Под давлением. Опыт и перспективы измерений цунами северо-западной Пацифики

(4) Да, СССР не имел в то время глубоководных приборов для измерения цунами, однако в целом предпринимались серьёзные усилия по измерению волн цунами на шельфе. Соловьев организует гидрофизическую обсерваторию «Шикотан», которая стала эффективной для натурных измерений длинных волн в диапазоне частот цунами (более подробно далее. – GK).

(5) Нет сомнений в том, что в 1970-е годы СССР сильно отставал от США в новейших тогда технологиях (и по океанографии. – GK), однако научный и профессиональный уровень советских ученых и специалистов оставался высоким.

(6) Был один пункт, в котором СССР тогда сильно опережал США: научный флот (!) (точнее, его доступность для экспедиций. – GK). В Советском Союзе его количество было огромно! Российская академия наук, Гидрометеорологическая служба, Министерство рыболовства и гидрографии располагали большим количеством научно-исследовательских судов и работали во всем Мировом океане. Кроме того, морские экспедиции стоили очень дешево, в отличие от США, где они были очень дорогими. Мое мнение однозначно: это было очень удачно и нужно для обеих стран и уж точно не являлось мезальянсом!

Итак, несмотря на верные теоретические разработки по измерениям волн цунами открытого океана и начала продуктивного научного сотрудничества СССР – США по тематике длинных волн в 1970-х гг., пути команд Сергея Соловьева и Geylord Miller безвозвратно расходятся в конце 1970-х. Прежде всего по глобальным политическим причинам, как результат запрета коммуникаций по официальным санкциям из-за войны СССР в Афганистане, негласных табу и еще ранее – по персональным причинам (кончина Geylord Miller в результате болезни в 1976 г.).

Но гонка по измерениям цунами открытого океана только началась. Борис Дыхан, Виктор Жак и другие под руководством Сергея Соловьева первыми записывают цунами у острова Шикотан кабельным (!) измерителем и публикуют результаты в 1981 г. (9). Спустя год выходит статья Jean Filloux (фото 5) по измерениям цунами автономным (!) прибором на глубокой воде (10). Доказывается результатами, что цунами можно измерить и идентифицировать на шельфе и в открытом океане как кабельным, так и автономным приборами, что открывает вдохновляющие перспективы разработок по идентификации, распространению, предупреждению и расчетам заплесков цунами, в итоге – сохранению жизни людей.

В 1980-х СССР запускает собственную госпрограмму исследований цунами с амбициозными целями, которая терпит малозаметное на фоне других глобальных событий фиаско через десять лет. Тем не менее остается разработанная идеология службы предупреждения цунами (11), а также созданные коды программ моделей распространения волн цунами (1984—1989) в СО РАН (12) (6). Госпрограмма СССР по цунами не привела к созданию прототипов измерителей глубокой воды и строительству береговой инфраструктуры наблюдений. Недострой здания службы цунами в Южно-Сахалинске простоял до начала 2000-х, переоформлен по собственности и переделан на другие цели.

Техническое взаимодействие СССР (затем РФ) с США по цунами замирает с конца 1970-х и до начала 2010-х годов. Однако научные работы по цунами и длинным волнам, в основном, по линии РАН не останавливались, продолжаются и сегодня. См. труды по авторам: Александр Рабинович, Борис Левин, Василий Титов, Василий Храмушин, Виктор Кайстренко, Вячеслав Гусяков, Вячеслав Шершаков, Георгий Шевченко, Го Чан Нам, Дмитрий Камаев, Евгений Куликов, Ефим Пелиновский, Игорь Медведев, Исаак Файн, Михаил Носов, Татьяна Ивельская и др.

Конечно, список авторов неполный и может дополниться.

В начале 1990-х NOAA (PMEL), а точнее, Eddie Bernard привлекает Василия Титова (СО РАН, г. Новосибирск) для моделирования распространения волн цунами и прогноза береговых заплесков. Ему через десять лет суждено сыграть особую роль в команде создателей системы предупреждений цунами на основе DART как высокоэффективного расчетного и прогнозного инструмента. Возможно, Василий Титов повторяет судьбу великого экономиста Василия Леонтьева, что, конечно, покажет только время.

