7) Период изучения Земли как системы: 1995 – по настоящее время (2010). Характеризуется глобальным изучением взаимодействия биологических, химических и физических процессов в океане, атмосфере и на суше с использованием данных полученных in situ (на месте) и из космоса. Появление и активное использование численных моделей океанической и прибрежной циркуляции. World Ocean Circulation Experiment (WOCE) и Topex / Poseidon, Sea WiFS и Join Global Ocean Flux Study (JGOFS).
Из хронологии видно, что развитие океанологии как науки началось чуть более ста лет назад, до этого она представляла собой несистематизированные, частично секретные, наблюдения. Можно видеть, что резкие скачки в развитии обусловлены либо появлением новых методов исследования, таких как спутниковые наблюдения, либо увеличившимся обменом информацией, как, например, в экспериментах MODE и POLYMODE, проводимых учеными из СССР и США совместно в 70-х годах. Еще одним необходимым условием развития являются рутинные наблюдения состояния океана, число которых неуклонно растет в последнее время.
Из написанного очевидно следует, что мы находимся на этапе постепенного обобщения всех имеющихся знаний об океане и систем наблюдения за ним. По нашему мнению, данный этап завершится формированием единой системы получения и обработки данных о мировом океане, прототипами которой уже сейчас можно назвать такие системы как TerraGrid, ЕСИМО (Единая Система Информации о Мировом Океане), Мировые Центры Данных Всемирной Метеорологической Организации (МЦД WMO). Эти системы будут подробно рассмотрены ниже.
Устройства измерения данных об океане
Если не считать наблюдения “на глазок”, проводимые моряками с давних времен, то первым регулярно и точно измеряемым параметром океана был уровень воды в нем. Измерения этого параметра были жизненно важны для кораблевождения в гаванях и около входов в порты, чтобы корабли не сели на мель. Точных данных о том, кто первым начал систематически измерять уровень моря нет, в России эти измерения начались в 1703 г. в Санкт-Петербурге по приказу Петра I. Тогда измерения проводились относительно неподвижно установленной вертикальной рейки с делениями – футштока. Сейчас все высоты и глубины в России привязаны к высоте уровня моря, относительно Кронштадтского футштока. Однако такой способ измерений слишком сильно зависит от высоты волн в момент измерения и зачастую данные об уровне моря не являются точными. Постепенно способ измерения уровня претерпел изменения, в 1880-х годах на смену футштокам пришли автоматические мареографы (уровнемеры). Мареограф представляет собой колодец, глубиной больше самого низкого, отмеченного в месте установке, уровня моря. В нижний конец колодца вделана трубка, которая вторым концом соединена с морем, эта трубка заканчивается большим ситом. Сито закреплено якорем и приподнято над дном при помощи буйка, таким образом, вода может свободно входить в колодец, но благодаря мелкому ситу движение волн не передается. В колодце плавает поплавок, к которому предела цепочка или проволочка, идущая до верха колодца; там она навивается на колесо. К колесу приделан карандаш, который рисует линию на втором, вращающемся с постоянной скоростью, цилиндре. Таким образом, изображение на бумаге отражает изменение уровня воды в водоеме. Данный прибор позволил проводить непрерывные двухнедельные серии наблюдений (при должной длине полоски бумаги).
Полученные таким образом серии наблюдений позволили разработать теорию приливов и приливных течений [3], а в 1897 г. Дж. Г. Дарвин разработал метод предвычисления приливов, основанный на гармоническом анализе. Данный метод применяется и по сей день.
В настоящее время существует глобальная система наблюдений за уровнем моря (GLOSS) под эгидой Совместной технической комиссии Всемирной Метеорологической Организации и Межправительственной океанографической комиссии. Основными данными, содержащимися в этой системе, являются данные спутниковой альтиметрии, которые, хоть и проигрывают в точности данным мареографов открытого моря, но намного более дешевы в получении.
