(исполнители С.Писарев, С.Кременецкий и С.Дикарев, ИО РАН, С.Кузьмин, ААНИИ).

Основной целью гидрофизических работ в экспедиции ПАЛЭКС-2007 было изучение пространственно-временных распределений термохалинных характеристик, а также исследование мезомасштабной изменчивости и вертикальных процессов обмена вод в приполюсном районе СЛО.

4.3.1. Технические средства гидрофизических работ, методика их применения и обработки.
 Для измерения вертикальных профилей температуры и солености в экспедиции ПАЛЭКС использовались современные высокоточные CTD (электропроводность-температура - давление) зонды производства компании Sea-Bird Electronics (CША). Использовались два зонда модели SBE 25 SEALOGGER CTD (серийные номера 0385 и 0297) и три зонда модели SBE19plus SEACAT Profiller (серийные номера 4717, 4165 и 5060) (рис.10). Зонд № 0385 имел специальное «полярное» исполнение, по сути сводящееся к измененной, усиленной конструкции разъемов зонда (см. www.seabird.com).

SBE 25 имеет диапазон измерений температуры - -5 - +350С, электропроводности 0-7 S/m, давление – 0-20/100/350/600/1000/2000/3500/7000 м в зависимости от модели датчика давления. В наших зондах стояли датчики давления до 3500 м (зонд № 0385) и 1000 м (зонд № 0297). Разрешение SBE25 – по температуре – 0.00030С, по электропроводности – 0.00004 S/m, по давлению – 0.015 % от всего диапазона измерения датчика давления. Начальная точность SBE25 – по температуре – 0.002 0С, электропроводности – 0.0003 S/m, по давлению – 0.1% от всего диапазона измерения давления. Максимальная частота, с которой осуществляется опрос датчика зонда этой модели – 8гц. (см. www.seabird.com).

SBE 19 plus имеет диапазон измерений температуры - -5 - +350С, электропроводности 0-9 S/m, давление – 0-20/100/350/600/1000/2000/3500/7000 м в зависимости от модели датчика давления. В наших зондах стояли датчики давления до 600 м (зонд № 4165, № 4717, № 5060). Разрешение SBE19plus – по температуре – 0.00010С, по электропроводности – 0.00005 S/m, по давлению – 0.002 % от всего диапазона измерения датчика давления. Начальная точность SBE19plus – по температуре – 0.005 0С, электропроводности – 0.0005 S/m, по давлению – 0.1% от всего диапазона измерения давления. Частота опроса датчиков зонда SBE19plus – 4 гц. (см. www.seabird.com).

Легко видеть, что, несмотря на высокую точность зондов SBE19plus, по точности, они примерно в два раза уступают SBE25. C другой стороны, поскольку на зондах SBE19plus были установлены датчики давления с более узким диапазоном по сравнению с SBE25, по этому параметру зонды SBE19plus в экспедиции ПАЛЭКС 2007 были точнее зондов SBE25.

Для опускания зондов применялись два вида тросовых лебедок. Одна – хорошо известная и опробованная лебедка модели Северный Полюс с ручным приводом. Четыре  другие – портативные лебедки, специально изготовленные к экспедиции ПАЛЭКС 2007 (рис.7 а,б) с электрическим и ручным приводами. Все лебедки позволили осуществлять зондирования в пределах запланированных глубин не менее 300м и со скоростью, превышающей минимальную скорость измерений для зондов SBE – 0.25 м/с.

Внешний вид лебедки с электрическим приводом специально изготовленной для ПАЛЭКС 2007.

Все зонды во время экспедиции ПАЛЭКС 2007 использовались в автономном режиме с записью информации на внутреннюю память. Начало и конец измерений осуществлялись сдвигом магнитного ключа зондов. Частота опроса датчиков при всех измерениях выставлялась максимально возможной – 8 и 4 Гц соответственно. Считывание информации из внутренней памяти зондов на персональные компьютеры проходило с помощью программы SeaTerm. Перевод измеренных зондами кодов в физические величины осуществлялось программой SBE Data Processing. Во всех случаях использовались последние версии рекомендованных компанией Sea-Bird Electronics программ SeaTerm и SBE Data Processing – 5.30a (2003 г) и новее. (см. www.seabird.com).

При обработке данных программой SBE Data Processing для всех измерений применялись следующие процедуры:

1. Data Conversion – перевод кодов измеренных зондом в величины давления, температуры и электропроводности. При этой операции для каждого зонда использовался свой конфигурационный файл отражающий результаты последней калибровки этого зонда. Конвертации и последующей обработке подвергались, в соответствии с рекомендациями фирмы производителя, только результаты зондирования вниз.

