Мареограф

Мареограф — это прибор для измерения и непрерывной регистрации уровня моря (или другого водного объекта) во времени. Относится к классу гидрологических и океанографических измерительных инструментов. Основное назначение мареографа — получение данных о колебаниях уровня воды, вызванных приливами, отливами, сгонно-нагонными явлениями, сейшами и другими гидродинамическими процессами. Результаты измерений используются в навигации, гидротехническом строительстве, прогнозировании цунами, изучении климата и геодинамики.

История

Первые попытки инструментальной регистрации уровня моря относятся к XVIII веку. В 1831 году в Великобритании был установлен первый самопишущий мареограф в порту Ширнесс (устье Темзы). Его конструкция основывалась на поплавке, соединённом с пером, которое чертило кривую на вращающемся барабане с бумагой. В России систематические наблюдения за уровнем моря начались в 1840-х годах на гидрометеорологических станциях, однако первые мареографы появились позже, во второй половине XIX века.

В XX веке, с развитием электроники, появились контактные и ультразвуковые мареографы, а затем — цифровые регистраторы с автономным питанием и памятью. В 1990-х годах началось внедрение спутниковых систем (GPS, ГЛОНАСС) для привязки измерений к абсолютной высоте, что позволило отделить тектонические движения земной коры от изменений уровня моря. Современные мареографы часто входят в состав глобальных сетей, таких как GLOSS (Global Sea Level Observing System).

Конструкция и принцип действия

По способу измерения уровня воды мареографы делятся на несколько типов.

Поплавковые мареографы

Классический тип. В успокоительном колодце (цилиндре, соединённом с морем трубой, гасящей волнение) плавает поплавок. Его вертикальные перемещения через систему тросов и шкивов передаются на перо или датчик угла поворота. Недостаток — зависимость от механического износа и засорения колодца.

Гидростатические (пьезометрические) мареографы

Измеряют давление столба воды над датчиком, установленным на дне. Давление пересчитывается в уровень с учётом плотности воды и атмосферного давления (которое измеряется отдельным барометром). Современные модели используют кварцевые или ёмкостные датчики давления. Преимущество — возможность установки в открытом море, на шельфе.

Акустические (ультразвуковые) мареографы

Измеряют время прохождения звукового импульса от излучателя до поверхности воды и обратно. Применяются в местах, где установка поплавка или донного датчика затруднена (например, в портах с интенсивным движением судов). Точность зависит от температуры и влажности воздуха.

Радарные мареографы

Используют радиолокационный принцип: излучают радиоимпульс и принимают отражённый от водной поверхности сигнал. Наиболее современный тип, не требующий контакта с водой, устойчивый к обрастанию и волнению. Широко применяются в автоматизированных гидрометеорологических станциях.

Регистрация данных

Исторически данные записывались на бумажную ленту (мареограмму) в виде непрерывной кривой. С конца XX века повсеместно используются цифровые регистраторы: данные сохраняются в энергонезависимой памяти с заданным интервалом (обычно от 1 минуты до 1 часа). Передача данных может осуществляться по кабелю, спутниковой связи (Iridium, Арктика-М) или через сотовые сети. В России для передачи данных с удалённых мареографов часто используется спутниковая система «Гонец».

Точность и погрешности

Точность измерения уровня моря современными мареографами составляет ±1–2 см для поплавковых и гидростатических моделей и ±0,5–1 см для радарных. Основные источники погрешностей:

• ветровой нагон и волнение (особенно для поплавковых мареографов в мелководных колодцах);
• изменение плотности воды (температура, солёность) — для гидростатических датчиков;
• атмосферное давление (требуется барометрическая компенсация);
• обрастание датчиков морскими организмами;
• просадка или подъём грунта, на котором установлен мареограф.

Для учёта последнего фактора мареографы привязывают к реперам — геодезическим знакам, высота которых определяется относительно уровня Балтийского моря (в России — Балтийская система высот 1977 года) или с помощью спутниковой геодезии.

Применение

Приливные наблюдения

Мареографы — основной инструмент для построения таблиц приливов, необходимых для безопасного судоходства в портах и на подходах к ним. Данные многолетних наблюдений используются для гармонического анализа приливов и прогнозирования их на годы вперёд.

Изучение изменений уровня Мирового океана

Глобальная сеть мареографов (около 1500 станций) позволяет оценивать долговременные тренды уровня моря, связанные с глобальным потеплением и таянием ледников. В России такие наблюдения ведутся с середины XIX века в Кронштадте (футшточный пост, предшественник мареографа) и на станциях Росгидромета.

Предупреждение о цунами

Мареографы, входящие в систему предупреждения о цунами (например, в России — сеть Дальневосточного управления Росгидромета), регистрируют аномально быстрые изменения уровня воды, вызванные волнами цунами. Время регистрации позволяет рассчитать время подхода волны к побережью.

Гидротехническое строительство

При проектировании портов, мостов, дамб и набережных необходимы данные о максимальных и минимальных уровнях воды, повторяемости нагонов. Эти данные получают из архивов мареографных наблюдений.

Геодинамика

Сравнение данных мареографов с данными спутниковой альтиметрии позволяет выявлять вертикальные движения земной коры (опускание или поднятие берегов). Например, в районе Санкт-Петербурга мареографы фиксируют постепенное опускание побережья Финского залива, что учитывается при проектировании защитных сооружений от наводнений.

Сеть мареографов в России

В России наблюдения за уровнем моря ведут подразделения Росгидромета (Гидрометцентр России, морские гидрометеорологические станции) и некоторые ведомственные организации (например, Минтранс в портах). Крупнейшие центры обработки данных — ВНИИГМИ-МЦД (Обнинск) и Арктический и антарктический научно-исследовательский институт (Санкт-Петербург). На побережье Балтийского, Чёрного, Азовского, Каспийского, Баренцева, Белого, Охотского, Японского и Берингова морей действует более 200 мареографных постов. Наиболее длинные ряды наблюдений (с 1840-х годов) имеются в Кронштадте, Санкт-Петербурге, Архангельске, Владивостоке.

Интересные факты

• Самый старый непрерывно действующий мареограф в мире установлен в Кронштадте (Россия) — футшточный пост, ведущий наблюдения с 1707 года, хотя собственно самопишущий мареограф появился там в 1840 году.
• В 2011 году после землетрясения и цунами в Японии данные мареографов по всему Тихому океану позволили в реальном времени отслеживать распространение волн цунами.
• На антарктической станции «Мирный» (Россия) мареограф работает в условиях многолетних льдов, для чего используется специальный обогреваемый колодец.

Источники

• Большая советская энциклопедия. Статья «Мареограф».
• Океанологическая энциклопедия. Л.: Гидрометеоиздат, 1974.
• ГОСТ Р 8.661-2009 «ГСИ. Мареографы. Методы поверки».
• Руководство по гидрометеорологическим станциям и постам. Выпуск 9. М.: Росгидромет, 2006.
• Pugh D. T. Tides, Surges and Mean Sea-Level. — Wiley, 1987.
• Global Sea Level Observing System (GLOSS) Implementation Plan. — IOC/UNESCO, 2012.