. Патент на изобретение №. 2377723. Хазан В. Л., Федосов Д. В. Способ передачи дискретных сообщений по каналам радиосвязи. Опубл. 27.12.2009. – Бюл. № 36. – 14 с.: ил. 2. 4. Патент на изобретение № 2351074. Хазан В. Л., Федосов Д. В. Региональная сеть мобильной связи и абонентский терминал. Опубл. 27.03.2009. – Бюл. № 9. – 16 с.: ил. 5. 5. Патент на изобретение № 2336635. Хазан В. Л., Федосов Д. В.. Сеть коротковолновой радиосвязи для передачи коротких сообще‑ ний. Опубл. 20.10.2008. – Бюл. № 29. – 8 с.: ил. 3. 6. Патент на изобретение № 2391787. Хазан В. Л., Федосов Д. В. Способ передачи дискретных сообщений по каналам с фазовой мани‑ пуляцией. Опубл. 10.06.2010. – Бюл. № 16. – 15 с.: ил. 4. 7. Хазан В. Л. Система декаметровой мобильной автоматической радиосвязи «МАРС» // Техника радиосвязи. – Омск. – 1998. – Вып. 4. – С. 59–66. 8. Патент на изобретение № 2413344. Хазан В. Л., Федосов Д. В., Хорват В. Н. Вибраторная антенна. Опубл. 27.02.2011. – Бюл. № 6. – 6 с. 9. Федосов Д. В., Корнеев Д. А., Хазан В. Л., Хорват В. Н. Экспериментальное определение дальности мобильной связи при использо‑ вании малогабаритных резонансных антенн средневолнового диапазона // Журнал радиоэлектроники. – 2011. – № 12. 10. Финк Л. М. Теория передачи дискретных сообщений. – М.: Сов. радио, 1970. – 727 с. 11. ITU-R F.1487 Low Latitudes, Moderate Conditions (LM) Channel Model

No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ

ДИСТАНЦИОННОГО ЛАЗЕРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ПРИ ИССЛЕДОВАНИЯХ В АРКТИКЕ Быстрое развитие лазерной техники и скоростной электроники расширяет возможности дистанционного лазерного зондирования физических характеристик верхнего слоя океана. Применение этого метода, в частности, позволяет получать в реальном времени трехмерные карты параметров океана. В данной работе представлены некоторые ранее не применявшиеся подходы к лазерному зондированию верхнего слоя океана, позволяющие проводить экспрессные измерения вертикального профиля температуры, содержания органических примесей, в том числе антропогенных, а также хлорофилла в воде, с целью получения информации о динамике гидрологических процессов и выявления аномалий температуры воды и специфических примесей, указывающих на турбулентность течения жидкости, утечек в подводных трубопроводах, разливах нефтепродуктов. Испытания лидара в условиях Арктики проводились в Гренландском море в районе острова Свальбард, архипелаг Шпицберген, при содействии Свальбардского международного университета (UNIS). Исследования были сосредоточены на трех технологических направлениях: • картирование распределения поверхностных концентраций хлорофилла «а» фитопланктона и растворенного органического вещества; • измерение вертикального профиля температуры океана; • измерение толщины льда.

ОАО «Концерн «Моринсис-Агат»*, Москва Бункин А.Ф.

Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН*, Москва Першин С.М.

Общая схема лидарного зондирования океана

ИОФ РАН

* участники Технологической платформы «Освоение океана»

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

Принцип действия лидарного зондирования состоит в том, что один или несколько коротких лазерных импульсов, длины волн которых выбираются в области прозрачности атмосферы и воды, распространяются в водоеме. Проходя

UNIS – The University Centre in Svalbard (Университетский центр на Шпицбергене) – основан в 1993 году в результате кооперации университетов Осло, Бергена, Тромсё и Норвежского университета естественных и технических наук (NTNU). Самое северное учебное заведение в мире, расположенное в Лонгйирбюене, архипелаг Шпицберген (78° с. ш.), оснащено по последнему слову техники. В университете ведется преподавание по арктической биологии, геологии, геофизике и технологии. Особое географическое положение позволяет использовать окружающую природу в качестве уникальной лаборатории, а также сооружать «холодные» лаборатории, воссоздающие естественные арктические условия. UNIS имеет научно-исследовательский флот, экспериментальные мастерские и производства.

сквозь толщу воды, лазерное излучение взаимодействует с атомами и молекулами среды, порождая эхо-сигнал. Этот сигнал распространяется преимущественно вперед и назад, в том числе в точку, откуда был излучен импульс. При лидарном зондировании окружающей среды источник лазерного излучения и приемник эхо-сигнала находятся в одной точке, подобно тому как это принято в радиолокации. Разные физические процессы океана порождают различные эхо-сигналы. Среди линейных (по энергии падающего лазерного излучения) процессов наибольшую эффективность по сигналу имеет флуоресценция органических примесей и хлорофилла «а» фитопланктона (сечение возбуждения до 10–18 мол./стерадиан). Каждая флуоресцирующая молекула излучает сферически, с некоторым запаздыванием (до 100 нс) по отношению к возбуждающему излучению. Поэтому временные характеристики эхо-сигнала флуоресценции в общем случае не отражают пространственное распределение флуоресцирующих примесей по вертикали. Далее по эффективности идет рассеяние Ми, то есть «мгновенное» упругое рассеяние на частицах микропримеси, размер которых сравним с длиной волны зондирующего излучения (0,1–5 мкм). Сечение рассеяния Ми имеет порядок 10-21–10-22 частиц/стерадиан. Рассеяние Ми происходит преимущественно вперед, в сторону дна водоема. Рассеяние Релея, вызванное флуктуациями температуры (или энтропии) среды, также является упругим рассеянием (то есть зондирующее и рассеянное излучение имеют одну длину волны). Сечение рассеяния Релея имеет порядок 10-25–10-26 мол./стерадиан. Индикатриса рассеяния имеет вид «гантели» – рассеяние одинаково эффективно «вперед» и «назад». Отметим, что сечение рассеяния зависит от температуры воды, поскольку (так называемое соотношение Ландау-Плачека) оно пропорционально фактору (1 – Сp/Cv),

где Сp – теплоемкость воды при постоянном давлении, Cvтеплоемкость воды при постоянном объеме. Обе теплоемкости являются функциями температуры, и, например, при 4°С (максимальная плотность воды) Cv = Cр, то есть сечение рассеяния Релея обращается в ноль. Наименее эффективным по величине сигнала из линейных процессов является спонтанное комбинационное рассеяние (сечение рассеяния 10-28–10-32 мол./стерадиан). Этот вид рассеяния вызван взаимодействием падающего на молекулу лазерного излучения с тепловыми колебаниями атомов молекулы. В результате появляется электромагнитное излучение, частота которого равна разности частот падающего (лазерного) излучения и собственных колебаний атомов в молекуле. Частоты собственных колебаний атомов в молекуле зависят от массы атомов и энергии их связи. Поэтому для каждой молекулы, для каждого типа колебаний и для каждой группы атомов они свои. Это свойство широко используется в оптической спектроскопии и находит применение в различных научных областях (химии, биологии, медицине). В силу низкой эффективности спонтанного комбинационного рассеяния в дистанционном зондировании океана до настоящего времени удается зарегистрировать сигнал только от валентных ОН-колебаний молекул воды (то есть колебаний атомов водорода вдоль связи водород-кислород). Этот сигнал (интеграл по спектру) пропорционален концентрации молекул воды в океане (то есть константа) и часто используется в качестве репера для калибровки сигналов флуоресценции органических примесей, что позволяет исключить флуктуации сигнала, вызванные поверхностным волнением, качкой судна, солнечными засветками. Форма спектра спонтанного комбинационного рассеяния воды зависит от температуры воды, что можно использовать для дистанционного измерения вертикального профиля температуры. No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

В научном центре волновых исследований Института общей физики РАН разработан и изготовлен компактный лидар, позволяющий осуществлять дистанционное лазерное зондирования физических характеристик верхнего слоя океана и получать в реальном времени трехмерные карты некоторых его параметров. В 80‑х годах прошлого столетия подобные измерения проводились при помощи аппаратуры весом 1000 кг. Ее потребляемая мощность составляла примерно 2 кВт. Исследования проводились с борта специализированных самолетов [1], в СССР это был АН‑30, скорость полета составляла около 350 км/ч. В 90‑х годах разработан лидар, вес которого снизился до 200 кг. Этот аппарат предназначался для установки на вертолет, в том числе вертолет КА‑32. В обоих случаях размещение лидара на авианосителе требовало существенной его модификации и сопровождалось дорогостоящей процедурой, что препятствовало коммерчески успешному мониторингу морских акваторий методом дистанционного лазерного зондирования. Представляемый опытный образец – прототип универсального лазерного спектрометра для дистанционного зондирования поверхности суши и моря с борта беспилотного летательного аппарата.

Лидар Прибор разработан на основе импульсного лазера YVO4: Nd3+ LCM-DTL‑329QT (длина волны основного излучения 1054 нм, длительность импульса 5 нс) с диодной накачкой и удвоением частоты [2, 3]. В качестве приемника использован многоканальный спектроанализатор ANDOR iStar, с охлаждаемой диодной матрицей и стробируемым усилителем яркости. Импульсы второй гармоники (527 нм) с помощью отклоняющих призм направляются на объект зондирования. Рассеянный в обратном направлении сигнал фокусируется линзой с фокусным расстоянием 21 см и апертурой 8 см на входную щель (в разных измерениях от 50 до 250 мкм) полихроматора Spectra Physics MS127i с дифракционной решеткой 150 штр/мм. Для ослабления сигнала релеевского рассеяния на неоднородностях и взвешенных частицах в воде перед входной щелью устанавлен полосовой стеклянный фильтр ОС‑13 толщиной 2 или 4 мм. Оптическая схема лидара разрабатывалась так, чтобы он позволял одновременно регистрировать сигнал обратного упругого рассеяния на длине волны накачки 527 нм и полосы комбинационного рассеяния на валентных колебаниях Н2О (центр полосы λ=650 нм).

5 7

Рис. 1. Функциональная схема макета лидара для регистрации сигналов рассеяния Ми, спонтанного комбинационного рассеяния и флуоресценции органических хромофоров 1 – спектрограф 2 – стробируемый прибор зарядовой связи 3 – блок питания лазера 4 – исследуемый объект 5 – линза 6 – спектральные фильтры 7 – зеркало

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

Натурный эксперимент Лонгйирбюен

Серия натурных экспериментов с помощью лидара проводилась на борту исследовательского судна Viking Exploring в период с 25 августа по 8 сентября 2011 года. Задачи экспериментов заключались в следующем: 1. проверка устойчивости функционирования прибора в соответствующих климатических условиях при его эксплуатации на малотоннажном судне; 2. получение данных о пространственном распределении хлорофилла и растворенного органического вещества в условиях полярного дня, в частности, вблизи тающих ледников; 3. возможность измерения вертикального профиля температуры морской воды в условиях ограниченной прозрачности, наличия плавающего льда и пресной воды от ледников; 4. изучение динамики спектров эхо-сигнала при замораживании морской и пресной воды в баке большого объема в условиях медленного охлаждения от комнатной температуры до –10°С. Конфигурация устройства позволяет при высоком отношении сигнал/шум одновременно регистрировать линию лазерного излучения (527 нм), спектр стоксовой компоненты (650 нм) комбинационного рассеяния излучения накачки в воде, а также сигнал флюоресценции растворенного органического вещества и хлорофилла. Изображение спектра передается на стробируемый усилитель яркости Andor iStar, управляемый с персонального компьютера. Длительность (до 5 нс) и задержка строба относительно зондирующего импульса задавались в диалоговом режиме с шагом 0,25 нс. Увеличение задержки строба позволяет регистрировать профиль коэффициента обратного рассеяния по глубине, а также отсекать оптические шумы, возникающие от атмосферы и поверхности. Экспедиция началась в порту Лонгйирбюен, путь пролегал до поселка Свеа и обратно. Эксперимент шел во фьордах Исфьорд и Ван-Мидж, а также в районе ледника Паулабрин (рис. 2). Измерения производились в условиях полярного дня. Лидар был установлен в ходовой рубке судна Viking Exploring, на его верхней палубе закреплено поворотное зеркало, направляющее излучение лазера на морскую поверхность (рис. 3, 4). После проведения серии калибровочных измерений эхосигнала у пирса, в море проводились измерения интегральных по глубине спектров эхо-сигнала с целью выявления пространственных вариаций концентрации хлорофилла и растворенного органического вещества в поверхностном слое океана (эффективная глубина ~ 1 м) на скорости примерно 4,5 узлов. Далее калибровочные измерения проводились на стоянке и при локальном маневрировании в районе острова Акселойя (77° 41,957’ с. ш., 14° 42,130’ в. д.), где глубина доходила до 14,8 м. При этом проверялись различные режимы накопления сигнала. Были также проведены кинетические измерения

д ор фь Ис

Н Е Г Е Р Б Свеа И Ц П Ш Баренцбург

о.Акселойя

фьорд Ван-Мидж

Белльсунн

Рис. 2. Карта маршрута экспедиции

Рис. 3. Исследовательское судно Viking Exploring в порту. На заднем плане видно поворотное зеркало лидара в карданной конструкции сигнала по глубине с целью измерения вертикальных профилей температуры и концентрации хлорофилла и растворенного органического вещества. Прямые измерения температуры осуществлялись с помощью профилографа Sea Bird. На пути в поселок Свеа вдоль фьорда Ван-Мидж в течение пяти часов с интервалом примерно в 8 мин. проводились измерения лидарного эхо-сигнала с целью определения степени распределения хлорофилла и растворенного органического вещества в Ван-Мидж. Особенность этой акватории в том, что на состав примесей в воде с одной стороны влияет большое число примыкающих ледников, с другой стороны – значительный объем грузоперевозок, в частности угля из поселка Свеа. Из поселка Свеа Viking Exploring направился в Исфьорд, где в течение почти трех часов, примерно каждые 5 мин, проводились измерения эхо-сигнала. В задачу входило дистанционное измерение температуры (параллельно с контактными измерениями Sea Bird), обнаружение форм спектра комбинационного рассеяния, характерных для воды и массивного льда. На обратном пути к острову Акселойя в Ван-Мидж были произведены измерения пространственного распределения хлорофилла и растворенного органического вещества в морской воде. No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 4. Лидар, размещенный в ходовой рубке судна

Результаты исследований морской воды

Сигнал, о.е. (3)

(1) 405 нс (2) 410 нс (3) 415 нс (4) 420 нс (5) 425 нс (6) 430 нс

600000 570000 540000 510000 480000

(2)

450000

(4)

420000 390000 360000

(1)

330000 300000

(5) (6)

270000 240000 0

2000

4000

Волновое число, см

6000

-1

Рис. 5. Результаты кинетических измерений эхо-сигналов при задержках в 405–430 нс (с разных глубин, строб 5 нс). Измерения на медленном ходу вблизи острова Акселойя (77° 41,957’ с. ш., 14° 42,130’ в. д.). Как видно, сигналы флуоресценции и комбинационного рассеяния регистрируются до глубин примерно 2,5 м в условиях полярного дня. При увеличении глубины области зондирования форма спектра комбинационного рассеяния приобретает «ледяную» форму 58

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

При маневрировании вблизи острова Акселойя были произведены измерения вертикальных профилей температуры по деформации спектров спонтанного комбинационного рассеяния (рис. 4). Для этого в кинетическом режиме с интервалом 40 сек записывались спектры эхо-сигнала с различных глубин (задержка строба 405– 430 нс). Длительность импульса строба составляла 5 нс (пространственное разрешение 0,5 м), максимальная глубина детектирования сигнала комбинационного рассеяния ~ 3 м (задержка строба 430 нс), шаг задержки строба 5 нс. Результаты измерений приведены на рисунке 5. Видно, что при задержках строба 425 нс (глубина 2,3 м) форма спектра комбинационного рассеяния изменяется, приобретая вид, характерный для воды при фазовом переходе в твердое состояние, что полностью соответствует результатам других измерений в данной экспедиции. Серия натурных измерений эхо-сигнала была проведена в Исфьорде и на переходе из поселка Свеа в Исфьорд. Выяснилось, что через 2 часа движения спектр комбинационного рассеяния воды при регистрации эхо-сигнала в эффективном поверхностном слое воды в Исфьорде приобрел характерный вид, наблюдаемый при переходе к «ледяной» форме. Несколько позже в Исфьорде появились плавающие льды, цвет воды

Оптический сигнал, о.е.

1000000

Нормированный сигнал

1,0

(1)

800000

(2)

600000

400000

0,8

(1)

0,6

0,4

0,2

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Волновое число, см-1

(2)

(3)

0,0 0

Точки измерений

Рис. 6. (1) – эхо-сигнал от льда надводной части айсберга; (2) – эхо-сигнал от льда его подводной части, полученный сквозь воду. Сигнал флуоресценции хлорофилла отсутствует

Рис. 7. Профили изменений концентрации взвешенных частиц (1), хлорофилла (2) и растворенного органического вещества (3) в морской воде по ходу движения в Исфьорд

приобрел желто-коричневый оттенок. При этом форма спектра эхо-сигнала заметно изменилась, в нем начал доминировать сигнал флуоресценции растворенного органического вещества. В отдельном эксперименте впервые изучались спектры эхо-сигналов из плавающих в морской воде пресноводных айсбергов. Результаты измерений приведены на рисунке 6. Видно, что в случае получения спектра из надводной части айсберга, форма спектра комбинационного рассеяния совпадает с известной из ранее проведенных лабораторных измерений формой спектра льда, полученного из дистиллированной воды. При измерении спектра эхо-сигнала из подводной части айсберга, слой воды в 20–30 см меняет форму спектра комбинационного рассеяния с «ледяной» на «водяную» (рис. 6, кривая (2)). На рисунке также видно, что сигнал флуоресценции хлорофилла отсутствует, причиной чего может быть исчезновение фитопланктона из-за изменения уровня солености воды. Результаты измерений пространственных характеристик морской воды при лазерном зондировании по ходу движения судна в Исфьорде приведены на рисунке 7. Как видно, концентрация взвешенных частиц, выносимых льдом с берега во фьорд, растет, тогда как концентрация хлорофилла и растворенного органического вещества падает на входе в Исфьорд. Обратная картина наблюдалась при выходе из Исфьорда во фьорд Ван-Мидж. На пути от ледника Паулабрина к Гренландскому морю проводили картирование распределения температуры, концентрации хлорофилла и органического вещества в фьордах Риндерс и Ван Мидж. Результаты представлены на рисунке 8. Спектры регистрировали в автоматическом режиме; каждый спектр

был усреднен по 1000 измерениям, что соответствовало накоплению по 43 секундам, или 150 м по маршруту судна. Общая длительность этих измерений составила 6 часов, измерения проводили каждые 450 с, соответствующие точки отмечены на карте. Исследуемые сигналы нормировали на сигнал комбинационного рассеяния; данный сигнал пропорционален энергии накачки лазерного излучения и количеству молекул воды. Поскольку концентрация воды есть величина постоянная, то нормирование на сигнал комбинационного рассеяния позволяет скомпенсировать все флуктуации энергии лазерного излучения, а также устранить влияние наклонов судна и поверхностных волн. Процедура была использована для коррекции рассеяния лазерного излучения на крупных коллоидных частицах вблизи фронта ледника Паулабрина. Данные частицы являются продуктом эрозии скального основания при движении ледника, которые вымываются талыми водами во фьорд. При приближении к переднему краю ледника эту взвесь можно было наблюдать невооруженным глазом по изменению окраски воды. Это приводило к уменьшению сигнала комбинационного рассеяния, поскольку частицы рассеивали значительную часть энергии лазерного излучения. Корректировка сигналов флюоресценции на сигнал комбинационного рассеяния позволяет провести сравнение распределения хлорофилла и органического вещества в разных областях фьорда. Как видно на рисунке 8, отношение сигналов упругого рассеяния и комбинационного рассеяния уменьшается при удалении от ледника, что объясняется уменьшением концентрации взвешенных частиц в морской воде. Сигнал хлорофилла и органического вещества возрастал при приближении к острову Акселоя, это, в свою очередь, вызвано No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

уменьшением концентрации талой пресной ледниковой, а также притока реликтовой талой воды. Таким образом, весь хлорофилл, присутствующий в водах фьорда Ван Мидж имеет происхождение из Гренландского моря, но остров Акселоя в значительной степени блокирует это влияние. Исследование распределения температуры по поверхности воды проводили одновременно с использованием стандартного прибора для измерения профиля проводимости, температуры и давления морской воды (Sea Bird, SBE‑19). Так как подобные измерения требуют остановки судна для проведения работ со стандартным профилометром, то всего было проведено 8 измерений вблизи ледника. На расстоянии более 20 км от ледника распределение температуры было равномерным. Дополнительно были проведены измерения распределения температуры, концентрации хлорофилла и органического вещества вблизи острова Акселоя, который блокирует вход во фьорд, что способствует возникновению больших градиентов термодинамических параметров воды. Результаты представлены на рисунке 9. Поскольку сигналы регистрировали в широком спектральном диапазоне, то все спектры корректировали на поглощение согласно литературным данным для морской воды [4].

При проведении картирования по глубине следует учитывать задержку в сигнале флюоресценции для хлорофилла. Согласно литературным данным эта задержка флюоресценции для образцов фитопланктона не превышает 2 нс [5]. Поскольку временное разрешение системы составляло 8 нс, то мы не учитывали эту задержку при интерпретации результатов. Сигнал комбинационного рассеяния можно было зарегистрировать с глубины 5 м. Выяснилось, что для данной компактной системы максимальная глубина, для которой можно надежно определить температуру, составляла 3 м. Следует отметить, что для верхнего слоя температура воды была почти на 1 градус больше, чем для более глубоких слоев (рис. 9). Распределение концентрации хлорофилла имеет максимум на глубине 1,8 м, что можно объяснить дневным циклом движения фитопланктона. Были изучены и возможности компактной системы по оптической батиметрии неглубоких акваторий в сравнении с широко распространенными методами акустической эхо-локации (рис. 10). Как правило, метод измерения с использованием ультразвука имеет высокую точность определения глубины порядка 10 м, но для его проведения Старт

Финиш

0.09 0.08

0.04

0.07 0.03

0.06 0.05

0.02

0.04 0.03

0.01

0.02 0.01

0.00 70

Концентрация хлорофилла

Концентрация примесей

0.05

0.00

-1 70

-1 60

Расстояние, км

С.ш.

9 8

о.Акселойя

7 13.5

14.0

14.5

фьорд Ван-Мидж 15.0

15.5

В.д.

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

16.0

16.5

17.0

Температура измерений по SBE-19

Температура воды, °С

Расстояние, км 6

Рис. 8. Исследование во фьордах Риндерс и Ван-Мидж. – сигналов упругого рассеяния; – распределения хлорофилла (a); – изменение температуры (b); – изменение температуры, измеренное профилометром (b). Маршрут экспедиции. – точки измерений на маршруте экспедиции (c).