2. Filter – применение низкочастотного фильтра к данным каналов электропроводности и температуры зонда для сглаживания высокочастотных данных и применение низкочастотного фильтра для данных давления с целью увеличения их разрешения. Параметры низкочастотных фильтров для каждого из каналов измерений подбирались в зависимости от модели зонда (SBE25 или SBE19plus) в полном соответствии с рекомендациями компании производителя (см. www.seabird.com). Контроль характера сигнала зондов после применения данной процедуры во всех случаях показал эффективность работы рекомендованных параметров низкочастотных фильтров.

3. Align CTD – сдвиг результатов измерений по каналу электропроводности и температуры относительно канала измерения давления. Эта операция необходима для того, чтобы гарантировать измерение одного и того же объема воды в один момент времени всеми каналами зонда. Как и на предыдущем этапе обработки рекомендованные фирмой производителем параметры сдвигов показали свою эффективность.

4. Cell Thermal Mass – введение поправки на температуру для ячейки электропроводности. Несмотря на то, что эта процедура проводилась для всех наших измерений CTD зондами, отличий в данных до этой процедуры и после практически не наблюдалось.

5. Loop Edit – процедура присвоения плохих знаков качества для тех результатов опроса датчиков зондов при которых скорость опускания зонда была менее минимальной рекомендованной скорости 0.25 м/с.

6. Derive – вычисление ряда физических величин из показаний зонда – солености, глубины измерений в соленой воде на данной широте, потенциальной плотности, потенциальной температуры и др.

7. Bin Average – осреднение полученных при процедуре 6 параметров в пределах одного метра глубины.
Для отдельных станций зондов SBE19plus между процедурами 1 и 2 применялась также процедура – Wild Edit – специальный фильтр для удаления значительных аномальных выбросов данных.

Поскольку предыдущие калибровки наших СTD зондов происходили в различное время, то гидрофизические работы были начаты с проведения интеркалибровки всех зондов. Процесс сводился к проведению зондирования с помощью двух скрепленных друг с другом зондов (рис. 9). Перед началом зондирования приборы (и при процессе интеркалибровки и при последующих зондированиях) выдерживались вблизи нижней кромки льда в течении не менее 5 мин для принятия корпусом прибора температуры воды и гарантированного «замачивания» ячейки электропроводности. И при калибровочных процедурах и при последующих зондированиях зонды быстро, в течении десятка секунд, доставлялись из теплых жилых палаток к лунке в рабочей палатке.

Также быстро они возвращались в теплое помещение после окончания зондирований. Такая быстрая доставка исключала, по нашему мнению, возможность порчи или даже разрушения ячейки электропроводности зондов вследствие замерзания воды при низких, до -300С, температурах окружающего воздуха.

Равномерное вертикальное опускание зондов, в случае интеркалибровки, по возможности, сопровождалось остановками в слоях однородной температуры и солености. В качестве «поверочного зонда» при интеркалибровках экспедиции ПАЛЭКС 2007 выступал зонд SBE25 № 0385 прошедший калибровку весной 2006 г и не работавший с тех пор. Поправочные коэффициенты для других зондов экспедиции вводились после сравнения показаний на вертикальном профиле «поверочного зонда» и любого другого. До введения поправочных коэффициентов показания каждого зонда проходили весь перечень процедур перечисленных выше с использованием последних по времени калибровочных коэффициентов для этого прибора.

Процедуры обработки данных и интеркалибрация позволили гарантировать на настоящий момент точность всех наших CTD измерений в пределах 0.010С по температуре и 0.01 епс по солености, а также точности определения глубины порядка 3.5 м для зондов SBE25 и 2 м для зондов SBE19plus. В случае проведения после экспедиционной калибровки, которая запланирована к осуществлению на фирме производителе, точности проведенных измерений возрастет примерно в два раза.

Для измерений показаний температуры – электропроводности – давления на отдельных горизонтах применялись как перечисленные выше CTD зонды, так и три прибора производства компании Sea-Bird Electronics - SBE 37-SM MicroCAT (серийные номера - №4220, № 3942 и № 3664). Эти самописцы предназначены для установок на заякоренные буйковые станции, буи или, как в нашем случае, на дрейфующие ледовые платформы. Все самописцы SBE 37-SM MicroCAT экспедиции ПАЛЭКС 2007 были в специальном полярном варианте изготовления .

