Приливный мареограф

Приливный мареограф — это автоматический самопишущий прибор для непрерывной регистрации колебаний уровня моря, вызванных приливами, отливами, сейшами, цунами и другими гидрологическими явлениями. Относится к классу уровнемеров и является специализированным гидрометеорологическим инструментом, используемым в океанологии, гидрографии, портовом строительстве и навигации. Основная функция приливного мареографа — получение временного ряда высот уровня воды (мареограммы) с заданной точностью и дискретностью.

История

Первые наблюдения за уровнем моря велись с помощью визуальных реек — футштоков, установленных на берегу. Однако для получения непрерывной записи требовались механические устройства. Прообразы мареографов появились в XVII веке, когда были созданы примитивные поплавковые самописцы. В 1831 году британский инженер Генри Палмер сконструировал один из первых действующих мареографов, использовавший поплавок и вращающийся барабан с бумагой.

В России систематические наблюдения за приливами начались в XIX веке на побережье Белого и Баренцева морей. Первые стационарные мареографы были установлены в портах Архангельска и Мурманска в начале XX века. В советский период развитие получили поплавковые мареографы с механической записью, а в 1960-х годах началось внедрение электрических и пневматических датчиков.

Современные приливные мареографы, начиная с 1980-х годов, основаны на цифровых технологиях: используются акустические, радиолокационные, гидростатические и спутниковые методы измерения. В России с 2000-х годов действует сеть автоматических мареографов, входящих в систему ГМС (гидрометеорологических станций) Росгидромета.

Устройство и принцип действия

Приливный мареограф состоит из трех основных частей: датчика уровня воды, регистрирующего устройства и системы передачи данных. В зависимости от типа датчика различают несколько конструкций.

Поплавковый мареограф

Поплавковый мареограф — классический тип. В устье реки или в порту устанавливается колодец (успокоительная камера), соединенный с морем трубой. В колодце находится поплавок, соединенный тросом с системой рычагов и пером. При изменении уровня воды поплавок перемещается, и перо чертит линию на бумажной ленте, вращающейся на барабане с часовым механизмом. Точность таких приборов составляет ±1–2 см, период записи — от нескольких часов до месяца.

Гидростатический мареограф

Гидростатический мареограф измеряет давление столба воды над датчиком, установленным на дне. Давление пересчитывается в высоту уровня с учетом плотности воды. Используются пьезорезистивные или кварцевые датчики. Такие мареографы не требуют колодца и могут работать на больших глубинах (до 30–50 м). Точность — до ±0,5 см.

Акустический мареограф

Акустический мареограф излучает звуковой импульс вниз к поверхности воды и измеряет время его отражения. Датчик устанавливается над водой (на мосту, пирсе или специальной ферме). Преимущество — отсутствие контакта с водой, что исключает обрастание и коррозию. Точность — до ±0,2 см.

Радиолокационный мареограф

Радиолокационный мареограф использует радиоволны (обычно диапазона 24–26 ГГц) для измерения расстояния до поверхности воды. Принцип аналогичен акустическому, но радиоволны менее чувствительны к туману, дождю и волнению. Точность — до ±0,1 см. Современные модели могут работать в автономном режиме с питанием от солнечных батарей.

Спутниковый мареограф

Спутниковый мареограф (GNSS-мареограф) определяет высоту уровня моря по данным глобальных навигационных спутниковых систем (GPS, ГЛОНАСС). Приемник устанавливается на берегу или на платформе, а уровень вычисляется по разности высот между антенной и поверхностью воды. Этот метод позволяет получать данные с точностью до ±1 см, но требует сложной обработки сигнала.

Классификация

Приливные мареографы классифицируются по нескольким признакам:

• По способу установки: береговые (стационарные), донные (автономные), плавучие (на буях), портативные (для временных наблюдений).
• По типу записи: механические (с бумажной лентой), цифровые (с памятью на SD-карту или передачей по каналу связи).
• По принципу измерения: поплавковые, гидростатические, акустические, радиолокационные, спутниковые.
• По автономности: с питанием от сети, от аккумуляторов, от солнечных батарей.