Еще одним из возможных вариантов применения лидаров является измерение толщины и температуры льда, а также изучения состояния воды перед замерзанием. Оценка толщины и профиля температуры льда играет важную роль при проектировании морских гидротехнических сооружений, кораблей, расчете ледовых нагрузок на причалы и прибрежные сооружения. На рисунке 11 приведено изображение полярной нефтяной платформы, при проектировании и эксплуатации которой важны данные о динамике и параметрах ледяных полей. Эти данные необходимо получать в реальном времени, что на сегодняшний день с помощью традиционных методов, трудоемкость которых высока, невозможно. Эксперименты с использованием лидара упругого и комбинационного рассеяния предполагали измерение толщины льда, а также профилирование его температуры. Определять толщину образца только по упругому рассеянию не представляется возможным, потому что разница показателей преломления воды и льда очень мала. Если границу «воздух-лед» можно обнаружить по отраженному сигналу, то на границе «лед-вода» отраженный сигнал очень слаб. Используя сигнал комбинационного рассеяния, можно определить границу между льдом и водой, так как положение центра ОН-полосы сильно зависит от температуры и от физического состояния вещества. Измерения проводились с образцами оргстекла, а также пресного льда, полученного в лабораторных условиях. Результаты продемонстрировали высокий уровень точности предложенного метода, при этом выявлен ряд его преимуществ. В частности, толщина льда измеряется бесконтактно, поэтому процесс измерения не влияет на температуру образца. В качестве образца использовался пресный лед, лежащий на емкости с холодной водой так, чтобы нижняя грань льда касалась поверхности воды. Размер образца подбирался исходя из того, что фокусное расстояние линзы должно быть больше, чем образец, чтобы перетяжкой пройти переднюю и заднюю грани образца. Для определения положения граней использовались спектры упругого и комбинационного рассеяния. По сигналу упругого рассеяния возможно четко определить переднюю грань образца. Для измерения толщины льда использовалась следующая методика. Передняя грань образца определялась по Релеевскому рассеянию. Границу между льдом

0.05

0.10

0.15

2.0 0.0

0.8

1.6

Глубина, м

Результаты исследований льда и снега

Концентрация примесей, о.е. 0.0

2.4

Температура, °С 2.5

3.0

3.5

2.4

3.2

4.8

Рис. 9. Распределение температуры воды и концентрации хлорофилла по глубине

Глубина, определенная сонаром

108

Сигнал, о.е.

необходим контакт излучателя и воды. Для оптических измерений такого не требуется, что является важным преимуществом при экспрессном картировании профиля дна на больших территориях, в частности, при использовании беспилотных авианосителей в местах со сложной гидрологической обстановкой, например при сильных приливах в местах со сложным рельефом.

107

106

105 2

Глубина, м

Рис. 10. Оптическая батиметрия дна фьорда по упругому рассеянию лазерного излучения

Кильвекторный след

Направление вдоль борта

Направление дрейфа льда

Рис. 11. Полярная нефтяная платформа No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

60 50

3280

Неоднородности

3260

30 3240 20 3220

10 0

100

Сдвиг рамановского рассеивания, cm-1

3300 97 mm

Сигнал, о.е.

и водой было сложно обозначить, потому что коэффициенты преломления воды и льда имеют очень близкие значения (1,333 для воды и 1,309 для льда). Однако определить переход ото льда к воде можно по смещению центра комбинационного рассеяния. Центр полосы комбинационного рассеяния чувствителен к температуре и состоянию вещества (рис. 12). Положение центра комбинационного рассеяния в зависимости от положения линзы сдвигается в низкочастотную область. Центр такого перехода был определен из аппроксимации арктангенсом. Измеренная таким образом толщина образца составила 97 мм/1,309=74 мм, механическое измерение показало результат в 76 мм. Таким образом, предложен новый метод измерения толщины льда, обладающий рядом достоинств по сравнению с классическими методами: • измерения толщины льда проводятся дистанционно, что является важным фактором для работы в Арктике. Человек, выполняющий измерения, не контактирует со льдом. В случае отсутствия снега на поверхности, оператор даже не производит высадку на лед; • метод не нарушает внутреннюю структуру и распределение температуры внутри льда, хотя потенциально может профилировать температуру. Этим достоинством не обладает ни один из классических методов; • точность измерения толщины льда не уступает классическим методам.

3200 150

Сдвиг образца льда, мм

Рис. 12. Измерения толщины льда. Передняя грань определяется по упругому рассеянию, задняя – по смещению центра полосы комбинационного рассеяния света ОН-колебаний

ЛИТЕРАТУРА 1. Bunkin A.F., Voliak K.I. Laser Remote Sensing of the Ocean. Methods and Applications. – John Wiley&Sons, Inc. – New York, Chichester, Weinheim, Brisbane, Singapore, Toronto, 2001. – 244 p. 2. Bunkin A.F., Klinkov V.K., Lednev V.N., Lushnikov D.L., Marchenko A.V., Morozov E.G., Pershin S.M. and Yulmetov R.N. Remote sensing of seawater and drifting ice in Svalbard fjords by compact Raman lidar // Applied Optics. – 2012. – Vol. 5. – No. 22. – pp. 5477-5485. 3. Pershin S.M., Bunkin A.F., Klinkov V.K., Lednev V.N., Lushnikov D.L, Morozov E.G. and Yulmetov R.N. Remote Sensing of Arctic Fjords by Raman Lidar: Heat Transfer Screening by Layer of Glacier’s Relict Water // Physics of Wave Phenomena. – ISSN 1541-308X. – Allerton Press, Inc., 2012.– Vol. 20. – No. 3. – pp. 212-222. 4. Smith R.C. and Baker K.S. Optical properties of the clearest natural waters (200-800 nm) //, Applied Optics. – 1981. – 20 (2). – pp. 177-183. 5. Stepanenko I.A., Kompanets V.O., Chekalin. S.V., Makhneva Z.K., Moskalenko A.A., Pishchainikov R.Y., Razjivin A.P. Two-Photon Excitation Spectrum of Fluorescence of the Light-Harvesting Complex B800-850 from Allochromatium minutissimum within 1200-1500 (600-750) nm Spectral Range is not Carotenoid Mediated // Biologicheskie membrany. – 26 (3). – pp. 180-187.

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

РАСПОЗНАВАНИЕ СВОЙСТВ МОРСКОГО ЛЬДА ПО КАРТАМ ИНДЕКСА РАССЕЯНИЯ Экспериментальные исследования последних лет показали, что многоспектральные измерения микроволнового радиометра AMSU (Advanced Microwave Sounding Unit), полученные со спутников NOAA и преобразованные в значения специализированного индекса рассеяния льда, полезны для оценки средней толщины тонких и молодых льдов, распознавания границ льдов разного возраста, выявления районов сжатия льдов, приводящего к пластическим деформациям либо свежему торошению. Справедливость этого обоснована результатами количественного моделирования изменений яркостной температуры и индекса рассеяния льда в таких районах. В некоторых случаях значения индекса рассеяния (ИР) неоднозначно связаны со свойствами льда. Несоответствие может возникать в районах уменьшения сплоченности льда, роста поглощения в тающем снежном покрове, жидкокапельных облаках и др. В таких случаях

свойства льда, диагностируемые по картам ИР, требуют дополнительной проверки. Учитывая это, рассмотрим разработанные к настоящему времени рекомендации по применению карт ИР морского льда для распознавания его свойств в разные периоды года.

НИЦ космической гидрометеорологии «Планета»*, Москва М. В. Бухаров * участник Технологической платформы «Освоение океана» 64

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

Научно-исследовательский центр космической гидрометеорологии

Планета

Карты ИР морского льда выпускаются ежесуточно по результатам нескольких перекрывающихся спутниковых съемок радиометром AMSU. В районах перекрытия выделяются наиболее устойчивые во времени минимальные значения ИР льда, а также несколько повышается (~ до 24 км) пространственная детализация ИР. Прочность льда и условия его сжатия, приводящие к деформации либо торошению, изменяются в соответствии с температурно-ветровым режимом воздействующих циклонов. Поэтому на карты ИР дополнительно нанесены изолинии температуры воздуха у поверхности и давления на уровне моря (Ро или разность Ро‑1000 гПа), рассчитанные по данным гидродинамической модели регионального прогноза. В теплый период года на карту также наносятся положительные значения температуры поверхности суши, рассчитываемые по данным AMSU. Приводим подборку ежесуточных карт ИР, которые наглядно показывают обнаруженную динамику свойств ледяного покрова в Арктике в 2011–2013 годах и возможность распознавания свойств льда по ежесуточным картам ИР (см. с. 66–67). При становлении ледяного покрова в зимних условиях, когда температура воздуха опускается ниже –5 °C, а сплоченность превышает 8 баллов, влияние искажающих факторов минимально. Рис. 1. Танкеры в зоне сжатия В этот период принятая цветовая палитра легенды карт ИР льда позволяет уверенно распознавать границы районов сплоченных тонких, молодых, однолетних и старых льдов. Средняя толщина тонких и молодых льдов (до 30–40 см) оценивается по теоретическому графику, рассчитанному с учетом реального поглощения (от 34 до 45 дБ/м) микроволнового излучения в таких льдах. По картам ИР обнаружены эффекты замедления роста толщины льда в глубоководных районах и таяние льда снизу под влиянием нагона под лед более теплой воды. Ледяной покров сплоченностью менее 6 баллов на картах ИР не распознается. В холодный период монотонное увеличение значений ИР от самого тонкого (у открытой воды) к молодому льду устойчиво наблюдается во всех районах нарастания ледяного покрова в Арктике. Особенно наглядно оно иллюстрируется постепенным замерзанием полыньи в море Лаптевых и полыньи в Восточно-Сибирском море. Противоположный эффект – монотонное уменьшение ИР от старого льда к однолетнему, молодому и тонкому, устойчиво наблюдался вблизи всего северо-восточного побережья Гренландии, где происходил вынос и таяние льдов Арктики. Причем в районах, где ветер циклонов нагонял более теплую воду с открытой акватории Гренландского моря, тонкий лед, вблизи кромки воды,

на картах ИР часто не распознавался. Причиной этого является таяние тонкого ледяного покрова снизу под влиянием нагона под лед более теплой воды с открытой акватории. Районы деформации морского льда имеют протяженность примерно от 20 до 1000 км и более. Они распознаются по повышенным значениям ИР, соответствующего возрасту ледяного покрова. Для районов деформаций льда характерны сходимость либо резкое изменение направления изобар приземного давления атмосферы, вдоль которых дрейфует лед. Районы свежего торошения ледяного покрова (торосы и выдавленная ледяная каша в момент спутниковой съемки еще влажные) представлены на картах черным тоном. Протяженность таких районов также меняется в широком диапазоне и зависит от силы ветрового сжатия льда, оцениваемой по градиенту изобар, и от температуры приземного воздуха, рост которой уменьшает прочность льда. После прекращения воздействия сжимающих условий, значения ИР ледяного покрова быстро восстанавливаются благодаря процессам рекристаллизации и вымерзания влаги в свежих торосах и в выдавленной ледяной каше. На карту ИР наносится информация обо всех районах свежего торошения, распознанных в разных сеансах спутниковой съемки. No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

РАСПОЗНАВАЕМЫЕ СВОЙСТВА

Толщина льда (до 30 см): h ≈ (1/γ) 10 lg(Sc23 /(Тяв23 – Тяв31) Разность яркостных температур: Sc23 = Тял23 – Тял31 Поглощение: γ=34-45 дБ/м. Погрешность оценки h (от 2 до 30 см) ~ ±15%. Изменчивость толщины льда: dh/dt (см/с) = -sign(δT) a |δT|b δT – отклонение температуры воды от ее температуры замерзания на 0,01°С меняет за сутки толщину льда примерно на 5 см. Рассеяние на неоднородностях: Sc23 ≈ (β31 - β23) Тл.ср – объемное рассеяние: β = β0 + β1(t) β0 – после летнего таяния, β1(t) – при переменных деформациях сжатия. Влияние на Sc23 неустойчивых неоднородностей коэффициента преломления старого льда может быть примерно в 5 раз больше (зимой) и 10 (летом), чем рассеяние на устойчивых неоднородностях, возникших в период летнего таяния. Этот эффект позволяет использовать Sc23 (и ИР льда) как чувствительный индикатор условий сжатия и деформаций ледяного покрова. Рассеяние при торошении: Sc23 ≈ (q23 – q31) Тл.ср ≈ 0 q23 и q31 – поглощательная способность льда на частотах 23 и 31 ГГц.

ИСКАЖАЮЩИЕ ФАКТОРЫ

Уменьшение сплоченности льда: Sc23лв = μSc23л + (1– μ) Sc23в μ - сплоченность, л – лед, в – вода.

Поглощение в снежном покрове: Сухой снежный покров в Арктике может незначительно влиять на величину ИР льда. Тающий снежный покров наблюдается в районах затока теплых воздушных масс, обладает большим затуханием проходящего излучения, что приводит к уменьшению Sc23 льда почти до нуля (ИР~2). Распознавания таких условий можно провести, например, по изотермам воздуха у поверхности льда, которые нанесены на карты ИР. Летом, после нескольких циклов таяния и замерзания, снег превращается в фирн (зернистый лед). Рассеяние в фирне аналогично рассеянию старого льда. Поэтому фирн практически не влияет на правильность интерпретации карт ИР льда. Поглощение в атмосферных образованиях Боковые лепестки ДНА антенны

КОНТРОЛЬ ВЕТРА И ТЕМПЕРАТУРЫ

По изобарам приземного давления (Ро-1000 гПа) и изотермам (°С) воздуха у поверхности.

Граница льдов разного возраста: сплоченность > 6 баллов. Рис. 2. Подборка ежесуточных карт индекса рассеяния, позволяющие оперативно распознавать характеристики и динамику ледяного покрова 66

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

Динамика роста ледяного покрова в Арктике в 2012 г. по картам ИР

Толщина льда, см

Связь ИР с толщиной льда (см)

15.10.2012 г.

21.10.2012 г.

08.12.2012 г.

40 35 1 30 2 25 20 3 15 10 5 0 2 5 10 15 20 30 70 см 2 5 10 15 20 30 70 см

0 1 2 тонкий молодой

0 1 2 3 4 тонкий молодой однол-ий старый

Свежее торошение ледяного покрова.

Лед летом: таяние снега и льда сжатие и деформация

Таяние льда снизу в Гренландском море 15.11.2012 г. 18.11.2012 г.

Сжатие и свежее торошение летом и осенью 20.06.2012 г. 25.09.2012 г.

2 5 10 15 20 30 70 см

0 1 2 3 4 тонкий молодой однол-ий старый

Лед летом: таяние снега и льда сжатие и деформация

Поля свежего торошения ледяного покрова в Арктике и в районах СП-38, СП-39 и СП-40 09.11.2012 г. СП-38. 23.08.2011 СП-39. 06.08.2012 СП-40. 27.05.2013

Свежее торошение ледяного покрова.

Изменчивость полей деформаций через 1,5 час 20.06.2012 г. 18:32 20.06.2012 г. 20:15

2 5 10 15 20 30 70 см 0 1 2 3 4 тонкий молодой однол-ий старый

Лед летом: таяние снега и льда сжатие и деформация

Свежее торошение ледяного покрова.

Сравнение карт ИР и сплоченности льда 12.10.2012 г. 12.10.2012 г.

2 5 10 15 20 30 70 см 0 1 2 3 4 тонкий молодой однол-ий старый

Лед летом: таяние снега и льда сжатие и деформация

No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

Пример динамики полей свежего торошения в районе дрейфа станции СП‑40, впервые обнаруженной по картам ИР, представлен на рисунке 3. Сильное торошение льдов в районе станции подтверждено и наблюдениями полярников, в результате чего они были досрочно эвакуированы. При температуре воздуха близкой к нулю, то есть в теплый период года, прочность льда становится минимальной, а значения его индекса рассеяния в районах сжатия и деформаций существенно возрастают. Одновременно увеличивается площадь и пространственная изменчивость полей свежего торошения. В теплый период ледяной покров настолько чувствителен к сжатию, что его локальное торошение распознавалось даже в центре глубоких циклонов. Основным искажающим фактором в теплый период является вода на поверхности тающего льда и в разводьях между льдинами, которая заметно уменьшает значения ИР. Однако даже в таких случаях, использование нескольких перекрывающихся спутниковых съемок позволяет по кар-

Изменение координат за сутки, град

(а)

там ИР распознавать районы свежего торошения льда. Снежный покров после нескольких циклов таяния и замерзания превращается в фирн, ИР которого аналогичен ИР старого льда и практически не влияет на правильность интерпретации карт. В теплый период на картах ИР райнов Арктики устойчиво наблюдаются поля сжатия и свежего торошения льда, расположение и изменчивость которых согласуется с барическими градиентами циклонов. Аналогичные свойства льда в период его таяния распознаются по картам ИР и в Охотском море. Итак, можно сделать вывод, что всепогодные ежесуточные карты ИР льда дают новые представления о свойствах ледяного покрова Арктики, их изменчивости и динамике при разных температурно-ветровых условиях. С помощью карт ИР впервые удалось наблюдать межсуточную динамику торошений, которые разрушали толстые ледовые поля дрейфующих станций СП‑38 (август 2011 г.), СП‑39 (август 2012 г.) и СП‑40 (23–28 мая 2013 г.).

1 0,5 0

1 2

-0,5 -1

31 06:00

29 06:00

27 06:00

25 06:00

23 06:00

21 06:00

19 06:00

17 06:00

15 06:00

13 06:00

11 06:00

09 06:00

07 06:00

05 06:00

03 06:00

01 06:00

-1,5

Дата дрейфа СП-40 в мае 2013 г., (день, час)

(б)

(в)

(г)

(д)

Рис. 3. График ежесуточной изменчивости географических координат СП‑40 (а) в мае 2013 г. и фрагменты еже‑ суточных карт индекса рассеяния ледяного покрова в Арктике за 23 (б), 25 (в), 26 (г) и 27 (д) мая 2013 г. а – график изменения географической долготы (1) и широты (2); б–д – поле свежего торошения – черный тон, старый лед – красный тон, однолетний лед – зеленый, изотермы – синие линии, изобары – белые линии; звездочка – станция СП–40 68

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

ЛИТЕРАТУРА 1. Бухаров М. В. Миронова Н. С., Ущеко И. Г., Котилевская А. М., Лосев В. М., Бухаров В. М. Распознавание свойств льда в Охотском море по картам индекса рассеяния // Метеорология и гидрология. – 2014. – № 4. – С. 56–67. 2. Бухаров М. В. Анализ взаимосвязи индекса рассеяния морского льда с его свойствами // Метеорология и гидрология. – 2013. – № 1. – С. 54–65. 3. Бухаров М. В., Кухарский А. В., Миронова Н. С., Соловьев В. И. Круглогодичный мониторинг свойств морского льда по измерениям спутникового микроволнового радиометра AMSU // Метеорология и гидрология. – 2012. – № 3. – С. 71–83. 4. Бухаров М. В., Кухарский А. В., Миронова Н. С., Соловьев В. И. Распознавание возраста и районов сжатия морского льда по измерениям спутникового микроволнового радиометра AMSU // Метеорология и гидрология. – 2011. – № 8. – С. 44–53.

No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

РОБОТИЗИРОВАННАЯ ПРОФИЛИРУЮЩАЯ ОКЕАНОЛОГИЧЕСКАЯ

ОБСЕРВАТОРИЯ «АКВАЛОГ» Развертывание глобальных сетей автономных дрейфующих или заякоренных гидрологических станций долговременного мониторинга, в том числе, и в арктическом регионе сегодня является общемировой тенденцией в области океанологических исследований. В связи с ростом морских транспортных перевозок и расширением нефтегазодобывающей деятельности область оперативного мониторинга состояния среды в морях Российской Федерации нуждается в новых технических средствах, обеспечивающих решение задач по созданию и развитию собственных океанографических сетей в Мировом океане, а также участия в международном сотрудничестве. В период 2009–2014 годы Опытно-конструкторское бюро океанологической техники РАН возглавило работы по созданию носителя измерительной аппаратуры «Аквалог» в составе автономного аппаратно-программного комплекса вертикального зондирования морской среды заякоренного типа с возможностью его установки на дрейфующих льдинах. 70

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН1 Москва

Опытно-конструкторское бюро океанологической техники РАН2 Москва

ООО «Аквалог»3 Москва

А.Г. Островский1,2 А.Г. Зацепин1 В.А. Соловьев1,3 С.Я. Суконкин2 А.Л. Цибульский1 Д.А. Швоев1

* участники технологической платформы «Освоение океана»

Прогноз аномалий состояния морской среды возможен только на основе своевременного анализа временных рядов регулярных измерений, получаемых оперативно. Для этого необходимо получение однородных выборок данных измерений в ключевых географических точках. Значимым ориентиром прогресса, достигнутого в области наблюдений за Мировым океаном, является глобальная сеть опорных станций, известных под названием OceanSites (http://www.oceansites.org/), которые обеспечивают измерение ключевых параметров в толще океана на 89 заякоренных станциях (рис. 1). К сожалению, российские организации не участвуют в программе OceanSites и не имеют открытого доступа к соответст-

вующим архивам данных наблюдений. Такое положение негативно сказывается на развитии отечественной океанологии. В 2009–2014 годах Опытно-конструкторское бюро океанологической техники РАН совместно с Институтом океанологии им. П. П. Ширшова РАН и ООО «Аквалог» осуществили разработку современного заякоренного мобильного профилирующего аппарата, который служит носителем для измерительных приборов, выполняя функции роботизированной океанологической профилирующей обсерватории [2]. Этот носитель измерительной аппаратуры предназначен для экологического мониторинга морских акваторий, контроля климатических изменений, ведения фундаментальных и прикладных исследований в морях

Рис. 1. Глобальная сеть наблюдений за Мировым океаном на заякоренных буйковых станциях по программе OceanSites по состоянию на 2013 год. Крупные зеленые кружки – 52 станции наблюдений в режиме реального времени, синие кружки – 141 станция наблюдений в режиме записи данных наблюдений для последующего анализа, желтые кружки – 8 станций, планируемых к постановке, мелкие зеленые кружки – 91 стандартный метеобуй, звездочки – глубоководные измерения температуры и солености (89 буев) No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 2. Профилирующий носитель океанологических датчиков в составе перспективного многопараметрического комплекса автоматизированного мониторинга акваторий России и в Мировом океане, включая сектор Арктического бассейна. Обсерватория оснащена гидрологическими или физико-химическими измерительными датчиками и средствами связи, предназначена для долговременных (до 6 месяцев) автоматических зондирований в диапазоне глубин от 5 до 1000 м и обеспечивает передачу данных измерений в режиме реального времени на терминал связи, размещаемый в буе на поверхности моря. Практическое применение обсерватории видится в составе многопараметрического комплекса автоматизированного мониторинга акваторий (рис. 2).

Заякоренная океанологическая профилирующая обсерватория «Аквалог». Состав В отличие от традиционных заякоренных измерительных систем, которые используют несколько комплектов измерителей, расположенных на фиксированных горизонтах, разработанная система не только позволяет устанавливать различные современные измерители, в зависимости от требований мониторинга и параметров мор72

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

ской среды, но и действует как лифт, проводя измерения на различных глубинах. Данные возможности уменьшают эксплуатационные расходы и общую стоимость всего комплекса мониторинга. В составе системы носителями гидрологических и физико-химических датчиков служат и заякоренные мобильные профилирующие аппараты, и притопленные приповерхностные буи, обеспечивающие вертикальное натяжение ходового троса (буйрепа). Притопленные буи обеспечивают вертикальное натяжение троса, который служит также ходовым для мобильного аппарата. Таким образом, притопленный буй с якорным устройством и тросом, на котором установлен перемещающийся вверх и вниз профилирующий аппарат, образуют единую систему (рис. 3). Преимущества использования таких измерительных модулей в составе многопараметрического комплекса мониторинга акваторий состоят в следующем: а) разработка универсальных моделей подповерхностного и профилирующего носителей измерительной аппаратуры позволяет сэкономить трудовые и материальные ресурсы, как на этапе производства, так и в ходе эксплуатации комплекса;

Рис. 3. Схема заякоренного комплекса б) носители имеют модульную конструкцию, позволяющую разместить легкосъемные датчики в нужном положении с учетом особенностей процесса измерений; в) носители объединены системой связи с помощью индуктивной врезки в ходовой трос; г) объединение двух носителей (подповерхностного и профилирующего) в единую систему, позволяет устанавливать систему с плавсредства за один выход в море. При установке профилографа на длительный период появляется возможность получения профилей данных in situ в неблагоприятных погодных условиях, при которых проведение обычных судовых измерений невозможно. Например, профилограф можно установить в акватории заблаговременно, до начала сезона штормов, и поднять после его окончания. Благодаря непрерывным измерениям вертикальных профилей гидрологических и физико-химических параметров в толще воды появляется возможность оценки одновременно дифференциальных и интегральных характеристик морской экосистемы.