SBE 37  имеет диапазон измерений температуры - -5 - +350С, электропроводности 0-7 S/m, давление – 0-20/100/350/600/1000/2000/3500/7000 м в зависимости от модели датчика давления. Наш самописец № 4220 не имел датчика давления. Самописец № 3942 был оснащен датчиком давления до 600 м. Самописец № 3664 имел датчик давления до 350 м. Разрешение SBE37 – по температуре – 0.00010С, по электропроводности – 0.00001 S/m, по давлению – 0.002 % от всего диапазона измерения датчика давления. Начальная точность SBE37 – по температуре – 0.002 0С, электропроводности – 0.0003 S/m, по давлению – 0.1% от всего диапазона измерения давления. Максимальный период опроса датчиков самописца SBE37 – 1-3 сек в зависимости от выбора процедуры производства отдельного измерения.

Измерения с помощью самописцев были начаты 16 апреля 2007 г. в дрейфующем лагере Эрнест и продолжались 8 суток. Основная цель проведенных измерений – получить характеристики пространственно-временной изменчивости верхней и нижней границ галоклина приполюсного района Арктического Бассейна, а также получение оценок частотных характеристик внутренних волн в этом районе. Для этого самописцы SBE37 были закреплены на одном капроновом фале диаметром 8 мм и опущены в лунку (рис.11). Верхний самописец без датчика давления был закреплен вблизи верхней границы галоклина и нижней границы верхнего перемешанного слоя на горизонте 70 м. Следующий самописец, с датчиком давления до 350 м был закреплен примерно в середине галоклина на горизонте 95 м. Третий самописец SBE37 был расположен на горизонте 120 м – вблизи нижней границы галоклина.

Поскольку вертикальное положение фала с самописцами обеспечивалось только весом самих приборов, то, как показал предварительный анализ полученных данных, самописцы, под действием дрейфа, смещались периодически от своего начального положения на несколько метров вверх. Анализ вертикальных смещений приборов снабженных датчиками давления показал, что их движения синхронны и прямо пропорциональны. Таким образом, определение вертикальных смещений самописца, не снабженного датчиком давления, было произведено исходя из предположения о линейном смещении всех самописцев закрепленных на одном фале.

Период опроса датчиков самописцев был выбран 3 мин, что соответствует половине максимальной частоты плавучести в данном районе океана. Как известно, частота плавучести определяет верхний предел существования свободных внутренних инерционно-гравитационных волн в океане. Таким образом, период опроса в 3 мин позволил измерить самые высокочастотные внутренние волны этого района океана.

Для измерения вертикальных профилей течений и течений на отдельных горизонтах в экспедиции ПАЛЭКС 2007 применялся доплеровский акустический измеритель Aquadopp фирмы Nortek. Время осреднения на одном горизонте составляло 3 мин, дискретность измерений по вертикали – 20 м в верхнем 100 м слое, 50 м – в нижележащих водах. Всего получено 4 серии (от двух до 5 часов) измерений вертикального распределения скорости течения. Кроме этого, был получен ряд измерений скорости течения в слое скачка плотности вод (глубина залегания около 80 м от поверхности) длительностью около 9 часов. Одновременно с измерениями скорости течения всегда велась непрерывная запись координат станции по данным GPS для учета скорости дрейфа льдины, а также измерения температуры и электропроводности воды зондом SBE 19 Plus № 4717.

Все измерения экспедиции ПАЛЭКС сопровождались определением географических координат с использование системы навигации GPS. Для этого использовались несколько разных GPS приемников фирмы Garmin. В силу технических причин периоды определения координат отличались для разных дрейфующих лагерей. В лагере Эрнест координаты фиксировались практически непрерывно с периодом записи 10 мин в течение всего дрейфа. В лагере Иван – координаты фиксировались также практически непрерывно с периодом 10 или 30 мин. В лагере Петр координаты записывались в ручном режиме при производстве любых измерений. В лагере Евгений учащенная запись координат производилась только при измерениях течений доплеровским акустическим измерителем, а в остальное время – координаты записывались только в моменты производства каких-либо измерений. Различная частота определения координат отражена на рис.3,4, где точки, иногда сливающиеся, показывают координаты каждого из дрейфующих лагерей. В любом случае, все измерительные действия в любом из дрейфующих лагерей сопровождались фиксацией географических координат.

В лагере «Эрнест» дополнительно проводились измерения вертикальных распределений скорости течения доплеровским акустическим измерителем Aquadopp фирмы Nortek. Время осреднения на одном горизонте составляло 3 мин, дискретность измерений по вертикали – 20 м в верхнем 100 м слое, 50 м – в нижележащих водах. Кроме этого был получен ряд измерений скорости течения в слое скачка плотности вод (глубина залегания около 80 м от поверхности) длительностью около 9 часов. Одновременно с измерениями скорости течения всегда велась непрерывная запись координат станции по данным GPS для учета скорости дрейфа льдины, а также измерения температуры и электропроводности воды зондом SBE 19 Plus.