Применение

Приливные мареографы используются в различных областях:

• Океанология и гидрология: изучение приливных циклов, расчет гармонических постоянных приливов, моделирование цунами и штормовых нагонов. Данные мареографов позволяют прогнозировать высоту приливов для портов и судоходства.
• Навигация и портовое хозяйство: обеспечение безопасности судоходства в узкостях, каналах и акваториях портов. Мареографы входят в состав автоматизированных систем управления движением судов (СУДС).
• Геодезия и картография: определение среднего уровня моря как исходной высотной отметки (в России — Балтийская система высот 1977 года). Сеть мареографов используется для калибровки спутниковых альтиметров.
• Строительство и инженерия: проектирование портов, волноломов, мостов, дамб и берегозащитных сооружений требует точных данных о колебаниях уровня воды.
• Мониторинг климата: долговременные ряды наблюдений (десятилетия и столетия) позволяют оценивать скорость повышения уровня Мирового океана в связи с глобальным потеплением.

Сеть мареографов в России

В России действует более 200 стационарных мареографов, входящих в состав гидрометеорологической сети Росгидромета. Крупнейшие узлы расположены в портах Санкт-Петербурга, Мурманска, Архангельска, Владивостока, Новороссийска, Калининграда. На побережье Северного Ледовитого океана работают мареографы на полярных станциях (например, на острове Диксон, мысе Шмидта, в Тикси). В 2010-х годах началась модернизация сети: устаревшие поплавковые мареографы заменяются на цифровые радиолокационные и акустические модели.

Данные с российских мареографов передаются в режиме реального времени в Центр сбора и обработки гидрометеорологической информации (ЦСО ГМИ) и используются для составления прогнозов приливов, предупреждения о цунами и обеспечения безопасности мореплавания.

Точность и погрешности

Точность измерения приливного мареографа зависит от типа прибора, условий эксплуатации и факторов окружающей среды. Основные источники погрешностей:

• Волнение и ветровой нагон: механические и акустические мареографы могут усреднять показания за несколько секунд, но при сильном волнении (выше 3–4 баллов) погрешность возрастает.
• Обрастание и коррозия: для гидростатических датчиков, установленных на дне, необходимо регулярное обслуживание.
• Температурные колебания: изменение плотности воды и тепловое расширение корпуса прибора влияют на показания гидростатических и акустических мареографов.
• Рефракция и отражение: для акустических и радиолокационных мареографов возможны ложные отражения от волн, льда или посторонних объектов.

Современные цифровые мареографы обеспечивают точность ±0,1–0,5 см при частоте измерений от 1 до 10 Гц. Для научных целей (например, изучения сейш и цунами) применяются высокочастотные мареографы с дискретностью 0,1–1 секунда.

Интересные факты

• Самый длинный непрерывный ряд наблюдений за уровнем моря получен на мареографе в порту Бреста (Франция), где записи ведутся с 1711 года. В России старейшие непрерывные ряды (с 1840 года) существуют для Санкт-Петербурга и Кронштадта.
• Приливные мареографы сыграли ключевую роль в обнаружении цунами: например, в 1960 году после Великого Чилийского землетрясения данные мареографов в Тихом океане позволили предупредить Гавайи и Японию.
• В 2011 году после землетрясения у побережья Японии мареографы зафиксировали волну цунами высотой более 10 метров у берегов Хонсю, что позволило уточнить модели распространения волн.
• В России разработана и внедряется автоматизированная система «Мареограф-Ц», которая объединяет до 100 датчиков в единую сеть с передачей данных по спутниковой связи (ГЛОНАСС).

Источники

• ГОСТ 19179-73 «Гидрология суши. Термины и определения».
• Руководство по гидрометеорологическим наблюдениям на морских станциях (РД 52.04.567-2003). — М.: Росгидромет, 2003.
• Бочаров Ю. Н., Гинзбург А. И. Приливные явления и их прогнозирование. — Л.: Гидрометеоиздат, 1988.
• Pugh D. T. Tides, Surges and Mean Sea-Level. — Oxford: Pergamon Press, 1987.
• Материалы сайта «Всемирная служба уровня моря» (PSMSL) — Permanent Service for Mean Sea Level.