Изначально в задачи спутниковой альтиметрии входило точное измерение высоты и формы Геоида – уровенной поверхности гравитационного поля Земли, совпадающей с невозмущенной поверхностью океана. Первым альтиметрическим спутником, запущенным в мае 1973 года является SkyLab-4. Высота морской поверхности, относительно Земного эллипсоида рассчитывается по высоте спутника над уровнем моря, полученной в процессе наблюдений и высоте орбиты самого спутника, известной при его запуске. Для решения геодезических задач орбиты спутников подбираются таким образом, чтобы плотность покрытия подспутниковыми трассами поверхности океана была максимальной. Наиболее продуктивными наблюдениями являются данные, полученные со спутников серии ГЕО ИнтерКосмос (1985-1994 гг.) и TOPEX/Poseidon (TOPography EXperiment 1992-2005 гг.). [6]
Исторически первыми наблюдениями за течениями были записи мореплавателей в корабельных журналах. Одним из первых открытых постоянных течений можно считать Гольфстрим, открытый в 1513 году Хуаном Понсе де Леоном, участником второй экспедиции Колумба. Позже, штурман экспедиции четвертого плавания Колумба, старший кормчий Антонио Аламинос первым отметил на своих картах направление движения открытого испанцами течения и угадал, что оно должно доходить до берегов Западной Европы, и предложил пользоваться им при возвращении из Вест-Индии домой. Однако, известным для остальных европейцев это течение стало намного позже, связанно это было с тем, что Испанцы держали свои сведения об открытиях в секрете. Человеком, составившим первую карту этого течения, был американский ученый Бенджамин Франклин. Назначенный генеральным почтмейстером, он заинтересовался: почему почтовые суда, курсирующие между Англией и ее колониями в Новом Свете, пересекают океан с запада на восток быстрее, чем в обратном направлении? Франклин изучил вахтенные журналы и карты китобоев. Кроме того, он сам, пересекая Атлантику, каждый день заставлял матросов черпать забортную воду деревянным ведром и измерял ее температуру. Так ему удалось установить, когда судно вошло и когда вышло из зоны теплого течения. На основании полученных данных Франклин и составил одну из первых карт Гольфстрима [5].
Сейчас различают измерение течений Лагранжевыми и Эйлеровыми методами. Лагранжевы методы предполагают получение некоторым способом траектории движения частиц воды, с последующим определением течения как усредненной траектории для множества частиц. Эйлеровы методы предполагают измерение скорости и направления потока в фиксированной географической точке.
Метод Лагранжа основан на отслеживании положения поплавка (дрифтера) связанного с определенным водным объёмом на поверхности или на некоторой глубине. Средняя скорость за определенный период времени определяется как отношение расстояния между двумя положениями дрифтера в начальный и конечный моменты периода ко времени перехода дрифтера из начальной в конечную точку. Возникающие при этом ошибки имеют следующую природу:
1) Дрифтер не связан жестко с локальным объёмом воды, т.к. поверхностный ветер постоянно сносит его относительно водной массы.
2) Имеют место ошибки в определении положения дрифтера.
3) Селекция в наблюдаемых данных, связанная с тем, что дрифтеры сносит в области конвергенции, а зоны дивергенции, при этом, остаются не покрытыми наблюдениями.
Наиболее известной является система наблюдения за течениями “Аргос”. Буи, входящие в систему, снабжены передатчиками, работающими на одной строго фиксированной и стабилизированной частоте F0. Спутниковая аппаратура принимает сигнал от буя и определяет доплеровский частотный сдвиг как функцию времени t. Частота, принимаемая спутником, задается выражением: (вставить выражение в виде формулы) dR/dt * F0/c +F0
где R - расстояние между спутником и буём, с - скорость света. Чем ближе буй к спутнику, тем быстрее меняется частота. При F = F0 достигается стационарность изменения расстояния. В этот момент R достигает минимума, и скорость спутника перпендикулярна линии, соединяющей спутник и буй. Время наибольшего сближения и скорость изменения доплеровской частоты в этот момент позволяют определить положение буя относительно орбиты спутника с точностью до 180˚ (т.е. с точностью до полушария). Этой неопределенности удается избежать благодаря точному знанию орбиты спутника и многократным наблюдениям одного и того же буя.
Точность, определяемого таким образом положения буя, зависит от стабильности передаваемой им частоты. Система «Аргос» обеспечивает точность положения ± (1 – 2) км при 1 – 8 наблюдениях за сутки в зависимости от широты. Поскольку 1 см/сек ≈ 1 км/сутки и поскольку характерные скорости океанских течений составляют 100 – 200 см/сек, то такая точность представляется вполне приемлемой.
Среди подповерхностных (подводных) измерителей наиболее широкое распространение получили измерители «Арго» (Рис. 1). Их конструкция позволяет им дрейфовать между поверхностью и заданной глубиной. Большинство измерителей дрейфуют в течение 10-ти дней на глубине 1 км, погружаясь до 2 км и затем поднимаясь на поверхность. При подъеме они измеряют профиль температуры и солености как функции глубины. Измерители остаются на поверхности в течение нескольких дней, передавая данные на береговые станции по системе «Аргос», а затем опять погружаются на глубину до 1 км. Каждый измеритель снабжен источником питания, позволяющему ему функционировать в таком циклическом режиме в течение нескольких лет. Таким образом, измерители этого класса позволяют получать данные о скоростях течений на глубине 1 км. и распределении плотности в верхнем слое океана. Три тысячи измерителей «Арго» были размещены во всех частях Мирового океана в ходе Глобального эксперимента по усвоению данных (GODAE, 1997 г. – по настоящее время).