Геодезия

Първата българска мареографна станция в Антарктика, о-в Ливингстън

доц. д-р инж. Борислав АЛЕКСАНДРОВ

УАСГ, Геодезически факултет, катедра „Геодезия и геоинформатика”, Български антарктически институт, alexandrov_b@abv.bg

РЕЗЮМЕ

През 2018 г. успешно приключи поредната, 26-та Българска антарктическа експедиция. Едно от най-сериозните научни постижения в нея беше монтажа и пускането в действие на първата българска мареографна станция, както в Антарктика, така и изобщо извън българското черноморско крайбрежие. В Република България има изградени 4 такива станции – Варна, Иракли, Бургас и Ахтопол, а от декември 2017 година и на о-в Ливингстън, Антарктика. Перфектната координация на българските полярници надделя над тежките метеорологични условия и засилен ледоход в залива и станцията започна експериментално работа.   

Ключови думи: Антарктика, морско ниво, мареографни измервания

ВЪВЕДЕНИЕ

Антарктида е континентът с най-голямо ледено покритие, като в неговите 14 млн. км2, от които 98 % покрити с лед, се съхранява около 90% от сладката вода на Земята – или общ обем на леда – над 24 млн. км3. Средната дебелина на ледниковата покривка е 1720 m, като на места достига до 4300 m. Според математически изчисления ако ледът на Антарктида хипотетично се разтопи в кратък период, нивото на Световният океан ще се повиши със 70 метра. Една много голяма част от населението на Земята обитава крайбрежните зони, и то в пренаселени огромни мегаполиси, което идва да покаже каква е опасността от повишаване нивото на океана, дори и това да стане не мигновено, а постепенно във времето.

Според специалисти от NASA’s Goddard Space Flight Center в Greenbelt (Maryland), University of South Florida (Tampa) и Old Dominion University Norfolk (Virginia) и по данни на  NASA Sea Level Change Portal, морското ниво се е повишило със 7 см за последните 25 години (фиг. 1).

fig1

Фиг. 1. Динамика на океанското ниво в см

От спътникови данни е установена тенденция за ускоряване на този процес – през 90-те години на миналия век покачването на нивото на океана е било с около 2.5 мм/год., а сега – през 2018 г. е 3.4 мм/год.

При запазване на тази тенденция, прогнозите са за повишение с над 65 см до 2100 г., което е сериозен повод за безпокойство.  

1. ПРИЧИНИ ЗА КОЛЕБАНИЯТА НА МОРСКОТО НИВО

Затворената геопотенциална нивоповърхнина, съвпадаща със спокойното ниво на морета и океани, която във всяка своя точка е разположена перпендикулярно на посоката на силата на тежестта и продължена под сушата, се определя като геоид. Положението на свободната повърхност на океана се определя от въздействието на различни сили върху водната маса. Но тя никога не е в пълен покой, още повече като не е  еднородна среда, повърхността й не може да съвпадне напълно с геоидната повърхнина. По тази причина са въведени понятия като средно многогодишно, годишно, месечно или денонощно ниво, които позволяват първото им приближение да представя повърхността на геоида.

В зависимост от преобладаващата сила, движенията на реалната водна повърхност се определят като периодични и непериодични.

Първите се предизвикват от гравитационното взаимодействие между Земята, Луната и Слънцето (фиг. 2), както и от т.нар. инерционни сили на океанския електролит. Непериодичните колебания включват геодинамични и геотермални процеси в земната кора, както и физико-химични и механични въздействия. Вторият тип колебания са трудно или въобще непредсказуеми, тъй като включват подводни земетресения, изригвания на вулкани, вековни издигания на океанското дъно. Сравнително по-предвидими са ветровото въздействие върху водната повърхност, неравномерното разпределение на атмосферното налягане, колебания, свързани с плътността на водата и не на последно място изменението на водния обем вследствие на валежи, изпарение и ледниково топене.

fig2

Фиг. 2. Гравитационно взаимодействие между Слънце, Земя и Луна

Периодичните приливно-отливни колебания на морското ниво представляват двукратното му повишаване за денонощие на дадено място, последвано от две  отдръпвания от сушата. Продължителността на един прилив и съответно отлив е средно 6 часа и 12 минути. Разликата над 6 часа води до промяна във времето на приливите и отливите, които закъсняват с период от около 30-50 минути всяко следващо денонощие. Обяснението на този процес се дава от теорията на Нютон за приливите. Приливно-отливните процеси се наблюдават във всички океани, но поради разлики в характера на бреговата линия и шелфа, стойностите на приливите не са еднакви.

