0
4126
Газета Наука Интернет-версия

10.12.2014 00:01:00

Роботы прижились на Северном Полюсе

Сергей Писарев

Об авторе: Сергей Викторович Писарев – океанолог, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, руководитель группы полярной океанологии Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН, почетный полярник России; в период 1982–2014 – участник работ 20 сезонных дрейфующих ледовых экспедиций и девяти ледокольных рейсов в Центральную Арктику в рамках национальных и международных проектов.

Тэги: арктика, техника, механика, робот, робототехника


арктика, техника, механика, робот, робототехника Бурение льда перед установкой буев. Российская сезонная дрейфующая база «Барнео». Апрель 2010. Доктор С. Писарев и доктор Дж. Морисон за работой. Фото из архива автора

Начиная с середины 1990-х годов прошлого века в природе Арктики наблюдаются изменения, величины которых превышают те, что были зафиксированы за предыдущий почти 120-летний период инструментальных наблюдений. Происходящие изменения объединяют одним словом – «потепление». Несмотря на то что в экспертной среде существуют противоположные мнения о причинах и возможной продолжительности современного потепления Арктики, именно эти изменения, и в особенности общее круглогодичное уменьшение толщины и летнее уменьшение площади морского арктического льда вместе с ожиданиями в области экономики, политическими амбициями и общим техническим прогрессом к середине нулевых годов взрывным образом усилили международный интерес к этому региону.

Роботы уходят под лед

Как часть реакции на этот интерес появилось большое количество групп, комиссий и комитетов по изучению Арктики. В частности, по развитию многоцелевых систем наблюдений для изучения Центрального Арктического бассейна (глубоководной круглогодично покрытой льдом части Северного Ледовитого океана). Этот регион все еще гораздо менее изучен в сравнении с другими, свободными ото льда хотя бы часть года частями Мирового океана.

Еще в недавнем 2005 году, когда автор этой статьи вместе с полусотней зарубежных коллег писал для подачи на конкурс Европейского сообщества проект по исследованию Арктического бассейна (DAMOCLES – развитие систем наблюдений и моделирования для долговременного изучения природной среды Арктики), красивые картинки из проекта, на которых автономные роботизированные устройства, измеряющие характеристику воды, льда, атмосферы и передающие все это по спутниковым каналам на берег, казались чем-то не то чтобы совсем фантастическим, но уж точно не тем, что обеспечит уже в следующем десятилетии устойчивый ежедневный поток данных о состоянии Центральной Арктики для заинтересованных потребителей.

С начала XXI века было понятно, что со спутников так или иначе определяется площадь морского льда. Были ясно, что прогресс в технических решениях вскоре позволит со спутников же оценивать толщины льдов на больших акваториях. Методы измерений в Арктике с помощью ледоколов, пилотируемой авиации и обитаемых дрейфующих станций к нулевым годам были тоже в целом понятны и требовали для своего развития скорее организационно-финансовых усилий, чем научно-технических. Понятных усилий требовал и еще один метод исследования океана – установка на дно, под лед, систем приборов на якорях с последующим через месяцы или пару лет их подъемом и считывания измеренной информации.

Но вот роботизированных устройств, которые бы группой из двух–пяти человек в течение нескольких часов благоприятных погодных условий монтировались на морском льду, а затем от года до трех, дрейфуя со льдом, продолжали бы свою работу в автоматическом режиме, непрерывно передавая информацию, не было. Точнее были, но самые простые. Такие, как дрифтеры – измерители атмосферного давления и географических координат. Или метеорологические станции, измеряющие раз в 1–6 часов свое положение на земле, температуру воздуха, атмосферное давление, скорость и направление ветра. Были во многих странах так называемые действующие макеты, которые для своей успешной работы нуждались, чтобы где-то рядом хотя бы раз в неделю находился их инженер – создатель с паяльником и осциллографом – для очередных настроек, ремонтов и модификаций.

268-15-4_t.jpg
Установка автоматического CTD-профилографа вблизи
Северного полюса в 2014 году.

Следует заметить, что к началу ХХI века для районов Мирового океана без льда было создано уже немало образцов роботизированных систем. В начале 1990-х уже стало легко определять координаты в центральной морской Арктике, вдали от берегов, с помощью GPS (а до 1991 года для отечественных дрейфующих экспедиций полярным днем – только по солнцу, ночью – по звездам, и иначе практически никак). С середины 1990-х севернее 80-го градуса широты, там, где до этого связь на большие расстояния обеспечивалась только старой доброй морзянкой, добралась спутниковая телефонная связь системы IRIDIUM. Теперь позвонить-поговорить или послать sms из центра Арктики – это вопрос стоимости услуг связи, а не мастерства и опыта радиста, сложности конфигурации его приемно-передающей антенны.

Арктический конструктор

За минувшие с 2005 года девять лет в Арктическом бассейне начали свою практическую работу уже более десятка типов роботизированных устройств. Многие из них можно уже запросто купить, они имеют инструкции по эксплуатации и гарантийные обязательства. Это вполне надежные, испытанные элементы еще, конечно, далеко не сформированной многоцелевой системы наблюдений в Арктическом бассейне. Некоторые типы этих устройств после минимальных модификаций легко адаптировать для работы и в относительно мелководных арктических морях.

