«Красным обозначены наши данные, синим – их, – научный сотрудник лаборатории гидрологии и гидрофизики Лимнологического института (ЛИН) СО РАН Илья Асламов демонстрирует график изменения уровня воды в Байкале: одна кривая составлена по информации подведомственного Росгидромету Иркутского управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, другая – при помощи автономной гидрометеорологической станции, разработанной в недрах научного учреждения. – Здесь у нас были ошибки, потому что датчик на станции в Листвянке засорился, и его пришлось чистить. А тут у них нарисована полка, потому что сотрудник, очевидно, отдыхал и не измерял уровень – к примеру, с 1 по 10 января не поступает никаких данных, потому что в новогодние каникулы никто не работает». В то же время разработка иркутских лимнологов работает круглосуточно без каких-либо перерывов и автоматически отправляет полученную от датчиков информацию на сервер. Исследователей Байкала интересуют, прежде всего, относительные изменения уровня озера в зависимости от природных и техногенных факторов. А абсолютные среднесуточные значения уровня, которые официально публикуют Росводоресурсы, могут быть использованы для привязки данных к Тихоокеанской системе высот. В свете шумихи вокруг маловодья 2014 года, связанной со спадом уровня озера ниже заданной федеральным правительством отметки, технология, которой лимнологи не первый год пользуются для собственных нужд, привлекла внимание общественности. Полученные в ЛИН СО РАН данные начали публиковать не только на специализированном сайте, но и на популярных ресурсах, ведь проблема уровня Байкала стала горячей темой для обсуждения в Интернете и печатных СМИ. 

Электроника обыгрывает механику

Существует несколько традиционных методик. Одна из старейших – свайные водомерные посты. Технология проста до примитивности: для того чтобы установить уровень воды относительно постоянного горизонта, на пологом берегу через определённые промежутки  располагается ряд свай заданной высоты. Зная номер каждой из них, можно определить отметку, которой достигла вода – для этого на затопленную сваю устанавливают рейку с сантиметровыми делениями.

Описанный метод позволяет измерять уровень в определённый момент, но он не даёт представления о его постоянных колебаниях за какой-то период времени. С такой задачей справляется полуавтоматическая система, которая сейчас используется на тех же постах Росгидромета. Её основа – механический самописец, регистрирующий колебание поплавка в водомерном колодце, сообщающимся с водоёмом. Данные, словно в простейшем сейсмографе, перо выводит тушью на бумагу-миллиметровку, закреплённую на подвижном барабане. Технология широко распространена, но не лишена недостатков. Во-первых, необходимо регулярно менять расходные материалы (бумагу на барабане, к примеру, нужно менять едва ли не раз в сутки). Во-вторых, на точность показаний влияет механическое трение, снижающее порог чувствительности, вдобавок сам мареографический колодец фильтрует колебания воды и тем самым усредняет данные, что в совокупности даёт невысокую разрешающую способность оборудования. Электронные датчики таких недостатков лишены, к тому же они, при условии бесперебойного энергоснабжения, надёжнее механических устройств. Плюс к тому выдают данные в цифровом виде, что значительно облегчает их регистрацию и дальнейшую обработку.

Автоматизировать систему гидрометеорологического мониторинга Байкала в Лимнологическом институте начали примерно десять лет назад. Поначалу на ось самописца установили многооборотный прецизионный резистор, по сопротивлению которого можно было судить о положении барабана, и, как следствие, уровне воды в озере. На протяжении нескольких лет оборудование модернизировали: был применён метод измерения уровня по гидростатическому давлению и появилась возможность сохранять данные на флеш-карту, что позволило значительно повысить частоту и разрешающую способность измерений. В конечном итоге пришли к созданию современной автономной гидрометеорологической станции, собирающей и выдающей всю необходимую информацию в режиме онлайн. Первая появилась в 2009 году в Больших Котах, вторую смонтировали в 2010 году в Листвянке. Ещё две установили позднее в Узурах, что на Ольхоне, и Байкальске.  