2.  ОБОСНОВКА НА ТЕХНИЧЕСКОТО ОСИГУРЯВАНЕ И МОНТАЖ

  При изграждане на мареографна станция са възможни три начина за получаване на информация за колебанията на морското ниво. Най-известните съоръжения са познатите класически мареографи, с изграден кладенец на брега, свързан като скачен съд с акваторията. В кладенеца е монтиран поплавък, свързан с пишещо съоръжение, което осигурява непрекъснат запис на промяната на нивото в кладенеца. Такъв тип са съществуващите в България четири мареографни станции, а именно – Варна, Иракли, Бургас и Ахтопол. От 2013 г. съвместно с тези мареографи, във Варна и Бургас функционират и  радарни мареографи, които се монтират над водната повърхност и следят разстоянието между сензора и водната повърхност. Информацията се предава по кабел или безжично и се събира като база данни от стойности, привързани към избрана нула на съоръжението.

Третият вид сензори са на принципа на хидростатичното налягане и се монтират под повърхността на водата (фиг. 3). По предварително избрана подходяща времева схема се записват стойности за височината на водния стълб, от които след определен период може да се изведе стойност на средно морско ниво с достатъчна точност.

fig3a

fig3

Фиг. 3. Принцип на действие на хидростатичен сензор и общ изглед

За конкретния случай при изграждането на мареографната станция в Антарктика след обстойно проучване стана ясно, че първите два начина за запис на нивото са неподходящи. Прекалено суровите атмосферни условия на мястото не позволяват изграждането на класически мареограф, тъй като осигуряването на незамръзнал кладенец би било невъзможно или необосновано трудно, особено за зимния период в Антарктика. От друга страна технологичният процес на строителството на такова съоръжение би породило екологични проблеми, свързани с въздействието на околната среда, както и огромен финансов ресурс. Радарните датчици са добро решение на тази задача, но за тихи повърхности, които не променят водното огледало поради вятър и заледяване. А и двата факта са налице, дори и през летния период, когато морската вода в повечето дни е без ледено покритие. Все пак климатичните особености не позволяват  този сензор да бъде надеждно стабилизиран над повърхността на водата и укрепен към скална основа.

За мареографна станция в акваторията на Българската антарктическа база (БАБ) беше избран хидростатичен сензор на фирмата „VALEPORT”, тип „Tidemaster”,  калибриран на 7.11.2017 г. от фирмата производител, и проследим по съответните стандарти на UKAS.

Създаването на мареографни станции предполага много технически трудности, тъй като се налага да се работи както на сушата, така и във водата. В суровите условия на Антарктика тези трудности, заедно с непредвидими рискове, нарастват в пъти. След доставянето на апаратурата до БАБ и продължителния процес на разконсервиране на базата, се пристъпи към търсене на подходящо място за монтаж на мареографния сензор. Твърде сложна и рискова задача, заради обхождането с гумена лодка тип „Зодиак” на километри брегова ивица, в опасна близост до скалите, където ще се търси мястото. Условията са такива, че с един опит не може да се намери оптималното място, налага се втори, трети път да се обхождат заливчета, потенциално възможни плитчини и скални откоси. Търси се удовлетворяване на всички изисквания, а именно: мястото да позволява монтаж на сензора без водолазна намеса, да бъде максимално защитен от преобладаващите ветрове, да бъде ограничен ледохода, да може свързващият кабел да  достигне подходящо място на брега където да се инсталира записващото устройство (логера). Това място на сушата трябва да позволява лесен достъп на оператор за обслужване и прехвърляне на данни, което да стане с лека алпийска техника дори и при влошаване на времето (фиг. 4). В действителност комплексно удовлетворяване на всички изисквания на този континент трудно може да се постигне.

fig4

Фиг. 4. Мястото за монтаж на сензора и логера

По тези причини се търси оптимално балансиран компромис, при който да се намали риска за хората, повреда или загуба на апаратурата, както и разместване на сензора. След избора на няколко предполагаеми места се започна с обход по скалите над брега, с оглед по-добрата видимост от височина за детайли при подходите и укрепването на станцията. Така до окончателното решение за място на монтаж се достигна след повече от 10 дни.  

Следващата стъпка беше подготовката на апаратурата за монтаж на дъното в зоната на двуметровата изобата без водолазна група. Това може да стане единствено като бъде прикрепен сензорът към достатъчно тежка конструкция, която да му осигури неподвижност във времето, със съображенията да бъде и достатъчно дълбоко за да не влияе прибоя, както и плаващи парчета лед в бреговата зона. Такава дълбочина не допуска навлизането на по-обемисти айсберги, а естественото ограждение от подводни скали допълнително осигурява защита на конструкцията. Самият сензор беше закрепен в предпазен метален кожух, а кабелът, водещ до логера, покрит със специална удароустойчива неръждаема тръба.

