egor.htm



По крайней мере два обстоятельства представляются очевидными,
когда речь заходит о влиянии Арктического бассейна на климат Земли. Во-первых,
в этом бассейне образуются, в виде льда и так называемой Арктической поверхностной
водной массы, пресные воды, которые затем поступают в Северную Атлантику.
В зависимости от интенсивности поступления этих вод могут происходить существенные
изменения не только в характере циркуляции на севере Атлантического океана,
но и, через систему межокеанской термохалинной циркуляции - «conveyor belt»,
во всем Мировом Океане. Во-вторых, сезонные и межгодовые изменения в распространении
и свойствах Арктического морского льда приводят к изменениям планетарного
альбедо. За этим следуют изменения количества энергии, получаемой атмосферой
Земли, глобальных меридиональных градиентов температуры и зональной атмосферной
циркуляции. Процессы генерации распресненных вод и динамика ледового покрова
на межгодовых периодах, в значительной мере определяются состоянием водных
масс Арктического бассейна.

Большинство моделей (например [Манабе и др., 1991]), исследующих
возможные климатические последствия увеличения концентрации атмосферного
СО2, демонстрируют большее, по сравнению с другими широтами,
возрастание температуры воздуха в Арктике, уменьшение толщины и площади
распространения Арктических льдов, потепление вод Арктического бассейна.

Иными словами, все результаты современной климатологии
свидетельствуют о важнейшей роли самого маленького из земных океанов -
Северного Ледовитого и его глубоководной части - Арктического бассейна
в формирование глобального климата, а также об уникальной чувствительности
этих районов к колебаниям и возможным трендам климата. Трудно переоценить
роль Арктики и в формировании короткопериодных, с периодом - десятки лет,
колебаний климата непосредственно на территории России. Последнее даже
нашло свое отражение в расхожем выражении «Арктика - кухня погоды».

Несмотря на это, многие, в том числе и относящиеся к климатообразующим,
процессы в Арктическом бассейне изучены недостаточно, для того, чтобы пытаться
их прогнозировать или даже надежно диагностировать. Причем, из-за трудностей
экспериментальных исследований в Арктике, количество, да и качество, натурных
измерений здесь существенно меньше, чем в подавляющем большинстве других
районов Мирового Океана.

Два-три года назад необходимость качественно нового подхода
к исследованию климата Арктики была осознана настолько, что международным
сообществом были начаты работы по специальной программе «Системное изучение
климата Арктики» (ACSYS).[ACSYS Scientific Steering Group, 1994]. Успешное
осуществление этой программы во многом связывается с применением в Арктическом
бассейне последних достижений в области наблюдения за климатически значимыми
параметрами океана.

Одним из наиболее современных дистанционных методов наблюдения
за климатом океана безусловно следует считать мониторинг изменчивости интегральной
температуры водных слоев на протяженных океанских трассах методом акустической
термометрии. Метод основывается на отчетливой зависимости скорости распространения
звука в океане от температуры воды. Предполагается, что если в течении
нескольких лет отслеживать изменчивость времени распространения акустических
сигналов между излучателем и приемником по разным лучам или так называемым
нормальным модам, то будет возможно определить наличие тренда или колебаний
интегральной температуры вдоль этой трассы в различных по глубине водных
слоях.

Идея акустической термометрии климата океана была предложена
У. Манком и A. Форбесом [W. Munk and A. Forbes,1989]. Возможность технической
реализации этой идеи и некоторые основные научные положения метода были
экспериментально проверены в Международном эксперименте "Heard Island
Feasibility Test" [W. Munk и др.,1994], в котором акустические
сигналы излучались в течение нескольких дней у берегов о.Херд и
принимались в Индийском, Тихом и Атлантическом океанах. В настоящее
время научные работы по проблеме акустической термометрии климата Мирового
океана проводятся в рамках Международного проекта "Acoustic Thermometry
of Ocean Climate" (ATOC). Проект включает в себя также исследования
возможности и эффективности акустического мониторинга климата в Арктике,
что было впервые предложено П. Михалевским [P. Mikhalevsky и др., 1991].

Моделирование акустического мониторинга выявило ряд специфических
особенностей и, в частности, преимуществ использования этого нового метода
измерений в условиях Арктического бассейна. Вид вертикального распределение
температуры и, следовательно, скорости звука в Арктическом бассейне обуславливает
преимущественно приповерхностное распространение акустических сигналов
в океане и сильное влияние параметров ледяного покрова на энергетические
характеристики этих сигналов. На частоте 20 Гц, оптимальной для трансарктических
акустических передач, время прохождения сигнала или его фаза чувствительны
к изменениям температуры воды в наибольшей степени, тогда как интенсивность
принятых сигналов сильно зависит от параметров ледяного покрова, и в первую
очередь, от его средней толщины. Таким образом, применение акустической
термометрии в Арктическом бассейне не только актуально, но также и наиболее
эффективено с точки зрения выявления существенных климатических
изменений, поскольку позволяет организовать мониторинг сразу двух климатически
значимых параметров - температуры океана и объема плавучих арктических
льдов.