Рис. 4. Мобильный профилирующий аппарат с гидрологическими датчиками Время запуска, интервал между зондированиями, диапазон профилирования, горизонты остановок, частоту измерений и другие параметры можно программировать в соответствии с адаптивным подходом к морским изысканиям. No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

Рассмотрим пример комплектации автоматизированного модуля гидрологических измерений. В его состав входит следующее основное оборудование: • подповерхностный заякоренный буй; • стальной буйреп в пластиковой оболочке, который служит ходовым тросом для профилирующего носителя, а также служит для передачи сигналов с помощью индуктивной врезки; • мобильный профилирующий носитель с комплектом измерительных датчиков, передвигающийся по буйрепу; • система цифровой подводной связи посредством бесконтактной индуктивной врезки в ходовой трос или по гидроакустическому каналу; • комплект гидрологических датчиков; • гидроакустический размыкатель якорного балласта. Мобильный профилирующий аппарат (рис. 4) оснащен: прецизионным измерителем температуры, электропроводности и давления SBE 52MP CTD и измерителем скорости и направления течений, а также обратного акустического рассеяния на взвеси Aquadopp. Датчики обеспечивают возможность измерения следующих параметров: • направления течения, • скорости течения, • температуры воды, • солености воды, • амплитуды рассеяния звука на внутриводной взвеси. Мобильный аппарат совершает вертикальные перемещения по буйрепу между притопленной плавучестью и донным якорем, поддерживая при этом стабильную ориентацию относительно направления течения и обеспечивая циклическое профилирование в фиксированной географической точке от приповерхностного слоя до глубины 1000 м. Во время перемещения аппарат автоматически проводит гидрологические измерения. Вертикальные профили гидрологических характеристик могут быть получены с высоким разрешением, поскольку аппарат передвигается со скоростью около 0,2 м/с, а частота опроса датчиков современных гидрологических измерителей сейчас не хуже 1 Гц. Оборудование подвижного модуля позволяет проводить измерения скорости и направления течений с помощью современных гидроакустических методов. Акустические доплеровские измерители значительно в меньшей степени зависят от биообрастания, а, благодаря своему подводному расположению, их функционирование не зависит от погодных условий. В программно-технических средствах контроля мобильного аппарата применена микропроцессорная система управления, которая по показаниям датчиков тока и напряжения контролирует состояние электронной аппаратуры и обеспечивает следующие основные функции: • ввод расписания профилирования с персонального компьютера; 74

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

• ввод команд и вывод телеметрической информации на компьютер; • включение и выключение измерительных датчиков; • сбор данных, поступающих с измерительных датчиков, и их накопление во флэш-памяти. Контроль за работой двигателя обеспечивается модулем управления перемещением. Используя данные о давлении и времени, поступающие с программно-технических средств контроля, модуль управления перемещением обеспечивает включение и выключение электродвигателя в заданные моменты времени на заданных горизонтах. Электрическое оборудование мобильного аппарата, включая измерительную аппаратуру, питается от блока батарей, расположенного в том же прочном герметичном аппаратурном контейнере, что и электроника. Емкость блока батарей зависит от марки элементов питания и может достигать 3080 Вт/час (при использовании литиевых батареек производства компании Tadiran). Для проведения исследований в умеренных широтах с суммарной дистанцией профилирования до 100 км рекомендуется использовать щелочные батареи. Для долговременных исследований или исследований в полярных регионах – высококачественные литиевые (Li/SOCl2) батареи. Номинальное напряжение блока батарей составляет 10,8 В для литиевых батарей и 13,5 В – для щелочных. Мобильный профилирующий аппарат рассчитан на автономную работу в течение длительного времени с целью получения долговременных рядов данных. Например, в условиях умеренных течений (до 0,3 м/с) при постановке на изобате около 500 м, когда длина пути на один цикл профилирования составляет 1 км, емкости автономного блока литиевых батарей должно хватить на выполнение 1 цикла профилирования ежедневно в течение 1 года. Для передачи данных измерений и телеметрической информации служат индуктивные модемы типа SBE‑44, установлены на мобильном профилирующем аппарате и на подповерхностном буе. Таким образом, система подводной связи по запросу оператора обеспечивает бесконтактный двухсторонний обмен информацией, между движущимся носителем и подповерхностным буем, с целью последующей передачи данных измерений на телеметрический буй физико-химического измерительного модуля и далее на береговой пост по каналам мобильной или спутниковой связи. Кроме того, как уже отмечалось, данные измерений записываются в память самих измерителей или флэш-память аппарата. После окончания постановки данные измерений полностью считываются с помощью персонального компьютера.

Конструктивные особенности мобильного профилирующего аппарата При проектировании и изготовлении опытного образца особое внимание было уделено стойкости изделия к агрессивным воздействиям морской среды, прежде всего к коррозии. Использованы современные пластики и композитные материалы: корпус изготовлен из полиацетали, рама – из высокомолекулярного полиэтилена, обтекатель – из композитного материала с покрытием из гелькаута; также повсеместно используется полиамидный крепеж. Для профилирования на больших глубинах при высоком давлении применяется электродвигатель в герметичном титановом корпусе с магнитной муфтой. Для компенсации избыточного веса системы в воде и поддержания правильного вертикального расположения аппарата в верхней части носителя расположены стеклянные сферы. Стандартный корпус рассчитан на погружение на глубины до 2000 м. Спецификация мобильного профилирующего аппарата приведена в Таблице. Носитель перемещается по двум направляющим роликам, размещенным в верхней и нижней частях лицевой панели носителя (рис. 5). С помощью металлических скоб упрощается обеспечение сцепления с тросовой линией

Таблица Основные технические характеристики мобильного профилирующего аппарата Характеристика Скорость перемещения

0,15-0,3 м/с

Рабочий диапазон глубин

5-1000 м

Общая протяженность хода (без океанологических датчиков) в стоячей воде

800 км

Энергопотребление: Номинальное входное напряжение Максимальная потребляемая мощность в процессе профилирования (без океанологических датчиков) Потребляемая мощность в режиме засыпания Внешний интерфейс Весогабаритные характеристики: Габаритные размеры Масса в воздухе (без океанологических датчиков) Плавучесть в воде

б Рис. 5. Конструктивные особенности мобильного профилирующего аппарата, входящего в заякоренную систему «Аквалог»: а – индуктивная катушка модема SBE‑44 IMM, модем мобильного аппарата устанавливается так, чтобы стальной несущий трос свободно проходил через центр катушки; б – направляющий ролик

Значение

Океанологические датчики: • зонды температуры, электропроводности и давления

10,5 – 13,5 В

2-6 Вт 0,006 Вт RS 232

1,45х0,35х0,65 м 68 кг ±3Н SBE 52 MP CTD, SBE 49 CTD, SBE 19plus CTD , RBR XR-620 CTD, Idronaut 316 CTD, TRDI Citadel CTD ES

• датчики растворенного кислорода, рН-метры, eH-метры

AANDERAA 4330F, SBE 43 DO, Idronaut DO, Idronaut Redox, Idronaut pH, SBE 27 pH

• флуорометры, турбидиметры, прозрачномеры

Sea Point, WET Labs ECO FLBBCD Triplet, Wet Lab Transmissometer

• гидрохимические датчики нитратов, фосфатов, Satlantic SUNA, SubChem силикатов, железа (II), APNA, Franatech МЕТS метана • акустические измерители скорости течений и обратного акустического рассеяния

Nortek Aquadopp, ТRDI Doppler Volume Sampler, AQUATEC AQUAScat 1000

No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 6. Варианты постановок заякоренных систем с мобильным профилирующим аппаратом

Рис. 7. Вверху – постановка подвижного зонда; внизу – комплекс в рабочем положении: 1 – платформа, 2 – лебедка, 3 – опора с блоком, 4 – верхняя плавучесть, 5 – зонд с комплектом измерительных датчиков и системой связи, 6 – нижняя плавучесть, 7 – блок, 8 – якорный груз, 9 – трос лебедки, 10 – ходовой трос, 11 – дополнительное оборудование мониторинга и связи 76

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

Рис. 8. Место проведения натурных испытаний. Слева – Гидрофизический институт Абхазской академии наук на мысе Красный Маяк: 1 – место расположения лебедки, 2 – место подвеса блока на раме на пирсе; справа вверху – пирс института; справа внизу – рабочий момент постановки зонда в мае 2012 года и съем носителя с заякоренного троса, а также скобы препятствуют смещению носителя с заякоренной линии. Перемещение аппарата вдоль заякоренной тросовой линии и фиксация положения на ней осуществляется двигателем постоянного тока с редуктором. Глубина погружения контролируется или датчиком давления СТД зонда, такого как SBE 52MP CTD, или высокоточным датчиком давления ADZ NAGANO GmbH, смонтированным на крышке аппаратурного контейнера аппарата. Максимальная рабочая глубина датчика 1000 м.

Способы постановки обсерватории на морском шельфе. Натурный эксперимент по постановке обсерватории Варианты буйковых постановок заякоренного мобильного профилирующего аппарата представлены на рисунке 6. При этом постановка подвижного носителя с нефтегазовой платформы или терминала предпочтительна, поскольку она в большей степени обеспечивает: • минимизацию затрат на судовое время, затрачиваемое на развертывание комплекса мониторинга; • оптимизацию работ по эксплуатации комплекса мониторинга; • многократное снижение рисков утраты или повреждения носителей измерительных датчиков. На рисунке 7 изображен механизм и особенности постановки комплекса на шельфе со стационарной платформы. Морские испытания способа постановки комплекса прошли в мае 2012 года на мысе Красный Маяк (северная граница Сухумской бухты Черного моря, Абхазия (рис. 8)). Постановка была осуществлена 22 мая 2012 года, зонд за-

программирован на автоматическое выполнение циклов профилирования между горизонтами 20 м и 190 м ежесуточно в сроки 00:00, 06:00, 12:00 и 18:00 (по Гринвичу). В каждой из этих временных точек профилограф поднимался с парковочного горизонта 190 дбар до отметки 20 дбар, выстаивался в течение 3‑х минут, затем спускался до горизонта 190 дбар. Из измерительной аппаратуры на профилографе были смонтированы СТД-зонд TRDI Citadel и доплеровский измеритель морских течений и обратного рассеяния звука Nortek Aquadopp (примеры полученных данных приведены на рис. 9 и 10). Подъем профилографа был осуществлен 18 июня 2012 года. На момент подъема зонд находился полностью в рабочем состоянии. За 27 суток автономной работы носитель прошел в общей сложности 36,4 км; было выполнено 110 циклов профилирования в автоматизированном режиме. В настоящее время в акватории Черноморского экспериментального полигона Института океанологии ведутся активные работы по опытной эксплуатации обсерватории, оснащенной измерителем температуры, солености и давления воды, а также акустическим доплеровским измерителем течений и обратного рассеяния звука. Разработанный аппаратно-программный комплекс с системой измерений и сбора данных будет востребован в следующих целях: • обеспечения круглогодичных подледных исследований в Арктике, • экологического мониторинга морской нефте- и газодобычи и транспортировки углеводородов, • охраны акваторий, • оптимизации судовых экспедиций, • проведения подспутниковых наблюдений. No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 9. Вверху – траектория движения зонда в ходе постановки в мае-июне 2012 года; внизу – временной ряд вертикальных профилей солености воды по данным измерений зонда: красным цветом показаны профили на участках подъема прибора, синим цветом – профили на участках спуска прибора. Профили последовательно сдвинуты на величину 0,2 ст. ед. солености вдоль оси Х

Рис. 10. а – зональная компонента скорости течений (положительное направление – на восток); б – меридиональная компонента скорости течений (положительное направление – на север) 78

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

Экспериментальные образцы комплексов будут использованы для фундаментальных и прикладных исследований по следующим тематикам: • климатическая изменчивость океана, • абиотические и биотические процессы в морских экосистемах, • полярная океанология, • 4-х мерная океанология на полигонах. Крупнейшие российские нефтяные компании, участвующие в освоении морских нефтегазовых ресурсов,

вкладывают значительные средства в проведение экологического мониторинга. Например, в 2006–2011 годах ООО «ЛУКОЙЛ-КМН» выделяло ежегодно 20–40 млн. руб. на экомониторинг акватории месторождения «Кравцовское» в Балтийском море. Затраты на проведение мониторинга можно существенно снизить, внедрив предлагаемую технологию постановки и эксплуатации подвижных зондирующих комплексов со стационарных сооружений на морском шельфе.

ПАТЕНТЫ 1. Зацепин А. Г., Островский А. Г., Швоев Д. А. Патент на изобретение 2325674 «Аквазонд циклирующего режима», 2006. 2. Зацепин А. Г., Комаров В. С., Островский А. Г., Соловьев В. А., Швоев Д. А. Патент на изобретение 2404081 «Способ постановки притопленного океанологического буя», 2010.

ЛИТЕРАТУРА 1. Абузяров З. К., Думанская И. О., Нестеров Е. С. Оперативное океанографическое обслуживание/Под ред. Нестерова Е. С. – Минприроды, Росгидромет, ГУ Гидрометцентр России. – Обнинск: Исследовательская группа «Социальные науки». – 288 с. 2. Островский А. Г., Зацепин А. Г., Соловьев В. А., Цибульский А. Л., Швоев Д. А. Автономный мобильный аппаратно-программный комплекс вертикального зондирования морской среды на заякоренной буйковой станции // Океанология. – 2013. – Т. 53. – № 2. – С. 1–10.

No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

НОВАЯ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ

СТАНЦИЯ В ДЕЛЬТЕ РЕКИ ЛЕНЫ Россия, в числе других арктических стран, располагает в Арктике наибольшими прогнозными ресурсами углеводородов. Из 6,2 млн. км2 российского континентального шельфа интерес для поиска нефти и газа представляют 6 млн. км2, то есть 97%. Здесь же сосредоточены многие виды других стратегических полезных ископаемых. При этом реальная изученность шельфа Восточной Сибири крайне низка, особенно в отношении залежей углеводородов, находящихся под морским дном на значительных глубинах. По итогам визита в августе 2010 году в Усть-Ленский заповедник В. В. Путина, для активизации комплексного изучения состояния и эволюции природной среды Восточной Арктики Правительством РФ было принято решение о строительстве на острове Самойловском в дельте реки Лены новой современной научно-исследовательской станции [1, 2]. Основные направления исследований организованы как отдельные проекты, над которыми работают коллективы нескольких научно-исследовательских организаций одновременно.

Институт нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН им. А. А. Трофимука* М. И. Эпов М. Н. Григорьев И. Н. Ельцов В. А. Каширцев * партнер ОАО «Концерн «Моринсис – Агат»

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

Главные цели государственной политики в Арктике в сфере науки и технологий определены как: обеспечение необходимого уровня фундаментальных и прикладных научных исследований, создание современных научных и геоинформационных основ управления арктическими территориями. Это включает и разработку средств для решения задач обороны и безопасности, а также надежного функционирования систем жизнеобеспечения и производственной деятельности в природно-климатических условиях Арктики. На совместном заседании Совета РАН по координации деятельности региональных отделений и научных центров РАН и Научного совета РАН по изучению Арктики и Антарктики весной 2010 года в Архангельске были определены приоритеты арктических исследований и первоочередных проектов освоения Арктики, учитывая глобальное значение запасов углеводородов в арктических морях (рис. 1). В числе первоочередных задач – создание программы геолого-геофизического изучения арктического шельфа. В связи с этим региональным отделениям и научным центрам РАН, работающим в Арктике, рекомендовано: • усилить исследования по изучению арктических регионов, подготовку кадров для их исследований, направить усилия на создание соответствующей инновационной системы и сети арктических стационаров; • организовать в арктическом регионе и на северных территориях мониторинг опасных геодинамических, геологических, геофизических, метеорологических и экологических явлений для контроля за загрязнениями, последствиями климатических изменений и т. д., для чего последовательно создать на арктических островах и побережье Северного Ледовитого океана сеть биосферных и геофизических станций, оснащенных средствами спутниковой связи; • поддержать проведение Международного полярного десятилетия с подготовкой комплексной программы участия в нем России.

Современные климатические и экономические факторы арктических регионов, требующие изучения и координирования Как известно, в связи с предполагаемыми климатическими изменениями в XXI веке, вероятность проявления негативных последствий опасных природных процессов возрастает. При этом, по прогнозам, наиболее

Рис. 1. Неразведанные запасы нефти на шельфе Арктического региона существенные изменения климата и, следовательно, динамики опасных природных процессов произойдут в Арктике. В частности, в Якутии, особенно в ее арктической зоне, где в последние десятилетия отмечается отчетливая тенденция к потеплению климата. Среднегодовые температуры приземного воздуха к 2010 году увеличились, по сравнению с 60‑ми годами ХХ столетия, примерно на 1°C. Столь значительное потепление вызывает изменения биоразнообразия и продуктивности северных экосистем. Весьма важными становятся исследования биоразнообразия арктических дельт, низовий крупных рек Сибири и приморских низменностей; изменений среды обитания редких и хозяйственно важных видов птиц и млекопитающих приарктических районов. Изменения происходят и в системе «континентгидросфера-атмосфера», включая такие взаимовлияющие факторы, как сокращение площади и объема паковых арктических льдов, вариации стока рек, трансформации береговой линии, вынос терригенного материала на шельф, атмосферно-циклонические аномалии. В то же время,

В соответствии с Климатической доктриной, одной из основных задач политики в области климата является участие в инициативах международного сообщества по решению проблем, связанных с его изменениями и смежными вопросами. Арктические территории обладают большим потенциалом нетрадиционных возобновляемых источников энергии, прежде всего, гидроресурсов малых рек, ветра, геотермального тепла, использования биомассы. Применение возобновляемых источников позволило бы существенно сократить расход дорогостоящих нефтепродуктов.

No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 2. В.В. Путин среди участников Российско-Германской экспедиции на острове Самойловский в 2010 году при росте опасных климатических изменений, гидрометеорологическая наблюдательная сеть в регионе, начиная с конца 1980‑х годов, сокращена более чем на 60%. Это существенно осложняет возможности достоверного анализа текущих природных процессов и факторов. Арктические районы Якутии пересекает широкий (200–250 км) Арктико-Азиатский сейсмический пояс, начинающийся на западе, в Северном Ледовитом океане, пересекающий подводный хребет Гаккеля по шельфу к дельте Лены и уходящий далее на юго-восток, через хребет Черского в сторону Камчатки. За последние 55 лет здесь зарегистрировано более 50 тысяч землетрясений. Интенсивность некоторых из них достигала 9–10 баллов. В дельте реки Лены намечается ответвление основного сейсмического пояса в северо-западном направлении, от хребта Хараулах вдоль Оленекской протоки в непосредственной близости от острова Самойловский (рис. 3 б). Изученность сейсмической активности восточно-арктических районов по-прежнему остается чрезвычайно низкой. Весь северо-восточный азиатский регион покрывают многолетнемерзлые породы мощностью 300–700 м. Их наличие существенно осложняет строительство и эксплуатацию всех без исключения инженерных сооружений. Льдистые арктические берега разрушаются со скоростью от долей метра до 25 м в год. В среднем, потеря площади суши на побережье морей Лаптевых и Восточно-Сибирского составляет 10,5–11 км2 в год. Потепление климата способствует ускорению этого процесса. Из мерзлоты, деградирующей под морским дном, в море и атмосферу дополнительно выделяются значительные объемы парниковых газов, формируя и поддерживая над восточно-арктической шельфовой зоной крупную метановую аномалию. Северный морской путь, служивший ранее основой развития арктического региона и решения многих социально82

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

экономических проблем, в настоящее время не функционирует в должной мере. Промышленный и экономический упадок арктических районов, деградация расположенных здесь поселков, убыль населения сопровождаются разрушением транспортной инфраструктуры и резким сокращением завоза грузов. Для восстановления и развития Севморпути необходимо создать не только систему контроля и безопасности судоходства, но и организовать научное сопровождение работ (более подробно о текущем состоянии Северного морского пути и перспективах его развития на с. 4-15). Восточная Арктика по-прежнему не охвачена централизованным энергоснабжением. В процессе эксплуатации тысяч дизельных электростанций возникают проблемы с их обеспечением топливом, его дороговизной, а также снабжением запчастями. Кроме того, использование таких источников энергии крайне негативно сказывается на состоянии весьма ранимой окружающей среды прибрежной Арктики, ее загрязнении нефтепродуктами, аэрозолями и сопровождается уничтожением растительного покрова. Освоение ресурсов Восточно-Сибирского арктического шельфа должно сопровождаться опережающим изучением прибрежно-шельфовой зоны и разработкой экологически безопасных методов ее освоения. Для принятия обоснованных решений по описанным выше проблемам необходим комплексный научный анализ имеющихся и получение новых данных по широкому спектру научных направлений. В русле этих задач основание в дельте реки Лены (преимущества географического расположения станции очевидны) научно-исследовательской станции является своевременным шагом.

Рис. 3. Слева – местоположение острова Самойловский; справа – эпицентры землетрясений в дельте реки Лена за период 1976-2011 гг

Научно-исследовательская станция «Остров Самойловский». Направления исследований В опытном режиме новая научно-исследовательская станция начала действовать со второй половины 2012 года, войдя в состав Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН. В сентябре 2013 года НИС «Остров Самойловский» сдана в эксплуатацию и работает в круглогодичном режиме (рис. 4). Станция оснащена лабораторным комплексом современных приборов, позволяющим вести исследования по широкому спектру наук о Земле; располагает транспортными средствами и оборудованием на уровне ведущих мировых научных станций (рис. 5 и 6). В рамках исследовательской программы «Арктика: минеральные ресурсы, эволюция природных систем, экология» Сибирским отделением РАН разрабатывается программа «Комплексные исследования состояния и эволюции природной среды и литосферы» (с учетом создания научно-исследовательской станции «Остров Самойловский»). Основная цель – консолидировать научно-исследовательские институты и другие заинтересованные учреждения для организации комплексных, междисциплинарных исследований в относительно малоизученном Восточно-Сибирском регионе Арктики. Программой предусматривается проведение исследований по целому ряду направлений, ориентируя их на использование новой НИС «Остров Самойловский»: • геокриология и климатология (в том числе: геоморфология; палеогеография позднего кайнозоя, палеоклимат, эмиссия парниковых газов); • биология (макро- и микробиология, биохимия, почвоведение);

Рис. 4. Вверху – начало строительства станции, 2011 год, на заднем плане остров Столб (начало дельты реки Лены); внизу – 2012 год, строительство станции завершено

No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

• гидрология, гидрохимия (в том числе на рубеже «река-море»); • атмосферные и ионосферные исследования; • геология, геохимия, геофизика и сейсмология; • экология и рациональное природопользование; а также обеспечение: • последовательного приборного оснащения НИС «Остров Самойловский»; • гуманитарных исследований. Комплексная программа исследований сформирована и развивается на базе российско-германского сотрудничества. Со стороны Германии в нем участвуют Институт полярных и морских исследований им. Альфреда Вегенера Ассоциации Гельмгольца, Институт почвоведения Гамбургского Университета и GFZ Германский геологический исследовательский центр. Причем исследования институтов Германии осуществляются по собственным программам, согласованным с Координационным советом. По основным направлениям на период 2013–2014 годы утверждены и начали работать около 20‑ти проектов исследований на базе мониторинговых наблюдений, осуществляемых на НИС «Остров Самойловский». В их реализации задействованы более 40 российских научных организаций и учреждений: институты РАН, отраслевые НИИ, научно-технические организации, а также высшие учебные заведения. Учитывая высокую стоимость строительства научной станции и существенные затраты на ее содержание и эксплуатацию, ИНГГ и Сибирское отделение РАН заинтересованы в максимально эффективном ее использовании и научной отдаче.

