Международная программа изучения океана "Арго"

Введение

Международная программа океанографических наблюдений

Argo – это международная программа исследований океана. Она использует профилирующие поплавки для наблюдения за температурой, соленостью и течениями. В последнее время программа также наблюдает за биооптическими свойствами Мирового океана. Она функционирует с начала 2000-х годов. Данные в реальном времени, которые она предоставляет, поддерживают климатические и океанографические исследования. Особый исследовательский интерес представляет количественная оценка теплового содержания океана (OHC). Флот Argo состоит из почти 4000 дрейфующих "поплавков Argo" (так часто называют профилирующие поплавки, используемые программой Argo), развернутых по всему миру. Каждый поплавок весит 20–30 кг. В большинстве случаев зонды дрейфуют на глубине 1000 метров. Специалисты называют это глубиной "парковки". Каждые 10 дней, изменяя свою плавучесть, они погружаются на глубину 2000 метров, а затем поднимаются к поверхности моря. Во время движения они измеряют профили электропроводности и температуры, а также давление. На основе этих измерений ученые рассчитывают соленость и плотность. Плотность морской воды играет важную роль в определении крупномасштабных движений в океане. Средние скорости течений на глубине 1000 метров напрямую измеряются по расстоянию и направлению, на которое дрейфует поплавок, находясь на этой глубине, что определяется позициями, полученными с помощью GPS или системы Argos на поверхности. Данные передаются на берег через спутник и находятся в свободном доступе для всех без ограничений. Программа Argo названа в честь греческого мифического корабля "Арго", чтобы подчеркнуть взаимодополняющий характер Argo и спутниковых альтиметров Jason. Как стандартные поплавки Argo, так и 4 спутника, запущенные на данный момент для мониторинга изменения уровня моря, работают по 10-дневному циклу.

Международное сотрудничество

Программа Argo – это совместное партнерство более чем 30 стран со всех континентов (большинство из которых показано на графической карте в этой статье), поддерживающее глобальную сеть и предоставляющее набор данных, который любой может использовать для изучения океанической среды. Argo является частью Глобальной системы океанических наблюдений (GOOS) и координируется Руководящим комитетом Argo – международным органом ученых и технических экспертов, который собирается раз в год. Управлением потоком данных Argo занимается Команда управления данными Argo. Программа Argo также поддерживается Группой по наблюдению за Землей и с момента своего создания одобрена проектом CLIVAR Всемирной программы исследований климата (изменчивость и предсказуемость системы океан-атмосфера) и Глобальным экспериментом по ассимиляции океанических данных (GODAE OceanView).

История

Программа под названием Argo была впервые предложена на конференции OceanObs 1999 года, организованной международными агентствами с целью создания согласованного подхода к океаническим наблюдениям. Первоначальный проект Argo был разработан небольшой группой ученых под председательством Дина Роеммиха, который описал программу, предусматривающую развертывание глобальной сети из примерно 3000 буев к 2007 году. В ноябре 2007 года сеть из 3000 буев была создана и охватила весь мир. Руководящая группа Argo впервые встретилась в 1999 году в Мэриленде (США) и сформулировала принципы глобального обмена данными. В 2009 году на конференции OceanObs Руководящая группа Argo представила десятилетний отчет и получила предложения по улучшению сети. Эти предложения включали увеличение плотности сети на высоких широтах, в окраинных морях (таких как Мексиканский залив и Средиземное море) и вдоль экватора, улучшение наблюдений за мощными прибрежными течениями (такими как Гольфстрим и Куросио), расширение наблюдений на большие глубины и добавление датчиков для мониторинга биологических и химических изменений в океане. В ноябре 2012 года буй, принадлежащий Индии, в сети Argo собрал миллионный профиль (вдвое больше, чем было собрано исследовательскими судами за весь 20-й век) – об этом событии сообщалось в нескольких пресс-релизах. Как видно на графике, к началу 2018 года программа Bio Argo быстро расширяется.

