Халықаралық мұхиттық бақылау бағдарламасы: Арго жүйесі

Кіріспе

Халықаралық океанографиялық бақылау бағдарламасы

Argo – мұхитты зерттеуге арналған халықаралық бағдарлама. Ол температураны, тұздылықты және ағымдарды бақылау үшін профильдік жүзу құралдарын пайдаланады. Жақында ол Жер мұхитындағы биооптикалық қасиеттерді де байқады. Бағдарлама 2000 жылдардың басынан бері жұмыс істеп келеді. Ол нақты уақыт деректерін ұсынып, климаттық және океанографиялық зерттеулерге қолдау көрсетеді. Зерттеушілердің ерекше қызығушылығы – мұхиттың жылу мазмұнын (OHC) мөлшерлеу. Argo флоты бүкіл әлемде орналасқан, шамамен 4000 "Argo жүзу құралынан" (Argo бағдарламасында қолданылатын профильдік жүзу құралдары осылай аталады) тұрады. Әрбір жүзу құралының салмағы 20–30 кг. Көбінесе зондтар 1000 метр тереңдікте қозғалады. Сарапшылар осы тереңдікті «тұрақ тереңдігі» деп атайды. 10 күн сайын, өз жүзу қабілетін өзгертіп, 2000 метр тереңдікке сүңгіп, содан кейін теңіз бетіне көтеріледі. Қозғалыс барысында олар өткізгіштік пен температура профильдерін, сондай-ақ қысымды өлшейді. Ғалымдар осы өлшемдердің негізінде тұздылықты және тығыздықты есептейді. Теңіз суының тығыздығы мұхиттағы ірі масштабты қозғалыстарды анықтауда маңызды рөл атқарады. 1000 метрдегі орташа ағымдық жылдамдықтар сол тереңдікте тоқтаған кезде жүзу құралының қашықтығы мен бағытымен тікелей өлшенеді, бұл GPS немесе Argos жүйесі арқылы жер бетінде анықталады. Деректер жерсерік арқылы жағалауға жіберіледі және кез келген адамға шектеусіз тегін қолжетімді болады. Argo бағдарламасы грек мифологиясындағы «Арго» кемесінің атымен аталады, бұл Argo мен «Ясон» спутниктік биіктік өлшегіштері арасындағы толықтыратын қатынасты көрсету үшін жасалған. Стандартты Argo жүзу құралдары да, теңіз деңгейінің өзгеруін бақылау үшін қазірге дейін ұшырылған 4 спутник те 10 күндік жұмыс циклында жұмыс істейді.

Халықаралық ынтымақтастық

Argo бағдарламасы – бұл барлық құрлықтардан 30-дан астам елдің ынтымақтастығы (олардың көпшілігі осы мақаладағы графикалық картада көрсетілген), ол жаһандық жүйені күзетеді және мұхит ортасын зерттеуге кез келген адам пайдалана алатын деректер жиынтығын қамтамасыз етеді. Argo – Global Ocean Observing System (GOOS) жүйесінің бір бөлігі және оны жыл сайын өтетін ғалымдар мен техникалық сарапшылардың халықаралық тобы – Argo Steering Team үйлестіреді. Argo деректерімен Argo деректерді басқару тобы айналысады. Argo сондай-ақ Жерді бақылау тобының қолдауын алады және Дүниежүзілік климаттық зерттеу бағдарламасының CLIVAR жобасы (океан-атмосфера жүйесінің өзгеруі мен болжамдылығы) және Жаһандық мұхит деректерін ассимиляциялау эксперименті (GODAE OceanView) тарапынан бастапқыда қолдау көрсетілген.