Рис. 5. Единицы транспортного обеспечения станции «Остров Самойловский» 84

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

Рис. 6. Буровая установка

Краткая техническая характеристика научно-исследовательской станции «Остров Самойловский» Основное здание станции – лабораторно-жилой комплекс, состоящий из 3‑х блоков: лабораторного, жилого, складского. Их объединяет 2‑этажный общественный блок. Комплекс построен в виде трилистника, который поднят над поверхностью земли на 2,5 м. Два вспомогательных здания расположены к северу и югу от лабораторно-жилого комплекса: ангар для хранения транспорта (здание одноэтажное, отапливаемое, поднято над поверхностью земли над 1,2 м) и энергоблок (блочно-модульное здание, в составе которого: дизельэлектростанция, электрощитовая дизельная котельная и операторская). Для функционирования энергоблока построен склад горюче-смазачных материалов, состоящий из: • склада емкостей с насосной для дизельного топлива 8х100 м3; • система раздачи топлива в энергоблок; • закрытый склад масел, бензина и бочко-тары; • система пункта приема ГСМ с речного танкера и топливно-перекачки;

• топливопроводы. Сооружения подняты над поверхностью земли на разные отметки. На станции созданы головные сооружения инженерной инфраструктуры: • станция водоподготовки, насосные, емкости для хранения запаса воды, водовод; • модуль очистных сооружений фекальной канализации; • модуль очистных сооружений сточных вод, содержащих нефтепродукты; Среди других помещений имеется конференц-зал, кухня, оборудованная электроплитами и холодильниками, душевые, сауна. Станция имеет постоянную телекоммуникационную связь (телефон, интернет). Приборная база НИС насчитывает более сотни наименований современного научного и вспомогательного оборудования. Исполнитель проектно-изыскательских работ и строительства станции – ФГУП «ГУ Инстрой» при Спецстрое России».

ЛИТЕРАТУРА 1. Распоряжение Правительства Российской Федерации от 8 декабря 2010 года № 2186‑р «О размещении заказов на поставки товаров, выполнение работ, оказание услуг для государственных и муниципальных нужд». 2. Постановление Правительства Российской Федерации от 21 марта 2011 года № 182 «Об осуществлении бюджетных инвестиций в проектирование и строительство научно-исследовательской станции на острове Самойловский (республика Саха, Якутия) и ее последующем использовании».

No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

БЕСПИЛОТНЫЕ ЛЕТАТЕЛЬНЫЕ АППАРАТЫ В ИЗУЧЕНИИ И ОСВОЕНИИ АРКТИКИ В условиях сурового климата и низкой изученности Арктической зоны, одной из самых перспективных технологий ее освоения становится использование беспилотных летательных аппаратов, управление которыми осуществляется дистанционно, из наземных центров управления полетами. Время отдельных беспилотных летательных аппаратов закончилось. Наступает период массового производства беспилотных авиационных систем. Современные достижения науки и техники позволяют добиться увеличения скорости, высоты, длительности и маневренности полетов беспилотных летательных аппаратов. Эти характеристики связаны с большими перегрузками для человека и для внедрения в пилотируемой авиации технически сложны и затратны.

ОАО «Научно-производственное предприятие «Радар ммс»*, Санкт-Петербург О. К. Рыбаков, Н. В. Аллилуева * участники технологической платформы «Освоение океана» 86

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

Беспилотные авиационные системы – перспективная технология для решения задач экономического развития страны Увеличение доли беспилотных летательных аппаратов по сравнению с пилотируемыми в общем объеме воздушных судов происходит во всех странах. Если изначально беспилотники применялись только в военных целях, то сейчас они широко применяются и в гражданской сфере. Практически все создаваемые за рубежом беспилотные авиационные системы имеют сегодня двойное назначение. Согласно находящимся в открытом доступе документам организаций Европейского Союза, распределение потребительского спроса на гражданские беспилотные летательные аппараты в период с 2015 по 2020 годы представлено на рисунке 1. Похожее соотношение потребительского спроса наблюдается и в России. Его основная доля приходится на силовые структуры Беспилотные авиационные системы – не просто транспортное средство – это автоматическая система, предназначенная решать определенную задачу с помощью целевой аппаратуры, установленной на борту. Беспилотные летательные аппараты могут выполнять задачи в тех сферах повышенной опасности, где есть угроза жизни человека, риск ошибки из-за «человеческого фактора», способной привести к катастрофическим последствиям. Беспилотные системы могут использоваться, например, для работы в вулканических пепловых облаках или вблизи ядерных (химических) заводов, в эпицентре аварий, в суровых климатических условиях, они идеально подходят для длительного мониторинга. Уже сейчас некоторые модели беспилотников могут совершать полеты продолжительностью 24 часа. В современном мире беспилотные авиационные системы эффективно дополняют сложившиеся военную и гражданскую инфраструктуры. Так, например, в гражданских целях

10%

13%

правительственные структуры 45%

25%

пожарные сельское хозяйство и лесничество энергетика

Рис. 1. Распределение потребительского спроса на гражданские беспилотные летательные аппараты в период с 2015 по 2020 годы

беспилотные аппараты активно применяют для решения правоохранительных задач, осуществления пограничного контроля и ликвидации чрезвычайных ситуаций. Беспилотные авиационные системы используются для предоставления коммерческих услуг в различных отраслях народного хозяйства, таких как мониторинг линий электропередач, нефте- и газопроводов, обнаружение дефектов и проверки состояния объектов, оповещение населения об опасности, проведение аэрофотосъемки; также могут применяться в качестве ретрансляторов. С развитием технологий и внедрением новых материалов, элементов и конструкций возможности беспилотных систем возрастают. Народное хозяйство и структуры, обеспечивающие национальные интересы, в частности, нуждаются в информации, которую в настоящее время получают при помощи дистанционного зондирования земли. Сегодня для этого используют съемку с космического аппарата и аэрофотосъемку с пилотируемых летательных аппаратов. Однако качество зондирования при съемке из космоса в большой степени зависит от прозрачности атмосферы и позволяет получить снимки с разрешением не лучше 0,5 м, что недостаточно для крупномасштабного картографирования. Аэрофотосъемка, осуществляемая с помощью самолетов (Ту‑134, Ан‑2, Ан‑30, Ил‑18, Cesna, L‑410) или вертолетов (Ми‑8 Т, Ка‑26, AS‑350), требует высоких экономических затрат на обслуживание, наличия площадок взлета-посадки и заправочной инфраструктуры, что делает этот метод очень дорогостоящим в зонах чрезвычайных ситуаций. Аэрофотосъемка с применением пилотируемой техники может быть опасна для жизни и здоровья пилотов. Дистанционное зондирование земли при помощи беспилотных летательных аппаратов на этом фоне имеет очевидные преимущества, поскольку обеспечивает при более низкой стоимости широкие возможности: • съемку вблизи объектов и получение снимков высокого разрешения – до 10 см; • оперативное получение снимков благодаря простоте использования; • съемку небольших объектов и малых по площади территорий.

Арктика – район геополитических и экономических интересов России Для решения ключевых проблем развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности в Арктике разработана «Стратегия развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 года». Целью Стратегии является реализация национальных интересов, а приоритетными направлениями являются: • комплексное социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации; No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

• развитие науки и технологий; • создание современной информационно-телекоммуникационной инфраструктуры; • обеспечение экологической безопасности; • международное сотрудничество в Арктике; • обеспечение военной безопасности, защиты и охраны государственной границы. В сфере социально-экономического развития планируется осуществить геолого-геофизические, гидрографические и картографические работы по подготовке материалов для обоснования внешней границы Арктической зоны Российской Федерации. В ходе реализации Стратегии необходим комплексный контроль за обстановкой в Арктике: мониторинг ледовой обстановки, экологический мониторинг, геофизическая и другие виды разведки, картографирование, поддержка поисково‑спасательных операций, охрана границ, организация дальней связи. Применение беспилотной аппаратуры при решении этих задач позволяет проводить исследовательские работы в круглосуточном режиме, хотя есть и определенные ограничения по погодным условиям, но без риска для жизни человека.

Испытания беспилотных летательных аппаратов в Арктике Условия, в которых приходится работать беспилотным летательным аппаратам: высокие широты, большая влажность, низкие температуры, полярная ночь, большие расстояния, неустойчивые погодные условия, ветры разных направлений, слабое аэронавигационное обеспечение, предъявляют к аппаратам высокие требования. Чтобы убедиться в функциональности и эффективности того или иного типа беспилотного аппарата, необходимо провести ряд испытаний, налетать много часов в разных условиях, сменяя не один аппарат. В международном проекте «Координированные исследования взаимодействия климата и криосферы» для проведения летных испытаний с применением беспилотников были приглашены три компании: NOAA (Национальная океаническая и атмосферная администрация, США), NORUT (Норвежский институт изучения Севера), ААНИИ (Арктический и Антарктический НИИ Росгидромета) (табл. 1). Целью проекта являлось исследование процессов, определяющих распределение аэрозолей и сажи в атмосфере Арктики и оказывающих воздействие на распространение, накопление сажи на поверхности снега и льда и на величину альбедо1. Испытания проводились на острове Западный Шпицберген, архипелаг Шпицберген. Активная фаза работ БЛА ограничивалась периодом с 8 апреля по 15 мая 2011 года. Полеты российского беспилотного аппарата проводились в период с 29 апреля по 12 мая. Почти половина 1 Альбедо (лат. albus – белый) – характеристика отражательной (рассеивающей) способности поверхности.

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

Рис. 2. Беспилотные летательные аппараты во время летной части испытаний. Слева – направо: CryoWing (NORUT), Manta (NOAA), «Элерон-10Э» (ААНИИ). Фото K.-S. Johansen (NORUT) от общего количества полетов была выполнена в позднее вечернее или ночное время. В программе испытаний наметилась некоторая специализация по функционалу среди компаний: • беспилотный аппарат NOAA (Manta) был оснащен приборами для измерения концентрации аэрозолей и содержания сажи; • беспилотный аппарат NORUT (CryoWing) – спектрометрами и высокоточным альтиметром; • беспилотный аппарат ААНИИ («Элерон‑10Э») снабжен теле-, ИК- и фотоаппаратурой. Каждый беспилотник имел блок для выполнения метеорологических измерений (температура и влажность воздуха; скорость и направление ветра – рассчитывались по полетным характеристикам программно). Задачи, поставленные перед группой летательных аппаратов, были в целом выполнены успешно. Получен большой массив данных наблюдений по концентрации сажи и аэрозолей на разных высотах (NOAA); выполнены множественные измерения альбедо, в том числе над районами работ наземных групп (NORUT). В результате полетов аппарата ААНИИ получены 12 вертикальных профилей распределения температуры, влажности воздуха, а также скорости и направления ветра над подстилающей поверхностью разного типа (чистая вода, заснеженный грунт, разные участки ледника) в диапазоне высот 100–2700 м. По данным аппаратов трех типов получен весьма объемный материал с изображением района работ в видеои ИК-диапазонах. Данные испытания выявили проблемные места у беспилотников и необходимость в проведении работ по усовершенствованию некоторых параметров аппаратов, предназначенных для эксплуатации в суровых условиях Арктического региона, в частности, доработка по увеличению надежности применяемых двигателей внутреннего сгорания, повышению дальности и продолжительности полета и размера переносимой полезной нагрузки. В результате проведения испытаний аппарат «Элерон‑10Э» с электродвигателем оказался более надежным, чем его партнеры, но уступал аппаратам с двигателями

Таблица 1 Характеристики беспилотных летательных аппаратов, участвовавших в испытаниях ZALA-421-12 (ZALA AERO)

«Орлан-10» (Специальный технологический центр)

«Элерон-3» (ЗАО «Эникс»)

«Элерон-10Э» (ЗАО «Эникс»)

Взлетная масса, кг

14 – 18

3,8

Размах крыла, м

2,3

1,4

2,2

Характеристики

Масса полезной нагрузки, кг

«Manta» (NOAA)

«CryoWing» (NORUT)

ДВС (Бензин А-95)

Электродвигатель

ДВС

Способ старта

с разборной катапульты

катапульта

(2-х тактный, 2-х цилиндровый)

Способ посадки

парашютный

катапульта

по-самолетному

240

300

600

800

Тип двигателя

электрический

Крейсерская скорость, диапазон скоростей, км/ч

70 км/ч

75-170

65-110

60-120

Макс. продолжительность полета, мин.

150 мин

1080

120

Радиус применения, км

35 – 45 км

Дальность полета, км

160 км

600

Макс. высота полета, м

4000

5000

до 3000

до 10

–35 – +50

–20 – +40

Макс. допустимая скорость ветра на старте, м/с °C

Применение

ZALA-421-12

«Орлан-10»

Мониторинг трасс трубопроводов, включая подводный переход через реку. Выявление нарушений правил эксплуатации. Создание ортофотопланов и карт масштаба 1:2000 – 1:10000, моделей высот местности

Для выполнения аэрофото- и видеосъемки, мониторинга и наблюдения за участками земной и водной поверхности с целью оперативного контроля в светлое время суток в реальных метеоусловиях

ZALA-421-12

Целевая нагрузка

Телекамера, фотоаппарат Canon 1000D, тепловизор

Схема планера

Летающее крыло

Область применения

Промышленный мониторинг

«Элерон-3» «Элерон-10Э» «Manta» «CryoWing» Для научных исследований атмосферы, ледового и снежного покровов

Для научных исследований атмосферы, ледового и снежного покровов

«Орлан-10»

«Элерон-3»

«Элерон-10Э»

«Manta»

«CryoWing»

Фотоаппарат и гиростабилизированная телекамера

Низкоуровневая телекамера в двухкоординатном гиростабилизированном подвесе; цифровая фотокамера; тепловизор 320х240 в двухкоординатном гиростабилизированном подвесе. Система ретрансляции постановки помех

Низкоуровневая телекамера тепловизор 320х240 в двухкоординатном гиростабилизированном подвесе; цифровая фотокамера. Система ретрансляции и постановки помех ; метеокомплект; радиометр.

Газоанализаторы, спектрофотометры, метеодатчики, аппаратура ТВ-наблюдения и фоторегистрации

Мониторинг природной среды

На станциях «Северный полюс» (мониторинг природной среды)

В исследовательских полетах на Шпицбергене. (мониторинг природной среды)

Мониторинг природной среды

No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

фирм NOAA и NORUT по продолжительности полета (2 часа против 4–5 часов) и дальности полета (100 км против 600–800 км). Для проведения научных исследований в ближайшей перспективе возникает потребность в аппаратах с дальностью полетов до 1000 км и составом полезной нагрузки: газоанализаторы, в том числе газоанализатор метана, спектрофотометры, метеодатчики, аппаратура ТВ‑наблюдения и фоторегистрации. На сегодняшний день полярников устраивают российские беспилотники с электрическими двигателями, которые зарекомендовали себя в испытаниях как наиболее надежные. По словам главы ведомства Росгидромета Александра Фролова, зарубежные аппараты малошумны, что имеет значение для военных, но неважно для Росгидромета. Кроме того, они работают на двигателях внутреннего сгорания и часто ломаются, а также очень дороги. Директор Арктического и Антарктического НИИ Росгидромета (ААНИИ) Иван Фролов отметил, что в настоящее время беспилотники используются только на дрейфующих станциях «Северный полюс»2, однако рассматривается возможность их применения в Антарктиде. Беспилотники могут быть использованы для разведки маршрутов саннотракторных поездов, которые перевозят грузы от побережья Антарктиды вглубь континента. ОАО «Газпром» уделяет огромное внимание проведению работ по организации мониторинга в районах освоения месторождений углеводородов арктического шельфа с применением беспилотных летательных аппаратов. Для промышленного мониторинга обстановки в районе морских объектов добычи углеводородов в Баренцевом море создана комплексная система дистанционного мониторинга, состоящая из:

БЛА-2 Видео/ИК камеры Фотокамера Газоанализатор БЛА-1 Видео/ИК камера в реальном времени

БЛА-3 Видео/ИК камеры Фотокамера высокого разрешения Газоанализатор, радар > 1000 км

500 км

25 км БЛА-4 Видео/ИК камеры Фотокамера

Рис. 3. Комплексная система дистанционного мониторинга с применением беспилотных летательных аппаратов [2]

• комплекса беспилотных систем, • комплекса приема и обработки космических данных, • комплекса тематической обработки. Основные задачи для беспилотных летательных аппаратов в районах арктического шельфа – мониторинг ледовой обстановки, мониторинг трассы подводного газопровода и экологический мониторинг. Исходя из условий эксплуатации, для проведения мониторинга ОАО «Газпром» рассматривает возможность использования следующих типов аппаратов: • беспилотный аппарат средней дальности (8–10 часов) фирмы ЗАО «Транзас» «Дозор‑85» с полезной нагрузкой весом 12–15 кг, оптико-электронная системой (видео, ИК), фотокамерой высокого разрешения и газоанализатором; • беспилотный аппарат большой дальности (больше 20 часов) фирмы ЗАО «Транзас» «Дозор‑600» с полезной нагрузкой 120 кг, стабилизированной оптико-электронной системой (видео, ИК), фотокамерой высокого разрешения, радаром поиска цели, радаром синтезированной апертуры (синтезированное изображение в радиолокационном-диапазоне); • беспилотный аппарат вертолетного типа (дальность 4 ч.) По результатам проведенных исследований с применением беспилотных летательных аппаратов в задачах мониторинга промышленных объектов углеводородных объектов в Арктическом регионе определена степень их применения. Ограничение в применении имеют аппараты: • c электрической тягой из-за потери мощности двигателя (низкие температуры региона); • ближнего действия из-за неустойчивости к ветровым нагрузкам, малая дальность и продолжительность полета, ограниченный состав полезной нагрузки; • вертикального взлета из-за неустойчивости к ветровым нагрузкам и отсутствия отечественных платформ. Наиболее перспективными для эффективного выполнения задач признаны системы средней и большой дальности (табл. 2). По результатам проведенных испытаний проведена классификация соответствия аппаратов для решения задач мониторинга и разведки в условиях Арктики: Класс 1. Беспилотные аппараты самолетного типа взлетной массой до 10 кг с электрическим двигателем могут быть использованы в качестве средства оперативного наблюдения в составе стационарных постов охраны или мобильных групп. Полезную нагрузку составляет видеокамера дневного или инфракрасного диапазонов, тран-

2 Дрейфующие станции «Северный полюс» регулярно организуются Арктическим и Антарктическим научно-исследовательским институтом с 1937 года на дрейфующих льдах глубоководной части Северного Ледовитого океана. Современная дрейфующая станция представляет собой небольшой поселок, начинает работу обычно весной и работает от 2 до 3 лет, по мере движения льдины в сторону Гренландского пролива. Станции «Северный полюс» выполняют программу комплексных круглогодичных исследований в области океанологии, физики и динамики льдов, метеорологии, геофизики, гидрохимии, биологии моря и т. д. Смена полярников происходит ежегодно. Каждой станции присваивается порядковый номер. Всего к 2013 году было организовано 40 научно-исследовательских дрейфующих станций.

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

Задачи транспортировки

Задачи мониторинга

Классификация соответствия беспилотных летательных аппаратов

Таблица 2

БЛА Класса 1

БЛА Класса 2

БЛА Класса 3

БЛА Класса 4

Производственный и экологический мониторинг

Дистанционная диагностика

Картографирование

–

Охрана объектов

–

Поиск и спасение

Ледовая разведка

Географическая съемка

–

Ретрансляция сигналов

–

Химическая обработка

–

Доставка грузов

–

П – полное соответствие, О – ограниченное соответствие слирующая в реальном времени изображение на пульт управления. Класс 2. Беспилотные аппараты самолетного типа взлетной массой до 100 кг c двигателем внутреннего сгорания могут использоваться для мониторинга протяженных объектов сообразно дальности полета такого аппарата. В качестве полезной нагрузки устанавливаются цифровая фотокамера высокого разрешения или фотограмметрический комплекс, радар, газоанализатор. Расчеты показывают, что применение аппарата такого класса может оказаться наиболее эффективным и экономически оправданным. Он способен совершать полеты продолжительностью до 8–10 часов, обеспечивая за один полет съемку на территории до 500 км. С другой стороны, аппараты весом до 100 кг достаточно мобильны и компактны и способны работать оперативно без специального аэродромного базирования, с минимальным набором средств наземной инфраструктуры. Класс 3. Беспилотные аппараты самолетного типа взлетной массой до 500 кг могут привлекаться как для химической обработки больших площадей, так и для оперативной транспортировки грузов. Из-за крупных размеров этим аппаратам требуется аэродромное базирование. Класс 4. Беспилотные аппараты вертолетного типа также представляют интерес для мониторинга объектов. Такие системы имеются в разработке на отечественных предприятиях, однако степень готовности в настоящее время не позволяет рассматривать их к использованию в ближайшей перспективе. Как видно из рисунка 3, наиболее многофункциональными являются беспилотные летательные аппараты класса 2, 3 и 4.

