CC BY
11
ПРАКТИКА
и ч
ва
ass
sss
ss
s
ИЗ ЗАРУБЕЖНЫХ ИСТОЧНИКОВ
Контроль над
климатическими
изменениями
с помощью подводных кабельных систем
Существующие подводные кабельные системы уже сегодня позволяют создать всемирную сеть контроля над климатом в реальном времени. Будущие поколения кабелей и соответствующие им компоненты способны непосредственно измерять изменения климатических условий, включая температуру воды, уровень солей в водных пространствах и давление на дне океанов. Практическому же внедрению всех указанных функций подводных кабельных систем должно способствовать ускорение работ МСЭ по разработке и принятию соответствующих технических стандартов.
В данной статье дается краткое описание отчета МСЭ, получившего название «Использование подводных кабельных сетей для контроля климатических изменений».
Температура воды и процентное содержание в ней соли являются одними из основных характеристик океана. Они определяют плотность воды и совместно с ветровыми потоками - циркуляцию воды в океанах. Наблюдающееся сегодня глобальное потепление приводит к таянию полярных льдов, что снижает возможность океанических вод сохранять парниковые газы на глубоководье, поскольку растворимость газов в воде уменьшается при более высоких температурах. Все это еще более усиливает потепление атмосферы.
В распоряжении океанографов находится широкий набор средств контроля океанических процессов, однако они имеют свои достоинства и недостатки. Например, спутники могут контролировать только такие поверхностные явления, как сила ветра и температура. Исследовательские суда, напротив, способны производить детальные измерения температуры воды и ее состав на глубине. Однако эти измерения проводятся не регулярно и лишь в очень ограниченной части океана. В настоящее время более 3 тыс. свободно дрейфующих кораблей Argo измеряют температуру и соленость океанов, однако проводить подобные измерения на глубине более 2000 метров они не могут.
Использование подводных кабельных систем, проложенных по морскому дну - единственная возможность для регулярного контроля состояния глу-
бинных вод. Электрические сигналы от подводных кабелей могут передавать информацию о состоянии океана, поскольку электромагнитные параметры и сопротивление кабелей меняются при изменениях температуры и подводных течений. Кабели могут также использоваться для передачи информации от обсерваторий, расположенных на дне морей и океанов. Примерами таких систем являются система МЕРШИЕ (Канада) и система ООИЕТ (Япония).
Использование телекоммуникационных кабелей в научных целях
С момента прокладки первого подводного телекоммуникационного кабеля через Ла-Манш в 1850 г. до настоящего времени были проложены миллионы километров подобных кабелей по дну океанов.
Существуют кабели двух типов - те, что уже не функционируют, и те, что находятся в использовании. Более старые и не использующиеся кабели, как правило, - коаксиальные. Однако следует отметить, что выведены из состава действующих и многочисленные оптоволоконные кабели первого поколения, несмотря на то что срок их службы не закончился. Это произошло из-за стремительного развития новых кабельных технологий.
Подводные кабели (как уже вышедшие из числа действующих, так и находящиеся в использовании) могут стать
34
векі КАЧЕСТВА № 5 • 2011
ИЗ ЗАРУБЕЖНЫХ ИСТОЧНИКОВ
а
□г
□□г
□□г
□с
а
ПРАКТИКА
источниками данных о текущем состоянии океана путем подсоединения обычного вольтметра и компьютера к наземной кабельной станции, находящейся на берегу. Электромагнитный поток индуцируется в кабеле путем движения океанских течений в земном магнитном поле за счет приливов и отливов, а также при возникновении цунами. Такие измерения напряжений могут проводиться даже на нормально работающей кабельной системе.
Подводные кабели уже были использованы для измерений океанических течений по всему земному шару. Например, они использовались для ежедневных измерений объемов воды, которые были перенесены Флоридским течением за последние 25 лет. Это самая длительная серия измерений перемещения океанических вод. Информация, полученная с помощью кабельных систем, позволяет рассчитать перемещение воды в Северном Атлантическом океане, являющейся драйвером циркуляции вод в глубинах океана, что чрезвычайно важно для специалистов по исследованию климата. Кабели, вышедшие из употребления, могут быть переложены в области, имеющие самое большое научное значение, например в Южный Океан (также называемый Антарктическим). Согласно подсчетам, стоимость перемещения кабелей достигает приблизительно половины от стоимости прокладки новой системы (около 20 тыс. долл. за километр по сравнению с 50 тыс. долл. за километр для новой системы). Однако существуют трудности (как на законодательном уровне, так и практические) для использования старых кабельных систем в научных целях. Особенно это касается передачи кабельных систем от компаний, владеющих ими, в собственность академических институтов.
