„На малка лодка по морето не се плава.“

Съвременно състояние и перспективи за развитие на оперативната океанология с цел на осигуряването на ВМС. Океанологията е една от най-древните науки, имаща своето начало от първите опити на човечеството по усвояване на водните простори от гледна точка на риболовството и транспорта. В настоящо време океанологията, това е комплексна наука за природните процеси, протичащи в Световния океан, в цялото им разнообразие. Тя изучава Световния океан едновременно като част от хидросферата и като цялостен природен обект в планетарен мащаб, където протичат едновременно и в сложна взаимна зависимост геологични, физически, химически и биологически процеси.

В своето развитие тази наука е преминала през няколко етапа. Първия – описателна (умозрителна) океанология (от древни времена до средата на XVIII в.). Нейната цел е била сбор на сведения за водата и сушата, а също така за откриване на нови морски пътища и нови земи. Наложило се да бъдат преодолени множество догми, такива, като Земята е плоска, сушата е повсеместна, а вътре в сушата се разполагат моретата и океаните и т.н. Мисълта за това, че Земята е кръгла, не веднъж е минавала през главите на древните мореплаватели. Попътните наблюдения и описания се правели от самите пътешественици. Но беглите обследвания не били удовлетворителни, били необходими много по-сериозни и обстоятелствени изследвания. С цел изучаване на Световния океан от средата на XVIII в. били организирани специални научни морски експедиции. Началото било положено от Джеймс Кук с първото околосветско плаване (1768-1771). Множество научни експедиции били организирани от Франция, Англия, а по-късно и от Русия.

С началото на XIX в. започнали да се използват измерителни прибори: термометър на Сикс, батометър на Ленц и Парота, дълбокомер. За определяне на мястото на плавателния съд били изобретени: хронометъра, секстанта, прибори за изучаване на грунда. През 1853 г. на Международната морска конференция в Брюксел била установена еднородна система за корабни наблюдения и тяхното записване, която била приета от всички флотове по света.

От втората половина на XIX в. започнали океанографските изследвания, организирани от специално създадени ведомства (комисии, експедиции), с използване на съответно оборудване.

Тази страница на околосветските експедиции е открита от английската корвета „Challenger” (1872-1876), преминала за 3,5 години 68900 мили. Експедицията има огромно значение както по причина с обхвата на огромното пространство, така и на нови прийоми, способи и прибори, използвани за изследване. Събраните материали се оказали толкова обширни, че за тяхната обработка са се трудили над 70 учени в продължение на 20 години. Издаването на резултатите от работата на експедицията завършила едва през 1895 г. на повече от 50 тома, от които за океанологията са били общо 8.

След плаването на „Challenger” всички експедиции провеждали океанографски изследвания, задължително влизащи в техните програми. Класическата океанография е имала място плътно до края на XX в. Нейна характерна особеност се явявала изпълнението на специализирани измервания от борда на изследователските кораби в периода на експедициите, в които са можели да участват едновременно няколко съда в периода на един район или даже няколко групи кораби едновременно в различни райони на Световния океан. Но резултатите от изследванията се получавали след камералната обработка на материалите на брега, което отнемало години, а с появата на изчислителната техника времето за обработка се съкратило в началото до година, а по късно и до няколко месеца.

Появата в края на XX в. на автономни прибори, способни да натрупват резултатите от измерванията в памет е позволило частично да се реши проблема, привличайки експедиционните кораби само към постановката и снемането на автономните буйкови станции или дънните обсерватории.

Само на рубежа на XX в. с развитието на спътниковата навигация, появата на спътниковите канали за връзка, миниатюризацията на изчислителната техника и датчици, снижаване на тяхното енергопотребление са възникнали предпоставки за появата на оперативната океанография, основана на не климатичните данни от предишни експедиции, а на измерванията на параметрите на океана в режим, близък до реалния.

Стимул за развитието на океанографията се явява разбирането, че изменчивостта на океанологичните полета – експериментално установени факти, възникващи под въздействието на въртенето на Земята, кръговрата на водата в природата, астрономическите явления и още много други фактори.