Использование беспилотных летательных аппаратов в Арктике сегодня. Перспективные разработки Беспилотные системы все больше входят в жизнь сурового арктического региона. Они отлично дополняют пилотируемую технику и существующие средства для обеспечения безопасности и сохранения национального интереса в Арктике. Для дрейфующих станций «Северный полюс» беспилотные летательные аппараты включены в штатное оборудование. В настоящее время для научных исследований атмосферы, ледового и снежного покровов ААНИИ используют российские аппараты «Элерон‑3» и «Элерон‑10» компании «Эникс» и «Орлан‑10» компании «Специальный технологический центр». Беспилотные летательные аппараты входят в состав комплексного мониторинга таких компаний, занимающихся добычей нефти и газа, как ОАО «Газпром», «Шелл», ОАО «НК «Роснефть». Для обеспечения национальной безопасности в Российской Арктике создано подразделение беспилотных летательных аппаратов. Поступившие на вооружение беспилотные летательные аппараты: «Гранат», «Застава» и «Орлан» позволяют вести воздушную разведку на расстоянии 10–150 км. Полезная нагрузка позволяет делать снимки и передавать информацию, как в светлое, так и в темное время суток. Исследования арктического региона с применением беспилотных авиационных систем продолжаются. Стартовала ледовая исследовательская экспедиция «Каразима‑2014» для изучения ледовых условий трех морей: No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

Лаптевых, Карского и Восточно-Сибирского. Исследования проводятся в зимнее время для определения ледовых фаз, морфометрических параметров ледяного покрова, физико-химических свойств льда, торосов и стамух, а также погодных условий и состояния водных масс. Наблюдения будут вестись, в том числе, с широким использованием беспилотников вертолетного типа. В условиях сложной погодной обстановки наибольшее значение приобретают такие параметры беспилотного вертолета, как взлетная масса, энерговооруженность двигателя (способность бороться с ветром), морозоустойчивость, устойчивость при работе во влажной и соленой среде, запас топлива для выполнения поставленной задачи, качественная навигация и достаточный вес полезной нагрузки, которую аппарат способен принять на борт. Такими свойствами, заложенными уже при проектировании, обладает большинство разрабатываемых и испытываемых в настоящее время в ОАО «НПП «Радар ммс» беспилотных авиационных комплексов с беспилотными летательными аппаратами вертолетного типа (рис. 4). Среди новинок, проходящих испытания в настоящее время, аппарат вертолетного типа взлетной массой 37 кг, а также беспилотный вертолет взлетной массой 100 кг и 500 кг. Данные аппараты способны бороться с ветром до 15 м/с, выдерживать температуры до –35°C, находиться в воздухе в среднем до 6–7 часов, в зависимости от массы полезной нагрузки. Кроме того, электроника аппаратов надежно защищена от воздействия влаги и соляного тумана. Беспилотный вертолет «мБПВ‑37» – беспилотный комплекс, разработанный с применением 3D технологий, оснащенный современной системой связи с тройным дублированием, отечественным автопилотом, спутниковой навигационной системой GPS/Глонасс, оригинальным пультом дистанционного управления, контроллером целевых нагрузок и наземной станцией управления на базе автомобиля или в выносном полевом исполнении. Вертолет прошел предварительные заводские летно-конструкторские испытания. В различных вариантах на нем уже работают полезные нагрузки, такие как фотокамера, видео- тепловизионные камеры на гиростабилизированной платформе, газоанализатор, детектор метана, сцинциляционный детектор гамма излучений, пылемер, громкоговоритель, осветительное оборудование. Проверена работа радара, дистанционно обнаруживающего датчики – метки на поверхностно-акустических волнах, что крайне интересно для детектирования различных повреждений. Проводится работа по расширению спектра используемых полезных нагрузок, в том числе легких радаров с синтезированной апертурой, а также лазерных лидаров. «мБПВ‑37» спокойно выдерживает низкие и высокие температуры, туман, дождь, снег. Летает в облаках в условиях обледенения и нулевой видимости. В аппарате контролируются все необходимые параметры, почти как в пилотируемой авиации, – температура двигателя, выхлопных газов и редукторов, скорости вращения 92

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

Рис. 4. Беспилотный летательный аппарат вертолетного типа, разработанный ОАО «НПП «Радар ммс» валов, отклонения сервоприводов, высота, скорость, скороподъемность, углы крена и координаты в пространстве. Наземной станцией контролируется окружающий воздушный трафик, а также различные зоны воздушного пространства, в которых находится вертолет. В ближайшее время, вертолет начнет прохождение сертификации в соответствии с адаптированными под российские законы международные стандарты. Еще одна разработка – беспилотный авиационный комплекс на базе беспилотного вертолета среднего класса «БПВ‑500». Конструкция вертолета позволяет поднимать на борт до 180 кг полезной нагрузки и, при определенных условиях, находиться в воздухе до 7–8 часов, перемещаясь со скоростью до 180 км/час на высоте до 4500 метров и дальности до 550 км. С помощью данного комплекса

возможно обеспечение решения широкого спектра задач: доставка грузов, глубокая ледовая разведка, проведение научных исследований, мониторинг окружающей среды, геофизические исследования, разведка недр, охранные и спасательные функции, а также задачи пограничного контроля и обороны. Оснащение полезными нагрузками, такими как РЛС «Видимость», а также другими радиолокационными станциями с синтезированной апертурой, разрабатываемыми «НПП «Радар ммс», позволяют существенно расширить область применения аппарата в различных погодных условиях: обеспечения ледовой разведки, наблюдения за движением ледовых полей, мореходной обстановкой, мониторингом судов, прибрежной арктической территории с возможностью посадки на палубы кораблей, вертолетные площадки нефтяных платформ, при необходимости – на ровную ледяную поверхность.

Имеется опыт эксплуатации беспилотной системы с такими полезными нагрузками, как фотокамеры для аэрофотосъемки с разрешением до 80 МП, видеокамеры высокого разрешения и инфракрасной камеры на гиростабилизированных платформах, газоанализаторы, детекторы метана, дозиметры гамма излучений. На вертолеты возможна установка аппаратуры ретрансляции связи, лидаров, устройств доставки и сброса различных грузов и спецсредств. Происходит наращивание опыта эксплуатации беспилотных систем; на сегодняшний день, на базе учебного центра предприятия организовано обучение управлению беспилотными авиационными платформами. Таким образом, на сегодняшний день мы обладаем необходимым техническим потенциалом для разработки, производства и ремонта беспилотных летательных аппаратов с целью их применения при освоении труднодоступных регионов со сложными погодными условиями.

ИСТОЧНИКИ 1. Российские полярные исследования. Информационно-аналитический сборник. – 2011. – №2 (4) 2. Перспективы применения Беспилотных летательных аппаратов для выполнения авиационных работ при освоении месторождений производственно-экологического и углеводородного сырья на арктическом шельфе и в районах крайнего Севера, доклад В. В. Воронова, НефтеГазАероКосмос 3. Стратегия развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 года 4. Государственная программа социально-экономического развития Арктической зоны Российской Федерации на период до 2020 года 5. Климатическая доктрина Российской Федерации на период до 2020 года 6. http://vesti-yamal.ru 7. http://www.b‑port.com 8. http://function.mil.ru 9. http://www.b‑port.com 10. http://www.transas.ru 11. http://ria.ru 12. http://izvestia.ru 13. http://nw.ria.ru 14. http://www.nkj.ru 15. http://pro-arctic.ru 16. http://zala.aero 17. http://www.spacestudy.ru 18. http://vpk.name 19. http://www.gisa.ru 20. http://www.fea.ru

No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

ВЛИЯНИЕ ДНА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ НИЗКОЧАСТОТНОГО ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА АРКТИЧЕСКИХ МЕЛКИХ МОРЕЙ Рассмотрены особенности построения стационарных гидроакустических средств мониторинга арктических морей на основе подводного волоконно-оптического кабеля. С помощью экспериментов с различными низкочастотными источниками звука (электромагнитные излучатели, пневмопушки, шумы надводных кораблей) исследованы особенности взаимодействия низкочастотных гидроакустических импульсов с дном при распространении в мелком море, приводящие к их трансформации за счет дисперсии в гидроакустическом волноводе. Обсуждаются возможности минимизации искажений зондирующих импульсов, путем оптимального выбора их параметров и особенностей учета этих искажений при пространственно-временной обработке сигналов в задачах мониторинга арктических мелких морей.

ОАО «Научно-исследовательский институт «Атолл»*, Дубна А.В. Гринюк, В.Н. Кравченко И.М. Приходько

Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород А.И. Хилько * участники Технологической платформы «Освоение океана»

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

НИИ «Атолл» и Институт прикладной физики предложили создание комплексной системы, состоящей из уложенных на дно моря подводных волоконно-оптических линий связи и стационарных гидроакустических средств томографического мониторинга арктических морей. Вариант построения комплексной системы приведен на рисунке 1. Совместно с ИПФ РАН, Акустическим институтом им. академика Н. Н. Андреева научно-исследовательским институтом «Атолл» ведутся разработки научных основ создания систем мониторинга подводной обстановки, в том числе

Рис. 1. Комплексная система связи и мониторинга арктических морей. Красным цветом выделены, синим – ожидаемые зоны томографического мониторинга морской обстановки с помощью низкочастотных стационарных гидроакустических систем в условиях мелкого моря. Накоплен значительный опыт эксплуатации стационарной системы подводного наблюдения в Баренцевом море. Это позволило собрать представительную статистику по моделям сигналов с учетом распространения их в гидроакустическом волноводе и помех (шумов моря, судоходства и реверберации) для режимов шумопеленгации и активной низкочастотной гидролокации. Следует отметить, что большинство арктических морей относятся к мелководным, в них велико влияние дна моря на распространение гидроакустических сигналов, как полезных, так и помеховых. Повышение эффективности распределенной приемно-излучающей системы, осуществляющей диагностику и томографическую реконструкцию неоднородностей в мелком море, требует согласования пространственновременной структуры низкочастотных зондирующих сигналов с каналом их распространения, представляющего собой неоднородный волновод с относительно небольшим количеством (~10) мод дискретного спектра [1]. Как показывают теоретические и натурные экспериментальные исследования, выполненные с начала 2000‑х годов, в качестве оптимальных при построении подобных систем гидроакустической томографии могут рассматриваться зондирующие импульсные сигналы, содержащие малое количество мод первых номеров (в предельном случае – одну моду) в инфранизком частотном диапазоне. При этом ширина полосы сигналов должна быть относительно небольшой для минимизации эффекта внутримодовой дисперсии (импульсы должны быть узкополосными). Основанный на этом подход получил название метод маломодовой импульсной томографии [1, 2]. Круг задач формирования и пространственно-временной фильтрации маломодовых сигналов в мелководных каналах, связанных с реализацией и практическими возможностями маломодовой импульсной томографии

достаточно широк. Среди них наиболее важными представляется оптимизация положения и апертурных распределений излучающих антенных решеток [1,2]. И их адаптивная коррекция в условиях изменяющихся характеристик канала распространения и возможных вариаций формы антенных решеток в поле подводных течений, а также оптимизация методов пространственной селекции и обработки модовых сигналов на фоне реверберационных помех, содержащих мощную компоненту модового спектра. По существу, речь идет об эффективном формировании в подводном гидроакустическом волноводе когерентной маломодовой структуры звукового поля, сохраняющей свою когерентность и помехоустойчивость на достаточно больших дистанциях в результате минимального влияния как дисперсионных искажений, так и взаимодействия полезного сигнала со взволнованной поверхностью и поглощающим дном. В качестве одного из способов селекции мод можно рассматривать метод, основанный на стробировании модовых импульсов по времени прихода, что становится возможным благодаря межмодовой дисперсии в гидроакустическом волноводе. Такой метод может быть относительно просто реализован в технологическом смысле. Однако его эффективность ограничивается тем, что из-за внутримодовой дисперсии, модовые импульсы могут существенно расплываться и деформироваться. При этом формируется сложная, существенно растянутая во времени хаотическая структура низкочастотных гидроакустических импульсов [1, 2]. Длина такого растянутого импульса растет по мере увеличения дистанции наблюдения и полосы спектра излучаемых сигналов. Интерференционная структура импульсов определяется фазовыми набегами различных частотных компонент мод при распространении в гидроакустическом-волноводе с меняющимися в пространстве и во вреNo. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

-10

200

-20

100 Уровень, ДБ

Уровень, абс. ед.

0 -100 -200

-30 -40 -50 -60 -70

-300 -400

-80 0

15 Время, сек

-90

60 80 100 Частота, Гц

120

140

160

Рис. 2. Структура (а) и спектр (б) ЛЧМ-импульса, принимаемого на гидрофон приемной антенной решетки при удалении излучателя на расстояние L = 40 км а

0.9

0.7 № гидрофона

Уровень, отн. ед.

0.8

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2

10 5

0.1 12

15 Cек

13 14 Время, сек

Рис. 3. Распределение модовых импульсов по оси времен задержек при измерениях одним гидрофоном (а) и приемной антенной решеткой (б) при удалении излучателя на расстояние 40 км и использовании линейно-частотной модуляции зондирующих сигналов мени параметрами. Поскольку импульсная акустическая томография мелкого моря основывается на измерениях времен прихода импульсов, неконтролируемая хаотического типа деформация зондирующих импульсов при распространении ведет к существенному снижению точности реконструкции параметров наблюдаемых объектов. Исследуем это явление на примере результатов томографических экспериментов, осуществленных в мелком море в районе с глубинами порядка 200 м в условиях летней гидрологии с осью подводного звукового канала на глубине 40 м. Прием сигналов осуществлялся на гидрофоны протяженной антенной решетки, располагавшейся на дне, излучатель мощностью порядка 100 Вт опускался с борта научно-исследовательского судна на глубину около 50 м. При излучении сигналов судно находилось 96

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

в дрейфе в различных точках, расположенных под различными углами на дистанциях от 22 до 95 км от приемной горизонтальной антенной решетки. В качестве зондирующих сигналов в экспериментах использовали опподизированные импульсы с линейно-частотной модуляцией длительностью 10 сек, несущей частотой 80 Гц и шириной полосы частот 22 Гц. Структура и спектр ЛЧМ импульсов, принятых на гидрофон при удалении излучателя от горизонтальной антенной решетки на 40 км, представлены на рисунке 2. Анализ структуры модовых импульсов осуществлялся в различных интервалах временных задержек, соответствующих групповым скоростям мод, после согласованной фильтрации принятых модуляции импульсов (рис. 3 а). При расположении излучателя на расстоянии 40 км от горизонтальной антенной решетки значение длительности интерференционной структуры резуль-

Сф = С²/Сгр (1) где: С – средняя скорость звука в воде. Для сравнения результатов экспериментальных исследований с теоретическими расчетами на рисунке 5 приведен пример расчета пространственных откликов той же антенной решетки на частоте 14 Гц с экспериментально подобранной выше модовой структурой поля в волноводе для одинаковых амплитуд мод. Из рисунка видно, что использование согласованной со средой распространения сигналов пространственной обработки в мелком море убирает смещение оценки пеленга на цель, достигающее иногда 55° при нахождении цели в направлении «бегущей волны» линейной антенной решетки, и обеспечивает дополнительный выигрыш в отношении сигнал/помеха. Другой метод селективного возбуждения и приема зондирующих модовых сигналов при гидроакустической томографии мелкого моря основывается на пространственной согласованной фильтрации с помощью вертикальных решеток.

0 35

-5 -10 -15 -20 -25

Частота, Гц

30 25

-30 -35 -40 -45 -50 -55

20 15 10 5

10 15 Задержка, сек

Рис. 4. Частотно-временные распределения интенсивности акустического излучения пневматического источника на расстояниях от приемников 44,4 км

20 10 0 -10 level (dB)

тирующего многомодового импульса на уровне –20 дБ составило 3 секунды, при этом среднее количество разрешаемых импульсных откликов оказалось равным 15. Как показывает анализ приведенных экспериментальных результатов согласованной фильтрации сигналов линейно-частотной модуляции, среднее время принимаемых импульсов нарастало на 0,7 секунды при увеличении дистанции на 10 км. Количество разрешаемых откликов увеличивалось от 9 на относительно малых дистанциях до антенной решетки до 35 для самой большой дистанции. Можно полагать, что для небольших дистанций, а также больших значений задержек при средних и дальних дистанциях выделяемые отклики формировались за счет интерференции групп мод. Стабильность во времени структуры нихкочастотного гидроакустического импульса иллюстрируется распределением сигналов после согласованной фильтрации сигналов линейно-частотной модуляции в течение 15 минут (30 реализаций по 30 секунд каждая), полученных для дистанции порядка 33 км (рис. 3 б). Видно, что структура импульса по оси задержек сохраняется лишь для нескольких первых 4–5 откликов, которые чаще всего соответствуют самым энергонесущим модам низших номеров. По-видимому, именно на использование таких мод целесообразно ориентироваться при построении томографических низкочастотных гидроакустических систем в мелком море, основанных на временном стробировании модовых откликов. Рисунок 4 иллюстрирует экспериментальные оценки относительных времен задержек прихода взрывного сигнала пневмопушки в тех же условиях по различным модам от частоты. По этим зависимостям были оценены групповые скорости распространения сигналов Сгр, по которым рассчитаны фазовые скорости Сф по каждой моде в соответствии с приближенным соотношением [3]:

-20 -30 -40 -50 -60 -70

-150

-100

-50

0 50 angle (deg)

100

150

Рис. 5. Расчетные пространственные отклики антенной решетки на частоте 14 Гц в направлении «бегущей волны» с экспериментально подобранной модовой структурой поля в волноводе при использовании: согласованной со средой когерентной пространственной обработки (когерентное суммирование модовых откликов); частично согласованной со средой обработки с некогерентным суммированием модовых откликов; пространственной обработки для модели волновода в виде свободного полупространства с фазовой скоростью 1500 м/с

No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

LPn2 , (дБ)

Антенна Монополь

-10

LP12 , (дБ)

-20

-30

-40

-50

-60

-70

-80 -1

-0.5

0 F-F несущая (Гц)

0.5

Антенна Монополь

-10

-80

-1

-0.5

0 F-F несущая (Гц)

0.5

Рис. 6. Спектры рассеянного поверхностным волнением сигнала, принятого на дистанции 10 км: а – спектр полного сигнала на антенне; б – спектр первой волноводной моды Для проверки возможностей селективного возбуждения и приема волноводных мод с использованием вертикальных решеток в мелком море была разработана соответствующая аппаратура и проведены натурные экспериментальные исследования в Баренцевом море. Опускаемая на заданную глубину с борта судна излучающая антенная решетка позволяла излучать тональные, тонально-импульсные и сложные сигналы различной длительности в интервале частот 234–254 Гц. Расстояние между отдельными излучателями в решетке (общее число которых 16) составляло 3 м. Две приемных системы устанавливались на расстоянии 1,5 км друг от друга и работали в автономном режиме. Расстояние между гидрофонами каждой приемной антенны составляло 3 м, общее число гидрофонов в каждой антенне равнялось 32. Глубина места в точках постановки приемных антенн составляла 125 м. Дистанция между излучающей решеткой и приемными системами изменялась за счет дрейфа НИС от 1 до 22 километров. Глубина волновода варьировалась вдоль трассы движения судна от 125 до 90 м. При измерениях наблюдалась близкая к изоскоростной гидрология. Алгоритм выделения модовых сигналов основывался на использовании ортонормированности волноводных

мод. На рисунке 6 представлены экспериментальные оценки спектров рассеянного поверхностным волнением сигнала, принятого на дистанции 10 км. На основании этих экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы. Использование согласованной со средой распространения сигналов пространственной обработки в мелком море убирает смещение оценки пеленга на цель, достигающее иногда 55º при нахождении цели в направлении «бегущей волны» линейной антенной решетки. Обеспечивает дополнительный выигрыш в отношении сигнал/помеха до величины, равной количеству распространяющихся мод в волноводе при когерентном накоплении модовых откликов и до корня из количества мод при некогерентном суммировании модовых откликов (при равных амплитудах мод). Метод, основанный на пространственной согласованной фильтрации с вертикальными излучающими и приемными антеннами, позволяет снизить уровень реверберации до 30 дБ, эффективно разделять волноводные моды и создать эффективную томографическую систему подводного мониторинга неоднородностей.

ЛИТЕРАТУРА 1. Лучинин А.Г., Хилько А.И. Низкочастотная акустическая томография мелкого моря с использованием маломодовых импульсов // Акустический журнал. – 2005. – Т. 51. – №2. 2. Гринюк А.В., Бурдуковская В.Г., Зверев В.А. и др. Исследование характеристик маломодовых низкочастотных акустических импульсов в мелком море / Труды XIII школы-семинара им. акад. Л.М. Бреховских «Акустика океана», совмещенной с XXIII сессией Российского акустического общества. – М.: ГЕОС, 2011. 3. Бреховских Л.М., Лысанов Ю.П. Теоретические основы акустики океана. – Л.: Гидрометеоиздат, 1983.

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

КОНЦЕПЦИЯ СОЗДАНИЯ ЕДИНОЙ БАЗЫ ДАННЫХ ПО ХАРАКТЕРИСТИКАМ МОРСКОГО ДНА ДЛЯ СОСТАВЛЕНИЯ ЦИФРОВЫХ КАРТ ДНА МОРЕЙ АРКТИКИ Разработка технических средств и технологий для изучения геолого-геоморфологических, гидроакустических, гидрографических характеристик в первую очередь шельфовой зоны, как наиболее перспективной с точки зрения разработки морских месторождений углеводородов, приобретает особую актуальность. Предлагаются подходы к созданию единой базы данных характеристик морского дна, позволяющей создавать точные цифровые модели рельефа морского дна и являющейся необходимым элементом глобальной геоинформационной системы.

