За золотым руном

В конце прошлого года у океанологов и климатологов разных стран появился хороший повод открыть шампанское.

В конце прошлого года у океанологов и климатологов разных стран появился хороший повод открыть шампанское. Проект Argo перевалил свой воображаемый экватор, запустив в Мировой океан половину запланированных кибер-буев. А именно — полторы тысячи штук. Вы не слышали об этом международном проекте? Тогда расcкажем обо всем по порядку.

Изучение океана и его влияния на погоду насчитывает уже не одно столетие, однако до середины прошлого века наблюдения ученых ограничивались только поверхностью. Заглянуть вглубь, а тем более вести там длительные наблюдения было невозможно. Только с середины 1950-х годов начались инструментальные измерения, которые проводились с помощью погружаемых буев. Поначалу эти аппараты почти не содержали электроники и выполняли роль щепок, брошенных в реку. Дрейфуя на больших глубинах, они периодически подавали звуковые сигналы, которые пеленговались океанографическими судами и позволяли определить координаты зонда. Кстати, даже по форме первые аппараты напоминали гигантские щепки — длинные алюминиевые трубы, заполненные жидкостью, сжимаемой меньше морской воды. Наблюдая за подводным движением таких маяков, ученые смогли обнаружить крупные глубоководные течения, невидимые инерционные и приливные колебания океана. Лучше всего была изучена северная Атлантика — ближайший и самый обжитый морской регион.

В 70-е годы развитие электроники позволило устанавливать на буи более сложные детекторы и постепенно превращать их в полноценные исследовательские зонды. Размеры буев могли быть достаточно большими, батареи — емкими, собранная информация — очень важной, но проблемой по-прежнему оставалась передача данных. Как известно, морская вода проводит электричество, а значит — экранирует радиоволны. Поэтому удобная радиосвязь, позволяющая управлять приборами даже на других планетах, в океане оказывается бесполезной. Если подлодки еще могут кое-как использовать ее, применяя сверхнизкие частоты и киловаттные мощности, то для погружаемых буев это невозможно. До сих пор у них есть только два выхода — передавать данные звуком, который в воде распространяется далеко, или всплывать на поверхность, поднимая над водой антенну.

В 70-е годы, как в заякоренных, так и в дрейфующих зондах, применялись оба способа связи, но по мере развития исследовательских спутников радио стало доминировать. Спутники впервые позволили ученым не охотиться за буями на океанографических судах, а сидеть в институтах и с комфортом принимать данные, собранные со всего земного шара. Осваивая эту технологию, океанологи проводили все более глобальные эксперименты, пока, наконец, в 1990 году не начался WOCE (The World Ocean Circulation Experiment; www.woce.org) — эксперимент по изучению циркуляции всего Мирового океана. Этот проект впервые потребовал покрыть зондами все океаны (на поверхности и под ней), и в его рамках был создан новый тип автономных аппаратов, которые могли многократно погружаться, дрейфовать на глубине и всплывать для передачи собранной информации.

Проект был международным, и в нем применялось несколько разновидностей зондов (например, SLOCUM — без батарей, питающийся за счет разницы температур), но главное — была отработана конструкция автономных аппаратов, свободно дрейфующих в глубине, а при всплытии — передающих данные через спутник. В большинстве случаев для этого использовалась орбитальная система Argos, состоящая из нескольких ретрансляторов на спутниках американского метеоведомства NOAA (Ретрансляторы Argos System всегда составляли лишь часть полезной нагрузки метеоспутников). Они вращались на низких (850 км) полярных орбитах и за сутки несколько раз сканировали всю планету, принимая данные из любого медвежьего угла.

