Некоторые итоги океанографических исследований Института в интересах ВМФ

Развитие океанографических исследований ВМФ всегда определялось тремя факторами:

• наличием задач, требующих учета гидрометеорологических условий;
• технической базой исследований;
• методами использования технических средств измерения океанографических параметров.

Два последних фактора тесно связаны между собой и взаимообусловлены: технический уровень измерительного средства определяет метод его использования, и, наоборот, методические требования к измерениям океанографических параметров определяют технический уровень измерительного средства.

Стратегические задачи ВМФ определяют объемы океанографических исследований, а именно: районы их проведения, перечень измеряемых параметров, масштабы изучаемых явлений и процессов.

В результате анализа и обобщения действий флота в Великой Отечественной войне была выявлена зависимость их эффективности от гидрометеорологических условий. В частности, значительное влияние на скрытность плавания пл оказывает распределение плотности воды по вертикали, а также типы вертикального распределения скорости звука; точность стрельбы торпедами и ракетами существенно зависит от волнения и течений. Позже использование телевизионной техники потребовало знания гидрооптических характеристик среды.

Встала задача начать систематические исследования океанов. Первоначально было решено провести океанографические исследования в северо-западной части Атлантического океана. В течение 1948–1951 гг. их успешно осуществила Главная морская обсерватория (ГМО) ВМФ, в 1951 г. ставшая составной частью Гос.НИНГИ. На опытовом судне “Экватор” (в прошлом немецкое океанографическое судно “Метеор”) был выполнен огромный комплекс работ, имеющих поистине фундаментальное значение. Исследовались гидрологические характеристики, течения, гидрооптические параметры, волнения, проводились масштабные метеорологические измерения. Общее руководство исследованиями осуществлялось начальником отдела ГМО д.г.н., профессором В.Г.Кортом. Гидрооптические наблюдения были выполнены под руководством сотрудника ГМО М.В.Козлянинова, исследованиями волнения руководил д.г.н., профессор И.Н.Давидан.

Эти экспериментальные работы положили начало созданию новой методологии исследования океана, а также разработке новой океанографической измерительной техники. Это были первые в Советском Союзе масштабные океанографические работы в Атлантическом океане, которые легли в основу систематических его исследований АН СССР, ВМФ и Госкомгидрометом. Результаты были использованы для разработки новых океанографических пособий для ВМФ (атлас “Араклей”). Поэтому неслучайно В.Г.Корт был назначен директором Института океанографии (ИО) АН СССР, а В.М. Козлянинов – заведующим гидрооптической лабораторией там же. Начальниками экспедиций на НИС “Михаил Ломоносов” в Атлантический океан, проводившимися Морском Гидрофизическом институтом, на каждый рейс назначались сотрудники нашего Института, в частности, начальник отдела методов океанографических исследований В.И.Залесов.

Следующим важным этапом в исследовании Атлантического океана в интересах ВМФ было участие в программе Международного геофизического года 1957–1958 г. В выполнении программы участвовали ОИС ВМФ“Экватор” и “Створ”, а от АН СССР – НИС “Михаил Ломоносов”. Руководил программой начальник отдела Института Б.А. Филиппов. При ее выполнении впервые были осуществлены три синхронных гидрологических разреза, а также 30-суточные измерения гидрологических элементов и течений в точке, которые впоследствии были использованы для вычисления гармонических постоянных приливо-отливных течений.

Для выполнения измерений течений на 30-суточной станции старшим научным сотрудником Института Г.П.Каминским впервые создается автономная буйковая якорная станция, которая явилась прообразом станции, впоследствии серийно изготавливаемой Рижским заводом гидрометеорологических приборов.

Принципиально новым можно считать метод “океанографических полигонов”, предложенный отечественными океанологами. В качестве примера такого полигона может служить полигон в Аравийском море, выполненный НИС Академии наук и ОИС ВМФ в 1967 г. Программа полигона разрабатывалась ИО АН СССР совместно с сотрудниками Института. Впервые в мировой практике были выполнены океанографические исследования на полигоне, представляющем собой два взаимно пересекающихся луча антенного поля, вдоль которых располагались якорные автономные буйковые станции с измерителями течений, размещенными вдоль буйрепа на разных глубинах (всего семь станций). Работа на них продолжалась непрерывно в течение двух месяцев и синхронно с ними были выполнены две повторные гидрологические съемки. Такая схема работ представлялась идеальной для изучения длинных внутренних волн и изменчивости течений приливных и инерционных периодов. От ВМФ в работе участвовал ОИС “Фаддей Беллинсгаузен”. Экспедицию возглавлял С.И.Богданов.