ОАО «Концерн «Океанприбор», Москва С.Л. Никифоров И.А. Селезнев В.А. Попов Л.И. Лобковский * участник Технологической платформы «Освоение океана»

100 Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

В настоящее время имеется ряд факторов, влияющих на эффективность информационного обеспечения морской деятельности, а именно: • наличие большого количества технико-программных решений в части доступа к данным, способов их хранения, сжатия, и визуализации; • использование недостаточно апробированных методов анализа и прогноза параметров состояния морей и океана; • техническая обособленность информационных потоков, что не позволяет осуществлять анализ различной

информации для принятия решений в реальном масштабе времени. В России отсутствует единый центр хранения и обработки всей геологической, геофизической, геоморфологической, гидрографической, гидрофизической информации в части описания морского дна. Применяемые базы данных по рельефу и отражающим свойствам морского дна содержат только среднестатистические значения, осредненные по большим районам акваторий Мирового океана, что снижает точность применяемых методик расчета параметров акустического поля для адаптивных, согласованных со средой, алгоритмов обработки информации в гидроакустических комплексах. Учет геолого-геоморфологических и акустических характеристик водного и донного слоев по трассе распространения сигналов необходим для разработки эффективных систем обнаружения, классификации, оценки текущих координат и параметров движения цели. Проблемы учета гидрологических и геологических характеристик среды приобретают особую значимость для акваторий Северного Ледовитого океана в силу важности решения задач в условиях этого региона. Происходящее в последние годы глобальное изменение климата, особенно в районе Арктического шельфа, серьезно изменило представление специалистов о возможности морской деятельности в экономически важных районах Арктики, в том числе по трассе Северного морского пути. База данных по характеристикам морского дна является важнейшим компонентом глобальной многослойной оболочки геоинформационной системы, преимущество которой заключается в возможности формировать неограниченное число слоев, характеризующих те или иные свой-

ства морского дна. К необходимым компонентам относятся также: система сбора первичных данных, система хранения и систематизации данных о рельефе и структуре осадочной толщи дна, собственно базы данных и построенные на их основе цифровые модели рельефа и осадочной толщи. Цифровые модели рельефа дна и осадочной толщи – это организованная структура файлов, содержащих векторные представления пространственных объектов разного типа, атрибутивную информацию о них и топологические соотношения между ними. Реализация геоакустического моделирования морского дна на основе информационной системы, использующей современные достижения в области аппаратных и программных средств, представляется крайне перспективной. Моделирование рельефа и структуры дна, с некоторой долей условности, можно разделить на два типа: 1. создание генеральных моделей рельефа дна крупных акваторий в условиях резкого дефицита пространственно-координированных отметок глубины; 2. моделирование рельефа дна небольших по площади участков с достаточным количеством данных. Генеральные модели рельефа дна должны являться основой для определения «ключевых» участков шельфа с детальным промером глубин для решения как фундаментальных, так и практических задач. При промышленном освоении шельфа они необходимы на стадии обоснования, планирования и определения георисков, разведки и строительства, а на стадии эксплуатации служат основой для проведения мониторинга, обеспечения мероприятий по отражению возможных угроз, включая и природные. Данный подход наиболее адекватен для оптимизации материальных затрат, учитывая большую, а порой огромную, стоимость натурных изысканий. Необходимо учитывать и то, что именно генеральные модели сводят к минимуму возможные и неизбеж-

No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

101

Рис.1. Цифровая модель рельефа дна Белого моря ные неточности на всех стадиях изысканий и эксплуатации. Несмотря на логичность предлагаемых решений, до настоящего времени данная последовательность действий не очевидна для многих производственных организаций и объединений. Моделирование рельефа дна и осадочной толщи крупных акваторий всегда сопровождается дефицитом первичных данных, а равномерной и детальной изученности рельефа дна не стоит ожидать и в ближайшем будущем. Для моделирования используется имеющаяся геологогеоморфологическая информация. Однако при составлении цифровых моделей рельефа дна в настоящее время редко учитываются условия его развития, структурная принадлежность, палеогеографические условия формирования, не привлекаются геофизические, геологические, геоморфологические и другие данные, не проводится их комплексный анализ, в то время как для построения адекватной модели необходимы четкие и общепринятые представления обо всем многообразии форм рельефа, его развитии и происхождении. Поэтому, развитие подобных исследований возможно на стыке разных отраслей знаний – геоморфологии, геологии, геофизики, картографии, акустики и математического программирования. При построении цифровых моделей рельефа (дна, слоев верхней осадочной толщи и др.) традиционные методы интерполяции только по точкам, из-за недостатка данных, не позволяют создать цифровую модель, точно и адекватно отражающую небольшие по размерам формы рельефа дна (например, образованные под влиянием экзогенных факторов). Ручная обработка карт и проведение дополнительных изобат на основе комплексного морфогенетического анализа имеющегося фактического материала, включая данные натурных исследований, является необходимым этапом в подготовке исходных данных для моделирования. 102 Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

Специалистами ОАО «Концерн «Океанприбор» использован подход, основанный на быстром вычислении расстояний до двух ближайших изолиний разного уровня (расстояния измеряются вдоль линий, не пересекающих изобаты) и последующей линейной интерполяции между уровнями этих изолиний. Главной особенностью этого алгоритма является интерпретация изолиний как векторных линейных объектов, что позволяет корректно определять глубины на участках, ограниченных только изолинией одного уровня, исходя из значений на смежных участках (преимущественно в замкнутых повышениях и понижениях рельефа морского дна). Указанный подход гарантирует наиболее полное совпадение исходных изобат с изобатами, построенными по цифровой модели (небольшие отличия в геометрическом положении обусловлены только дискретным характером сеточной модели и не превышают долей размера ячейки сетки). Таким образом, в модели сохраняются все мелкие формы рельефа, выраженные в исходных изобатах на карте. Пример цифровой модели рельефа дна (картографический облик) представлен на рисунках 1 и 2. Модель отображает рельеф дна в заданном масштабе без потери первоначальной степени детальности, как для всего моря, так и для его отдельных частей. Кроме этого, она дает возможность строить профили рельефа дна с любой частотой и в любом направлении, а также использовать средства морфометрического анализа в геоинформационной системе. Создание таких моделей позволяет в полном объеме использовать современные геоинформационные (картографические) технологии. Для проведения специализированных геолого-геоморфологических работ, либо геоакустических расчетов необходимы еще более детальные данные с сохранением первичной сейсмоакустической и крайне подробной

Рис. 2. Цифровая модель рельефа дна Баренцева моря информацией о морфологии (включая, расчлененность) рельефа дна и других характеристиках. В этом случае необходимо провести систематизацию, типизацию и районирование рельефа. Для этого на цифровой модели рельефа необходимо выделить области, где изменения геолого-геоморфологических параметров будут относительно невелики, при этом систематизацию (типизацию, районирование) логично проводить согласно с классификацией, которую возможно детализировать в соответствии с целями и задачами исследований. Используя эти данные, можно рассчитать серию морфометрических показателей, которые базируются на вычислении производных сеточных цифровых моделей. Угол наклона (в градусах) в точке с координатами (x, y) вычисляется по формуле,

где z = z (x, y) – функция двух переменных, описывающая рельеф. Для вычисления частных производных могут быть применены различные методы. При этом следует учитывать, что функция глубин z (x, y) является сеточной (ее значения известны в узлах регулярной прямоугольной сетки). Для вычисления частных производных в узле сетки с индексами (i, j) используются центральные разности:

где через zij обозначено значение глубины в узле (i, j), а через hx и hy – шаг сетки вдоль осей x и y соответственно. При вычислениях необходимо также вводить поправочный коэф-

фициент для значений hx и hy , учитывающий искажения длин вдоль параллелей и меридианов в проекции Меркатора (поскольку модель создавалась именно в этой проекции). Помимо углов наклона, по цифровой модели рельефа дна может быть вычислен целый ряд других морфометрических показателей. Как правило, алгоритмы для их вычисления базируются на использовании метода «скользящего окна» (иногда используют термин «фильтрация»). Выбирается область определенной формы (обычно квадрат или круг) и размера, центр области помещается в узел сетки, и делается выборка всех значений модели рельефа, попавших в эту область. Значение требуемого показателя в центре окна вычисляется далее по полученной выборке. Описанная операция повторяется для каждого узла сетки цифровой модели. В результате получается новая сеточная цифровая модель, в узлах которой хранятся значения вычисленного показателя. В распределении поверхностных отложений и строении верхней осадочной толщи наблюдается отчетливая связь с современной поверхностью рельефа дна и его отдельными формами. Основой первичных данных о поверхностных отложениях являются пробы, полученные в натурных условиях с помощью различных технических средств (дночерпателей, геологических трубок различных типов и модификаций и пр.). Для характеристики осадочной толщи дополнительно используются данные сейсмоакустического профилирования и бурения. Поскольку отбор проб осадков проводится в ограниченном числе точек, то основной задачей обработки геолого-геоморфологической информации является обобщение точечных натурных данных на площади района обследования. Геоакустические параметры, измеренные по образцам осадков, можно связывать с типом осадка. Такой подход позволяет экстраполировать полученные данные на большие участки дна. No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

103

Природные процессы сформировали в целом слоистую толщу морских осадков различной мощности и выраженности. Формирование основных акустических границ связано с крупными, а подчас глобальными, палеогеографическими событиями. Данные бурения позволяют получить геологические параметры слоя по вертикали (включая возраст и данные по физическим свойствам осадков), а результаты сейсмического профилирования позволяют описать изменения мощности каждого слоя в пространстве. Таким образом, возможно построение серии поверхностей изопахит (карт мощностей) для разных возрастных срезов (например, мощностей голоценовых, четвертичных отложений и т. д.). Предлагаемая концепция дает возможность разработать эффективный алгоритм, описывающий все этапы геоакустического моделирования морского дна. Развитие подобных исследований необходимо для морской геологии и геоморфологии, а также картографии, палеогеографии, геоэкологии, гидроакустики и других прикладных направлений исследований, а именно: • проведения мониторинга и определений возможного изменения рельефа и структуры морского дна в условиях нарастающего антропогенного пресса, включая негативный эффект от разработки и эксплуатации месторождений углеводородов; • планирования и организации морской деятельности в условиях возможного увеличения сроков навигации в Арктике; • использования данных о свойствах дна для проектностроительных и инженерно-геологических работ; • определения границ распространения на шельфе многолетнемерзлых пород и последствий их вероятной деградации в условиях потепления; • развития оперативной океанологии; • разработки и эксплуатации гидроакустических средств подводного наблюдения, в том числе для прогноза их потенциальной дальности действия, а также при обработке гидроакустической информации. Данные по строению рельефа и осадочной толще необходимы при решении экологических проблем. Одной из главных является ликвидация опасности со стороны распространения от уже просачивающихся из контейнеров техногенных радионуклидов, захороненных во фьордах (Карское море, о. Новая Земля). По мере их дальнейшей

104 Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

разгерметизации в результате коррозии радиоактивная загрязненность морских осадков и ареал их распространения возрастут. Дальнейший разнос в акваторию отрытого моря будет зависеть от гидродинамической активности, которая, вероятно, усилится (с одновременным сокращением ледового покрова), характера рельефа морского дна и верхней осадочной толщи, как природного аккумулятора этих отходов. Не поддается учету количество «потерянного» антропогенного «мусора» по ходу следования судов. Весь этот смертоносный и активный по настоящее время материал находится на поверхности морского дна, изменяя природный естественный фон верхней осадочной толщи. Без знания рельефа и геологического строения осадков (геомодели) и гидрофизических данных невозможно построить прогнозную модель возможной миграции антропогенных отходов на ближайшее и обозримое будущее. Информация о морском дне необходима и при решении геополитических задач – например, определении внешней границы арктического континентального шельфа РФ, для чего, согласно требованиям Конвенции ООН по морскому праву необходимо, в первую очередь, создание модели рельефа дна. Предлагаемые комплексные исследования являются новыми не только в нашей стране, но и за рубежом. Разработанная методика геоакустического моделирования является собственной разработкой и не имеет зарубежных аналогов. В заключение отметим, что для создания отечественных конкурентоспособных гидроакустических комплексов необходимо совершенствовать алгоритмы классификации и определения координат и параметров движения цели на основе учета результатов оперативного мониторинга морской среды и дна. Опыт морской деятельности в нашей стране и за рубежом свидетельствует о необходимости создания системы мониторинга и прогноза геолого-геофизических полей, применимой как на этапах планирования, так и в процессе непосредственного осуществления морской деятельности.

No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

105

О НЕКОТОРЫХ АСПЕКТАХ ПРИМЕНЕНИЯ МОРОЗОСТОЙКИХ КАБЕЛЕЙ В АРКТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ Жесткие климатические условия – сильные морозы и вьюги, движение льдов, полярная ночь – крайне осложняют работу добывающих компаний в Арктике. К технике, материалам и работам, проводимым на шельфе, предъявляются особые требования. Строительство арктических трубопроводов обходится в 2-3 раза дороже прокладки трубопроводов в обычных условиях. Чтобы защитить их от айсбергов, на дне вырывают глубокие траншеи. Буровые установки также нуждаются в специальном противоледном укреплении. При появлении крупных айсбергов их приходится отсоединять и уводить на безопасное расстояние. Повышенные технологические требования предъявляются и к коммуникационному оборудованию, в частности, оснащению добывающих объектов морозостойкими кабелями. Прогнозируется, что для выполнения работ по добыче и транспортировке углеводородов континентального шельфа России потребуется 55 морских буровых платформ и терминалов, 85 специализированных транспортных судов и около 140 единиц обслуживающего флота. Для их постройки, в частности, требуется огромное количество кабелей. Рынок потенциальных потребителей судовых кабелей в России составляет более 300 предприятий, занимающихся ремонтом, оснащением и строительством судов ООО НПП «Спецкабель», Москва А.В. Лобанов В.А. Макаров В.О. Левчук

В.В. Андреев Ю.А. Фурса Р.Г. Кузнецов

* участник Технологической платформы «Освоение океана»

106 Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

различного класса (морских, транспортных, промысловых и речных судов, научно-исследовательских кораблей, ледоколов, судов смешанного типа, вспомогательных судов и т. п.). Если намеченные планы будут воплощены, то потребность в судовых и морских кабелях на период до 2015 года составит примерно 45 000 км в год. При освоении и использовании арктических пространств и ресурсов продукция кабельной промышленности необходима также для современных технических средств поиска, разведки и освоения морских месторождений, оборудования транспортной, промышленной и энергетической инфраструктуры, ее морской и континентальной составляющих, средств обеспечения военной безопасности, защиты и охраны государственной границы Российской Федерации в Арктике и др. В настоящее время освоение арктических шельфовых месторождений осуществляется с помощью морских ледостойких стационарных нефтедобывающих платформ,

Северо-восточный шельф Баренцева моря Шельф Печорского моря Обская и Тазовская губы Приямальский шельф

ГПБУ

СПБУ «Арктическая»

Морской специализированный порт для отгрузки углеродов

СПБУ «Амазон» МПБУ МЛСП «Приразломная»

ПБК «Обский-1»

ЛПП типа «Ласточка» Береговая база обеспечения в г. Мурманск

Береговая база обеспечения в г. Ямбург

Рис. 1. Районы работ на арктическом шельфе МГБУ – малогабаритная буровая установка СПБУ – самоподъемная буровая установка

МЛСП – морская ледостойкая стационарная платформа ППБУ – плавучая полупогружная буровая установка ПБК – плавучий буровой комплекс

которые обеспечивают бурение скважин, добычу нефти, а также ее хранение и отгрузку. Основными особенностями данных платформ является устойчивость к повышенным ледовым нагрузкам, продолжительная автономная работа и возможность круглогодичной эксплуатации в полярных условиях. Примером такой платформы служит построенная производственным объединением «Севмаш» платформа «Приразломная». Одним из основных изготовителей и поставщиков кабельной продукции для электромонтажа технологического оборудования на «Приразломной» является Южно-Корейское предприятие Kukdong Electric Wire Co., Ltd., входящее в корпорацию Nexans. Для этих целей были использованы кабели и провода различного сечения, из них более всего были востребованы (на 86%) кабели и провода сечением до 16 мм2, работающие под напряжением до 1 000 В (рис. 2).

Как показано на рисунке 1, около 98% потребностей в кабельной продукции составляют силовые кабели на напряжение 0,6/1 кВ и инструментальные (систем КИПиА) на напряжение 150/250 В. Опирась на эти данные, можно сказать, что программа освоения Крайнего Севера открывает большие возможности для российских изготовителей кабельной продукции. Компания Kukdong Electric Wire Co. поставляет кабели и провода силовые (контрольные) огнестойкие на напряжение 0,6/1 кВ типа EFH, EFK, EFHS, EFKS, EFH-FLEX, EFHS-FLEX, изготовленные по стандарту МЭК 60092–353. Эти кабели были предназначены для электромонтажа технологического оборудования на верхнем строении платформы «Приразломная» в условиях морской высококоррозионной окружающей среды с температурой от –40°C до +40°C. Описание конструкции кабеля 0,6/1кВ EFH/EFN/EFK представлено в таблице 1.

Природные условия в районах арктических месторождений характеризуются: • штормовым периодом (сентябрь-ноябрь) с высотой волн до 6 м; • обледенением надводных и подводных конструкций; • порывистым ветром до 36 м/с; • коротким холодным летом и продолжительным зимним периодом с экстремально низкой температурой воздуха (до -53°С); • тяжелыми ледовыми условиями в зимнее-весенний период (торошение и сжатие льдов до 3 баллов, образование стационарных ледовых образований (стамух) с глубиной киля до 20 м, мощные навалы льда на морские стационарные сооружения и берег и т. п.); • значительными (до 5 м) колебаниями уровня моря.

No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

107

Распределение кабелей и проводов по напряжению и сечению тпж на МЛСП «Приразломная» Количество, км

700 600 500

Анализ технических и эксплуатационных характеристик применяемых кабелей показывает, что в случае падения температуры до –50 °C и ниже оболочка и изоляция из поливинилхлоридного пластиката или хлорсульфированного полиэтилена становятся жесткими и хрупкими. В условиях низких температур происходит разрушение оболочки в результате растрескивания, что в конечном итоге влечет за собой выход кабеля из строя и зачастую дорогостоящий ремонт кабельной линии. К разрушению приводит то, что вода, находящаяся в порах материала оболочки, при замерзании увеличивается в объеме примерно на 9–10%, вызывая давление льда на стенки пор (до 200 МПа). Для решения этой проблемы специалистами компании НПП «Спецкабель» разработан ряд специальных морозостойких универсальных кабелей категории «ХЛ» общепромышленного применения, изготовленных из материалов, сохраняющих гибкость даже при низких температурах. Уже начато их серийное производство.

Морозостойкие кабели «Скаб»

400 300 200 100 0

Номинальное напряжение, сечение тпж

Рис. 2. Распределение использованных кабелей и проводов по номинальному напряжению и сечениям токопроводящих жил Таблица 1 Наименование элемента Токопроводящие жилы Изоляция

Конструктивные данные кабелей Скрученная луженая отожженная медная жила 2 класса (МЭК 60228). Микалента – огнестойкий барьер Этиленпропиленовая резина (EPR по МЭК 60092-351)

Заполнение

Наружная оболочка

EFH / EFN – хлорсульфированный полиэтилен – (CSP по МЭК 60092-359) EFK – безгалогенный компаунд (SHF2 по МЭК 60092-359)

Рис. 2. Внешний вид морозостойкого кабеля «Скаб» 108 Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

Новая группа морозостойких кабелей, выпускаемых под товарным знаком «Скаб» (рис. 2), призвана решить проблему эксплуатации кабельно-проводниковой продукции при крайне низких температурах (до –70 °C), например в арктических условиях. Кабели морозостойкие групповой прокладки для контрольно-измерительных приборов и аппаратуры (исполнение «ХЛ») производятся в оболочке и с защитным шлангом из безгалогенного термопластичного полиуретана (исполнение «Унг (А)-FRHF-ХЛ»), обеспечивающим высокую механическую прочность кабеля, стойкость к агрессивным средам, истиранию, эксплуатацию кабелей при температурах до –70 °С в неподвижном состоянии. Кабели могут содержать от 4 до 37 токопроводящих жил или от 1 до 24 пар (троек). Сечение токопроводящих семипроволочных медных или медных луженых жил кабелей может быть 0,75; 1,0; 1,5; 2,5 мм2. Сердечник кабеля может состоять из скрученных между собой в пучок изолированных жил, скрученных в пары или тройки изолированных жил без индивидуального экрана или с индивидуальным экраном. Индивидуальные экраны пар или троек выполнены из алюминиевой фольги, ламинированной лавсановой пленкой. Все конструкции кабелей имеют общий экран из алюминиевой фольги, ламинированной лавсановой пленкой, поверх которой наложена оплетка из медных луженных проволок. Такой экран обеспечивает высокую (не менее 60%) степень экранирования кабельного изделия. Поверх общего экрана кабелей накладывается заполнение, которое обеспечивает кабелю практически круглую в поперечном сечении форму с коэффициентом овальности не более 10%.

Кабели парной скрутки могут быть применены в системах: • автоматики для передачи данных с использованием токовой петли от 4 до 20 мА, организованных по HART-протоколу; • цифрового обмена данными «Foundation Fieldbus»; • передачи данных со скоростью 31,25 кбит/с тип 1 и 3 по МЭК 61158–2; • передачи данных RS‑485 тип 4 по МЭК 61158–2.

Кабели, разрабатываемые НПП «Спецкабель», обеспечивают: • эксплуатацию кабелей во взрывоопасных зонах 0, 1, 2 классов; • нераспространение горения при групповой прокладке кабеля; • сохранение работоспособности в условиях воздействия открытого огня; • низкое дымо- и газовыделение; • отсутствие в продуктах горения кабеля опасных для жизни концентраций галогенов. Кабели могут изготавливаться с защитным элементом в виде оплетки из стальных оцинкованных проволок (исполнение «КГ»), поверх которой может быть наложен защитный шланг (исполнение «К»). Кабели данной серии выпускаются в соответствии с ТУ 16.К99–061–2013 и отвечают требованиям нормативных документов «Технического регламента о пожарной безопасности», в том числе установленным в ГОСТ 31565–2012 (п. 5.3, ПРГП 1 б) по нераспространению горения при групповой прокладке. Изделия имеют сертификат Таможенного Союза и соответствуют требованиям по огнестойкости в течение 180 минут. Кабели серии под товарным знаком «Скаб» имеют большое количество конструктивных исполнений, удовлетворяющих широкому спектру требований потребителя. Проведенные испытания показали, что кабели серии «Скаб» производства НПП «Спецкабель» превосходят по эксплуатационным характеристикам большинство монтажных и инструментальных кабелей зарубежного и российского производства, и могли бы использоваться в сложных арктических условиях для присоединения к стационарным электрическим приборам, аппаратам, сборкам электрических распределительных устройств во взрывопожароопасных зонах в условиях низких температур. Параллельно разработкам морозостойких кабелей по заказу Министерства промышленности и торговли Российской Федерации научно-производственным предприятием «Спецкабель» на базе технологий мирового уровня в рамках программы по импортозамещению продукции иностранного производства проводятся опытно-конструкторские разработки большого перечня универсальных кабелей мирового уровня для наукоемких стратегически важных отраслей промышленности России, в том числе:

1. кабели судовые высокочастотные парной скрутки для структурированных систем связи серии КВПЭ, выпускаемые по ТУ 16.К99– 020‑20‑09; 2. кабели судовые силовые огнестойкие для электрических установок на номинальное переменное напряжение до 450/750 В и постоянное напряжение до 1000 В включительно серии КуРсП, выпускаемые по ФЖТК.355100.052 ТУ; 3. кабели симметричные для интерфейса распределенного сбора и передачи данных по стандартам RS‑485 серий КСБГ и КИП, выпускаемые по ТУ 16.К99–040– 2009 и ТУ 16.К99– 042‑20‑10; 4. судовые огнестойкие и неогнестойкие герметизированные силовые кабели, стойкие к радиальному и продольному гидростатическому давлению до 6 МПа, судовые негерметизированные силовые кабели на номинальное переменное напряжение до 0,6/1,0 В частотой до 400 Гц или постоянное напряжение до 1,5 кВ включительно серий КсРГ и КсПГ, выпускаемые по ФЖТК.358600.066 ТУ и ФЖТК.358600.068 ТУ; Требования, предъявляемые к электрическим соединителям: • степень защиты от воздействия влаги – уровень IP 67/68; • рабочая температура – от –65°C до +125°C; • количество циклов соединения/размыкания – не менее 500; • возможность работы в разных агрессивных средах; • выдерживаемая разность давлений.

