Буй DART

Буй DART — это тип автономного океанографического буя, предназначенного для раннего обнаружения и измерения параметров цунами. Название является аббревиатурой от англ. Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis (глубоководная оценка и сообщение о цунами). Система DART была разработана Национальным управлением океанических и атмосферных исследований (NOAA) США и представляет собой ключевой элемент глобальной системы предупреждения о цунами, обеспечивая передачу данных в реальном времени о прохождении волны в открытом океане.

История создания

Необходимость в создании глубоководных систем мониторинга цунами стала очевидной после катастрофического землетрясения и цунами 1960 года в Чили, которое привело к значительным разрушениям и жертвам на Гавайских островах и в Японии. Существовавшие на тот момент прибрежные мареографы не обеспечивали достаточного времени для предупреждения, так как фиксировали волну уже у берега.

Первые прототипы глубоководных буев для измерения цунами были разработаны в 1980-х годах в Тихоокеанской морской экологической лаборатории (PMEL) NOAA. В 1995 году была развернута первая экспериментальная сеть из шести буев. После успешных испытаний и доработок, в 2001 году началось развертывание первой полноценной оперативной сети DART, которая к 2008 году насчитывала 39 станций в Тихом океане.

Ключевым стимулом для расширения сети стало разрушительное цунами в Индийском океане 2004 года, унесшее жизни более 230 тысяч человек. После этой трагедии международное сообщество, включая Россию, Индонезию, Австралию и страны Южной Америки, приступило к созданию собственных региональных систем, частично основанных на технологии DART. В России аналогичные буи (например, разработки Дальневосточного отделения РАН) используются в рамках системы предупреждения о цунами на Дальнем Востоке.

Устройство и принцип работы

Система DART состоит из двух основных компонентов: донного модуля (Bottom Pressure Recorder, BPR) и поверхностного буя.

Донный модуль (BPR)

Донный модуль представляет собой герметичный контейнер, установленный на океанском дне на глубине от 1000 до 6000 метров. Он содержит:

• Высокоточный кварцевый датчик давления (резонансный манометр). Он измеряет гидростатическое давление столба воды с точностью до 1 мм водяного столба. Прохождение волны цунами, даже высотой в несколько сантиметров в открытом океане, вызывает изменение давления, которое регистрируется датчиком.
• Электронный блок управления с микропроцессором, памятью и часами.
• Акустический модем для передачи данных на поверхностный буй.

Поверхностный буй

Поверхностный буй удерживается на месте с помощью якорной системы. Он оснащен:

• Системой спутниковой связи (обычно Iridium или Inmarsat) для передачи данных в центр обработки.
• Приемником акустического сигнала от донного модуля.
• Солнечными панелями и аккумуляторами для автономного электропитания.
• Датчиками метеорологических параметров (ветер, температура воздуха, атмосферное давление) — опционально.

Принцип работы

1. Режим ожидания (Standby): Донный модуль каждые 15 минут измеряет давление и передает усредненные данные (среднее за 15 минут) на поверхностный буй, который ретранслирует их на спутник. Эта информация используется для мониторинга фонового уровня моря и фильтрации приливов и ветровых волн.
2. Режим тревоги (Event Detection): Встроенный алгоритм в донном модуле непрерывно анализирует мгновенные значения давления. Если разница между текущим значением и 15-минутным средним превышает пороговое значение (обычно 3 см водяного столба), модуль переключается в режим детального сбора данных.
3. Передача данных: В режиме тревоги донный модуль начинает передавать данные с частотой один раз в 1 минуту в течение первых 10 минут, затем — один раз в 5 минут. Эта информация содержит высокочастотную запись прохождения волны цунами. Поверхностный буй немедленно передает эти данные на спутник, откуда они поступают в центры предупреждения.

Классификация и модификации

Система DART прошла несколько поколений развития:

• DART I (1995-2000): Первое поколение. Использовал одностороннюю акустическую связь и передавал данные только по запросу со спутника. Имел ограниченное время автономной работы (до 1 года).
• DART II (2000-2010): Наиболее распространенная модификация. Внедрена двусторонняя акустическая связь, что позволило удаленно менять режимы работы и пороги срабатывания. Автономность увеличена до 2-4 лет. Использовал спутниковую систему Iridium.
• DART 4G (с 2010 года): Современная версия. Отличается улучшенной энергоэффективностью, более надежной электроникой и увеличенным сроком службы (до 5 лет). Внедрена возможность передачи данных в режиме реального времени с частотой 1 раз в 15 секунд в режиме тревоги. Использует более современные датчики давления.

Применение и значение

Основное применение системы DART — раннее предупреждение о цунами. Данные с буев позволяют:

• Подтвердить или опровергнуть факт возникновения цунами после сильного землетрясения. Это критически важно, так как не все подводные землетрясения вызывают цунами.
• Точно определить высоту и скорость волны в открытом океане, что позволяет построить математическую модель распространения цунами и рассчитать время прибытия волны к конкретным участкам побережья.
• Уточнить магнитуду и эпицентр землетрясения по данным о давлении.

Система DART является частью глобальной сети предупреждения о цунами, координируемой Межправительственной океанографической комиссией ЮНЕСКО (МОК ЮНЕСКО). В России данные с буев DART (включая буи, установленные в Тихом океане, в том числе вблизи Курильских островов) используются Центром цунами Росгидромета для оперативного прогнозирования.

Ограничения и критика

Несмотря на высокую эффективность, система DART имеет ряд ограничений:

• Высокая стоимость: Развертывание и обслуживание одного буя обходится в несколько сотен тысяч долларов в год.
• Уязвимость к повреждениям: Буи могут быть повреждены штормами, столкновениями с судами или вандализмом. В 2010-х годах отмечались случаи выхода из строя буев из-за коррозии и отказов электроники.
• Время реакции: Даже при идеальной работе системы, от момента регистрации цунами до получения предупреждения проходит несколько минут, что может быть критично для цунами, возникающих вблизи побережья (локальные цунами).
• Неполное покрытие: Сеть DART не охватывает все сейсмоопасные зоны, особенно в Индийском и Атлантическом океанах, где количество буев ограничено.

Интересные факты

• Первое успешное оперативное использование системы DART для предупреждения о цунами произошло в 2006 году, когда буи зафиксировали цунами, вызванное землетрясением у побережья Индонезии.
• Данные с буев DART используются не только для предупреждения о цунами, но и для изучения океанских течений, внутренних волн и приливов.
• В 2011 году, после землетрясения и цунами в Японии, данные с буя DART, расположенного к востоку от Хонсю, позволили точно рассчитать высоту волны (около 7 метров в открытом океане) и время ее прибытия к побережью, что дало возможность провести частичную эвакуацию.

Источники

1. National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), Pacific Marine Environmental Laboratory (PMEL). "Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis (DART®) System."
2. Межправительственная океанографическая комиссия ЮНЕСКО (МОК ЮНЕСКО). "Системы предупреждения о цунами."
3. Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет). "Центр цунами."
4. Titov, V. V., et al. (2005). "Real-time tsunami forecasting: Challenges and solutions." Natural Hazards.