Океанские зонды WOCE погружались на километровую глубину, а их установка длилась до конца 90-х, но уже в середине проекта ученые поняли, что сбор данных такими зондами чрезвычайно перспективен и его надо расширять. Так и родился проект Argo, своим названием не связанный ни с Argos System (через которую идет передача его данных), ни с военным спутником ARGOS, запущенным в 1999 году по заказу ВВС США. Согласно FAQ’у на официальном сайте www.argo.net, имя выбрано «для отражения синергии исследований проекта с орбитальным зондированием океанов, которое проводит спутник Jason-1» (Греческий герой Язон плавал на корабле Арго за золотым руном. Кстати, главная задача спутника Jason-1, выведенного на орбиту в 2001-м — съемка рельефа морской поверхности с ошибкой не более 45 мм, успешно завершилась 7 декабря прошлого года. Съемка подтвердила старые рассказы моряков о необычно высоких волнах, внезапно возникающих посреди спокойного океана).

Сегодня автоматические погружаемые зонды для проекта Argo изготавливаются в США и Франции. Возможно, в скором времени их начнет выпускать Индия. Конструкции разных производителей отличаются в деталях, но в целом они похожи, как родные братья. Самые популярные зонды APEX (американской Webb Research Corporation) представляют собой алюминиевые цилиндры диаметром 16,5 см, высотой 1,3 м и весом 26 кг. Они могут плавать, как буйки на поверхности воды, и они это делают, когда передают собранные данные, но главное — они могут погружаться. Внутри корпуса находится электромотор с поршнем, а под корпусом — пузырь со специальной жидкостью. Двигая поршень, мотор выдавливает жидкость из цилиндра в пузырь, или наоборот — засасывает внутрь, отчего зонды всплывают и погружаются на заданную глубину.

Прочность и простота инициализации аппаратов (в APEX надо лишь ввести регистрационный номер и провести магнитом по нужному месту), позволяют сбрасывать их даже с низколетящих самолетов. После попадания в воду каждый зонд проекта Argo находится на поверхности несколько часов, измеряя температуру и соленость воды. Затем, по команде собственного процессора, начинается погружение на два километра со скоростью около 10 см/с. Это занимает более шести часов, после чего зонд дрейфует девять дней в глубоководных течениях. На девятый день начинается всплытие, при котором записывается окружающая температура и соленость. Добыча этих данных (от 2 км до поверхности, в случайной точке океана) и есть главная задача зонда.

После подъема на поверхность запись передается через Argos System на частоте 401,65 МГц в виде пакетов длиной до 256 бит. Это обычные характеристики для орбитальной системы Argos System, созданной, кстати, еще в 1979 году и сегодня обслуживающей более 10 тысяч наземных передатчиков (Маяки Argos System крепят даже на животных и крупных птиц. Обслуживание одного передатчика в системе Argos стоит примерно 10 долларов в сутки за данные и вычисление координат, и вдвое меньше только за данные. Подробнее см. www.argosinc.com). Сейчас Argos System состоит из двух спутников, которые проходят над любой точкой экватора (в зоне радиовидимости) шесть-семь раз в сутки, а над полюсами 28 раз. «Окно» радиосвязи (пока односторонней) длится около десяти минут. Интересно, что эта система позволяет определять координаты наземных маяков безо всякой GPS. Принимая сигналы, два спутника фиксируют доплеровский сдвиг частот (когда приближаются к передатчику и удаляются от него), а наземный центр обработки может вычислить по таким сдвигам расположение маяка с точностью от 1 км до 150 м.

Океанские зонды дрейфуют на поверхности воды до полусуток, а затем опять погружаются (Глубина подводного дрейфа может быть задана и меньше 2 км, но перед всплытием зонд все равно должен попытаться нырнуть и снять данные, начиная с двухкилометровой глубины). Щелочные батареи, занимающие большую часть алюминиевого корпуса, позволяют выполнить более полутора сотен циклов погружение-всплытие. В промежутках между ними зонд почти не расходует энергии, поэтому общий срок работы должен составлять четыре года.