Первым шагом в формировании глобальной сети должен стать подсчет научного потенциала от использования всех кабелей - как находящихся в эксплуатации, так и неиспользуемых в данный момент. В задачи МСЭ входит координация этой деятельности путем привлечения к ней административного персонала, ученых, инженеров и экспертов в области законодательства из правительственных регулирующих органов и агентств ООН.
В настоящее время научное использование кабелей в основном ограничивается подсоединением измерительной аппаратуры к соответствующим наземным станциям. Предполагается, что в будущем ретрансляторы, устанавливаемые обычно на расстоянии 50-150 км для усиления телекоммуникационного
сигнала, могут быть соответствующим образом модифицированы, что позволит их использовать для контроля климата.
Телекоммуникационная промышленность способна разработать новое поколение кабельных усилителей и ретрансляторов, которое помимо обеспечения обычных телекоммуникационных услуг даст возможность новым владельцам кабельных систем получать данные о состоянии климата. Новые ретрансляторы будут снабжены встроенными сенсорами для измерения колебаний климатических параметров. Они заложат основу новой, экономически эффективной сети, используемой для длительного контроля климатических изменений.
Измерения температуры и солености морской воды дают возможность контролировать процесс потепления и охлаждения воды, происходящих в результате потепления атмосферы и таяния льдов. Измерение давления позволяет узнать, что происходит с океаническими течениями и уровнями морей. Указанные выше измерения дают достаточно полную картину эффектов, происходящих из-за изменений климата. Они также позволяют предсказать появление цунами. Глобальная сеть сенсоров позволит осуществлять непрерывный контроль состояния океанов во всем мире, при этом предполагается, что стоимость такого контроля не будет высокой. Находящиеся в настоящее время в действии ретрансляторы с помощью встроенных в их корпуса сенсоров уже позволяют измерять температуру окружающей среды, уровень солености воды и давление. Измеряемые сигналы передаются к береговой станции с использованием соответствующих оптических волокон и линий передачи.
В будущем ретрансляторы будут включать в себя самые разнообразные технологические узлы общего назначения, которые обеспечат кабельную систему необходимой энергией, а также выполнять связные функции и передавать сигналы времени. Во встроенный научный инструментарий могут входить акустические модемы. Это превратит ретранслятор в обсерваторию не только для измерения температуры, солености и давления, но и для сбора таких дополнительных данных о климате, как океанические течения, уровень кислорода в воде, уровни тепличных газов, сейсмичность и прочие геофизические и биохимические параметры. В перспективе можно будет измерять значительные температурные параметры с помощью акустической томографии и даже проводить подводный видео- и акустический мониторинг.
Инженеры столкнулись с проблемой поиска надежных устройств, которые сформировали бы в совокупности гибкую и стабильную инфраструктуру для передачи данных. Для того чтобы обеспечить электрическое и оптическое подключение к многоуровневой сети передачи (не мешая обычной телекоммуникационной ПД), компания Tyco Electronics Subsea Coommunications разработала двухжильный кабель (DCC) и четырехкабельное разветвительное устройство. Структура кабеля DCC аналогична структуре ранее используемых коаксиальных кабелей. Четырехкабельное разветвительное устройство имеет специальные разъемы, обеспечивающие подключение дополнительного двухпроводного кабеля и его электрическую изоляцию от среды на морском дне. Эти технические новинки обеспечивают климатический мониторинг совместно с сенсорами, интегрированными в корпус ретранслятора, и работают независимо от телекоммуникационных структур.