Собрано вручную

«Основа станции – этот блок», – Асламов демонстрирует плоскую коробочку размером примерно 12 на 18 сантиметров, отдалённо напоминающую модем или роутер. Внутри находятся две платы: основная и переходная. На первой установлен 16-битный микроконтроллер, задающий логику работы всего устройства, разъёмы для SD-карточки и сим-карты модема, работающего в стандарте GSM. Сюда же интегрирован модуль для вычисления географических координат, предназначенный для работы в системах GPS и ГЛОНАСС. Нашлось место и для USB-интерфейса. Переходная плата, как можно догадаться по названию, предназначена для подключения периферии. На ней, в частности, смонтированы разъёмы для датчика гидростатического давления и стандартной метеостанции, измеряющей остальные параметры. В остальном комплектация зависит от того, где установлена сама станция: так, в Больших Котах и Листвянке она работает от стандартной сети 220 В, тогда как в Узурах энергоснабжение обеспечивается за счёт солнечной батареи и аккумулятора, для подключения которых предусмотрены отдельные разъёмы. 

Для создания блока управления использовались как отечественные, так и зарубежные компоненты. «Микроэлектроника, которую выпускают в России, в основном ориентирована на монопольный рынок военного и космического применения, – поясняет Асламов. – А это высокие требования к надёжности, широкий температурный диапазон, стойкость к воздействию ионизирующих излучений и многое другое. В наших условиях эксплуатации этого не требуется». Так что элементная база, на которую опирались лимнологи, предназначена для общего применения и гораздо доступнее по цене. К примеру, в блоке управления станцией используется микроконтроллер известной фирмы Microchip. Модуль GSM – китайской компании SIM Technology Group, метеостанция – производства Davis Instruments из США, приёмник географических координат и датчик гидростатического давления  – от российских ООО «НАВИА» и ЗАО «ОРЛЭКС». Но какими бы ни были компоненты, подобранные в первую очередь из соображений доступности и соотношения цены с качеством, сам комплекс (и программное обеспечение для него) является разработкой Лимнологического института. И, как выяснилось, весьма востребованной: по возникшей задолго до санкций и существовавшей до недавнего времени в Российской академии наук программе импортозамещения, по которой одни отечественные институты использовали продукты других, три автономных гидрометеорологических станции установили на Телецком озере в Республике Алтай. 

Если блок управления является мозгом станции, то роль органов чувств играют датчики. Непосредственно за определение уровня воды отвечают два из них: тот, который измеряет гидростатическое давление, и ещё один, определяющий давление атмосферное. «Плотность воды мы знаем, давление тоже, – объясняет принцип их работы заведующий лабораторией гидрологии и гидрофизики Лимнологического института СО РАН Николай Гранин. – Гидростатический датчик вычисляет давление водяного и воздушного столбов, из него мы вычитаем атмосферное давление, так что посчитать уровень воды и его изменения можно без проблем. В идеале нужна геодезическая привязка, но чтобы определить отметку над уровнем моря, мы обходимся водной нивелировкой. Надеемся всё же в ближайшее время выполнить хотя бы разовую привязку наших постов». 