Дальнейшее развитие океанографических работ методом “полигонов” было выполнено в феврале–сентябре 1970 г. в Атлантическом океане. В разработке программы исследований совместно с ИО АН СССР и в самих работах на полигоне участвовал и автор этих строк в качестве заместителя начальника объединенной экспедиции. В работе принимали участие шесть НИС различных научных учреждений страны, в том числе и от ВМФ ОИС “Андрей Вилькицкий” (командир судна А.Б.Аритюнов, начальник экспедиции В.Г.Седов). Измерения течений осуществлялись через каждые 30 мин самописцами Алексеева на 17 буйковых якорных станциях, расположенных крестом в пределах квадрата 113 ´ 113 миль. Расстояние между станциями увеличивалось с удалением от центра и были соответственно равны 5; 10; 17,5 и 24 морским милям. Измерения на буйковых станциях сопровождались макро- и микро гидрологическими съемками. Эти исследования по форме и по продолжительности были первыми в мире и по результатам не превзойдены до сего времени.

Экспериментальные работы на гидрофизическом полигоне – это опыт, поставленный в реальных условиях океана. По данным измерений можно проследить полугодовую историю развития физических процессов на значительном участке океана: строение и изменчивость поля скоростей течений во взаимосвязи с полем масс и полями других физических величин, реакцию океана на изменение атмосферных условий; детально исследовать закономерности явлений и процессов, происходящих в океане.

В результате математической обработки материалов наблюдений были получены совершенно новые представления об изменчивости течений в океане. Так в течение первых 20 дней работы на полигоне вода во всем охваченном наблюдениями слое океана текла на восток, т.е., в направлении, противоположном направлению “классического” Северного пассатного течения, в зоне которого располагался полигон. Изменчивость течений объясняется перемещением через полигон вихревого возмущения с востока на запад с фазовой скоростью 25 см/с, вызванного, по-видимому, волнами Россби. Во всяком случае резкие смены направления течения не были связаны с изменением направления ветра.

Значительную роль в изменчивости “постоянного” пассатного течения в этом районе играют инерционные и приливные полусуточные колебания течений, которые хорошо проявляются на графиках спектральной плотности энергии течений. Период первого из них в точности соответствовал закону широты места , где - широта места. Исследования показали, что наблюдаемые полусуточные приливные течения в океане суть не что иное, как горизонтальное движение частиц воды в поле трехмерных внутренних волн приливного периода. Для получения так называемого постоянного Северного пассатного течения необходимо иметь серии наблюдений продолжительностью не менее одного года. Это свидетельствует о непригодности карт средних течений для навигационных целей. Полученные материалы еще долго будут являться опорными при разработке теории и методов их практического использования.

В развитие полигонных исследований в 1977–1978 г. был выполнен совместный советско-американский проект, названный “Полимоде”. В разработке программы и методики работ, а также в согласовании ее с американской стороной участвовали и сотрудники Института (автор статьи). В непосредственных работах в океане были задействованы два ОИС ВМФ: “Молдавия” в 1977 г. (начальник экспедиции – начальник отдела нашего Института А.А.Мигалов) и ОИС “Академик Крылов” в 1978 г. (начальник экспедиции И.К.Шпаков). В ходе выполнении этих работ также на скрещивающихся лучах были выставлены якорные буйковые станции с надводными и притопленными буями. Работы проводились в Атлантическом океане в районе Бермудских островов. Измерения на буйковых станциях сопровождались выполнением быстрых гидрологических съемок с помощью американских и разработанных в нашем Институте Ю.Е.Александровым (серийное производство Штурманских мастерских ВМФ) гидрофизических зондов разового использования. В результате математической обработки материалов было обнаружено медленное перемещение нескольких вихрей средних масштабов (до 200 км в диаметре) с северо-востока на юго-запад, что также как и в первом случае соответствовало направлению перемещения волн Россби. Скорость перемещения составляла около 40 миль/сутки. Динамика вихрей и обусловила временную изменчивость гидрофизических полей в этом районе. Работы по эксперименту “Полимоде” позволили также обосновать метод мониторинга океанской среды с помощью акустической томографии.

Существенным вкладом нашего Института в изучение Мирового океана была детальная съемка естественной радиоактивности восточной части Атлантического океана от широты Лиссабона до острова Мадейра, а также всего Средиземного моря в марте–мае 1972 г. на ОИС “Фаддей Беллинсгаузен” (командир судна В.А.Часовской, начальник экспедиции А.Т.Шевцов). Это была первая и единственная до сих пор съемка естественной радиоактивности. Она была выполнена для обоснования метода обнаружения целей по радиоактивному следу.