Теперь от лидеров, теоретиков и модельщиков – к инженерам. За период 1970—1990-х прогресс в микроэлектронике и высокоточных, стабильных датчиках давления (для будущего DART, прежде всего Paroscientific; более подробно далее. – GK), как и остальных морских океанографических измерителях, производит растянутую на два десятилетия эволюцию в океанском приборном сегменте, включая станции-прототипы DART. К этому же периоду относится и возможность передачи сигналов с любой донной автономной платформы через гидроакустические модемы и спутниковые каналы связи в береговые информационные сети. Такая приближенность к реальному времени отслеживаемых геофизических процессов стала недостающим пазлом функциональной полноты разных прототипов системы предупреждения цунами. Важным моментом для спутниковых коммуникаций стала опция двунаправленной связи и возможность удаленного перепрограммирования приборов на дне и поверхности океана (после 2000 гг.). Цифровая идентификация волн цунами донными измерителями в широком спектре ансамбля океанских возмущений поверхности составила основу моделирования распространения и расчетов заплеска цунами на побережья. Что потребовало отдельных усилий от развития технической стороны DART (13) (14).

Фото 5

Слева направо: Борис Дыхан, Виктор Жак, Jean Filloux, Александр Поплавский, Евгений Куликов, Василий Титов, Вячеслав Гусяков, Дмитрий Камаев, Ефим Пелиновский, Вячеслав Шершаков, Георгий Шевченко, Борис Левин, Татьяна Ивельская, Михаил Носов, Исаак Файн, Го Чан Нам, Виктор Кайстренко, Василий Храмушин, Александр Рабинович, Игорь Медведев

Источник: интернет

С периода успешной демонстрации прототипа у Алеутской гряды и северо-восточной части Тихого океана (1998—2004 гг.) технология DART развивается до готовности к серийному производству, совпав с цунами-катастрофой 2004 г. Индийского океана (Суматра). NOAA не коммерциализирует законодательно свою технологию, и лицензия на производство DART выкупается корпорацией SAIC (USA). Уже с ней моя компания НПО «ДЭКО» в 2010 гг. как оператор налаживает взаимодействие по установке, эксплуатации и поддержке российских океанских станций. Их в северо-западной Пацифике устанавливается две (вместо планируемых четырех). Так станция WMO 21401 продолжит работу с ноября 2010 г. до гибели системы в сентябре 2014 г. (вандальное воздействие, вероятно, траулером под флагом КНР; одновременное противодействие финансированию программы в части цунами российским правительством). Станция WMO 21402 проработает с измерениями с 2012 по 2014 г. и далее (после замены) до апреля 2017 г., превысив срок плановой эксплуатации.

Всего станции DART РФ автоматически распознали и передали на берег двадцать два случая цунами, включая Тохоку (2011 г.), когда по измерениям в открытом океане определена величина заплеска на ДВ и другие побережья до прихода волн. Благодаря данным станций DART ##21401, 21418, 21419 удалось рассчитать также и размеры очага цунами – катастрофы Тохоку (далее).

Немного про методики последующих расчетов после выделения цунами из семейства сейсмических и океанологических данных. Как упоминалось выше, в какой-то момент времени (70-е гг. прошлого века) усилия по цунами СССР и США совпали, затем разошлись, не оставив технического наследия для инженеров СССР и затем России в части автономных измерителей, датчиков, гидроакустических модемов, оборудования для передачи информации из океана. Намного оптимистичнее выдающаяся роль русскоязычных ученых выглядит в теоретическом и модельных подходах в расчетах продвижения волн цунами по измерениям открытого океана (Сергей Соловьев и его команда, модельщики СО РАН). Что и пришло на смену магнитудно-географическому методу (МГМ) определения цунамигенности землетрясений для технологии DART.

