„Делото само говори за себе си.“

Високочестотните радари като ефективно средство за картографиране на течения на повърхността в крайбрежните райони на океана. Обобщен е опитът от изграждането на съвременна мрежа от високочестотни радари (HFRnet) в САЩ. Създаването на системата е извършено за сметка на Националната научна фондация (NSF) и средствата на Службата за военноморски изследвания (ONR) на ВМС на САЩ. Създадената система е показала своята висока ефективност за картографиране на повърхностните течения в крайбрежните райони на Съединените щати, продължава да се развива и се използва широко в интерес на осигуряване на безопасността на общата навигация и информационната поддръжка на военноморските дейности.

В условията на интензификация на развитието на морските райони, създаването на такава система трябва да се признае за една от приоритетните задачи на океанографското осигуряване на страната в крайбрежните райони на Русия с национално значение.

Въведение. Необходимостта от наблюдение на повърхностните течения в крайбрежните райони в настоящия План за развитие на системи за картографиране на течения в Съединените щати беше оправдана от високата гъстота на населението в крайбрежните райони и значителното излагане на безопасността и ефективността на всички видове човешка дейност спрямо природните фактори. Морските течения са един от най-важните природни фактори, влияещи върху ефективността и безопасността на морските дейности в крайбрежните райони и формирането на опасни климатични условия (бури, урагани, мъгли, ниска облачност).

Информацията за морските течения е необходима за осигуряване на безопасността на корабоплаването, за информационна поддръжка на операции по търсене и спасяване, проследяване на дрейфа на нефтени разливи и други замърсявания, за наблюдение на цъфтежа на водорасли, оценка на качеството на водата, управление на крайбрежните зони, определяне на начални и гранични условия в числени модели на океана и атмосферата и т.н. За разлика например от наблюденията на вятъра, текущите измервания са по-сложни.

В същото време традиционните контактни методи за измерване на теченията често не отговарят на изискванията на потребителите за пространствена и времева разделителна способност на получените данни. Високочестотните радари (ВЧ радари) са ефективна алтернатива на традиционните инструменти за измерване на теченията, които позволяват измерване на скоростта и посоката на повърхностните течения върху голяма площ в почти реално време. Дори сателитите нямат такава времева и пространствена разделителна способност за измерване на крайбрежните океански течения.

Тези обстоятелства послужиха като основа за бързото развитие на високочестотната радарна мрежа (High Frequency Radar Network – HFRNet) в рамките на Интегрираната система за наблюдение на океана (Integrated Ocean Observing System – IOOS) на САЩ. Системата IOOS е национално-регионален елемент от Глобалната система за наблюдение на океана (Global Ocean Observing System – GOOS), която от своя страна е елемент от Глобалната система от системи за наблюдение на Земята (Global Earth Observation System of Systems – GEOSS).
Системата IOOS се управлява от Националната океанска служба (National Ocean Service – NOS), офис на Националната администрация за океаните и атмосферата (NOAA). IOOS има 11 регионални асоциации. Дългосрочната работа на мрежата HFRnet в САЩ потвърди, че само тези инструменти са в състояние ефективно да отговорят на повечето от изискванията на потребителите за информация за повърхностните течения в крайбрежните райони.

Историческа справка. Сегашното състояние на мрежата от радарни наблюдения на теченията в Съединените щати е резултат от дългогодишни изследвания и разработки. Наблюденията на повърхностните течения с помощта на ВЧ радарно оборудване започват с експерименталната работа на D. Crombie през 1955 г.
През 1972 г. Д. Барик разработва теоретичен модел на това явление и е назначен за ръководител на Лабораторията за разпространение на вълни към Службата за океански и атмосферни изследвания (Office of Oceanic and Atmospheric Research – OAR) на NOAA в Боулдър, Колорадо. Основната задача на тази лаборатория беше създаването на компактна антена и мрежа от HF радари. Изследванията са проведени като част от програмата CODAR (Coastal Ocean Dynamics Applications Radar) от 1973 до 1983 г. През 90-те години на миналия век средства от Службата за военноморски изследвания (ONR) на ВМС на Съединените щати и Националната научна фондация (NSF) на Съединените щати бяха използвани за закупуване на радари от няколко университета. До 2005 г. беше създадена мрежа от 30 ВЧ радара като част от IOOS САЩ. Към 2015 г. ВЧ радарната мрежа на IOOS (HFRNet) се състои от 133 радара, а до 2021 г. 153 радара.