Тарих

"Арго" деп аталатын бағдарлама алғаш рет 1999 жылы OceanObs халықаралық агенттіктер ұйымдастырған конференцияда ұсынылды, мақсаты мұхитты бақылауға үйлесімді көзқарас құру болған. Аргоның бастапқы жобасын Дин Роеммич басқарған ғалымдардың шағын тобы жасады, олар 2007 жылға дейін шамамен 3000 жүзу құрылғысынан тұратын жаһандық желі құруды көздеген бағдарламаны сипаттады. 3000 жүзу құрылғысынан тұратын желі 2007 жылдың қарашасында іске асырылды және ол жаһандық болды. Арго басқару тобы алғаш рет 1999 жылы Мэриленд штатында (АҚШ) кездесіп, жаһандық деректерді бөлісу принциптерін белгіледі. Арго басқару тобы OceanObs 2009 конференциясына 10 жылдық есеп ұсынды және желіні қалай жақсартуға болатындығы туралы ұсыныстар алды. Бұл ұсыныстар жоғары ендіктерде, шеткі теңіздерде (Мексика шығанағы және Жерорта теңізі сияқты) және экватор бойында желіні кеңейтуді, күшті шекаралық ағыстарды (мысалы, Гольфстрим және Куросио) жақсартылған бақылауды, бақылауларды терең суларға жеткізуді және мұхиттардағы биологиялық және химиялық өзгерістерді бақылауға арналған сенсорларды қосуды қамтыды. 2012 жылдың қарашасында Арго желісіне кірген үнділік жүзу құрылғысы бір миллиондық профильді жинады (бұл 20 ғасырдың барлық кезеңінде зерттеу кемелері жинаған деректерден екі есе көп), бұл оқиға бірнеше баспасөз хабарламаларында жарияланды. Суретте көрсетілгендей, 2018 жылдың басына қарай Bio Argo бағдарламасы қарқынды түрде кеңейіп келеді.