В настоящо време е установено, че основния енергиен принос в изменчивостта на морската среда внасят така наречените синоптични вихри. Техен аналог в атмосферата се явяват добре известните атмосферни циклони и антициклони, които определят времето в конкретен срок. Процесите, водещи към изменчивост на океанологичните полета, е прието да се делят по пространствено времеви мащаби.

В океана различават не еднородност по хоризонтално и по вертикално развитие, което се поражда от обширни йерархични разно мащабни по пространство и по време процеси. Пространствения спектър на мащабите на разглежданите явления – от молекулярни и до размерите на океана. При този спектър на мащаби (и пространствените, времевите) не се явяват непрекъснати, а се събират в някакви групи, отделени в спектъра една от друга. Тази особеност позволява да се направи класификация на основните процеси. Обединяване по близост на пространствено времевия мащаб и често имащи различни физически причини за тяхното пораждане, процесите могат да бъдат разбити на четири интервала: крупно мащабни, мезо мащабни, тънко струйни и малко мащабни. Минималния интервал от спектъра мащаби включва структурни не еднородности с размери на части от милиметъра до 1-2 м – мащаб на микро структура. Този интервал е свързан с такива процеси, като малко мащабна турбулентност, микро конвекция, молекулярни процеси, а също от самата краткопериодна част на спектъра на вътрешните вълни. В този интервал вертикалните и хоризонталните движения на течностите са равноправни. Времевите мащаби на микро структурата от една страна са ограничени от самата високочестотна компонента на спектъра на флуктуация на хидрофизичните полета (части от секундата), и от друга страна те могат да бъдат ограничени до 1 ч.

Следващия за микро структурата в интервал от тънката структура (ТС) на полето включва не еднородност с вертикални размери от мащаби на локално изотропни турбулентни пулсации на скоростта на течности в устойчиво стратификационна среда, минимална оценка на интервала ТС е от 10 см до няколко десетки метра. Хоризонталната протяжност на такива не еднородности е на два три порядъка по сравнение с техните вертикални размери. Поради това тънко струйните не еднородности в полето имат характера на слоеста стратификация на водите в океана. Този интервал е свързан с такива процеси, като диференциално дифузната конвекция, краткопериодни вътрешни вълни, турбулентното сместване и др. Съответните вертикални размери на тънко струйните не еднородности във времевите мащаби са по-малко определени, особено в областта на дългопериодните части от спектъра: в нея времето на жизненост на тънко струйните слоеве могат да се изменят от няколко часа до десетки денонощия. Минималните срокове на жизненост на такива слоеве също са неопределени.

Третия интервал отразява най-малко изучените в океана мезо мащабни явления. Вертикалните размери на такива явления се изменят от няколко до стотина метра, а техните хоризонтални мащаби са от 102-104 м. Не е трудно да се забележи, че пространствените мащаби на тънко струйните и мезомащабните не еднородности на физическите полета частично се препокриват, което създава определени трудности в разпознаването на едно или друго явление. Но, за разлика от ТС, мезо мащабните явления са представени в по-устойчиви структури. При това максималните периоди на жизненост на мезо структурите могат да бъдат месечни (например, за термохалинните степенчати структури) и даже до години, както у вътрешно термоклинните лещи, а понякога и повече от това, както при квазистационарните струйни течения. Минималния срок на жизненост на мезо структурите по-малки от определените, са ограничени до 1 час. По такъв начин, времевия интервал на мезо мащабните явления в океана може да се заключи в диапазона от 1 ч до една година.

Четвъртия интервал от мащабите на явленията съответства на крупно мащабните структури на движение на водите. Този интервал включва крупно мащабните квазистационарни течения и противотечения, меандри и ринги, такива течения са образувани от синоптични вихри, вълните Росби и други. Основни структурно образуващи фактори в този интервал на движение се явява въртенето на Земята и нейната сферичност. Пространствените мащаби на такива явления съответстват по вертикала от 100 м до цялата дебелина на океана, а по хоризонтала от 100 км до размера на самия океан. Такава структура е достатъчно устойчива, и периода за тяхната жизненост е от няколко години и повече.

Деленето на процесите, водещи към изменчивост на океанологичните полета по пространствено времеви мащаби са приведени в таблицата.