Парадигма определения цунамигенности землетрясений в РФ могла базироваться на измерениях DART, за что и боролись Сергей Соловьев, его команда, современные исследователи – когда параметры длинных волн открытого океана достоверно и оперативно измерены, а времени достаточно для моделирования распространения и расчета заплесков до наступления прихода волн. Тем не менее такое развитие было остановлено возвратом, точнее, откатом к МГМ Росгидрометом, что остается необъяснимым и необоснованным (15). Отброшены успехи высокоточных измерений длинных волн открытого океана (2010—2017 гг.), цунами Тохоку, совпав с разноплановым силовым воздействием на работников службы цунами и исследователей в 2012—2014 гг., что не может не вызвать человеческого и профессионального возражения.

Соответственно, после периода работы с DART в 2010—2017 гг. российская система предупреждения о цунами (РСПЦ) беспричинно и пока безвозвратно скатывается на сорок лет обратно (см. презентации (16), (17)): с современного уровня наблюдений к императиву магнитудно-географического критерия цунамигенности, обладающему низкой оправдываемостью тревог цунами ~ 28% (18).

В положениях о РСПЦ находим основополагающее положение о необходимости «… измерений и результатов обработки данных инструментальных (курсив мой. – GK), визуальных наблюдений за уровнем моря». Вопреки установкам РСПЦ с 2013 года (более двенадцати лет (!) на время выхода книги), острова Курильской гряды не имеют ни одного (!) из действовавших прибрежных мареографов (см. например: https://rtws.ru/sea-level/). В итоге с 2013 года по настоящее время и, видимо, в обозримом будущем РФ перестает обладать собственной современной системой обнаружения и предупреждения цунами не только в открытом океане, но и на сети прибрежных станций в наиболее уязвимых по цунами российских регионах Тихого океана: Курилы, Сахалин, юго-восточная часть Камчатки (курсив мой. – GK).

Необъяснимо и официально отодвинуто в сторону (но не забыто!) научное наследие академика Соловьева и его команды. Базирование предупреждения цунами только на устаревшем магнитудно-географическом подходе в целом ложно. Оно противоречит достигнутым ранее теоретическим позициям (см. труды академика С. Л. Соловьева, отдела цунами СахКНИИ ДВНЦ АН СССР, лаборатории цунами ИО РАН им. П. П. Ширшова) и успехам наблюдений цунами DART, принадлежащим РФ, в открытой части Тихого океана за период 2010—2017 гг.

По взаимодействию с распределителем бюджета – подразделениями правительства РФ – посвящу несколько слов здесь, во введении. Усилия коллег и НПО «ДЭКО» по возврату ФЦП цунами и сменяемым раз в два года установкам DART безуспешны, утонув в бессмысленно-бесконечной переписке с министерствами и ведомствами (далее) и открыто запрещающими применение DART в раннем предупреждении цунами экспертами-оппонентами метода наблюдений уровня открытого океана в реальном времени.

Но сдаваться и отчаиваться не стоит. Поэтому книга и пытается ответить развернуто, для чего и почему необходимо продолжение работ с DART. Включая перспективы собственных конструкторских и программных разработок по тематике цунами.

Книга содержит введение, пять глав, заключение.

В главе 1 рассмотрена краткая история инструментальных автономных измерений цунами открытого океана. На основе литературных источников показана диспозиция команд и разработок в вопросе создания систем предупреждения цунами, начинавших собственные и международные исследования с начала 1970-х гг. – времени создания всех известных современных систем предупреждения цунами. Отмечу, что государственные специализированные программы не стали гарантией ожидаемого технического прогресса и научного успеха по предупреждению цунами ни в СССР, ни в Японии, ни в США, ни в других странах. Именно поэтому успех DART стоит рассмотреть внимательно именно с такой точки зрения.

Начавшись в 1960-е, он состоял из видения системы в целом, теоретических разработок распространения волн в океане, преемственности научного поиска в близкой области приливов открытого океана, приоритета гидрофизики и моделирования распространения волн, усилий по сохранению и развитию изначальной команды создателей, передачи технических решений друг другу, достижений в близких направлениях: датчиках уровня, измерениях приливов открытого океана, создании сети буев TAO, спутниковой передачи данных с океанских автономных платформ, гидроакустических модемов. Что и привело к созданию прототипа и постепенной его эволюции от прототипа DART-I до поколения G4.