Конструкция и эксплуатация плавучих платформ

Критически важной характеристикой буя "Арго" является его способность подниматься и опускаться в океане по заданной программе. Буи достигают этого, изменяя свою эффективную плотность. Плотность любого объекта определяется как его масса, деленная на его объем. Буй "Арго" сохраняет постоянную массу, но, изменяя свой объем, он меняет свою плотность. Для этого минеральное масло вытесняется из герметичного корпуса буя, расширяя резиновый баллон в нижней части буя. По мере расширения баллона плотность буя становится меньше плотности морской воды, и он поднимается к поверхности. Завершив свои задачи на поверхности, буй втягивает масло и снова опускается. Несколько компаний и организаций производят профилирующие буи, используемые в программе "Арго". Буи APEX, изготовленные компанией Teledyne Webb Research, являются наиболее распространенным элементом текущей сети. Буи SOLO и SOLO II (последние используют возвратно-поступательный насос для изменения плавучести, в отличие от винтовых поршней в других буях) были разработаны в Институте океанографии Скриппса. К другим типам относятся буй NINJA, изготовленный компанией Tsurumi Seiki Co. из Японии, и буи ARVOR, DEEP ARVOR & PROVOR, разработанные компанией IFREMER во Франции в партнерстве с французской компанией nke instrumentation. Большинство буев используют датчики, изготовленные компанией Sea Bird Scientific (https://www.seabird.com/), которая также производит профилирующий буй под названием Navis. Типичный буй "Арго" представляет собой цилиндр длиной чуть более 1 метра и диаметром 14 см с полусферическим колпаком. Таким образом, его минимальный объем составляет около 16 600 кубических сантиметров (см³). На океанской станции "Папа" в Аляскинском заливе температура и соленость поверхности могут составлять около 6°C и 32,55 промилле, что дает плотность морской воды 1,0256 г/см³. На глубине 2000 метров (давление 2000 децибар) температура может быть 2°C, а соленость – 34,58 промилле. Таким образом, с учетом эффекта давления (вода слегка сжимаема), плотность морской воды составляет около 1,0369 г/см³. Отношение изменения плотности к глубинной плотности равно 0,0109. Бую необходимо соответствовать этим плотностям, чтобы достичь глубины 2000 метров и затем подняться на поверхность. Поскольку плотность буя равна его массе, деленной на объем, ему необходимо изменить свой объем на 0,0109 × 16 600 = 181 см³, чтобы совершить этот цикл; небольшая часть этого изменения объема обеспечивается сжимаемостью самого буя, а на поверхности требуется избыточная плавучесть, чтобы удерживать антенну над водой. Все буи "Арго" оснащены датчиками для измерения температуры и солености океана в зависимости от глубины, но все большее количество буев также несет другие датчики, например, для измерения растворенного кислорода и, в конечном итоге, других переменных, представляющих биологический и химический интерес, таких как хлорофилл, питательные вещества и pH. Разрабатывается расширение проекта "Арго" под названием BioArgo, которое, после реализации, добавит биологический и химический компонент к этому методу отбора проб в океанах. Антенна для сбора спутниковых данных установлена в верхней части буя, которая выступает над поверхностью моря после завершения подъема. Океан соленый, следовательно, является проводником электричества, поэтому радиосвязь из-под поверхности моря невозможна. На ранних этапах программы буи "Арго" использовали исключительно медленную однонаправленную спутниковую связь, но большинство буев, развернутых в середине 2013 года, используют быструю двунаправленную связь. В результате буи "Арго" теперь передают гораздо больше данных, чем это было возможно ранее, и проводят на поверхности моря всего около 20 минут вместо 8–12 часов, что значительно снижает такие проблемы, как застревание и обрастание. Средний срок службы буев "Арго" значительно увеличился с начала программы, впервые превысив 4 года для буев, развернутых в 2005 году. Продолжающиеся улучшения должны привести к дальнейшему увеличению срока службы до 6 лет и более. По состоянию на июнь 2014 года тестировались новые типы буев для сбора измерений на глубинах, недоступных для стандартных буев "Арго". Эти буи "Deep Argo" предназначены для достижения глубин 4000 или 6000 метров, по сравнению с 2000 метрами для стандартных буев. Это позволит исследовать гораздо больший объем океана. Такие измерения важны для получения всестороннего понимания океана, например, тенденций изменения теплового содержания.

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.

Конструкция массива

Первоначальный план, представленный в проспекте Argo, предусматривал среднее расстояние между буями в 3° широты на 3° долготы. Это удобная утилита, позволяющая создавать продукты на основе данных Argo, такие как показанный выше профиль солености, а также горизонтальные карты свойств океана, временные ряды для любой точки и т.д. В этом атласе также есть кнопка "Обновить", позволяющая периодически обновлять данные. Глобальный морской атлас Argo поддерживается в Институте океанографии Скриппса в Ла-Хойе, штат Калифорния. Данные Argo также могут быть отображены в Google Earth с использованием слоя, разработанного техническим координатором Argo.

Результаты данных

В настоящее время Argo является основным источником информации о климатическом состоянии океанов и широко используется во многих публикациях, как показано на диаграмме напротив. Среди рассматриваемых тем – взаимодействие атмосферы и океана, океанские течения, межгодовая изменчивость, Эль-Ниньо, мезомасштабные вихри, свойства и трансформация водных масс. Argo также позволяет проводить прямые вычисления глобального содержания тепла в океане. Было установлено, что районы мира с высокой поверхностной соленостью становятся еще более солеными, а районы с относительно низкой поверхностной соленостью – более пресными. Это явление можно описать как «богатые становятся богаче, а бедные – беднее». С научной точки зрения, распределение солей определяется разницей между количеством осадков и испарения. Районы, такие как северная часть Тихого океана, где осадки преобладают над испарением, имеют более низкую соленость, чем в среднем. Результаты этих исследований указывают на то, что на Земле наблюдается усиление глобального гидрологического цикла. Данные Argo также используются для разработки компьютерных моделей климатической системы, что способствует улучшению способности стран прогнозировать сезонные изменения климата. Данные Argo сыграли ключевую роль при подготовке главы 3 (Рабочая группа 1) Пятого оценочного доклада МГЭИК (опубликованного в сентябре 2013 года), и к этой главе было добавлено приложение, подчеркивающее значительные изменения, произошедшие в качестве и объеме океанографических данных с момента публикации Четвертого оценочного доклада МГЭИК, и, как следствие, повышение достоверности описания изменений поверхностной солености и теплового содержания верхних слоев океана. Данные Argo, наряду с данными об изменении уровня моря, полученными с помощью спутниковой альтиметрии, были использованы в новом подходе к анализу глобального потепления, о котором сообщалось в журнале Eos в 2017 году. Дэвид Моррисон отмечает, что «оба этих набора данных демонстрируют четкие признаки накопления тепла в океане, что проявляется в изменениях температуры верхних 2 км воды и в расширении океанской воды из-за нагрева. Эти два показателя менее подвержены шумам, чем температура суши и атмосферы». Данные Argo и CERES, собранные в период с 2005 по 2019 год, были сопоставлены как независимые оценки глобального изменения энергетического баланса Земли. Оба набора данных показали схожее поведение при годовом разрешении, а также удвоение линейной тенденции скорости нагрева планеты за этот 14-летний период.

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.