Най-сложна се оказа работата по транспортиране на тежката над сто килограма метална конструкция до набелязаното място. Както беше споменато по-горе, всяко влизане в океана в акваториите на полярните бази се осъществява с гумени лодки, придвижвайки се много често в полузамръзнала ледена каша (фиг. 5).

fig5

Фиг. 5. Придвижване в ледената каша

Рискът от пробив на балоните на лодките вследствие на сблъсък с остри парчета лед е голям и движението става много бавно и с изключително внимание. Не трябва да се допуска срязване на лодките, тъй като температурата на океана варира между -1.5 и 1.00 С и престоят на човек във водата е ограничен до минути. Допълнително утежняващо обстоятелство беше пренасянето върху бордовете на лодката на тежката метална конструкция с остри краища. За транспорта и монтажа на станцията целият работен екип беше синхронизиран до последния детайл, и като се има предвид, че всички са опитни в тези условия, операцията приключи без усложнения (фиг. 6).

fig6a

fig6

Фиг. 6. Транспортиране и монтаж на подводния сензор

Накрая беше укрепен свързващият кабел към скалните пукнатини с помощта на алпийски клинове и метално осигурително въже. За целта се наложи включване на алпинист над мястото на монтаж, който да поеме въжетата от лодката. Целият високорисков процес отне на екипът от 12 души няколко силно напрегнати часа, в които за пореден път се доказаха волята и духът на българските антарктици.

Остана последната, изцяло научна задача – да се пусне в действие мареографната станция и да се убедим, че данните се записват надеждно в логера. В скалата беше приспособена малка скална площадка с размерите на таблет, на която да може да се постави лаптоп при прехвърляне на данни или обслужване на станцията (фиг.7).

fig7

Фиг. 7. Мястото на укрепване на логера

След всички перипетии и напрежение, на 27 декември 2017 г беше пусната в действие първата българска мареографна станция в Антарктика, и въобще извън пределите на България. Благодарение на опита и отговорността на участниците в XXVI–та българска експедиция, станцията стартира работа без да бъде допуснато каквото и да е произшествие с хора или технически средства.

3. РЕЗУЛТАТИ ОТ ОБРАБОТКАТА НА ЗАПИСАНИТЕ ДАННИ

Преди приключване на експедицията и зазимяване на Българската база, беше взето решение мареографната станция да се демонтира за периода на антарктическата зима, с цел сигурното й съхраняване до следващия сезон, когато тя ще бъде монтирана за постоянно. Успешното стартиране на проекта доказа, че можем да имаме действаща мареографна станция на о-в Ливингстън, да разчитаме на редовни данни за колебанията на океанското ниво и по този начин да сме част от големите нации, които осигуряват световната наука с информация за климатичните промени на Земята.

След като всички записи от логера бяха прехвърлени и обработени се изведе експериментално средно океанско ниво за различни времеви периоди: дневно, седмично и месечно ниво. За хидрографски измервания тези нива са напълно достатъчни като информационна база данни за съответния период, докато за климатична оценка и прогнозиране на приливно-отливните колебания ще се заложи на по-продължителни периоди на запис.    

Общо количеството записи от 45 дневния пробен период на работа е 4290 като беше фиксиран режим на запис В4. Мареографният сензор „Tidemaster” позволява следните варианти за записване колебанията на водната повърхност (табл. 1).

Таблица 1

Код на

настройката

Период на запис

(секунди)

Период между запис

(минути)

М1

1

2 секунди

В1

30

1

В2

40

6

В3

40

10

В4

40

15

В5

60

30

Тълкуванието на режим В4 е, че на всеки 15 минути сензорът прави непрекъснати отчети на разстоянието до повърхността в продължение на 40 секунди. По този начин се премахва влиянието на  динамичното състояние на водната повърхност, а в края на периода се осреднява една стойност, която остава в записите за този момент. Изчислява се и средната квадратна грешка на всяка стойност. Последната показана колона дава информация за състоянието на батериите на логера, което трябва да е около 6 V. На приложената извадка от запис се виждат детайлите на колебанията на нивото във времето:

