Роботы прижились на Северном Полюсе

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.

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.

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.

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.

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.

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.