Изхождайки от тази класификация, класическата океанология се занимава с изучаване на крупно мащабните структури на движение на водата, устойчиви във времето, при тази актуалност данните се съхраняват, независимо от продължителния период на наблюдение и обработка.

Оперативна океанология. Оперативната океанология позволява да се отчита и предсказва не само крупно мащабните, но и мезо мащабните и тънко струйните полета, отчета за които в настоящо време имат интереси ВМФ.

На практика ситуацията е малко по-сложна. През последните години се отбелязва изменение на средно статистическите (климатическите) характеристики на океанологическите полета. Ще приведем пример, свидетелстващ за такива изменения. На рисунката са показани полето на температурата и солеността в полигон в Баренцово море на хоризонти 0, 45 и 90 м за средата на юни 2005 г на фона на климатическите полета за юни.

Поле на температурата (горните снимки) и солеността (долните снимки) през юни 2005 г. възстановени с методите на оперативната океанология по данни от наблюденията на Левинтус (юни) на фона на климатическите полета в Баренцово море.

Очевидно е, че през юни 2005 г топлите и високо солените води на Северното Атлантическо течение са проникнали далеко на изток относно своето средно статистическо положение. Средно квадратичното отклонение от климатическите норми по температурата на всички нива за 54 станции е превишило 1º. Не настоявайки именно за глобалното затопляне (в редица полета, особено в промеждутъчните и дълбоките слоеве на Атлантика се отбелязва захлаждане, необходимо е да се признае факта за изменението на средните статистически характеристики на океанологичните полета. Казаното води до извода за необходимостта от използване на методите на оперативната океанология при решаване на задачите в интерес на флота.

Всяка система от оперативния мониторинг (СОМ) на хидрофизичните полета, реализираща задача от оперативната океанология, технологически включва три основни компонента:

– специализирана наблюдателна мрежа;

– математически блок за усвояване на натуралната информация;

– специализиран математически числов модел, който в резултат изчислява динамическото съгласуване, удовлетворяващи основните закони на съхранение, хидрофизическите полета в режим на реално време.

В основата на всяка СОМ лежи изискването за изпълнение на разчета със зададената точност на параметрите на морската среда (поле на теченията, температурата, солеността, плътността и налягането) в реално време и с необходимите пространствено времеви разрешения.

Задачите на четири мерния анализ на данните от океанографското наблюдение в общия случай може да се счита за намиране на еволюцията на основните хидрофизични полета във всички тримерни области за целия период на провеждане на измерванията. Очевидно е, че в случай на непрекъснато изпълнение на необходимия комплекс от измервания задачата на анализа преминава вече в задача на мониторинг на разглежданата акватория.

Следва също така да се отбележи, че решаването на задачата за четири мерния анализ на данните от измерванията има необходимо условие за изпълнение на кратко срочни и средно срочни прогнози за хидрофизичните характеристики в изследваната област.

Ще се спрем за кратко на въпроса за оперативната океанология. Основен проблем в развитието на оперативните системи за мониторинг на морската среда се явява създаването на скъпо струващи наблюдателни системи, които в широкия смисъл включват в себе си стационарни наблюдателни системи: закотвени буйкови станции, дънни станции, брегови системи, спътникови системи, наблюдения от подвижни морски обекти (корабни наблюдения, данни от дрейфуващи поплавкови средства и т,н.). Очевидно е, че развъртането на такива системи е скъпо струваща задача.

В настоящо време има структура от автономни контактни средства по контрола за състоянието на океана и при водната атмосфера, основана на предаването на резултатите от измерванията с използване в качеството на ретранслатор на данни свързани с изкуствените спътници на Земята (ИСЗ).

Приложени към движещи се платформи, същността на метода се състои в използването на навигационните ИСЗ за обсервации, получавани през определени промеждутъци от време, и предавана от платформите на информация за нейното местоположение заедно с информацията за измерените хидрометеорологични параметри чрез връзката на ИСЗ на наземните приемни центрове.

Под обобщаващ термин „движещи платформи” днес се подразбира профилиращи поплавкови средства (шамандури), използвани по проекта АРГО, кораби с попътни наблюдения и повърхностни дрейфуващи буйове, глайдери и т.н.