Формирование экономически эффективных систем с использованием кабелей и ретрансляторов для предупреждения о возникновении цунами Разработанный в лабораториях Национальной Администрацией США по исследованию океана и атмосферы (United States National Oceanic and Atmospheric Administration - NOAA) головной блок бакенной системы предназначен для проведения оценки состоянии глубин океана и предупреждения о появлении цунами (Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunami System - DART). Блок представляет собой сенсор давления на дне океана и способен фиксировать в открытом океане амплитуды волн менее 1 см. Стоимость бакенной системы DART около 250 тыс. долл., а ее эксплуатации - около 125 тыс. долл. в год. В этих цифрах не учитывается доставка системы и ее уста-
№ 5 • 2011 ВЄК КАЧЕСТВА
35
ПРАКТИКА
И ч ва
BSS
BSS
ва
в
ИЗ ЗАРУБЕЖНЫХ ИСТОЧНИКОВ
новка (они в несколько раз превышает стоимость самой бакенной системы). К 2008 г. только США развернули в Тихом океане 39 бакенных систем для предупреждения о возникновении цунами.
Во всем мире установлено около 200 таких бакенных систем. Общая стоимость проданных систем составляет 0,5 млрд долл., а их эксплуатации - около четверти млрд долл. в год. Традиционные бакенные системы имеют ограниченный срок службы (около 4 лет), поскольку они питаются от батарей.
Используя кабельные ретрансляторы со встроенными в них сенсорами давления, можно создать глобальную сеть по предупреждению о возник-
новении цунами, стоимость которой будет существенно ниже затрат на ранее установленные системы. Затраты на организацию и обслуживание такой сети также могут оказаться более низкими. Поскольку кабели и ретрансляторы получают энергию от береговых станций, сенсоры могут получать электропитание в течение десятилетий. В данном случае для телекоммуникационных компаний появляется новое направление деятельности, приносящее немалые доходы.
Затраты на разработку нового типа ретранслятора или регенератора подводной кабельной системы оценивается в несколько млн долл., однако их можно считать вполне оправданными, поскольку ретрансляторы должны производиться тысячами единиц. Кроме того, новые модели ретрансляторов могут продаваться по существенно более высоким ценам, чем их старые модели. Количество телекоммуникационных кабелей, прокладываемых в океанах, будет только увеличиваться, поэтому новое поколение кабельных ретрансляторов сможет обеспечивать точные данные о климатических изменениях в окружающей среде.
Заключение
Телекоммуникационные компании дали научным сообществам доступ к своим подводным кабельным системам и наземным станциям. Однако и по сей день роль, которую играет телекомму-
никационная отрасль в деле исследования климатических изменений, достаточно пассивна. Для телекоммуникационных компаний наступило время принять более активное участие в контроле за изменением климата.
Океаны оказывают огромное влияние на переменчивость климата. Глубоководные районы океанов в настоящее время практически не исследуются. Без эффективных средств для проведения длительных измерений параметров океанической среды и наблюдений за поведением океана, которые можно вести только с помощью телекоммуникационных кабелей, чрезвычайно затруднительно осуществлять глобальный контроль за климатическими изменениями.
Исследовательские группы МСЭ-ITU-T Study Groups 15 и 5 достаточно детально изучили данный вопрос. На последнем заседании группы 5 «Изменения окружающей среды и климата» (Environment and Climate Change) был поднят новый вопрос относительно того, каким образом ИКТ и, в частности, подводные кабельные системы, могут наиболее эффективно использоваться для контроля окружающей среды и экосистем и какие новые стандарты для этого потребуются. Этот вопрос поднимался также на конференции МСЭ «Путь к зеленой экономике через стандарты ИКТ» (Moving to a Green Economy through ICT Standards). Конференция проходила 22-25 марта 2011 г. в Риме. На повестке дня рассматривались следующие вопросы:
^ о более активном применении не используемых в настоящее время подводных кабелей для контроля состояния океана;
^ о содействии заключению соглашений между учеными, представителями деловых кругов и правительствами по использованию подводных кабелей для проведения исследований климатических условий;
^ о поисковых работах в области сенсорных технологий с целью их внедрения в существующие системы;
^ о содействии разработкам новых технологий и стандартов для многоуровневых подводных кабельных систем, включая разработку океанических наблюдательных подсистем для каждого ретранслятора подводной кабельной системы с целью получения высокого пространственного разрешения при мониторинге состояния океана по всей трассе прокладки кабеля. ■
По материалам журнала ITU News
Силовой и телекоммуникационный кабель сети NEPTUNE в Канаде
Зб
ВЄК КАЧЕСТВА № 5 • 2011