Firmware version:       0741705B9

File Creation Date:     27/12/2017 13:58:09

Battery Level:    6.0

TideMaster S/N:         61825

Station ID:     LIVINGSTON BAB

Calibrated:      07/11/2017

Mode: B4

output format:            TIDEMASTER

Timestamp                          Depth        Depth stdev           Batt    

27/12/2017 14:00:00             3.34                 0.047               5.9      

27/12/2017 14:15:00              3.334               0.053               6         

27/12/2017 14:30:00              3.316               0.039               6         

27/12/2017 14:45:00              3.267               0.035               6

27/12/2017 15:00:00              3.284               0.048               6         

Този режим на запис е избран със следните съображения: приливът в района на БАБ достига до около два метра, което за среден период от 6 часа и няколко минути показва промяна на нивото не повече от 30 см на час. Така при записани стойности на всеки 15 минути можем да разчитаме на представителност на данни за максимален интервал във височинно отношение от порядъка на 7-8 см, което е напълно достатъчно за достоверна информация относно колебанията на нивото. В тази насока е предвиждана и издръжливостта на батериите. Тъй като на този пробен етап захранването е от алкални батерии, с прогнозен живот при тези условия и режим на запис, не повече от девет месеца, се избра компромисен вариант В4, който да осигурява дейност до следващите експедиции, при 15 минутен режим. В перспектива, когато захранването на мареографната станция ще стане от фотосоларни батерии, ще можем да си позволим варианта за сгъстяване на записите до 10 минути. По-кратки периоди не са целесъобразни заради огромното количество информация. 

От обработката на всичките 4290 информативни стойности се визуализираха вариантите на среднодневно, средноседмично и средномесечно океанско ниво, както и съпоставката с астрономичните данни за положението на Луната в наблюдавания период. Направено е и сравнение с прогнозни данни на Университета в Кадис, предоставени от Испанската антарктическа програма (фиг.8, 9, 10, 11, 12).

ednodneve

Фиг. 8. Среднодневно ниво

srednosedmichno

Фиг. 9. Средноседмично ниво

ednomesechen

Фиг. 10. Средномесечно ниво

vsichkizapisi dec feb

Фиг. 11. Съпоставка на колебанията на океанското ниво с фазите на Луната

sravnenie s prognoza

Фиг.12. Сравнение с прогнозни данни от Университета в Кадис

           

4. ПЕРСПЕКТИВИ ЗА РАБОТАТА НА МАРЕОГРАФНАТА СТАНЦИЯ

Към настоящият момент българската мареографна станция, макар и сезонна е от голяма полза за района на о-в Ливингстън,  а и особено престижно за страната ни като член на Антарктическата общност. Данните от станцията ще могат да се ползват и от експедициите на други държави. В перспектива целогодишните записи ще бъдат основополагаща информация за реален количествен анализ на глобалните климатични промени, на базата на изведено средногодишно морско ниво. Тя ще бъде използвана за изчисляване на прогнозните стойности на приливно-отливните колебания за цялата предстояща година, което е от изключителна важност за експедициите при работа с лодките в акваторията на о-в Ливингстън. Изведеното средногодишно морско ниво ще послужи за актуална информация при създаване и поддържане на височинна геодезическа основа на о-в Ливингстън, а самите данни ще могат да бъдат използвани за различни научни анализи в областта на Морската геодезия и Океанографията.

Перспективите за по-нататъшно развитие на проекта включват осигуряване преноса на информацията от ежедневните записи на данни за морското ниво по телеметричен път до България, което може да се осъществи като съвместен проект между българската и испанската антарктически програми. Допълнително се предвижда да се монтират сензори за изследване и запис на параметри на хидросредата – температура, соленост, прозрачност, рН, подводни течения и др., на различни подводни хоризонти, за изпълнението на което се предвижда включване на водолазен екип за работа в полярни условия. Допълнително хидрографно заснемане на акваторията пред Българската база с включване на комплексната информация от сензорите за хидросредата ще бъде от голяма научно-приложна значимост.

Необходимо е изграждане на единна, качествено нова постановка за океанската среда на базата на комплексен анализ на наличната информация с цел създаване на конструктивна система за спешни и неотложни мерки в оценката на глобалните климатични промени и екологията в световен аспект.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Създаването на българската мареографна станция в Антарктика е едно уникално техническо постижение, както в научната дейност на полярните ни експедиции, така и за геодезическата общност у нас. На фона на тежките условия за работа, географската отдалеченост от цивилизацията и техническата логистика, екипността и себеотрицанието на българските полярници доказа, че за кратко време може да бъде изградено едно сложно и скъпо съоръжение с несъмнена научно-техническа значимост, което да бъде от полза не само на антарктическите експедиции, но и на човечеството като цяло. Анализирането на събираните данни ще бъде сериозен количествен показател за глобалните климатични промени, което следва да заеме приоритетно място в ангажиментите на човека за опазване живота на своята родна планета.

Изказвам благодарност на всички колеги от XXVI-та Българска антарктическа експедиция (2017/18 г), които безрезервно помогнаха за просъществуването на Първата българска мареографна станция в Антарктика.

{module [180]}

Автор

Geomedia Magazine

И все пак тя се върти…
Rotating_earth
Rotating_earth
От категорията
Гео-портал на минестерството на отбраната

Contact Us