Все современные роботизированные устройства похожи на конструкторы. До 80% элементов арктических роботизированных систем напрямую позаимствовано у схожих устройств, разработанных для открытого океана. Все они определяют координаты приемниками GPS, а передают результаты измерений своих датчиков с помощью sms через IRIDIUM. У всех у них автономное питание рассчитано на один–три года, но зачастую они перестают работать раньше из-за механического разрушения льдины, на которой установлены. Для всех них подразумевается одноразовое использование.

Наиболее «понятная простым людям» информация от автоматических устройств морской Арктики поступает с веб-камер. Это просто фотографии, которые с интервалом в два часа поступают на сайт, поддерживаемый тихоокеанской лабораторией администрации США по вопросам океана и атмосферы (NOAA). Вообще-то веб-камеры устанавливаются так, чтобы следить за внешним состоянием других находящихся неподалеку автоматических устройств и для того, чтобы определять уровень снежного покрова.

Но доступность информации – и поэтому массовый интерес к ней – приводит иногда к смешным ситуациям. Так, в середине июля прошлого года одна из камер, установленная в апреле того же года при моем участии вблизи Северного полюса, показывала в секторе своего обзора размерами пары сотен метров снежницу, то есть талую воду на льду. Ряд американский изданий опубликовал эти снимки под заголовками «Северный полюс тает» и, конечно, связал наблюдаемое явление с неумолимым потеплением климата. Несколько российских информационных порталов перепечатали эту новость.

268-15-2_t.jpg
Установка буя, измеряющего поток тепла от океана ко льду,
AOFB вблизи Северного полюса в апреле 2014 года.

Потом американские журналисты обратились наконец к владельцу этой камеры, известному полярному океанологу Джимми Морисону из Университета штата Вашингтон за комментариями. Доктор Морисон, как истинный профессионал, объяснил, что и снежницы последние 100 лет – это обычное явление в летней Арктике, и камера с апреля уже сдрейфовала от полюса на юг на 600 км. Американские издания опубликовали опровержение первоначальной информации. Интересующиеся российские читатели перевод опровержения на наших порталах не увидели и так и остались, вероятно, под влиянием выдуманной сенсации.

Буй бую – рознь

Устройства, применяемые в Арктике, измеряют вместе с атмосферным давлением и температурой характеристики льда его толщину, температуру в нем и в 5–15 м подледного слоя воды толщину снега. Если кому-то захочется прямо сейчас узнать, как менялась толщина льда на 5–10 льдинах Арктического бассейна за последние несколько месяцев, то достаточно просто пройти в Интернете по ключевым словам Ice Mass Balance Boy и увидеть графики «сырых» данных. Так, несколько американских лабораторий, владельцы буев по измерениям «баланса» морского льда, изобретенных в США и производимых в Канаде, на весь мир представляют часть результатов работы этих буев.

Второй тип устройства для измерения характеристик льда, начавших свою работу в Арктике только три года назад, изобретен и выпускается поштучно Университетом Пьера и Марии Кюри в Париже. Буи этого типа измеряют все то же, что и буй «баланса», но еще и течение воды в приледном слое. Информация с французских устройств доступна только самим владельцам-изобретателям и автору этих строк (просто по дружбе, пока без всяких официальных или долговременных обязательств). В распространении результатов измерений с арктических роботизированных устройств не выработано пока единых международных соглашений или договоренностей.

268-15-1_t.jpg
IAOOS и веб-камера. Апрель 2014 года.
Российская ледовая сезонная дрейфующая
база «Барнео». Планета Земля.

Когда ученые пытаются оценить роль океана в таянии арктического морского льда, они используют некую давно известную математическую формулу. Десятилетиями в эту формулу подставлялись величины точно не измеренные, а только оцененные из тех или иных соображений. Теперь же «автономный буй потока от океана» (AOFB) высокоточными датчиками напрямую измеряет все входящие в формулу параметры верхних пяти метров океана подо льдом. По двум–четырем таким буям, дрейфующим одновременно, потоки тепла от океана вычисляются ежечасно в двух–четырех точках Арктического бассейна.

Интересно, что это устройство разработано и изготавливается в аспирантуре Военно-морского флота США. Может, в силу этого AOFB обладает целым рядом механических конструктивных особенностей, характерных и для лучших образцов отечественных разработок оборонных организаций, а именно высочайшей «дуракоустойчивостью». Поскольку мне довелось самому устанавливать примерно четверть из всех существующих устройств этого типа, могу сказать: практически невозможно ошибиться при их размещении на льду, несмотря на известный факт, что общая сообразительность людей при длительных работах на большом морозе, мягко говоря, снижается.

Океан – в профиль

Если перечисленные выше роботизированные системы по измерениям характеристик льда и приледного водного слоя измеряют то, что в эпоху ручного труда в Арктике никогда и не измерялось, то следующие три типа таких систем представляют собой прямую альтернативу многолетним усилиям поколений полярников. Речь идет об измерениях вертикальных профилей температуры, солености, иногда растворенного кислорода в океане.

