Для чего используются океанские буи? Внутри глобальной сети морских буев

Морские буи служат основой мониторинга океана, безопасности мореплавания и науки об окружающей среде. По своей сути океанские буи представляют собой плавучие устройства, прикрепленные к морскому дну или свободно дрейфующие, предназначенные для сбора данных, обозначения опасностей, направления судов и поддержки научных исследований в водах мира. От Арктики до тропиков более 1300 заякоренных буев и тысячи дрейфующих буев в настоящее время развернуты по всему миру, образуя сеть в реальном времени, которая каждый день информирует о прогнозах погоды, маршрутах судоходства и исследованиях климата.

Что такое океанские буи и как они работают?

Морской буй — плавучее устройство, размещаемое на поверхности воды для выполнения определенных функций — от обозначения навигационных каналов до передачи океанографических данных через спутник. Их конструкция сильно различается в зависимости от назначения, но большинство из них имеют общие ключевые компоненты: корпус (часто изготовленный из полиэтилена высокой плотности или стали), якорную систему или дрейфовый механизм, источник энергии (солнечные панели или батареи), а также датчики или сигнальное оборудование.

Буи данных обычно передают результаты измерений через Спутниковая система Аргос или GOES (геостационарные оперативные спутники окружающей среды) , отправляя обновления каждые 10 минут или несколько часов в зависимости от развертывания. Навигационные буи, напротив, используют пассивные отражатели, огни и звуки, а не передачу данных.

Основное использование океанских буев

1. Прогноз погоды и метеорологический мониторинг.

Одним из наиболее важных применений морских буев является сбор данных об атмосфере и морской поверхности в режиме реального времени для построения моделей погоды. Национальный центр буев NOAA (НДБК) работает более 900 станций в водах США, измеряя скорость и направление ветра, температуру воздуха и воды, высоту волн и атмосферное давление. Эти данные поступают непосредственно в Прогнозы Национальной метеорологической службы и модели отслеживания ураганов.

Без сети буев прогнозы погоды на море будут терять до точность 30% в некоторых моделях, согласно исследованиям Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF).

2. Навигация и безопасность на море

Навигационные буи отмечают безопасные каналы, выявляют такие опасности, как мелкие рифы и камни, и очерчивают входы в порты. Международная ассоциация морских средств навигации и маячных властей (МАМС) стандартизирует системы цвета и формы буев, используемые более чем в 150 странах. Например:

• Красные буи отметьте правую сторону каналов при возвращении в порт (в регионе B IALA, используется в Северной и Южной Америке)
• Зеленые буи отметить левую часть каналов
• Желтые буи указать особые зоны, такие как якорные стоянки или зоны военных учений
• Белые буи оранжевой маркировкой обозначают запретные зоны или информационные зоны.

3. Раннее предупреждение о цунами и стихийных бедствиях

ДАРТ (Глубоководная оценка и отчетность о цунами) Система, разработанная NOAA, использует специализированные буи, закрепленные на глубинах до 6000 метров для обнаружения изменений давления, вызванных волнами цунами. Эти буи могут обнаружить цунами в течение нескольких минут после подводного землетрясения и передать предупреждения до того, как волны достигнут прибрежных районов. В настоящее время сеть состоит из 39 буев DART через Тихий, Атлантический и Индийский океаны.

После катастрофического цунами в Индийском океане в 2004 году, в результате которого погибло более 227 000 человек, были вложены значительные средства в расширение систем раннего предупреждения на базе буев во всем мире.

4. Исследования в области науки об океане и климате

Научные буи используются для изучения циркуляции океана, повышения уровня моря, солености, явлений Эль-Ниньо и поглощения углекислого газа. Программа Арго — глобальный массив из более чем 4000 автономных поплавков для профилирования — погружается на глубину 2000 метров каждые 10 дней, собирая профили температуры и солености перед всплытием для передачи данных. С момента своего запуска в 2000 году компания Арго предоставила более 2 миллиона океанографических профилей , меняя наше понимание того, как океаны хранят и перераспределяют тепло.

5. Мониторинг окружающей среды и обнаружение загрязнения

Морские буи, оснащенные химическими датчиками, контролируют показатели качества воды, включая растворенный кислород, pH, мутность, концентрацию хлорофилла и индикаторы вредоносного цветения водорослей (HAB). Во время событий, связанных с разливом нефти, дрейфующие буи используются для отслеживания движения пятен на поверхности в режиме реального времени, помогая координировать усилия по очистке. Например, во время разлива нефти Deepwater Horizon в 2010 году дрейфующие буи предоставили важные данные о том, как нефть распространялась в Мексиканском заливе.

6. Поисково-спасательные операции

Радиомаяки-указатели аварийного положения (EPIRB) и буи поисково-спасательного транспондера (SART) срабатывают, когда судно опрокидывается или человек падает за борт. Эти устройства передают сигналы бедствия по 406 МГц к спутниковой сети КОСПАС-САРСАТ, оповещая спасательно-координационные центры в течение нескольких минут. Современные АРБы могут точно определить местоположение 100 метров , что значительно сокращает время реагирования на спасательные операции.