Разрешение превыше точности

Однако и без того станция, установленная в Листвянке, обеспечивает столь же высокую точность, что и озёрные посты Росгидромета, но с гораздо большей разрешающей способностью. Если по официальным данным, полученным в ходе двух замеров за сутки, можно узнать, что средний уровень Байкала 22 апреля составил 455,87 м в Тихоокеанской системе высот, то по информации, переданной на сервер в лаборатории гидрологии и гидрофизики, а затем выложенной на один из разделов её сайта, – что за два за с третью часа после полуночи он изменился с 455,798 м до 455,902 м ТО. «Мы делали систему в первую очередь для себя, а нам важны не абсолютные среднесуточные значения уровня, а его внутрисуточные колебания, – добавляет Асламов. – Если смотреть их за какой-то большой период, то видно, как меняются их характеристики – это очень интересно». Наверное, для специалистов в этом нет ничего нового и необычного, но дилетанта поразит тот факт, что на уровень Байкала влияют фазы Луны, ветер и атмосферное давление, под воздействием которого вода перемещается в те районы, где оно ниже. Совокупность внешних воздействий  вызывают так называемые сейшевые колебания, происходящие в силу интерференции волн, отражённых от берегов. С помощью автономных гидрометеорологических станций удалось провести их натурные измерения и вычислить периоды, длящиеся от 59 до 277 минут. Техника также позволила обнаружить влияние далёких землетрясений на уровень Байкала. «Когда в 2011 году произошло землетрясение Тохоку, вызвавшее аварию на АЭС «Фукусима», размах колебаний превышал 15 сантиметров, – говорит Гранин. – А во время Суматранского землетрясения 2012 года он достигал 20 сантиметров. Период колебаний был порядка минуты». 

Возмущения, вызванные подземными толчками, лимнологи регистрировали зимой: летом пластиковые трубы, которые играют роль мареографических колодцев, фильтруют поверхностные волны, так что датчики регистрируют некое усреднённое значение. Но под коркой льда давление передаётся мгновенно, так что оборудование словно обретает повышенную чувствительность. Впрочем, инструментарий для наблюдений постоянно дорабатывают, и в лаборатории уже создан датчик уровня, способный работать в открытом водоёме, так как фильтрация поверхностного волнения в нём осуществляется за счёт цифровой обработки полученного сигнала.

Помимо уже перечисленных уровня озера и его колебаний, а также атмо-сферного давления станции, которые есть в распоряжении лимнологов, позволяют измерять температуру воды и воздуха, влажность, количество осадков, направление и скорость ветра. Ещё одна опция, которая может быть доступна – регистрация солнечной радиации и ультрафиолетового излучения. Точность весьма высока, ведь те модели метеостанций, которыми может комплектоваться система, рекомендованы для профессиональных наблюдений за погодой и зарегистрированы в Госреестре средств измерений. А по точности измерения уровня воды станция ничуть не уступает куда более дорогим решениям европейских фирм, представленным на рынке, превосходя их по части регистрации высокочастотных колебаний. Притом цена их несопоставима: например, готовый измеритель уровня  Orpheus Mini немецкой компании OTT Hydromet GmbH обходится в две тысячи евро, тогда как датчик гидростатического давления, применённый в разработанной лимнологами станции, стоит немногим более 30 долларов. 

На деньги налогоплательщиков для налогоплательщиков

Разработка станции и приобретение компонентов для сборки финансировались за счёт тех средств, которые выделяли по линии Российской академии наук. Эксплуатация комплекса из нескольких станций, если не считать расходы на его техническое содержание, модернизацию и поддержку  сайта, обходится примерно в 100 рублей в месяц – такова плата провайдеру за передачу данных. При этом информация об уровне Байкала и погоде доступна совершенно бесплатно на сайте лаборатории и популярном ресурсе «Твой Иркутск». «Мы на это пошли, во-первых, потому, что это горячая тема, а данных по ней в открытом доступе практически нет, – подчёркивает Гранин. – А во-вторых, я считаю, что раз мы – бюджетная организация, работающая на деньги налогоплательщиков, то мы должны предоставлять им информацию о нашей работе». 

При всём том иркутские учёные планируют расширять сеть станций и модернизировать их. Одна из целей, как уже было сказано, – обновить систему датчиков, отказавшись от водомерных колодцев, которые смонтированы в Больших Котах и Листвянке. Однако для того чтобы претворить накопленные идеи в жизнь, необходимо решить непростой вопрос финансирования: в связи с реформой РАН многие из существовавших по её линии проектов, под которые государство выделяло деньги, были свёрнуты. «Но мы сейчас находимся в активном поиске заказчиков», – заверяет заведующий лабораторией гидрологии и гидрофизики.