В процессе анализа собранных материалов наблюдений было убедительно доказано непостоянство соотношений солевого состава в океанской воде, на которых основан метод определения солености морской воды. К такому же выводу пришли сотрудники ИО АН СССР только спустя десятилетие. В этой работе от Института участвовали научные сотрудники Е.А.Стадник и В.В.Лебедев, от АОЭ ЛенВМБ – штатные сотрудники В.А.Кулашко, В.И.Сахаров, К.Е.Соловьева, а также сотрудники атомного института им. И.В.Курчатова и Радиевого института им. Хлопина.

В течение 1974–1977 гг. во всей северной Атлантике были проведены четыре четырехмесячные экспедиции с целью изучения турбулентной диффузии на поверхности и на глубинах, естественной радиоактивности с помощью буксируемой аппаратуры, разработанной в ГЕОХИ АН СССР, а также проведения измерений в широком спектре частот по распространению звука на глубинах.

Для определения турбулентной диффузии нами были сконструированы и изготовлены в экспериментальных мастерских Института целая серия оригинальных приборов: фототермографы, градиентометры, глубинные поплавки, буксируемый флюориметр, антибатометр для внесения на глубины индикаторной жидкости (радомина). Последний из них защищен авторским свидетельством на изобретение. В работах активно участвовали сотрудники Института: В.В.Лебедев, М.Ю.Рабинович, В.П.Скобцев, Е.А.Стадник, В.А.Фомин при общем руководстве работами экспедиции автора этой статьи.

Особенно интересные результаты были получены по изучению турбулентной диффузии с помощью поплавков. Последние опускались в воду парами с разносом по борту 15 м. Устроены они были так, что ветер не воздействовал на них, а подводный парус погружался на нужную глубину и они на ней дрейфовали под действием течений. Вначале в течение нескольких часов под действием диффузии поплавки расходились друг от друга на расстояния 1,5–2 мили, а затем, часто, начинали сходиться, их траектории пересекались и далее они начинали расходиться в противоположные стороны. Такое явление можно объяснить лишь тем, что в системе среднего течения распространяются многочисленные вихри диаметром до двух миль с противоположными направлениями движения воды. В результате, попадая в стыки вихрей, поплавки переходили с орбиты одного из них на другую. В точке соприкосновения вихрей поплавки сходились, а затем, поменяв орбиты, начинали расходиться. Ранее это явление не было освещено в специальной литературе. Результаты важны как для разработки методов неакустического обнаружения целей, так и для разработки методов поиска потерянных предметов (торпед, всплывающих мин и т.д.).

Необходимость сбора глобальной гидрофизической информации, а также изучения вихрей, тонкой структуры гидрофизических полей, а также коротких внутренних волн, мелкомасштабной турбулентности и радиоактивности потребовали создания более совершенных приборов и комплексов. Благодаря усилиям Института по техническим заданиям, разработанным его сотрудниками (руководители Р.Н.Беркутов, Б.В.Мелещук, Н.Е.Шведе), в 70–80 годы появляются приборы, основанные на новых физических принципах (в основном гидрофизические зонды), впервые обеспечивающие измерения перечисленных параметров.

В настоящее время измерения традиционных океанографических параметров, таких как температура и электропроводность воды (соленость), скорость звука и течения, гидрохимические элементы (растворенный кислород, концентрация водородных ионов (рН), сероводород) производятся с помощью кабельных и бескабельных спускаемых по тросу зондов. Научно-техническое сопровождение их разработки и участие в испытаниях осуществляли сотрудники Института В.И.Бойков и А.Е.Дроздов. Измерения течений на автономных буйковых якорных станциях дополняются измерениями температуры и электропроводности, а также, на некоторых из них, и гидрооптических параметров с помощью автономных приборов, разработанных по нашим техническим заданиям (В.С.Аносов, А.Е.Дроздов, В.ВЛебедев). По техническим заданиям сотрудников Института В.В.Лебедева, Б.В.Мелещука, В.М.Тимца и под их наблюдением создается сложная электронная аппаратура для установки на автономных обитаемых аппаратах типа “Поиск”. Сотрудник Института А.Н.Добротворский принимал активное участие в разработке экспериментального океанографического ИСЗ “Океан-0”, а также в испытаниях авиационной аппаратуры ледовой разведки “Нить” и “Аквамарин”.

Нами были приложены большие усилия для создания принципиально нового эффективного метода акустической томографии для оперативного мониторинга распределения водных масс, гидроакустических полей и течений на больших акваториях океанов, а также для создания аппаратуры (низкочастотные гидрофоны). Однако из-за отсутствия средств эта уникальная разработка, как и многие другие, была приостановлена.