No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

109

5. многопарные нераспространяющие горение кабели, в том числе герметизированные, для широкополосных скоростных систем связи (категория 5, 5 е и 6) с нормируемыми параметрами передачи цифровых сигналов и улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками серий КсС и КВП, выпускаемые по ФЖТК.357400.056 ТУ – ФЖТК.357400.065 ТУ. Кабельные изделия НПП «Спецкабель» предназначены для стационарной прокладки в сооружениях и объектах нефтяной, газовой, нефтехимической, химической промышленности и электроэнергетики, а также для применения на судах и плавучих сооружениях, сертифицируемых в рамках Российского морского регистра судоходства, в том числе стационарной забортной прокладки. Помимо кабелей, важнейшую роль в поддержании надежностных характеристик различных узлов электрооборудования играют электрические соединители. По оценкам специалистов, около 50% всех отказов вызваны низким качеством разъемов. Поэтому в России, как и во всем мире, в условиях усложнения радиоэлектронной аппаратуры улучшается качество электрических соединителей. Соединители, как и кабели, подвержены жестким и агрессивным Таблица 2 Эксплуатационные характеристики 345 атм (при полной стыковке)

Гидростатическое давление Диапазон рабочих температур, °С

-55 – +125

Срок службы, циклы при полной стыковке

250

Допустимое давление в разомкнутом состоянии, атм Герметичность, м3/с на 1 атм

70–345 (в зависимости от контактной схемы) Менее 0,3x10-6

Номинальная сила тока: Размер контакта:

17 А при 750В (постоянного тока)

10 А при 750В

5 А при 500В

3 А при 500В

2300 В (постоянного тока)

2300 В

1800 В

1300 В

Допустимое напряжение на диэлектрике: Размер контакта:

Сопротивление изоляции

Мин. 1000 МОм при 500 В

110 Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

внешним воздействиям, характерным для эксплуатации на земле, в воде и воздухе в суровых арктических условиях. Кроме того, для обеспечения требований по массогабаритным характеристикам аппаратуры, соединители должны обеспечивать наличие максимального количества одновременно соединяемых (разъединяемых) цепей. Это требование предполагает наличие в одном соединителе большого количества электрических контактов, через которые могут проходить различные токи (от 6–10 до 50 А и более) при рабочих напряжениях от 1 мВ до 1 кВ. При этом рабочие частоты электрического тока, проходящего через контакты, могут достигать 100 ГГц. Перечисленные требования лишь в общей степени характеризуют условия работы соединителей и их технические и эксплуатационные характеристики. До середины 90‑х годов прошлого века отечественные соединители находились на уровне лучших мировых образцов. Однако во второй половине 90‑х стало проявляться отставание России в этой области. Из-за технологических особенностей предприятий ухудшились массо-габаритные характеристики разъемов. Возник дефицит отечественных долговечных электроизоляционных материалов. Это привело к тому, что основную роль на внутреннем рынке стали играть соединители ведущих мировых фирм, таких как Glenair, Fischer, ODU MAC, Amphenol, Tyco, Souriau, Harting и др. Компания Glenair известна среди разработчиков радиоэлектронной аппаратуры специального назначения как производитель соединителей для жестких условий эксплуатации, в том числе по военным стандартам MIL. Сегодня она является лидером в производстве герметичных вакуумоплотных соединителей для глубоководных работ, соединителей для нефтегазовой отрасли и миниатюрных герметичных соединителей для высокоскоростных интерфейсов. По сравнению с другими производителями фирма Glenair предоставляет большой выбор контактных схем высокой плотности (до 130 контактов) и кожухов различных размеров для океанографических, геофизических и других работ в суровых климатических условиях. Так, например, состыкованные разъемы серии 22 Geo-Marine сохраняют герметичность при гидростатическом давлении до 34,5 МПа (345 кГс/см2) и доступны в комплектации с герметизацией из стекла или твердого диэлектрика и изоляцией от воздействия окружающей среды. По отдельному заказу компанией предлагаются специальные подводные соединители серии 10KPSI для глубоководных работ под давлением до 690 атмосфер. Эксплуатационные характеристики разъемов Glenair представлены в таблице 2. К другим ключевым особенностям разъемов серии 22 Geo-Marine относятся: • быстроразъемное соединение. Применение однозаходной укороченной трапециевидной резьбы для

быстрой стыковки разъема снижает износ и деформацию резьбы под воздействием грязи, песка и других инородных тел; • граненая и рифленая поверхность соединительного кольца, облегчающая стыковку и расстыковку разъема даже в рукавицах; • конструкция передней части корпуса разъема, обеспечивающая точное выравнивание штырьков и гнезд и их контакт перед стыковкой резьбового соединения; • конфигурация штепселя, позволяющая фиксировать головку разъема при подсоединении с совмещением шпоночного паза и срабатыванием пружинного кольца, которое обеспечивает простоту стыковки и неразъемность соединения даже в арктических условиях. Серия миниатюрных разъемов высокой плотности 802 Aqua Mouse, устойчивых к высоким вибрационным нагрузкам, которая разработана специально для контрольного оборудования, обеспечивает работу соединителей при давлении до 24 МПа (246 кГс/см2) и воздействии агрессивных сред. Корпуса этих разъемов выполняются из нержавеющей стали или морской бронзы. Данная серия имеет на 50% меньшие габариты и на 70% меньшую массу, по сравнению с разъемами Geo-Marine. Соединители Mighty Mouse могут быть оснащены оптоволоконными, силовыми и высокочастотными контактами, оборудованы встроенными фильтрами. Они применимы для коммутации интерфейсов Ethernet 100BASE-T, Gigabit Ethernet 1000BASE-T, IEEE1394, USB2.0, CANbus. В то же время исследования показывают, что отечественные разъемы серий ШР, 2 РМ, 2 РМД, СНЦ и др. обладают ненормированными электрическими характеристиками, что приводит к ухудшению качества сигнала, начиная с частоты 10 МГц. На частоте около 100 МГц происходит фактическое запирание сигнала в разъеме, что не соответствует современным требованиям к высокочастотным кабельным сборкам и значительно ограничивает

эффективность применения уже разработанных, а также планируемых к разработке высокочастотных кабелей на различных объектах. В связи с этим НПП «Спецкабель» в рамках программы импортозамещения продукции планирует проведение прикладных научных исследований и опытно-конструкторских работ по разработке и организация производства унифицированных серий высокочастотных герметизированных и негерметизированных соединителей для кабелей категории 5, 5е, 6 и кабельных сборок, отвечающих современным требованиям и сохраняющих работоспособность при воздействии влаги, а также обеспечивающие стойкость к гидростатическому воздействию воды в радиальном и продольном направлении. Продукция серийного производства унифицированных серий высокочастотных герметизированных и негерметизированных соединителей для кабелей категории 5, 5е, 6 может быть востребована при конструировании и эксплуатации систем управления, связи и передачи данных комплекса спасательных операций; морских ледостойких стационарных нефтедобывающих платформ; мобильных и автоматизированных комплексов для подводных исследований; глубоководных стационарных установок; систем и средств автоматизированного контроля подводных технологических процессов и др. НПП «Спецкабель» обладает необходимым управленческим, кадровым и финансовым потенциалом, позволяющим успешно реализовывать крупные и ответственные проекты в интересах Росатома, Роскосмоса, нефтегазового комплекса страны, Минпромторга России, Минобороны России, Минобрнауки России и других потребителей. Благодаря использованию современных материалов, а также продуманным конструкциям самих кабелей, особенно в морозостойком безгалогенном герметизированном и огнестойком исполнении, продукция предприятия может быть с успехом использована при освоении арктических пространств и ресурсов.

ЛИТЕРАТУРА 1. Стратегия развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 года. http://government.ru/news/432. 2. Моргунова М. О., Цуневский А. Я. Энергия Арктики. – М.: ИЦ «Энергия», 2012. 3. Горбошко Е. А., Тимохова А. И. Выбор конкурентной стратегии обеспечения кабельно-проводниковой продукцией развития судостроения в России до 2015 года//Международная научно-практическая конференция «Повышение качества в условиях формирования инновационной экономики». 26–27 сентября 2008 г.: // Материалы конференции. Ч. II. – СПб: Изд-во ИМЦ «НВШ – СПб», 2008. 4. Glenair: Interconnect Solutions http://www.glenair.com/index.htm

No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

111

ТЕХНОЛОГИЯ ИНТЕГРИРОВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ РУЛЕВОЙ РУБКИ СКОРОСТНЫХ СУДОВ В современных условиях перспективы судостроения для каждого морского государства определяются не столько опытом и наличием базы для постройки судов, сколько возможностью укомплектовать их необходимыми техническими системами и средствами. Определяющим фактором строительства становятся эффективные технологии объединения технических средств судна в единую интегрированную систему. Создание такой системы позволит, в частности, сократить номенклатуру и количество оборудования на судне, а также провести унификацию радиоэлектронных средств, пультов, запасных частей, инструментов и источников питания. Внедрение общесудовых систем обмена данными улучшит взаимодействие различных комплексов, систем и их элементов в течение всего жизненного цикла. Создание единого информационного пространства позволит наиболее полно удовлетворить как внешние, так и внутренние коммуникативные потребности судна, а также расширить спектр средств коммуникации (видеоконференции, электронная почта, телевидение, Интернет и т. п.).

ОАО «Центральное конструкторское бюро по судам на подводных крыльях им. Р.Е. Алексеева»*, Нижний Новгород Гаранов М.Ю., Шепета Ю.Н., Лебедев А.Е. * участник технологической платформы «Освоение океана» 112 Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

Развитие микроэлектроники сегодня в значительной мере определяет передовые технические решения в области судостроения. На современных морских судах завершается переход от отдельных устройств и простых систем управления к использованию интегрированных электронных микропроцессорных систем, в комплексе решающих задачи управления судовыми техническими средствами. Такие электронные комплексы получили название – интегрированных систем ходового мостика или интегрированных мостиковых систем, в англоязычной литературе эти системы именуются Integrated bridge system. Назначение интегрированной мостиковой системы состоит в: • повышении эффективности управления судном; • уменьшении количества персонала, несущего ходовую вахту; • сокращении затрат на техническое оснащение ходового мостика; • осуществлении судовождения и обеспечение навигационной безопасности плавания; • управлении, в частности, с помощью графического пользовательского интерфейса отдельными системами и устройствами судна, а также средствами судовой связи, включая глобальную морскую систему связи при бедствии; Технология интегрирования оборудования ходовой рубки представляет собой создание более крупной структуры - интегрированной мостиковой системы, объединяющей системы навигации, управления движением, управления главной энергетической установкой и связью, а также пульты управления общекорабельными системами судна, подруливающими, погрузочно-разгрузочными устройствами и др.

• сборе и обработке информации от технических средств судна в том числе не имеющих унифицированных цифровых выходов; • создании на основе собранной информации единого информационного поля данных; • распределении информации и ее передаче на многофункциональные средства отображения для обеспечения выполнения должностными лицами своих обязанностей. Существуют два варианта структуры технологии интегрирования: • Вариант А. Централизованная система. Она подразумевает, что обработка информации и выработка команд управления происходит в блоке центрального вычислителя, который становится основным интегрирующим звеном, а две и более интегрируемых систем превращаются в подсистемы. • Вариант Б. Децентрализованная (распределенная) система. В этом случае используется архитектура системы-посредника, не являющегося центром. Система-посредник выступает в качестве основного интегрирующего звена – интегрируемые системы остаются независимыми, а посредник обеспечивает связь между ними. Вариант А характеризуется наличием единого контура управления кораблем с ходового мостика, что дороже неинтегрированной системы на 50–100 %. Применение этого варианта наиболее целесообразно в качестве интегрированных мостиковых систем и комплексных систем управления боевых кораблей. Вариант Б характеризуется меньшими затратами на создание интегрированных мостиковых систем по сравнению с централизованным вариантом. При его внедрении удорожание составит 20–40 %. Его применение рекомендуется в интегрированных мостиковых системах гражданских судов.

No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

113

цессов сбора, обработки, отображения информации, а также к выполнению функций навигации, управления судном, радиосвязи и обеспечения безопасности; • добиться максимальной эффективности вахты на мостике; • повысить эргономичность приборов.

Рис. 1. Макет системы

интегрированной

мостиковой

Технология интегрирования включает в себя два этапа • Определение группы и задание уровня интегрирования системы 1 группа – малый уровень интегрирования (5–10 %) – для малых судов, интегрирование систем навигации и ориентации, низкая стоимость интеграции, удорожание мостиковой системы на 5–20 %; 2 группа – средний уровень интегрирования (10–30 %) для средних и крупных гражданских судов; объединяет систему навигации, систему автоматизированной радиолокационной прокладки, систему связи, авторулевой, пульты управления энергетической установкой судна, подруливающими, погрузочноразгрузочными устройствами и др.; удорожание мостиковой системы на 20–40 %; 3 группа – высокий уровень интегрирования (30–50 % и выше) – для военных кораблей и экранопланов; удорожание мостиковой системы на 50–100 %. • Выбор варианта структурной схемы интегрируемой системы Децентрализованный (распределенный) вариант применяется для первой и второй группы; Централизованный вариант – для третьей группы. Примером реализации технологии может служить макет интегрированной мостиковой системы ходовой рубки морского пассажирского судна на подводных крыльях проекта 23160 «КОМЕТА 120 М» – совместной разработки ОАО «ЦКБ по СПК им. Р. Е. Алексеева и ОАО «НПФ «Меридиан» [4] (рис. 1). Цель разработки: • повысить степень интеграции входящих систем, • применить системный подход к автоматизации про114 Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

Такая система позволяет интегрировать: • функции приборов индикации (пультов индикации и стрелочных приборов) в интегрированную мостиковую систему с отображением информации на четырех современных многофункциональных индикаторах; • средства громкоговорящей связи и трансляции в единую систему внутренней связи; • управление и индикацию ЭКНИС, средств навигации и системы управления движением; • управление и индикацию средств радиосвязи, применить многофункциональные антенны, сократить количество радиомачт; а также обеспечить централизованное управление энергетической системой и другим оборудованием судна; организовать централизованный контроль работы оборудования, от которого зависит безопасность плавания; автоматизировать выполнение комплексных задач судовождения; сократить количество и массу оборудования входящих систем; создать единую информационную среду, как основу эффективной поддержки решений штурмана и старпома, снять с них значительную часть физической и психологической нагрузки, снизить процент аварийности судна по вине личного состава. Система является составной частью бортового оборудования и предназначена для обеспечения заданных функций судовождения, индикации, контроля и управления основными системами судна. Таблица 1 Состав пульта интегрированного системы Наименование составной части интегрированного пульта системы

Индекс

Колво, шт.

Пульт контроля и управления

ПКУ

Центральный пульт

ЦП

Пульт бортовой левого борта

ПЛБ

Состоит их двух пультовых секций

Пульт бортовой правого борта

ППБ

Состоит их двух пультовых секций

Потолочный пульт

ПП

Примечание

Состоит их четырех пультовых секций

Технические требования к интегрированной мостиковой системе Система должна взаимодействовать с бортовыми интегрированными системами в соответствии с таблицей 2.

Таблица 2 Наименование составной части интегрированного пульта системы Система навигации

Индекс

Кол-во, шт.

СН

Требования к системе по приему и выдаче информации в кодовой форме Обмен информацией между входящими системами и аппаратурой должен осуществляться по резервированному мультиплексному каналу информационного обмена в соответствии с ГОСТ 26765.5–87, интерфейсу Ethernet или по кодовой линии связи в соответствии с ГОСТ 18977–79.

Система автоматизированного управления главными двигателями

САУ ГД

Система автоматизированного управления техническими средствами движения

САУ ТСД

Автоматизированная система радиосвязи

АСР

Требования к конструкции Интегрированная мостиковая система представляет собой интегрированный пульт, который состоит из набора унифицированных пультовых модулей, выполненных в едином конструктиве и разделенных по функциональному признаку. Система организована таким образом, что часть функций той или иной пультовой секции может быть выполнена с секции другого функционального назначения, обеспечивая взаимозаменяемость. Применение и развитие технологий интегрирования оборудования ходовой рубки судна на подводных крыльях позволит перейти к следующему этапу интеграции судового оборудования – созданию комплексной интегрированной системы управления судном и его техническими средствами [2]. Это общесудовая информационно-распределительная система, располагающая всеми видами судовой информации и способная ее передать в необходимом направлении в любой момент времени. Она должна отвечать требованиям открытых информационных систем, что обеспечит возможность широкого использования (дальнейшей модернизации) современных аппаратно-программных решений, обеспечит заданные показатели надежности и качества информационного взаимодействия подсистем, достоверности хранения информации. Эффект достигается за счет внедрения новых информационных и мультимедиа

Система теленаблюдения

СТ

Система внутренней связи и оповещения

СВСО

Система обмена данными

СОД

Система регистрации параметров

СРП

Общесудовые системы

ОСС

Электроэнергетическая система

ЭЭС

технологий (3D-графики, видео информации, систем поддержки принятия решений оператором и пр.); Создание высокопроизводительной вычислительной среды является основой достижения высокой эффективности комплексной системы. В этом случае при решении функциональных задач обеспечивается интеграция различных видов и форматов данных и минимальная задержка на передачу информации потребителю. Внедрение интегрированных мостиковых систем управления судном приведет к новому уровню их эффективности, существенно изменит условия работы и повысит к ней интерес у членов экипажей. При этом возрастут и требования к уровню квалификации моряков.

ЛИТЕРАТУРА 1. Анучин О. Н., Емельянцев Г. Н. Интегрированные навигационные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов. – СПб.: ГНЦРФ – ЦНИИ «Электроприбор», 1999. 2. Груверман А., ЗАО «Транзас». Технология создания мостиковых систем с применением интеграторов информации от разнородных датчиков. Алгоритмы распределенной обработки и регистрации полученных данных. Управление и диагностика технических средств для судов различного класса автоматизации: [Электронный документ]. (http://www.mir-forum. ru/upload/files/p/prezent/tranzas_gruverman.pdf ). Проверено 21 апреля 2014 3. Захаров И. Г. Проблемы комплексирования и интеграции боевых систем и технических средств при создании кораблей нового поколения // Морская радиоэлектроника. – № 3 [17]. – 2006. 4. Морское пассажирское судно на подводных крыльях «Комета 120 М»: технический проект / ОАО «ЦКБ им. Р. Е. Алексеева». – 23160.360060.002. – 2012–2013 гг.

No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

115

ИЗ ИСТОРИИ ОСВОЕНИЯ АРКТИКИ

АВИАЦИОННАЯ ПОДДЕРЖКА РОССИЙСКОГО ПРИСУТСТВИЯ В АРКТИКЕ Арктика… Слово и географическое понятие, которое всегда привлекает к себе человека, независимо от того, по какую сторону Северного Ледовитого океана он живет… С развитием науки и технического прогресса почти не осталось на планете неизведанных мест, страницы газет не блещут теперь именами первооткрывателей и новыми географическими находками. Кто были те люди, которые без уверенности в том, что вернутся обратно, зная, что путь их будут сопровождать холод, голод, болезни и потери, отправлялись в неизведанные дали, к суровым северным берегам – по сути, в никуда? А те, что сумели выжить в арктических экспедициях и были знакомы с трудностями и лишениями, – зачем возвращались они в эти жестокие края снова и снова? Это исследователи, одержимые целью постичь доселе неизвестное, патриоты, идущие на подвиг для утверждения государственности на дальних берегах Отчизны, фанаты своего дела – картографы, географы, моряки и летчики, геологи. ОАО «АВИАЦИОННЫЙ КОМПЛЕКС ИМЕНИ С. В. ИЛЬЮШИНА» Н.Д. ТАЛИКОВ Фотографии: архив «АК им. С.В. Ильюшина» и А. Нагаева

116

ИЗ ИСТОРИИ ОСВОЕНИЯ АРКТИКИ

Попытки достичь Северного полюса неразрывно связаны с историей изучения и освоения Арктики. К достижению Северного полюса стремились англичанин Г. Гудзон в 1607 году (достигнув 80°23´ с. ш.), русский мореплаватель В. Я. Чичагов в 1766 году (80°30´ с. ш.), англичане К. Фипс в 1773 году (80°48´ с. ш.) и У. Парри в 1827 году (82°45´ с. ш.), американец Дж. Локвуд в 1882 году (83°24´ с. ш.) и др. В 1895 году норвежский полярный путешественник Ф. Нансен в сопровождении Ф. Иогансена на лыжах и собачьих упряжках прошел с дрейфовавшего во льдах судна «Фрам» до 86°14´ с. ш. Весной 1900 года итальянец У. Каньи, также пользовавшийся собачьими упряжками, достиг 86°34´ с. ш. В сентябре 1909 года американец Ф. Кук объявил, что достиг района Северного полюса (примерно 88° с. ш.) 21 апреля 1908 года, но не предоставил тому доказательств. Поэтому принято считать, что первым покорителем Северного полюса (89°55´ с. ш., по оптимальным расчетам американских экспертов) 6 апреля 1909 года стал американец Р. Пири, который двигался на собачьих упряжках. Совершенно новые возможности в достижении Северного полюса открыло развитие воздухоплавания и авиации. Впервые в мире в период с 8 по 31 августа 1914 года российский экипаж (в составе летчика Я. И. Нагурского и наблюдателя черноморского матроса Е. В. Кузнецова) на гидросамолете «Фарман-Генри» выполнил 5 полетов по ледовой разведке в Арктике. За 11 часов 40 минут самолет пролетел около 1 100 км. День 8 августа 1914 года сегодня считается датой рождения Полярной авиации. В 30‑е годы прошлого века исследования Арктики, осуществляемые с помощью полярной авиации, имели не только научное и экономическое значе‑ ние, но и укрепляли позиции нашей страны на по‑ литической арене, демонстрируя державную мощь России. В рапорте на имя начальника Главного гидрографического управления Нагурский писал: «Летать в арктических странах, хотя и тяжело, но вполне возможно, и авиация в будущем может оказать гидрографии большую услугу в следующих случаях: при рекогносцировке льдов, в открытии новых земель, нахождении и нанесении на карту подводных преград, препятствующих судоходству». На встрече с прославленными полярными летчиками, полярниками и ледовыми капитанами 12 августа 1956 года Я. И. Нагурский вспоминал: «Сегодня мне самому трудно понять, как я тогда мог решиться на такой шаг… Приборы были примитивными… Кабины как таковой не было. Над нами висело неизведанное небо, вокруг дули

Десантирование грузов на платформах ПГС‑1000Р из транспортного самолета Ил‑76ТД авиации МЧС 117

ИЗ ИСТОРИИ ОСВОЕНИЯ АРКТИКИ Грузовой самолет Ил‑14Т в Арктике ветры самых неожиданных направлений и скрещивались неисследованные воздушные течения… Никогда не забуду чувства, которые я испытал, оставшись с глазу на глаз с суровой таинственной Арктикой». В 1926 году над Северным полюсом пролетели без посадки самолет под управлением Р. Бэрда (США) и дирижабль «Норвегия» под руководством Р. Амундсена (Норвегия), а в 1928‑м – дирижабль «Италия» под руководством У. Нобиле (Италия). Все эти полеты носили рекогносцировочный характер. Отправной точкой развития авиации в Арктике можно считать 1932 год, когда первый гидросамолет достиг северной оконечности Таймыра и совершил посадку на мысе. Начало же периода исследования Арктического бассейна и района Северного полюса было положено весной 1937 года, когда советская высокоширотная воздушная экспедиция под руководством О. Ю. Шмидта на четырех Долгие годы, вплоть до начала 1990‑х годов, именно самолет Ил‑14 в различных модификациях был ос‑ новным, выполнявшим огромную работу как в ар‑ ктических районах, так и в районах Антарктиды. Именно этот самолет был тем звеном, которое связывало Арктику, ее население и все арктические станции с Большой землей.

118 Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

«Ил‑76 и его модификации – это не просто хо‑ роший или прекрасный самолет. Самой точной оценкой этой машины, на мой взгляд, является определение «уникальная». Даже если бы «ильюшин‑ цы» создали всего один самолет Ил‑76, этого хва‑ тило бы для того, чтобы имя фирмы было вписано в историю мировой авиации золотыми буквами». Ж. К. Шишкин, Заслуженный пилот СССР тяжелых транспортных самолетах впервые в истории совершила посадку на дрейфующие льды и основала первую дрейфующую станцию «Северный полюс» (СП‑1) в составе И. Д. Папанина, Э. Т. Кренкеля, Е. К. Федорова и П. П. Ширшова. В том же году были осуществлены беспосадочные перелеты Москва – США через Северный полюс экипажей в составе В. П. Чкалова, Г. Ф. Байдукова, А. В. Белякова, а затем М. М. Громова, А. Б. Юмашева, С. А. Данилина. Даже в тяжелые годы Великой Отечественной войны не прекращалось развитие Арктики и Северного морского пути. В то время освоению Севера придавалось особенное стратегическое значение. В послевоенные годы освоение Арктики продолжилось. С 1945 года советские и американские самолеты неоднократно летали на Северный полюс и совершали посадки на дрейфующие льды с целью изучения ледовой обстановки.