Для исследований принципиальной возможности акустического
мониторинга климатической изменчивости Арктического бассейна в апреле 1994
г. был проведен Российско-Американский эсперимент по трансарктической передаче
акустических сигналов - ТАР(Transarctic Acoustic Propagation). Подготовка
и проведение эксперимента проходили под руководством Питера Михайлевского,
вице-президента американской компании SAIC (Science Applications International
Corporation). Российская часть работ, заключающаяся в обеспечении передачи
акустических сигналов и обработке результатов эксперимента, была выполнена
российской научной компанией "Акустика океана и информация" (Акустинформ).
Для проведения эксперимента компания привлекла ученых из Акустического
института, Института общей физики, Института океанологии (Москва) и Института
прикладной физики (Нижний Новгород). Низкочастотный акустический излучатель
был разработан и изготовлен в Институте прикладной физики. С американской
стороны в проведении эксперимента участвовали ученые из SAIC, Массачуссетского
технологического института и Вудсхольского океанографического института,
в том числе профессор А. Багероер, профессор Г. Шмидт и доктор К. Фриструп.

Проведению эксперимента предшествовала большая подготовка.
В Акустинформе был проведен ряд комплексных акустических и океанологических
исследований с помощью математических моделей, позволивших уточнить методику
эксперимента. В результате анализа имеющихся данных и численного моделирования
было также установлено, что за 5-10 лет, методом акустической термометрии
возможно выявление потепления верхних слоев Арктического бассейна величиной
порядка 0.01 градуса на фоне естественной изменчивости. Помимо инженерных
и научных работ были решены серьезные организационные задачи по развертыванию
единственной за последние несколько лет российской научной дрейфующей станции
в Арктике.

В ходе эксперимента, в течение 6 дней сигналы частоты
19.6 Гц передавались с российской научной станции "Турпан", дрейфующей
в 300 км севернее Шпицбергена, и принимались на американских дрейфующих
станциях "SIMI" и "Narwhal" в море Бофорта и море Линкольна
соответственно (рис.1). В ходе эксперимента передавались два типа акустических
сигналов: тональные и модулированные по фазе на четверть периода псевдослучайным
шумовыми последовательностями. Сигналы длительностью 1 час излучались периодически
каждые 3 часа. Частота излучаемого сигнала синхронизировалась высокостабильным
рубидиевым источником с относительной точностью 1Ч10-11. Рубидиевый
источник и частотный синтезатор работали непрерывно, сохраняя фазу сигнала
во время пауз в излучении. Излучатель электромагнитного типа был опущен
на глубину 60 м. Акустическая мощность излучаемого сигнала (около 250 Вт)
непрерывно контролировалась с помощью специального гидрофона, отнесенного
на 100 м от источника.

В лагере SIMI акустические сигналы принимались на 32-х
элементные линейную вертикальную и двехмерную горизонтальную антенны. Вертикальная
антенна общей длиной 217 м располагалась в верхних слоях океана на глубинах
от 60 до 280 м. Пространственное распределение гидрофонов горизонтальной
антенны, опущенных на глубину 60 м, имело сложную форму при максимальном
горизонтальном разнесении элементов антенны около 500 м. В лагере Narwhal
для приема сигналов использовалась 20-и элементная вертикальная антенна
длиной более 500 м. Все три ледовых лагеря использовали для навигации высокоточную
спутниковую систему GPS. Координаты станций в реальном времени непрерывно
регистрировались в компьютере. На передающей и обеих приемных станциях
также измерялись вертикальные распределения температуры и электропроводности
воды, с последующим пересчетом в значения скорости звука и других океанографических
параметров.


Эксперимент показал, что сущетвующими на сегодняшний день
техническими средствами можно передавать акустические сигналы через весь
глубоководный Арктический бассейн. Современные методы обработки и анализа
акустических сигналов позволили не только выделить принятые сигналы на
фоне естественных шумов океана на сверхдальнем расстоянии (более 2,5 тыс.
км), но и с высокой точностью измерить основные параметры этих сигналов,
несущие информацию о состоянии океана и его ледяного покрова. Впервые выделены
составляющие низкочастотного сигнала - моды, распространяющиеся в разных
океанских слоях. Получено высокое временное разрешение при измерении времени
распространения сигнала по различным модам, составляющее около 10 миллисекунд
для первой моды, распространяющейся у поверхности океана, и около 1,5 миллисекунд
- для последующих трех мод, захватывающих при распространении глубинные
воды и, в том числе, воды атлантического происхождения. Достигнутая точность
акустических измерений позволяет регистрировать изменение средней температуры
слоя атлантических вод на трансарктической трассе менее 0,5 миллиградуса!