Ще разгледаме, какви технически средства за оперативната океанология има в ВМФ. През 2014 г. е завършена ОКР „Създаване на комплекс от автономни средства за хидрометеорологично осигуряване (ХМО) на пунктовете за базиране и на районите за бойна подготовка на ВМФ”, който усилва надводната, подводната и бреговата компонента от техническите средства за ХМО на ВМФ и се състои от пет под системи:

1. Подсистема за получаване на информация и контрол на работоспособността (ППИ-1), разположена на хидрографски кораб, осигурява контрола на работоспособността на автономните измерителни подсистеми ПИГМА-1, ПИГМА-2 и ПИГМА-3;

2. Подсистема за получаване на информация от хидрометеорологичните центрове на ВМФ (ППИ-2), разположени на приемните центрове, осигуряващи сбора на измерената информация от автономните подсистеми и необходимите изчисления.

3. Измерителна хидрометеорологична автономна подсистема ПИГМА-1, базирана на повърхностен буй, осигурява сбора, обработката и предаването на измерената информация за състоянието на параметрите на обкръжаващата атмосфера и морската вода в повърхностния слой.

4. Измерителна хидрологична автономна подсистема ПИГМА-2, базирана на свързан потопяем буй, осигуряващ сбора, обработката и предаването на измерената информация за състоянието на параметрите на морската вода на дълбочини до 300 м.

5. Измерителна хидрометеорологична автономна брегова подсистема ПИГМА-3, осигуряваща сбора, обработката и предаването на измерената информация за състоянието на параметрите на обкръжаващата атмосфера в крайбрежната зона.

В настоящо време не са решени въпросите по създаването на пълноценна система за осветляване на хидрометеорологичната обстановка във ВМФ. За постигането на тези цели е необходимо:

1. Привеждане на изследванията и обосноваване на целесъобразността по създаването на мултифункционален корабен комплекс за определяне на хидрологичните параметри, в това число на повърхностната среда (вълнение на морето, температура на водата, течения), а също така разпределение на хидрологичните параметри по дълбочина до 500 м (температура и електропроводимост на водата, налягане, скорост на звука) на хода на кораба без ограничения на скоростта на носителя с цел осигуряване на силите и средствата на флота, в това число за осигуряване на противолодъчните сили и повишаване на скритостта на подводните лодки на ВМФ.

2. Изследване на възможностите по създаването на комплекс за разкриване на хидрометеорологичната обстановка на базата на оперативното развръщане на дрейфуващи хидрометеорологични буйкови станции като елемент на хидрометеорологичното разузнаване. Създаването на дрейфуващи хидрометеорологични комплекси с разширена номенклатура от измервани хидрометеорологични параметри ще позволи отчитането на фактора природна среда при осигуряване бойната и ежедневната дейност на силите на флота във всеки район на Световния океан с възможност за постановка както от кораб, така и от авиация.

3. Изследване на възможността за създаване на автономен ледови буй за измерване и предаване по радиоспътников канал за връзка на хидрометеорологични, в това число ледови и хидроакустични, характеристики от Арктика.

4. Изследване на възможността за създаване на комплекс от програмно апаратни средства за сбора, обработката и представянето на оперативната хидрометеорологична информация (ХМИ) за хидрометеорологическите подразделения на флота. Определяне на пътя за техническа реализация по създаването на комплекса от програмно апаратни средства за обединяване на разнородната ХМИ в интерес на осигуряване на силите на ВМФ. Комплекс от програмно апаратни средства за обработка, натрупване и довеждане на ХМИ, представляващ специализирани автоматизирани работни места, създаване на базата на приборите за управление и индикация, и специално програмно осигуряване, работещо в режим на локална изчислителна мрежа.

Изпълнението на тези актуални на дадения момент работи съвместно със създаването на океанографски ИСЗ, позволяващи да се наблюдават и да се оценяват значителни акватории от Световния океан, получаването на алтинометрически измервания за определяне на нивото на морето, ще позволи да се решат задачите на ХМО на ВМФ на съвременно ниво с отчитане на нарастващите изисквания от създателите на перспективни видове корабно въоръжение.