Су айдынының құрылысы мен жұмыс істеуі

Аргоның ең маңызды қабілеті – мұхитта бағдарламаланған кесте бойынша көтеріліп, түсіп кету мүмкіндігі. Олар осыны өздерінің тиімді тығыздығын өзгерту арқылы істейді. Кез келген дененің тығыздығы оның массасының көлеміне бөлінуімен анықталады. Аргоның массасы тұрақты, бірақ көлемін өзгерту арқылы тығыздығы да өзгереді. Бұл үшін минералды май қысыммен қапталған корпустан шығарылып, жүзушінің төменгі жағындағы резеңке қапты кеңейтеді. Қап кеңейген сайын, жүзушінің тығыздығы теңіз суынан төмендейді және ол су бетіне көтеріледі. Су бетіндегі тапсырмаларын аяқтағаннан кейін, жүзуші майды қайтарып алады және қайтадан төмен түседі. Арго бағдарламасында қолданылатын профильдеуші жүзушілерді бірнеше компания мен ұйым өндіреді. Teledyne Webb Research компаниясы жасаған APEX жүзушілері қазіргі массивтің ең көп таралған элементі болып табылады. SOLO және SOLO II жүзушілері (соңғысы басқа жүзушілердегі бұрандалы поршеньдерден айырмашылығы, жүзу қабілетін өзгерту үшін реципрокалық сорғыны қолданады) Scripps Oceanography институтында әзірленді. Басқа түрлеріне Жапонияның Tsurumi Seiki Co. компаниясы жасаған NINJA жүзушісі және Франциядағы IFREMER компаниясы француз компаниясы nke instrumentation-мен өндірістік серіктестікте әзірлеген ARVOR, DEEP ARVOR & PROVOR жүзушілері кіреді. Көптеген жүзушілер Sea Bird Scientific (https://www.seabird.com/) компаниясы жасаған сенсорларды қолданады, ол сонымен қатар Navis деп аталатын профильдеуші жүзушіні де шығарады. Типик Арго жүзушісі – ұзындығы 1 метрден сәл асатын, диаметрі 14 см және жарты шар пішіндес қақпағы бар цилиндр. Осылайша оның ең аз көлемі шамамен 16 600 куб сантиметр (см3) құрайды. Аляска шығанағындағы Ocean Station Papa стансасында температура мен тұздылық шамамен 6°C және 32,55 промиль болуы мүмкін, бұл теңіз суының тығыздығы 1,0256 г/см3 құрайды. 2000 метр тереңдікте (2000 децибар қысымда) температура 2°C және тұздылық 34,58 промиль болуы мүмкін. Осылайша, қысымның әсерін ескергенде (су сәл сығымдалады), теңіз суының тығыздығы шамамен 1,0369 г/см3 құрайды. Тығыздықтың өзгеруі тереңдегі тығыздыққа бөлінгенде 0,0109 болады. Жүзуші 2000 метр тереңдікке жететін болса және содан кейін су бетіне көтерілуі үшін осы тығыздыққа сай болуы керек. Жүзушінің тығыздығы массасының көлеміне бөлінуі болғандықтан, ол осы саяхатты жүзеге асыру үшін көлемін 0,0109 × 16 600 = 181 см3 өзгертуі керек; көлемнің осы өзгеруінің шағын бөлігі жүзушінің өзінің сығымдалғандығымен қамтамасыз етіледі, ал антеннаны судан жоғары ұстап тұру үшін су бетінде артық жүзу қабілеті қажет. Барлық Арго жүзушілері мұхиттың температурасы мен тұздылығын өлшеуге арналған сенсорларды алып жүреді, олар тереңдікке байланысты өзгереді, бірақ жүзушілердің саны артып келеді, олар басқа да сенсорларды алып жүреді, мысалы, еріген оттегіні өлшеу және сонымен қатар хлорофилл, қоректік заттар және pH сияқты биологиялық және химиялық қызығушылық тудыратын басқа да өзгермелілерді өлшеуге арналған. "Argo" жобасының "BioArgo" деп аталатын кеңейтімі әзірленуде және іске асырылғаннан кейін мұхиттардан үлгі алудың осы әдісіне биологиялық және химиялық компонент қосылады. Спутниктік деректерді жинау антеннасы жүзушінің жоғарғы бөлігіне орнатылған, ол су бетінен шығып тұрады. Мұхит тұзды, сондықтан электр тогын өткізеді, сондықтан теңіз астынан радиобайланыс мүмкін емес. Бағдарламаның басында Арго жүзушілері тек баяу, бір бағытты спутниктік байланысты пайдаланды, бірақ 2013 жылдың ортасында орналастырылған жүзушілердің көпшілігі жылдам, екі бағытты байланысты пайдаланады. Нәтижесінде Арго жүзушілері бұрынғыдан әлдеқайда көп деректерді жібереді және олар теңіз бетінде 8-12 сағаттың орнына шамамен 20 минут қана болады, бұл жерге тию және биофоулинг сияқты проблемаларды азайтады. Арго жүзушілерінің орташа өмір сүру мерзімі бағдарлама басталғаннан бері айтарлықтай ұлғайды, 2005 жылы орналастырылған жүзушілердің орташа өмір сүру мерзімі 4 жылдан асты. Үнемі жақсартулар 6 жылға және одан да ұзақ мерзімге ұзартуға мүмкіндік береді. 2014 жылдың маусым айынан бастап, стандартты Арго жүзушілерімен қол жеткізе алмайтын тереңдіктегі өлшемдерді жинау үшін жаңа типтегі жүзушілер сынақтан өтуде. Бұл "Deep Argo" жүзушілері 4000 немесе 6000 метр тереңдікке жете алу үшін жасалған, стандартты жүзушілер үшін 2000 метрге қарсы. Бұл мұхиттың әлдеқайда үлкен көлемін үлгілеуге мүмкіндік береді. Мұндай өлшемдер мұхитты толыққанды түсінуді дамыту үшін маңызды, мысалы, жылу мазмұнының тенденциялары.