Хотя аппараты полностью отданы на волю волн, океанологи утверждают, что их будет редко выбрасывать на берег — гораздо чаще они будут попадаться в сети рыбакам, но такая естественная убыль не должна сильно повлиять на ход проекта. Большинство зондов проработает положенный срок до разряда батареи, когда они не смогут всплыть на поверхность и останутся в глубине, пока коррозия не разрушит корпус и они не упадут на дно. По словам изготовителей, зонды не содержат опасных для гидросферы материалов, не засоряют океан шумом и не вредят кораблям, если тем случается их «переехать».

Каждый такой аппарат стоит примерно 15 тысяч долларов, еще в такую же сумму обходится годовая обработка его данных. Начиная проект в 2000 году, участники собирались запустить полторы тысячи зондов до конца 2003-го, однако это случилось годом позже. Всего должно быть установлено три тысячи устройств, а потребуется на это более 200 млн. долларов. Сейчас в проекте участвуют восемнадцать стран, но очень неравномерно. Почти половину зондов установили США, а, например, Россия, смогла выделить деньги, по одним данным, на четыре, по другим — лишь на два аппарата (см. rus.hydromet.com/~argo).

Аrgos System передает информацию с океанских зондов тем ученым, которые оплачивают ее обработку (обычно это национальные метеоцентры), поэтому на большинстве этапов проект Argo является децентрализованным. После проверки, температурные данные зондов должны в течении суток (Данные о солености задерживаются на несколько месяцев, поскольку выводятся из электропроводности воды и их правильное вычисление требует учета дополнительных сведений) передаваться во Всемирную сеть метеоинформации, где они становятся общедоступными, а также в глобальные координационные центры проекта, расположенные в Монтеррее (США, www.usgodae.org) и Бресте (Франция, www.coriolis.eu.org).
Обходясь без обычных бюрократических структур, Argo является весьма гибкой инициативой, к которой легко присоединиться новым участникам. Конструкция зондов может постоянно меняться и насыщаться дополнительными сенсорами, соблюдая лишь основные требования к проведению замеров температуры и солености. Например, 31 августа прошлого года французские океанологи сбросили в центр атлантического урагана три зонда, оснащенных приемником GPS и терминалом связи системы Iridium. Они были запрограммированы держаться несколько суток на малой глубине, чтобы случайно не быть поврежденными сильным волнением, но воспринимать общее движение штормовых течений. Скорость течения измерялась экспериментальным сенсором, учитывавшим электрический ток, возникающий от прохождения соленой воды сквозь магнитное поле Земли. Когда ураган утих, аппараты всплыли, им передали новую программу, и они присоединились к «племени Argo». Очевидно, что можно придумать и другие варианты похожих устройств.

В будущем двухсторонняя спутниковая связь с зондами несомненно станет обычной, и обновления их программ будут проводиться регулярно. Кроме того, со временем аппараты наверняка станут активно передвигаться, превратившись в настоящих подводных роботов. Наверное, у них не будет привычных гребных винтов — горизонтальное смещение обеспечат небольшие плавники, толкающие аппарат «вбок» при погружении и всплытии обычным способом. Такой способ движения уже испытан и прошлой осенью позволил роботу Spray самостоятельно проплыть в океане тысячу километров — за пятьдесят дней, от мыса Код до Багамских островов (с попутным Гольфстримом). За одно погружение-всплытие на километровую глубину, длившееся десять часов, Spray продвигался по горизонтали на 5 км, что было вполне достаточно для перехода в нужные течения. Примечательно, что конструкция Spray повторяет зонды Argo. Разница лишь в наличии у Spray двух коротких «крыльев», из-за которых его называют «подводным планером» (Underwater Glider), да подвижной батареи, позволяющей сдвигать центр тяжести аппарата, меняя его крен.

Несомненно, что после отработки технологии и удешевления, «планирующие роботы» постепенно вытеснят пассивные зонды Argo. И если кому-либо из читателей в море попадется такая штука — не спешите ее распиливать. Лучше оттяните подальше от берега и выпустите на волю.