Такие профили, так называемые CTD – это базовые характеристики для океанологии, без которых невозможен расчет постоянных течений, тепловых и других изменений в океане и многое другое. Так вот, за девять месяцев своего героического дрейфа знаменитая четверка советских полярников-папанинцев измерила 37 таких профилей. Сегодня же каждый день в 15.00 по московскому времени я на свой московский институтский компьютер получаю из центральной морской Арктики только от одного типа роботизированных сиcтем CTD 40 таких же, но гораздо более высокоточных профилей. Как и в случаях с ледовыми системами, оперативное поступление данных – это просто добрая воля коллег по исследованиям, которые владеют устройствами, а не результат принятых стандартов обмена данными.

268-15-5_t.jpg
Установка группы роботизированных систем на льду
вблизи Северного полюса в апреле 2014 года.
На переднем плане – уже установленный
измеритель характеристик
льда IMBB, вблизи вертолета –
уже установленный AOFB.

Существуют устойчиво работающие арктические автоматические системы CTD американского (ITP), японо-канадского (POPS) и французского (IAOOS) изготовления. Все они имеют похожий элемент – металлический цилиндр, начиненный электроникой и снабженный датчиками. Цилиндр, с помощью мотора ли или изменяя свой вес в воде, двигается вдоль натянутого грузом кабеля и производит измерения от одного до шести – как запрограммируешь – раз в сутки в слое океана 0–1000 м.

Пройдя вертикаль, цилиндр через стандартный подводный модем передает информацию на блок, стоящий на льду. Блок добавляет к морским данным сведения о координатах и пересылает все это на заданные адреса. Помимо этого надледным блоком системы POPS измеряются температура и давление воздуха. Блок же IAOOS – это вообще «три в одном»: он измеряет еще и характеристики ледового покрова и работает как стандартная метеорологическая станция, и даже измеряет высоту облаков. Одна беда: IAOOS настолько сложен в установке на льду, там так много непродуманных механически конструктивных решений, что пять человек должны трудиться непрерывно не менее 24 часов, чтобы запустить это устройство. Вызвано это очевидным отсутствием у французских инженеров практического опыта работы на льду. Ну да, судя по ежегодным усовершенствованиям, этот опыт стремительно наращивается.

Роботизированные устройства «открывают» новый Арктический бассейн, в водной толще которого, оказывается, существуют энергичные фронтальные зоны, например, что было невозможно заметить ранее по результатам дрейфа одной-трех обитаемых станций или редчайшим ледокольным экспедициям.

Действительно, за все время героических дрейфов советских станций «Северный полюс» начиная с 1937 года в центральной морской Арктике было получено не более 5 тыс. профилей температуры-солености; а только системы ITP и только c 2007 года получили более 80 тыс. профилей, и ежегодный прирост такого типа данных увеличивается.

268-15-3_t.jpg
Автоматическая метеорологическая станция.
Российская сезонная дрейфующая база «Барнео»
в апреле 2014 года.
Фото из архива автора

* * *

Настоящая революция в технике измерений в глубоководной центральной морской Арктике произошла и энергично продолжается. Направление развития этой области знаний о земле задано. Россия же в своих фундаментальных и индустриальных арктических морских исследованиях «прижалась» к своим берегам. У нас не только нет роботизированных систем, упомянутых выше, но нет и внятного плана посильного участия в происходящей технической революции, от некоторых последствий которой (множество свободно дрейфующих измерительных систем, например) не отгородиться границей исключительной экономической зоны.

А ведь наши арктические моря, по сути, – заливы Арктического бассейна. Состояние природной среды морей зависит от состояния глубоководной морской Арктики. Пока отечественные позиции в арктических исследованиях еще не плохи, нужно срочно и рационально обозначить свое место в международной многоцелевой роботизированной системе наблюдений в Центральной Арктике. Иначе придется только рассказывать «новым арктическим игрокам» о бесспорных, но прошлых достижениях.


Комментарии для элемента не найдены.

Читайте также


Номенклатура следующего хозяина Белого дома будет антикитайской

Номенклатура следующего хозяина Белого дома будет антикитайской

Владимир Скосырев

Проводниками внешней политики, вероятно, станут чиновники, считающие  КНР угрозой для США

0
1489
Ни у кого нет полной картины рынка труда. Даже у ЦБ

Ни у кого нет полной картины рынка труда. Даже у ЦБ

Анастасия Башкатова

Центробанк усомнился в данных рекрутинговых компаний

0
1788
Картофель россиянам привезут из дружественных стран

Картофель россиянам привезут из дружественных стран

Ольга Соловьева

Кабмин выделит 30 миллиардов рублей на субсидирование льготных кредитов для аграриев

0
1860
Оправдательных приговоров по-прежнему четверть процента

Оправдательных приговоров по-прежнему четверть процента

Екатерина Трифонова

Обвинительный уклон обусловлен требованием стабильности судебных решений

0
1444

Другие новости