The critical capability of an Argo float is its ability to rise and descend in the ocean on a programmed schedule. The floats do this by changing their effective density. The density of any object is given by its mass divided by its volume. The Argo float keeps its mass constant, but by altering its volume, it changes its density. To do this, mineral oil is forced out of the float's pressure case and expands a rubber bladder at the bottom end of the float. As the bladder expands, the float becomes less dense than seawater and rises to the surface. Upon finishing its tasks at the surface, the float withdraws the oil and descends again. A handful of companies and organizations manufacture profiling floats used in the Argo program. APEX floats, made by Teledyne Webb Research, are the most common element of the current array. SOLO and SOLO II floats (the latter use a reciprocating pump for buoyancy changes, unlike screw driven pistons in other floats) were developed at Scripps Institution of Oceanography. Other types include the NINJA float, made by the Tsurumi Seiki Co. of Japan, and the ARVOR, DEEP ARVOR & PROVOR floats developed by IFREMER in France, in industrial partnership with French Company nke instrumentation. Most floats use sensors made by Sea Bird Scientific (https://www. seabird. com/)
, which also makes a profiling float called Navis. A typical Argo float is a cylinder just over 1 metre long and 14 cm across with a hemispherical cap. Thus it has a minimum volume of about 16,600 cubic centimetres (cm3). At Ocean Station Papa in the Gulf of Alaska the temperature and salinity at the surface might be about 6°C and 32.55 parts per thousand giving a density of sea water of 1.0256 g/cm3. At a depth of 2000 metres (pressure of 2000 decibars) the temperature might be 2°C and the salinity 34.58 parts per thousand. Thus, including the effect of pressure (water is slightly compressible) the density of sea water is about 1.0369 g/cm3. The change in density divided by the deep density is 0.0109. The float has to match these densities if it is to reach 2000 metres depth and then rise to the surface. Since the density of the float is its mass divided by volume, it needs to change its volume by 0.0109 × 16,600 = 181 cm3 to drive that excursion; a small amount of that volume change is provided by the compressibility of the float itself, and excess buoyancy is required at the surface in order to keep the antenna above water. All Argo floats carry sensors to measure the temperature and salinity of the ocean as they vary with depth, but an increasing number of floats also carry other sensors, such as for measuring dissolved oxygen and ultimately other variables of biological and chemical interest such as chlorophyll, nutrients and pH. An extension to the Argo project called BioArgo is being developed and, when implemented, will add a biological and chemical component to this method of sampling the oceans. The antenna for satellite data collection is mounted at the top of the float which extends clear of the sea surface after it completes its ascent. The ocean is saline, hence an electrical conductor, so that radio communications from under the sea surface are not possible. Early in the program Argo floats exclusively used slow mono directional satellite communications but the majority of floats being deployed in mid 2013 use rapid bi directional communications. The result of this is that Argo floats now transmit much more data than was previously possible and they spend only about 20 minutes on the sea surface rather than 8–12 hours, greatly reducing problems such as grounding and bio fouling. The average life span of Argo floats has increased greatly since the program began, first exceeding 4 year mean lifetime for floats deployed in 2005. Ongoing improvements should result in further extensions to 6 years and longer. As of June 2014, new types of floats were being tested to collect measurements much deeper than can be reached by standard Argo floats. These "Deep Argo" floats are designed to reach depths of 4000 or 6000 metres, versus 2000 metres for standard floats. This will allow a much greater volume of the ocean to be sampled. Such measurements are important for developing a comprehensive understanding of the ocean, such as trends in heat content.

Массивтің құрылысы

Арго проспектісінде жарияланған бастапқы жоспарда, сүзгілердің арасындағы ең жақын көрші арақашықтық, орташа есеппен, 3° ендік және 3° бойлық болуы көзделген. Бұл – Argo деректері негізінде жоғарыда көрсетілген тұздылық қисығы сияқты өнімдерді жасауға, сондай-ақ мұхиттың қасиеттерінің көлденең карталарын, кез келген нүктедегі уақыт қатарын және тағы да басқаларын құруға мүмкіндік беретін пайдалануға оңай құрал. Бұл атлас деректерді белгілі бір мерзімде жаңартуға мүмкіндік беретін "жаңарту" түймешігімен жабдықталған. Argo Global Marine Atlas Калифорния штатының Ла-Холла қаласындағы Скриппс мұхит зерттеу институтында сақталады. Арго деректерін Google Earth-те де Арго техникалық үйлестірушісі жасаған қабат арқылы көрсетуге болады.