Неожиданным, но очень важным результатом эксперимента
оказалось существенное расхождение измеренных и расчетных времен распространения
сигналов. Теоретические значения времени распространения были рассчитаны
по океанографическим данным 70-х годов, когда проводились отечественные
широкомасштабные и достаточно подробные гидрологические съемки почти по
всему Арктическому бассейну. На трассе Турпан-SIMI время распространения
второй акустической моды, рассчитанное по этим данным, почти на 1 секунду
больше измеренного в эксперименте. Такое различие привело к предположению
о потеплении слоя атлантических вод в Арктике в 90-х гг. относительно 70-х
в среднем на величину около 0,2 градуса! Такой вывод казался почти невероятным,
пока не были проанализированы данные океанографических измерений традиционной
техникой, которые проводились в 1993 и 1994 гг американскими и канадскими
научными экспедициями на ледоколах. Эти данные подтверждают результаты
акустической регистрации об относительном потеплении слоя атлантических
вод Арктического бассейна.

В рамках этой статьи невозможно представить все научные
результаты эксперимента ТАР и других исследовательских работ, касающихся
проблемы акустического мониторинга Северного Ледовитого океана. Читателю,
интересующемуся конкретными вопросами данной проблемы и более подробными
результатами исследований, мы можем порекомендовать для ознакомления научные
публикации, приведенные в списке литературы в конце статьи.


В результате эксперимента ТАР был решен целый ряд принципиальных
научных и технических вопросов, касающихся осуществимости и эффективности
акустического мониторинга климата океана в Арктике. Выводы проведенных
исследований легли в основу двухлетней научной программы акустического
мониторинга в Арктическом бассейне, названной ACOUS ( Arctic Climate Observations
using Underwater Sound). Эта программа предполагает проведение непрерывных
акустических измерений начиная с 1996 г. на одной-двух стационарных трассах
в Арктическом бассейне. В декабре 1994 г., в результате решения Межправительственной
комиссии по экономическому и научно-техническому сотрудничеству, Россия
и США подписали соглашение об объединении усилий в области акустической
термометрии Мирового Океана по проекту АТОС. Программа ACOUS будет одной
из первых совместных программ, реализующих это соглашение.

Выполнение российской части эксперимента ТАР оказалось
возможным благодаря финансовой и организационной поддержке Министерства
науки и технической политики Российской Федерации и американской компании
SAIC.


• А.Н.Гаврилов, Ф.И.Кряжев, В.М.Кудряшов, "Акустический
мониторинг Северного Ледовитого океана: численное моделирование условий
распространения сигналов", Акустический мониторинг сред (труды
II сес. РАО), 14-17, Москва, 1993.

• А.Н.Гаврилов, М.М.Славинский, А.Ю.Шмелев, "Теоретические
и экспериментальные исследования возможностиакустической термометрии климатической
изменчивости Северного Ледовитого океана", Успехи физ. наук,
N7, 1995

• ACSYS Scientific Steering Group. 1994 - Arctic Climate
System Study (ACSYS). Initial implementation plan(September 1994) . - WCRP-85,
WMO/TD-No.627.

• Manabe S., Stouffer R.J., Spelman M.J., Bryan K. 1991
-Transient responces of a coupled ocean-atmosphere model to gradual changes
of atmospheric CO2 Part 1: Annual mean response. - J. Clim.,
4, 785.

• W.H.Munk, A.M.Forbes, "Global ocean warming: An
acoustic measure?,J.Phys.Oceanog., 19, 1765-1778, 1989.

• W.H.Munk, A.Baggeroer, R.C.Spindel, T.G.Birdsall, "The
Heard Island Feasibility Test", J.Acoust.Soc.Am., 96(4),
2330-2343, 1994.

• P.N.Mikhalevsky, R.D.Muench, F.R.DiNapoli, "Acoustic
measurements of Arctic ocean warming", SAIC Proposal for NSF,
1991.

• P.N.Mikhalevsky, A.B.Baggeroer, A.N.Gavrilov, M.Slavinsky,
"Continuous wave and M-sequence transmissions across the Arctic",
J.Acoust.Soc.Am.
, 96(5, Pt.2), 3235, 1994.

• Mikhalevsky P.N., Baggeroer A.B., Gavrilov A.N., Slavinsky
M. 1995 - Experiment Test Use of Acoustics to Monitor Temperature and Ice
in Arctic Ocean. - EOS, v.76, N27, 265.

• Gavrilov A.N., Andreev M., Mikhalevsky P.N. 1995 -Measurements
of the Low-Frequency Transmission Loss in the Trans-Arctic Acoustic Propagation
Experiment. - Proc. of Oceans’95 MTS/IEEE.

• Gavrilov A.N., Mikhalevsky P.N. 1995 - Modeling an acoustic
response to long-term variations of water and ice characteristics in the
Arctic Ocean.- Proc. of Oceans’95 MTS/IEEE.

• A.N.Gavrilov, F.I.Kryazhev, V.N.Kudryashov, "Numerical
modelling of low-frequency sound propagation in the Arctic waveguide",
J.Acoust.Soc.Am., 94(3, Pt.2), p.1770, 1993.

Pisarev S.V. 1995 - The Oceanographic Conditions in the
Western Part of the Nansen Basin in april 1994. - Proc. of 23 General Assambl.
of IAPSO, 126.