ИЗ ИСТОРИИ ОСВОЕНИЯ АРКТИКИ Встреча самолета Ил-14Т «Полярной авиации» Чуть больше шестидесяти лет тому назад, 11 марта 1950 года, с целью демонстрации державной мощи Советского Союза в самый разгар холодной войны начат перелет двух самолетов Ил‑12Д с двумя планерами Ц‑25 к Северному полюсу. Перелет проходил по маршруту Мясково (Тула) – Казань – Свердловск – Омск – Новосибирск – Красноярск – Подкаменная Тунгуска – Хатанга – Тикси – о. Котельный – станция «Северный полюс–2» – Северный полюс. Риск программы был настолько велик, что в экипажи самолетов Ил‑12 и планеров отбирались только добровольцы и холостяки. Командирами экипажей самолетов Ил‑12Д 374‑го авиационного тpанспоpтного полка 12‑й военно-транспортной авиационной дивизии стали: Герой Советского Союза капитан А. H. Харитошкин и майор В. Ф. Родин. Здесь уместно вспомнить, что звание Героя Советского Союза присвоено старшему лейтенанту А. H. Харитошкину 15 мая 1946 года за 816 боевых вылетов

на штурмовку войск противника и бомбаpдиpовку стратегических объектов противника, выполненных на ильюшинском бомбаpдиpовщике Ил‑4. 5 апреля 1950 года самолеты Ил‑12Д с буксируемыми планерами осуществили посадку на льдину в трехстах километрах от Северного полюса, в районе дрейфующей станции «Северный Полюс–2». А 7 апреля самолеты Ил‑12 Д, также совместно с планерами, выполнили полет на высоте 400 метров над Северным полюсом. 11 мая экспедиция вернулась на тульский аэродром. Через два месяца, 13 июля 1950 года, состоялся первый полет опытного пассажирского самолета Ил‑14 с поршневыми двигателями АШ‑82 ФН. Командиром экипажа этого самолета был известный летчик-испытатель, шеф-пилот ОКБ С.В. Ильюшина – В. К. Коккинаки. В 1958 году впервые подо льдами Северного полюса прошли американские атомные подводные лодки «Наути-

«Самолет Ил‑14 мог бы еще долго летать. Летают же до сих пор «дугласы» – DC‑3?! А Ил‑14 сгубила плановая система. У нас ведь не смотрят, насколько хорош тот или иной самолет, можно ли его модернизировать и продлить ему летную жизнь. Ему просто планируют замену. Когда пошли разговоры, что на смену Ил‑14 придут Ан‑28 и Ан‑72, они и стали смертельным приговором прекрасному самолету – «нашей ласточке», как называли Ил‑14 в «Полярной авиации». Зачем качественно ремонтировать, если все равно скоро придется списывать? А когда с заменой Ил‑14 ничего не вышло, его просто приказали забыть! А ведь он мог еще жить…» О.Г. Акимов, участник Антарктических экспедиций

No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

119

ИЗ ИСТОРИИ ОСВОЕНИЯ АРКТИКИ Грузовой самолет Ил‑14Т в Арктике лус» (из Берингова пролива в Гренландское море) и «Скат» (из Гренландского моря до Северного полюса и вернулась обратно). В 1962 году советская атомная подводная лодка «Ленинский комсомол» совершила поход к Северному полюсу, а в 1963‑м – экипаж другой советской подводной лодки высадился на лед и водрузил Государственный флаг СССР и флаг ВМС СССР. Следующей экспедицией, достигшей Северного полюса, в 1968 году стала американо-канадская экспедиция в составе шести человек во главе с Р. Плейстедом, передвигавшаяся 44 дня на малогабаритных моторных санях от Канадского Арктического архипелага. В 1968–1969 годах четверо англичан во главе с У. Хербертом пересекли на собачьих упряжках Арктический бассейн от Аляски (мыс Барроу) до Шпицбергена через Северный полюс. Наконец в 1976 году на воздушных трассах Сибири и Крайнего Севера появились транспортные самолеты Ил‑76Т. Начались интенсивные перевозки грузов в интересах нефтяников, газовиков, или, как тогда говорили, в интересах народного хозяйства. Новый этап освоения Арктики начался в 1980‑х годах – организована доставка грузов на островные и дрейфующие полярные станции «Северный полюс» с помощью военнотранспортных самолетов Ил‑76МД. Причем доставка грузов выполнялась не посадочным способом, а с помощью десантирования грузов сначала на многотонных парашютных платформах, которые использовались в воздушно120 Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

десантных войсках, а затем на парашютно-грузовых системах массой до 1500 кг. Эту трудную работу выполняли специалисты ДОСААФ – «Экспарк» под руководством известного парашютиста А. З. Сидоренко совместно с ОКБ С.В. Ильюшина. Затем к ним подключилась военно-транспортная авиация. В последние годы доставкой грузов в район Северного полюса, на станцию «Барнео»1, занимаются экипажи военнотранспортной авиации совместно с Экспедиционным центром Русского географического общества. В декабре 1983 года экипаж Государственного научно-исследовательского института гражданской авиации на самолете Ил‑76ТД, выполнив задачу сброса грузов на дрейфующую станцию «Северный полюс–25», впервые пролетел над географическим Северным полюсом. С тех пор самолеты Ил‑76 постоянно доставляют все необходимое для людей, ведущих постоянную работу на необозримых просторах суровой Арктики. В 1989 году закончилась эксплуатация самолета Ил‑14. Жители районов Заполярья и Крайнего Севера, не видевшие никогда паровоза, не видят некогда обычного для себя самолета. Они по сути оторваны от Большой земли. Существенной проблемой для деятельности России в Антарктике в настоящее время также является отсутст1 Станция «Барнео» – комплексная высокоширотная арктическая экспе‑ диция, ежегодно организуемая Экспедиционным центром Русского геогра‑ фического общества.

ИЗ ИСТОРИИ ОСВОЕНИЯ АРКТИКИ

ИЗ ПРЕССЫ:

«Первый вице-премьер Сергей Иванов вчера посетил российскую научную станцию «Новолазаревская» в Антарктиде. Иванов облетел восточные районы «белого материка», осмотрел станцию «Новолазаревская», провел совещание по транспортному обеспечению полярников, вручил им правительственные награды и обещал дополнительную взлетно-посадочную полосу. Одной из целей поездки стала проверка работы российской навигационной системы ГЛОНАСС в приполярных районах. Господин Иванов остался доволен работой ГЛОНАСС, хотя с момента его критики системы в январе ничего в ней не изменилось. Основную часть пути до ЮАР Сергей Иванов проделал на самолете Ил‑62VIP. Лишь последний шестичасовой участок между Кейптауном (ЮАР) и «Новолазаревской» прошел на транспортном самолете Ил‑76ТД (совместный экипаж ГосНИИ ГА и АК им. С.В. Ильюшина). Ранним утром по местному времени лайнер выполнил посадку на аэродромной базе станции «Новолазаревская». Вместе с господином Ивановым в Антарктиду прибыли министры транспорта и природных ресурсов Игорь Левитин и Юрий Трутнев, а также президент Объединенной авиастроительной корпорации Алексей Федоров. «Слетать в Антарктиду» – звучит легко. Шесть часов лету от Кейптауна вместо нескольких (от одной до шести) недель, которые занимает этот же путь, но по воде. А нелегкими подробностями легкая фраза обрастает уже по ходу движения. Глава Объединенной авиастроительной корпорации Алексей Федоров честно предупредил: «если вдруг погода на «Новолазаревской» испортится, обратно в Кейптаун Ил‑76 уже не вернется. Его запас топлива – на восемь часов полета, а тут – шесть только в одну сторону. За два часа до посадки – «точка возврата». Это такой оптимистический вариант ее названия, на самом деле она скорее «точка невозврата» – если вовремя не развернуться, пути назад может больше и не быть». Иванов сообщил, что для решения транспортной проблемы полярников необходимы два типа самолетов, это Ил‑76 с двигателями ПС‑90 для межконтинентальных перелетов и Ил‑114 Т‑100 – для внутриконтинентальных. Говоря о преимуществах нового Ил‑76 ТД‑90 ВД, Иванов подчеркнул, что с началом его эксплуатации, «мы навсегда забудем понятие возврата или невозврата». По мнению Иванова, для российской антарктической экспедиции «нужно два или три, больше не нужно, Ил‑114», а также, что «необходимы небольшие средства, чтобы разработать и испытать для него новые лыжно-колесные шасси» … и, пообещал дополнительную взлетно-посадочную полосу.

Кладбище кораблей Ил-14 в Антарктиде «Не в обиду другим, но самые мои любимые машины – ильюшинские. Все они прекрасны, но самый большой тру‑ дяга из них – Ил‑14. Он мог летать и на колесном шасси, и на лыжах, проникал в самые трудные уголки мира… Мы на нем выполняли полеты длительностью 12–14 часов. И если можно было бы, я бы на ней летал до сих пор. Спасибо С. В. Ильюшину и его ОКБ за то, что они ее сделали.» В. Я. Потемкин, командир летного отряда 16‑й САЭ

No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

121

ИЗ ИСТОРИИ ОСВОЕНИЯ АРКТИКИ Пассажирский самолет Ил-114 вие отечественных самолетов на лыжно-колесных шасси. Российская антарктическая экспедиция2 в течение ряда лет (1991–2002 годы) для обеспечения внутриконтинентальной станции «Восток» использовала авиационную поддержку Антарктической программы США в качестве вклада американской стороны в совместные научные исследования, а с 2003 года арендует самолет на лыжноколесном шасси ВТ‑67 у канадской авиационной компании (перевозки внутри Антарктиды для нас, великой державы, выполняют или американцы на военно-транспортных самолетах С‑130, или канадцы на модифицированных самолетах DC‑3, которые разработаны еще в 1930‑х годах, а один из модифицированных самолетов ВТ‑67 постройки аж 1943 года летает там до сих пор). Российская антарктическая экспедиция практически лишена возможности межстанционной авиационной связи, что явно ограничивает возможности проведения транспортных операций и их безопасность. После проведения на антарктической станции «Новолазаревская» межведомственного совещания по проблеме развития российской транспортной авиации в Антарктике под председательством Заместителя Председателя Правительства Российской Федерации С. Б. Иванова 10 марта Российская Антарктическая экспедиция (РАЭ) – непрерывно рабо‑ тающая экспедиция Арктического и Антарктического научно-исследо‑ вательского института Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды России. В РАЭ участвуют зимовщики, проводящие в Антарктике около года, и сезонные отряды, работающие летом. 2

122 Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

2008 года вопрос о проектировании и строительстве отечественного среднемагистрального самолета на лыжноколесном шасси был, как тогда казалось, принципиально решен. В качестве базовой модели был выбран самолет ИЛ‑114 Т‑100 разработки ОКБ С.В. Ильюшина. 30 октября 2010 года распоряжением Правительства Российской Федерации утверждена «Стратегия развития деятельности Российской Федерации в Антарктиде на период до 2020 года и на более отдаленную перспективу». В восьмом разделе Стратегии, где говорится о модернизации и реорганизации экспедиционной инфраструктуры Российской Федерации в Антарктике, прямо сказано: «Для усиления авиационной поддержки работ Российской антарктической экспедиции предусматривается создание отечественного среднемагистрального самолета на лыжноколесном шасси. Речь идет о самолете Ил‑114 Т‑100. Планируется создание летно-исследовательского центра Арктики и Антарктики и оснащение его двумя самолетами Ил‑76 ТД‑90 и тремя самолетами Ил‑114 Т‑100 на лыжноколесном шасси». Однако до сих пор рассуждения о самолете для полетов в районы Арктики и Антарктиды продолжаются и остаются, к большому сожалению, рассуждениями. Между тем, в 2007 году Канада громко объявила об усилении своего присутствия в Арктике. Арктические державы регулярно проводят военные учения в регионе. В 2011 году проведены учения «Нанук», а в 2013 году – «Нуналивут», c отработкой высадки десанта на острова Корнуоллис и Эллеф-Рингнес.

ИЗ ИСТОРИИ ОСВОЕНИЯ АРКТИКИ Военно-транспортный самолет Ил-76МД над островом Греэм-Белл В 2013 году проводились учения «Арктический вызов» с участием ВВС Финляндии, Швеции, Великобритании и США. Территория учений охватывала Ботнический залив и норвежскую часть Баренцева моря. Также в 2013 году Великобритания провела учения «Cetus 13», где отрабатывалась высадка десанта в условиях тридцатиградусных морозов на полигонах северной Норвегии. И только после того как Канада 9 декабря 2013 года заявила о намерении расширить свои требования по арктическим территориям до Северного полюса, российские власти решительно заявили о расширении своего военного присутствия в этом важном регионе. С развитием мировой экономики арктическая зона приобретает все большее значение. В связи с этим растет и обеспокоенность региональных государств ситуацией в сфере безопасности. Россия планирует сохранить за собой главную роль в Арктике, однако отстаивать на переговорах свои права на морские акватории, часть континентального шельфа и природные ресурсы становится все сложнее. Руководство страны, объявив Арктику «зоной мира», вместе с тем намерено усилить военное присутствие в районах, имеющих жизненно важное значение как с точки зрения экономики, так и национальной безопасности.

Президент РФ Владимир Путин заявил, что Россия должна располагать всеми рычагами для защиты своей безопасности и национальных интересов в Арктике. Выступая 10 декабря 2013 года на расширенном заседании коллегии Минобороны, глава государства подчеркнул, что Россия «все активнее осваивает этот перспективный регион». Он потребовал от военных уделить в 2014 году особое внимание развертыванию инфраструктуры и воинских частей на арктическом направлении. Министр обороны РФ Сергей Шойгу в ответ на это указание заявил, что в 2014 году будет создана арктическая группировка войск. В настоящий момент в регионе идет активное восстановление сети военных аэродромов и инфраструктуры. Помимо регулярных морских походов в арктическом регионе Россия начала восстановление базы военновоздушных сил «Темп» на острове Котельный. Эта база будет модернизирована с применением новых технологий, что даст возможность использовать круглый год и в любых погодных условиях транспортные самолеты Ан‑26, Ан‑72, Ан‑74, а в перспективе – Ил‑76. Сегодня доставку грузов на аэродром «Темп» осуществляет смешанная авиационная группа, которая базируется

«Многочисленные решения руководства страны на уровне Президента и Председателя Правительства РФ о примене‑ нии самолетов Ил‑114 в транспортном варианте для транспортных авиаперевозок в интересах освоения арктиче‑ ских просторов не выполняются. В 2010 году СМИ широко освещали полет самолета Ил‑114 за Полярным кругом. О создании транспортного самолета на лыжном шасси для полетов в Заполярье говорилось неоднократно. В частности, еще в 2005 году были даны соот‑ ветствующие указания президента РФ, повторенные в 2010 году, много об этом говорилось и в ходе полета Ил‑114 за Полярным кругом в прошлом году. Однако до настоящего времени практически ничего не сделано, решения и указа‑ ния не выполняются». Агентство «АвиаПорт»

No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

123

ИЗ ИСТОРИИ ОСВОЕНИЯ АРКТИКИ Внизу погранзастава «Нагурская» на аэродроме Тикси в Республике Саха (Якутия). Министр обороны РФ Сергей Шойгу, выступая на форуме «Арктика – территория диалога» в Салехарде, заявил, что этот «аэродром важен как опорное звено развития транспортной инфраструктуры в Арктике. И, конечно же, будет служить науке в качестве базы арктических экспедиций и научных исследований». В высоких широтах будут активно использоваться вездеходы, снегоходы и болотоходы, а также развиваться телемедицина для оказания помощи военнослужащим. Другими словами, все объекты будут отстраиваться для долговременного использования с максимально возможным комфортом. Закончена модернизация взлетно-посадочной полосы на аэродроме двойного базирования «Рогачево» («Амдерма‑2») на полуострове Гусиная Земля. Здесь, вероятно, будет дислоцировано несколько эскадрилий истребителей-перехватчиков МиГ‑31. Эти перехватчики войдут в состав системы противоракетной обороны и будут обеспечивать защиту границ России от воздушного нападения

с севера, а также осуществлять прикрытие дислоцированного на Новой Земле ядерного полигона. Не исключено, что в ближайшие годы будет восстановлен самый северный в мире ледовый аэродром на острове Греэм-Белл в архипелаге Земля Франца-Иосифа. Во времена СССР это был аэродром подскока для стратегических бомбардировщиков, ведь расстояние от него до Северного полюса составляет всего 896 километров. В конце 1980‑х годов там проводились учения, связанные с базированием МиГ‑31, которые могли перехватывать авиацию США задолго до ее возможного подлета к центральным районам РФ. Россия и сегодня по-прежнему делает ставку на авиацию как важный элемент демонстрации силы. В 2007 году, впервые после распада СССР, российские стратегические бомбардировщики Ту‑95МС совершили вылет с базы «Энгельс» в арктическую зону. Примечательно, что в конце 1980‑х годов число таких полетов в год порой превышало 500, однако возобновление российского присутствия в воздухе сегодня вызвало всплеск эмоций в Норвегии,

«Я не очень люблю слово «монополизм», но при наличии Ил‑76ТД с двигателями ПС‑90 и Ил‑114 Т‑100 с лыжным шасси мы можем стать полными монополистами в воздушном сообщении в Антарктиде. И вот тогда начинается рынок – мы сможем предоставлять услуги иностранным партнерам на коммерческой основе. По самолетам мы все необходимые решения уже приняли, схема финансирования понятна, надеюсь, через два года эти машины начнут летать по всей Антарктиде». Газета «Коммерсантъ» № 39 (3856) от 12.03.2008 г.

124 Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

ИЗ ИСТОРИИ ОСВОЕНИЯ АРКТИКИ Маршрут полета на станцию «Барнео» Канаде, Великобритании и США. Многие военные эксперты все же заверили правительства своих стран, что Россия не собирается ни на кого «нападать сверху», а использует авиацию как политический инструмент для обозначения своих интересов. 8 апреля 2014 года впервые в истории России в районе Северного полюса с участием военно-транспортного самолета Ил‑76МД были проведены учения. Массовый десант, свыше 50 человек личного состава воздушно-десантных войск, успешно высадился на дрейфующие льды недалеко от российской полярной станции «Барнео». Цель – проведение учебной поисково‑спасательной операции по оказанию помощи и эвакуации в околополюсном регионе Арктики условно терпящим бедствие полярникам. Десантирование проходило с использованием парашютной системы специального назначения «Арбалет‑2». Также на ледовую площадку парашютным способом были сброшены необходимые для проведения операции грузы. Высадка российских десантников осуществлялась во взаимодействии с командованием военно-транспортной авиации Военно-воздушных сил России и Экспедиционным центром Русского географического общества. Таким образом, самолет Ил‑76МД по-прежнему является основным самолетом военно-транспортной авиации нашей страны. Его глубоко модернизированный вариант Ил‑76 МД‑90А в настоящее время запущен в серийное производство на Ульяновском заводе «Авиастар-СП». На годы вперед наше присутствие в Арктике – доставка людей и грузов в труднодоступные точки как посадоч-

17 марта 2014 года Д. О. Рогозин на большом со‑ вещании представителей министерств про‑ мышленности и торговли, транспорта, а также представителей министерства обороны зая‑ вил о необходимости перехода авиастроителей от отверточной сборки к полноценному проек‑ тированию и созданию собственной авиатехники. Рогозин заявил также, что для полного контроля над обширной территорией РФ стране «как воз‑ дух нужна своя авиация». По его словам, в данный момент перспективными для промышленности являются проектирование и постройка граждан‑ ского пассажирского самолета Ил‑114, а также транспортного самолета Ил‑112 В. Кроме того, большие надежды возлагаются на Ил‑76 МД‑90А. ным способом, так и парашютным десантированием – будет поддержано с помощью самолетов Ил‑76МД и Ил‑76 МД‑90А. Что же касается самолета Ил‑114, то, несмотря на документы, подписанные Правительством РФ, и различные совещания, проводимые под председательством заместителя Председателя Правительства РФ Д. О. Рогозина, решение о запуске в производство самолета не принимается. Хотя очевидно, что другого отечественного самолета подобного уровня, предназначенного для выполнения различных задач в Арктике, сегодня нет. No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

125

ИЗ ИСТОРИИ ОСВОЕНИЯ АРКТИКИ Личный состав ВДВ – участники десантирования на станцию «Барнео» в военно-транспортном самолете Ил-76МД перед десантированием

Прозвучала команда «Пошел!» 126 Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 1 (4)

ИЗ ИСТОРИИ ОСВОЕНИЯ АРКТИКИ Летающая лаборатория Ил-114ЛЛ По разработанному технико-экономическому обоснованию для этих целей необходимо выделить из бюджета всего 10,5 млрд. рублей и, с учетом использования недостроенных в Узбекистане самолетов, через 2,5–3 года появится самолет Ил‑114 российского производства, отвечающий всем международным требованиям как по экологии, так и по самолетовождению. Модифицированный пассажирский самолет Ил‑114–100, который построен на Ташкентском авиационном производственном объединении им. В. П. Чкалова и эксплуатируется в узбекской национальной авиакомпании, показал свои замечательные характеристики и с точки зрения эксплуатации, и с точки зрения надежности. Средний налет самолетов авиакомпании составляет сегодня порядка 1600 часов в год, что для самолетов такого класса является довольно высоким показателем. В связи с усилением военного присутствия России в Арктике, необходимо рассмотреть самолет Ил‑114 не только с точки зрения пассажирского транспорта для районов Заполярья и Крайнего Севера, что само по себе крайне необходимо сделать для обеспечения региональных авиационных перевозок. Но также рассмотреть его

На одном из самолетов Ил‑114 была создана летающая лаборатория Ил‑114 ЛЛ, которая уже много лет работает в ОАО «Радар-ммс» и выполняет задачи в интересах министерства обороны РФ. с точки зрения создания на его базе модифицированных патрульных самолетов различного назначения. Обладая такими уникальными характеристиками как часовой расход топлива (550 кг в час) и время барражирования (до 12 часов с центропланным топливным баком), модифицированный патрульный самолет Ил‑114МП мог бы с успехом выполнять возлагаемые на него задачи: патрулирование морских акваторий и сухопутных участков, поиск и обнаружение морских надводных и подводных объектов, передача информации на корабельные и наземные пункты, нанесение, в случае необходимости, ударов по обнаруженным объектам, мониторинг окружающей среды, сопровождение проводки судов в ледовой обстановке по Северному морскому пути.

No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

127

РЕДАКЦИОННАЯ ГРУППА: Руководство: Кобылянский В.В. Выпускающий редактор: Манохина И.И. Технические консультанты: Арфаниди М.В. Губанов Ю.П. Лушников Д.Л. Петров К.Ю. Карташев В.А. Горшков А.Г. Дизайн и верстка: Маркин О.Д. Полная или частичная перепечатка, либо иное использование материалов, опубликованных в журнале «Морские информационно-управляющие системы», без письменного разрешения издателя не допускается. Рукописи рецензируются. Реклама в настоящем номере размещена на полосах: 37, 63, 99, 105, 3-я полоса обложки. Издатель: Открытое акционерное общество «Концерн «Моринформсистема-Агат» Адрес редакции: Москва, ул. Шоссе Энтузиастов, д. 29 Тел.: +7 495 603-9034 E-mail: innovation@concern-agat.ru, issue@ocean-platform.ru Website: www.concern-agat.ru, www.ocean-platform.ru Источники фотоматериалов: указаны в списках источников и литературы к статьям Печать: ООО «Август Борг» Москва, Амурская ул., д. 5, стр. 2 Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций. Регистрационное свидетельство: ПИ № ФС 77-53922 от 26 апреля 2013 года.

ISSN 2308-2119

128 Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No. 2 (3)

Подписано в печать: 29.04.2014 г. Тираж: 1000 экз.