2004 год официально являлся последним годом разработок DART в США (Bernard, персональное сообщение) с завершением финансирования и, скорее всего, полочной судьбой выдающейся технологии. Как и упоминалось выше, лишь цунами на Суматре 26 декабря 2004 г. и последовавшая гуманитарная катастрофа привлекли глобальное внимание к разработке технологии предупреждения наводнений с океана. Команда, создавшая DART, получила усиленную поддержку. PMEL (NOAA, Seattle) финансируется правительством США в дальнейших разработках по обнаружению и раннему предупреждению цунами, тогда малоизвестных широкой публике.

В главе 2 рассматривается составляющие и эволюция системы DART, включая находившиеся в российской эксплуатации STB DART-II© и ETD©. Здесь же приведены принципиально важные с точки зрения развития технологии и дальнейших перспектив DART ссылки в качестве реперных событий прошлого, настоящего и будущего развития технологии.

Глава 3 дает подробное техническое описание DART-II© и ETD©, их работы (с разрешения патентодержателя и разработчика – SAIC).

Глава 4 посвящена результатам работ российского сегмента DART тихоокеанской сети раннего предупреждения цунами в северо-западной части Тихого океана с ноября 2010 г. по апрель 2017 г. Она включает подробную информацию об эксплуатации и событиях цунами.

Освещен также ряд форс-мажорных ситуаций, включая необъяснимое и варварское уничтожение прибрежных измерителей уровня моря, преследование специалистов по цунами управлением ФСБ Сахалинской области в 2013—2014 гг.; предисковую подготовку документов НПО «ДЭКО» к китайской компании Dalian Fishing по случаю фатального вывода из строя WMO 21401, дошедшей до межправительственных консультаций Россия – Китай; мониторинг свободного дрейфа STB (WMO 21401) до островов Бонин (Огасавара), Япония в 2014—2017 гг., затем неожиданное появление ETD (WMO 21402) на Аляске (США) также после дрейфа 2017—2020 гг.; острую необходимость внесения новых международных норм права для подтверждения статуса и охраны исследовательских измерительных систем открытого океана; попытки вернуть интерес госструктур и чиновников к программе измерений цунами открытого океана современными средствами; незаметная для стороннего наблюдателя, но и необъяснимая для посвященных подмена научного наследия Соловьева-Miller измерений длинных волн открытого океана на МГМ. Отдельно рассмотрен вопрос бездействия подразделений правительства РФ по поддержке океанских станций раннего предупреждения цунами с 2014 г. и до сдачи книги в печать.

Глава 5 – дискуссия по вопросам подходов к измерению цунами и его последствий, эксплуатации и перспективам использования DART на Дальнем Востоке, в северо-западной части Тихого океана и морях РФ, возможности организации круглогодичной эксплуатации станций DART. Здесь описана также и идея о новом способе измерений цунами в глубоком океане, включая создание собственных станций.

Заключение включает основные выводы и рекомендации для работы с DART в российских морях северо-западной части Тихого океана и, возможно, на других акваториях РФ, перспективы развития систем. Развитие производства приборов и оборудования по предупреждению цунами в Тихом океане, Японском и Охотском морях, как и во всех остальных морях РФ, остаются остро необходимыми и востребованными для сохранения жизни людей, береговой инфраструктуры и имущества.

Разработка собственной системы предупреждения цунами с опытом DART практически безальтернативна и требуется методически для нового развития собственных усилий по цунами, кроме «рулеточного» (прим. GK) МГМ. В ближайшие годы она выполнится так или иначе в виде буйковых автономных систем или на иных платформах, с обязательной идентификацией волн и расчетной частью заплесков. Известны и продолжают развиваться другие методы определения цунами, в основном дистанционные технологии как из космоса (19), (20), так и побережий: HF-радары (21), (22), GPS shield или похожие (23). Среди прочих реальных возможностей создания системы – сеть из распределенных на глубокой воде датчиков, прибрежных мареографов и автономных дронов могут стать технологической основой развития системы уменьшения рисков затопления с океана (моря) от цунами, пока остальные методы пройдут свои пути по созданию и испытаниям в течение ближайших пятнадцати-двадцати лет (и длительность указанного цикла разработки скорее оптимистична! – GK). Обозначенный этап по времени близок к смене профессиональных поколений. Вопрос преемственности важен, исторически подтвержден на примере создания DART, как и техническая, и методическая части предстоящей работы. Цунами, вне зависимости от генезиса, остается непредсказуемой и существенной угрозой как на Дальнем Востоке РФ, так и на других населенных побережьях страны.