Типы морских буев и их характеристики

Различные требования миссии требуют совершенно разных конструкций буев. В таблице ниже приведены основные категории:

Как данные буев влияют на прогнозы погоды

Когда в Атлантике формируется ураган, метеорологи не полагаются только на спутники. Сети буев передают данные о скорости приземного ветра, высоте волн и температуре поверхности моря непосредственно в модели численного прогноза погоды (ЧПП), такие как модели NOAA. Глобальная система прогнозов (СГФ) и модель ЕЦСПП. Данные о температуре поверхности моря (SST), получаемые с буев, особенно важны — теплая океанская вода выше 26°С (79°Ф) является основным топливом для усиления тропических циклонов.

Массив ТАО/ТРИТОН (Сеть тропических атмосферных океанов / трансокеанских буев треугольников) в экваториальной части Тихого океана состоит примерно из 70 заякоренных буев, которые отслеживают условия Эль-Ниньо и Ла-Нинья. Эти явления влияют на количество осадков и температуру в Северной Америке, Южной Америке, Австралии и Азии, затрагивая миллиарды людей. Без этого массива буев сезонные прогнозы явлений Эль-Ниньо значительно ухудшятся.

Role of Marine Buoys in Climate Change Research

ocean absorbs about 90% избыточного тепла в ловушке парниковых газов и примерно 25–30% антропогенных выбросов CO₂ ежегодно. Измерение этих изменений требует постоянных и широкомасштабных наблюдений за океаном, и лучшим инструментом являются буи.

Такие программы, как SOCAT (Атлас CO₂ на поверхности океана) используйте датчики pCO₂, установленные на буях, для отслеживания обмена углекислого газа между океаном и атмосферой. Аналогичным образом, глобальная сеть буев Арго зафиксировала, что верхняя часть океана (0–700 м) прогрелась примерно на 0,13°C за десятилетие с 1971 года является важнейшим показателем для понимания темпов изменения климата.

Новое поколение биогеохимические поплавки Арго (БГК-Арго) теперь помимо температуры и солености измеряют кислород, нитраты, хлорофилл и свет, что значительно расширяет наше понимание биологии океана и биологического углеродного насоса.

Проблемы при размещении и обслуживании океанских буев

Несмотря на свою важность, морские буи сталкиваются со значительными эксплуатационными проблемами:

• Вандализм и кражи: Навигационные буи иногда подвергаются ударам судов или намеренно повреждаются. В некоторых регионах рыболовные суда разрезают якорные цепи, чтобы извлечь швартовное оборудование.
• Биологическое обрастание: Ракушки, водоросли и морские организмы скапливаются на поверхностях корпуса и корпусах датчиков, снижая точность данных. Противообрастающие покрытия продлевают интервалы технического обслуживания, но их необходимо периодически наносить заново.
• Экстремальная погода: Буи в регионах, подверженных ураганам, рассчитаны на то, чтобы выдерживать высоту волн, превышающую 20 метров , но во время сильных штормов происходят значительные повреждения и перебои в передаче данных.
• Ограничения мощности: Удаленные буи работают на солнечных батареях и батареях. Развертывания в высоких широтах сталкиваются с месяцами снижения солнечного излучения, что ограничивает работу датчиков.
• Стоимость: Большой глубоководный буй для передачи данных может стоить 250 000–500 000 долларов США для сборки и развертывания, при этом ежегодное обслуживание приводит к значительным расходам.

По оценкам NDBC NOAA, в любой момент времени примерно 10–15% сети буев. из-за этих факторов может наблюдаться снижение производительности или состояние оффлайн.

Инновации, формирующие будущее морских буев

next generation of ocean buoys is being shaped by advances in sensor miniaturization, energy harvesting, artificial intelligence, and communications technology:

• Сбор волновой энергии: Прототипы используют волновое движение для выработки электроэнергии, что обеспечивает непрерывную работу без зависимости от солнечной энергии. Буй волновой энергии Университета штата Орегон продемонстрировал стабильную выработку энергии в испытаниях в открытом океане.
• Обнаружение аномалий с помощью искусственного интеллекта: Алгоритмы машинного обучения анализируют данные датчиков в режиме реального времени, чтобы выявить дрейф датчиков, загрязнение или необычные океанографические события, улучшая качество данных без необходимости физического контроля.
• Недорогие нано-буи: Программы, подобные NOAA Парусный дрон и аналогичные беспилотные надводные транспортные средства дополняют традиционные буи мобильными самоходными платформами, которые можно перемещать по требованию.
• Спутниковое подключение к Интернету вещей: Новые группировки спутников на низкой околоземной орбите (LEO), такие как Starlink и Iridium Certus, обеспечивают передачу данных с более высокой пропускной способностью и меньшей задержкой, позволяя буям передавать непрерывные данные датчиков, а не периодические снимки.

Обзор ключевых глобальных сетей буев

Почему морские буи важны как никогда

Поскольку изменение климата приводит к усилению штормов, изменению океанских течений и повышению уровня моря, спрос на точные и непрерывные данные об океане быстро растет. Морские буи обеспечивают наблюдения, которые не может повторить ни один спутник — прямые измерения на месте на поверхности океана и во всей толще воды, которые подтверждают данные дистанционного зондирования и закрепляют глобальные климатические модели.

Всемирная метеорологическая организация (ВМО) определяет наблюдения за океаном — прежде всего сети буев — как один из наиболее приоритетных пробелов в Глобальной системе наблюдений. Расширение охвата буями, особенно в Южном океане и Арктике, где данные остаются скудными, считается важным для уменьшения неопределенности как в краткосрочных прогнозах, так и в долгосрочных прогнозах климата.

Морские буи являются одними из наиболее важных — и часто невидимых — инструментов в отношениях человечества с морем.