4.3.2. Предварительные результаты гидрофизических работ.

За время экспедиции ПАЛЭКС 2007, с 9 по 24 апреля в приполюсном районе было получено 138 вертикальных профиля температуры и солености, проведено в общей сложности около 12 суток записей изменения температуры и солености одновременно на нескольких горизонтах с периодом не более 3 мин, выполнено 4 серии измерений вертикального профиля скорости течения общей продолжительностью 16 часов, получена одна пятичасовая запись изменчивости скорости течения, температуры и солености в слое скачка плотности.

Глубокий анализ выполненных работ потребует значительных временных затрат и проведения дорогостоящих после экспедиционных калибровок приборов. Однако, некоторые выводы очевидны уже сейчас.

Температура промежуточных атлантических вод в приполюсном районе продолжает оставаться выше по сравнению с осредненными «климатическими» характеристиками полученными для зимнего сезона (ноябрь - май) за период 1950-1990 годы (EWG,1997). Максимальные температуры атлантических вод в районе работ ПАЛЭКС по климатическим данным не превышают 0.80С, а средняя температура максимума при наших измерениях составляет 1.2 0 С. Средняя глубина залегания верхней границы атлантических вод при наших измерениях составляет 190 м, а согласно климатическим данным эта величина равна 220 м. Все это свидетельствует об увеличенном теплосодержании атлантических вод в приполюсном районе Арктического бассейна в апреле 2007 г. по сравнению с климатическими данными (рис.12,13).

Второе безусловное отличие результатов гидрофизических измерений ПАЛЭКС от климатических данных состоит в относительно увеличенной солености в верхних 40-50 м, где соленость этого слоя по климатическим данным составляет 31.3 епс, а по измерениям ПАЛЭКС 33.0 епс. При этом горизонт залегания основания холодного галоклина, за которое различными авторами принимается изогалина 34.3-34.5 (Rudels и др., 1996, 2001, Steele и др, 1998, Boyd и др., 2002) составляет около 120 м и практически совпадает по климатическим данным и данным ПАЛЭКС. Отмеченное увеличение солености верхнего слоя и практическое постоянство горизонта основания галоклина приводит к существенному уменьшению градиента солености в поверхностных арктических водах. Уменьшение градиента солености полностью определяет уменьшение градиента плотности и, как следствие, создание условий для относительной интенсификации передачи тепла от атлантических вод, которые и сами на настоящий момент имеют аномально высокое теплосодержание, ко льду.

Отмеченные ПАЛЭКС тенденции изменений в верхних 300 м водной толщи приполюсного района Арктического бассейна отмечались и в ряде экспедиций прошлых лет. Хорошей иллюстрацией этого служат графики распределения температуры и солености на Северном Полюсе которые получены в результате исследовательской активности проекта NPEO (North Pole Environmental Observatory – см. www.psc.apl.washington.edu) (рис.14).

Данные ПАЛЭКС свидетельствуют о том, что температуры в ядре атлантических вод несколько увеличились (около 0.10С) по сравнению с 2006 г но, конечно, меньше тех величин (0.30С), которые наблюдались в этом районе в период 1993 – 2003 года. Горизонт верхней границы атлантических вод по результатам ПАЛЭКС практически равен величинам, наблюдавшемся в 2004 – 2006 годах, но на около 40 м ниже, чем в 1993-2003 годы. Все это свидетельствует о том, что в 2007 г. теплосодержание атлантических вод в приполюсном районе Арктического бассейна превышало климатическую норму, незначительно увеличилось по сравнению с 2004-2006 годами, но не достигло тех аномально больших значений, которые наблюдались здесь в 1993-2003 годы.

p>Сравнение отмеченного в ПАЛЭКС увеличения солености верхних 40-50 м с данными экспедиций прошлых лет особенно интересны экспедиции SCICEX 1995 и NPEO, поскольку именно измерения, выполненные в этих экспедициях, проводились, как и ПАЛЭКС, в  зимний период и процессы сезонного ледотаяния не влияли на соленость верхнего слоя

Легко видеть, что столь соленость верхних 40-50 м поверхностных арктических вод измеренных в ПАЛЭКС не только существенно превышает климатическую норму, но и равна максимальной из когда-либо наблюдавшихся в этом районе океана. Это свидетельствует о существенном ослаблении галоклина и пикноклина в приполюсном районе в апреле 2007г и создании максимально благоприятных условий для передачи тепла от атлантических вод ко льду.