Именно поэтому тема книги актуальна, без преувеличения, на всем 37 673 километровом побережье России. Как и остального мира, где приблизительно миллиард населения всей планеты проживает в полосе около восемнадцати километров от берега по состоянию на 2020 г. (24). Снова и снова возвращаюсь к населенным прибрежьям океанов и морей, где угроза цунами существует и будет существовать постоянно до тех пор, пока люди живут у воды.

Имеющий уши да услышит…

осознает и поймет… чтобы

действовать, защищаясь от угроз

и добывая новые знания…

Глава 1.

Краткая история инструментальных измерений цунами открытого океана

Краткая история инструментальных измерений цунами открытого океана здесь рассматривается как соревнование команд разработчиков. Ниже будет показана борьба нового и консервативного, в то же время сплав случайного и личного в создании технологий измерений цунами открытого океана. Из чего и почему, собственно, возник стандарт наблюдений цунами открытого океана DART как часть системы предупреждения и рассказывается в этой главе.

В настоящее время страны используют разные технические подходы к наблюдениям цунами открытого океана. Крупно их два типа: автономные системы DART (Австралия, Индия, Колумбия, Новая Зеландия, РФ (2010—2017), страны Карибского бассейна, США, Таиланд, Тайвань, Чили, Эквадор, Япония (2012—2016); специализированные кабельные разветвленные сети датчиков на шельфе и континентальном свале глубин (Канада, США, Япония). Как правило системы наблюдений включают в себя датчики сейсмологических служб либо собирают и передают такие данные в отдельной сети.

К 1970-м гг. исследования колебаний открытого океана и в связи с изучением цунами представляли собой научный вызов, сравнимый, например, с ведущимися современными пионерскими разработками (25), научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими работами (НИОКР) предвестников землетрясений (26) с целью их выявления и прогнозирования. Тот случай, когда требуются теория явления, возобновляемые и сопоставимые между собой инструментальные наблюдения, моделирование явления, согласованные протоколы взаимодействия разных служб реагирования, определение угрозы, после исключения мнимых событий. Но все перечисленное не дается сразу и не преподносится Всевышним на блюдечке. Поэтому, чтобы все работало как часы (например, как DART. – GK), потребуются и усилия, и весомые результаты на каждом из этапов.

Начнем с техники.

История инструментальных наблюдений за цунами насчитывает сто пятьдесят – двести лет (27), (28). Развитие автономных инструментальных измерений уровня открытого моря при исследованиях цунами северной части Тихого океана более кратко по времени и охватывает отрезок последних пятидесяти лет. Оно совпадает с успешными испытаниями кварцевых резонаторов для измерений силовых нагрузок, развитием применения миникомпьютеров в океанографических приборах, первыми публикациями наблюдений цунами открытого океана аналоговой аппаратурой (далее). При создании DART постепенно кварцевые цифровые датчики нагрузок вытеснили аналоговые измерители гидростатического давления открытого океана и в конце концов стали главной функциональной частью систем предупреждения цунами.

Несомненно, развитие работ в направлении цунами и интенсификация экспериментальных измерений для всех стран, особенно Тихоокеанского региона, объясняется трагическим чилийским землетрясением и цунами 1960 г. Страны признают очевидную необходимость развития системы предупреждения цунами и организуют специализированную Комиссию по цунами в 1960 г. на заседании в Хельсинки, Финляндия. Начинается периодическое, раз в два года (!) (курсив GK), общение ученых, инженеров, менеджеров и специалистов со скоростью коммуникаций, немыслимо медленной для современности. Однако мало сомнений в том, что, несмотря на противоречивую, крайне неторопливую и разнонаправленную работу комиссии, положено начало общению ученых, без которого, вне зависимости от реалий того времени, дальнейший прогресс как в измерениях цунами открытого океана, так и в теории цунами являлся бы большим вопросом.