Развитието на мрежата HFRNet IOOS в момента се извършва в съответствие с Националния петгодишен план за картографиране на повърхностните течения.

Възможности на ВЧ радарите като средство за картографиране на теченията. ВЧ радари използват радиовълни за измерване на повърхностните течения в крайбрежните океански води. Радарните антени (обикновено по двойки) се поставят на брега и могат да измерват повърхностните течения в горния (1–2 m) слой на разстояние до 200 km с разделителна способност от 500 m до 6 km, в зависимост от честотата на радара. Текущите наблюдения обикновено са със средни значение за 1 час. Тоест, резултатите от измерванията на теченията с високочестотни радари са средни в пространството и времето, следователно, априори, те не могат да бъдат точно равни на резултатите от точкови измервания в определен момент от време.
Едно от основните предимства на ВЧ радари е способността им да „виждат“ отвъд хоризонта, когато се разпространяват над проводима морска вода. Няма нищо общо със състоянието на атмосферата или йоносферата. Смята се, че разпространението на дълги разстояния е ефект от типа „вълновод“.

Колкото по-ниска е честотата на радиочестотния радар, толкова по-далеч сигналът отива отвъд видимия хоризонт. При 5 MHz с умерена мощност на предаване обхватът на ВЧ радар достига 200 km, въпреки че обхватът на микровълновите ВЧ радари при същите условия е само до 30 km. При честоти над 100 MHz сигналите са ограничени до линията на видимост, точно както при микровълновата и оптичната дължина на вълната. Нито един от ВЧ радари в мрежата IOOS не използва честоти над 49,5 MHz. Пробният сигнал, излъчван от ВЧ радар, частично прониква през морската повърхност и този физически ефект влияе върху обхвата на неговото разпространение. Тъй като прясната вода по своята същност е 5000 пъти по-малко проводима от морската вода, високочестотните радарни сигнали изминават по-къси разстояния в сладководни условия. Например, стандартен 12 MHz сигнал може да измине 90 км в крайбрежния океан, но само около 5 км над Големите езера. Таблицата показва оценки на типични характеристики на ВЧ радари в зависимост от работната честота, представени на уебсайта на IOOS.

Таблица 1. Типични характеристики на HF радари от системата IOOS

Дадените в табл. 1 оценки за максималния обхват могат леко да се различават от действителния обхват, тъй като той зависи от състоянието на морската повърхност, нивото на външни смущения и вида на предавателната антена на радара. Точността на радарните оценки на скоростите на частиците на морската повърхност от многобройни рецензирани проучвания обикновено е в диапазона 5–10 cm/s.
Високочестотните радари работят в автоматичен режим и не изискват значителни разходи за поддръжка. Инфраструктурата на мрежата HFRet е минимална. Поставянето изисква малко пространство, електронното оборудване често се поставя в малка част от съществуващата конструкция или в малка обслужваща сграда, чиято сложност зависи главно от климатичните условия (рис. 1).

Рис. 1. Стационарна антена ВЧ радар

Изисквания към местата за установка на ВЧ радари. Изисквания към местата за установяване на HFR за измерване на теченията трябва да бъдат:
– разположени възможно най-близо до бреговата линия, но защитени от вълни и наводнения;
– защитени от нерегламентиран достъп на хора и от увреждане на животни;
– разположени на равна или леко наклонена площ, осигуряваща безопасен достъп на хората;
– достъпни за превозни средства;
– достатъчно просторни за поставяне на антени, електроника и кабели;
– без електропроводими предмети (напр. метални огради, стълбове и контейнери) близо до полето на антената;
– отстранени от източници на радиосмущения в работния честотен диапазон;
– без препятствия, които ограничават зрителното поле към океана;
– да имат осигурен достъп до електрическата мрежа и стабилна и широколентова Интернет връзка, кабелна или безжична.