Деректер нәтижелері

Арго қазір мұхиттардың климаттық жағдайы туралы ақпараттың басты көзіне айналды және осы диаграммада көрсетілгендей көптеген жариялымдарда кеңінен қолданылуда. Қарастырылатын тақырыптарға ауа мен теңіздің өзара әрекеттесуі, мұхит ағындары, жылдық өзгергіштік, Эль-Ниньо, мезомасштабты айналымдар, су массасының қасиеттері және түрленуі жатады. Арго сонымен қатар ғаламдық мұхиттың жылу контентін тікелей есептеуге мүмкіндік береді. Олар әлемнің жоғары беттік тұздылығы бар аймақтарының тұздылығы артып, салыстырмалы түрде төмен беттік тұздылығы бар аймақтарының тұздылығы төмендеп жатқанын анықтады. Бұл жағдай «байлар байып, кедейлер кедейленіп барады» деп сипатталды. Ғылыми тұрғыдан алғанда, тұздың таралуы жауын-шашын мен булану арасындағы айырмашылықпен анықталады. Солтүстік Тынық мұхитының солтүстік бөлігі сияқты жауын-шашын буланудан басым болатын аймақтар орташадан төмен тұздылыққа ие. Олардың нәтижесі Жердегі жаһандық гидрологиялық циклдің күшеюін көрсетеді. Арго деректері климат жүйесінің компьютерлік модельдерін іске қосу үшін де қолданылады, бұл елдердің маусымдық климат өзгерістерін болжау мүмкіндігін жақсартады. Арго деректері IPCC-тің Бесінші бағалау есебінің (2013 жылдың қыркүйегінде жарияланған) 3-тарауының (1-жұмыс тобы) дайындалуында маңызды рөл атқарды және бұл тарауға IPCC-тің Төртінші бағалау есебінен бері мұхит деректерінің сапасы мен көлеміндегі маңызды өзгерістерді және осының нәтижесінде беттік тұздылықтың өзгеруін және жоғарғы мұхиттың жылу контентін сипаттаудағы сенімділіктің артуын көрсету үшін қосымша қосылды. Арго деректері спутниктік альтиметриядан алынған теңіз деңгейінің өзгеру деректерімен бірге ғаламдық жылынуды талдаудың жаңа тәсілі ретінде қолданылды, бұл туралы 2017 жылы Eos журналында хабарланды. Дэвид Моррисон "[осы екі дерек жиынтығының екеуі де мұхиттағы жылудың жиналуының айқын белгілерін көрсетеді, судың жоғарғы 2 км-інің температурасының өзгеруінен және жылынудан мұхит суының кеңеюінен. Бұл екі өлшем жер және атмосфера температурасынан гөрі аз шу шығарады]" деп хабарлады. 2005 және 2019 жылдар арасында жиналған Argo және CERES деректері Жердің энергия тепе-теңдігіндегі жаһандық өзгерістердің тәуелсіз өлшемдері ретінде салыстырылды. Екі дерек жиынтығы да жылдық ажыратымдылықта ұқсас мінез-құлықты көрсетті, сондай-ақ осы 14 жылдық кезеңде планетаның жылу жылдамдығының сызықтық тренді екі есе өсті.

Argo is now the dominant source of information about the climatic state of the oceans and is being widely used in many publications as seen in the diagram opposite. Topics addressed include air sea interaction, ocean currents, interannual variability, El Niño, mesoscale eddies, water mass properties and transformation. Argo is also now permitting direct computations of the global ocean heat content. They determine that areas of the world with high surface salinity are getting saltier and areas of the world with relatively low surface salinity are getting fresher. This has been described as 'the rich get richer and the poor get poorer'. Scientifically speaking, the distributions of salt are governed by the difference between precipitation and evaporation. Areas, such as the northern North Pacific Ocean, where precipitation dominates evaporation are fresher than average. The implication of their result is that the Earth is seeing an intensification of the global hydrological cycle. Argo data are also being used to drive computer models of the climate system leading to improvements in the ability of nations to forecast seasonal climate variations. Argo data were critical in the drafting of Chapter 3 (Working Group 1) of the IPCC Fifth Assessment Report (released September 2013) and an appendix was added to that chapter to emphasize the profound change that had taken place in the quality and volume of ocean data since the IPCC Fourth Assessment Report and the resulting improvement in confidence in the description of surface salinity changes and upper ocean heat content. Argo data were used along with sea level change data from satellite altimetry in a new approach to analyzing global warming, reported in Eos in 2017. David Morrison reports that "[b]oth of these data sets show clear signatures of heat deposition in the ocean, from the temperature changes in the top 2 km of water and from the expansion of the ocean water due to heating. These two measures are less noisy than land and atmospheric temperatures." Argo and CERES data collected between 2005 and 2019 have been compared as independent measures of the global change in Earth's energy imbalance. Both data sets showed similar behavior at annualized resolution, as well as a doubling of the linear trend in planet's heating rate during that 14 year span.