Одновременно с проблематикой цунами в 1960—1970-х гг. исследования приливов открытого океана становятся предметом углубленного открытого международного обмена и обсуждения в научной среде для создания соответствующей измерительной техники и продвижениях в измерениях приливов открытого океана. Страны начинают взаимодействие в SCOR по приливам, рабочая группа WG27 (31). Меньше документов для рассматриваемого периода принадлежат заседаниям специализированной Международной комиссии по цунами (32). Общее представление об истории глубоководных измерений открытого океана для задач цунами содержится в концентрированной сводке (28) и вышедшей ранее главе 7 Harold J. Mofjeld из монографии Tsunamis, The Sea, Volume 15 под редакцией Bernard, Robinson (33).

Как указывалось выше, измерения уровня открытого океана начались с середины 60-х гг. прошлого века, модифицируясь затем и для задач цунами. Так авторы отмечают успешную четырехмесячную работу кабельного датчика гидростатического давления обсерватории OBS-II открытого океана в 1965 году, выполненной в 180 км от побережья Калифорнии (34). Но регистрация и детекция волн цунами не входили в приоритетные задачи обсерватории. К тому же период 1965—1972 гг. не являлся цунамиопасным (28). В этот же период под руководством Geylord Miller испытан ряд датчиков гидростатического давления для задач глубокого океана (35), (36). В СахКНИИ ДВНЦ АН СССР опубликована работа Жака, Соловьева 1971 года (ссылка ранее) по вибротронному датчику гидростатического давления. Перечисленные команды или отдельные исследователи, конечно, были не одни в тематике измерений колебаний уровня глубокого океана и цунами.

При разработке и опытных испытаниях приборов для наблюдений уровня в режиме реального времени в 1970—80-е годы два гигантских препятствия являлись технологическими тупиками своего времени – в частности, автономные системы не рассматривались как перспективные (кроме Frank Snodgrass, Martin Vitousek. – GK) для он-лайновых, в современной терминологии, приложений, поскольку отсутствовал сегмент связи для моментальной передачи сигнала от места измерения на берег. Передача сигнала с океана и интернет как средство коммуникации для гражданских целей возникли позже создания необходимых датчиков для цунами. Интернет появится в 1984 г., когда NSFNET будет отделена из военной закрытой ARPANET (37). Двунаправленная связь с океанскими станциями DART появится только в 2000-х. Именно поэтому в 1970-е гг. спутниковая связь и интернет, их средства и возможности не могли рассматриваться как составные части систем предупреждения цунами. Среди прочих второе ограничение состояло в температурном шуме кварцевых датчиков давления (38), влияя на их точность и стабильность. К указанным двум главным ограничениям присоединялись вопросы о способах хранения собранных данных и энергопотреблении, ожидая своего технического решения. Возможно, по таким причинам акцент в первоначальных и последующих работах по измерениям цунами в открытых водах ложился на датчики с кабельными выходами на берег.

Устоялось представление о преимуществе кабельных систем перед автономными на примере подхода, прежде всего, Японии в решении задачи раннего предупреждения цунами. Кабельные системы, несмотря на свою дороговизну, строительство и поддержку, считаются надежнее, по ним можно не просто передать информацию с прибора, но также и направить на него команды, т. е. управлять датчиком или измерительной системой с берега. Как близкий пример к оповещению цунами можно привести малоизвестную, но успешную эксплуатацию сухопутной системы принудительного торможения скоростных поездов Shinkansen, введенную с 1982 г. «За 12—15 секунд до того, как во второй половине дня 11 марта 2011 года на материковой части Японии произошло мощное землетрясение магнитудой 8.9, сейсмометр в Кинказане, принадлежащий восточному железнодорожному оператору страны JR East, автоматически включил сигнал остановки в систему Shinkansen – высокоскоростных японских поездов, что привело к экстренному торможению 33 составов» (конец цитаты. – GK (39)).