Работы проводились в период ледовой практики студентов 2 курса факультета океанологии РГГМУ в г. Приморск Ленинградской области с 01 по 07 марта 2004 года под руководством ведущего специалиста ЗАО"АПМП" Завиловича Игоря Михайловича. Измерения выполнялись со льда на расстоянии 250 метров от берега.Во льду была вырезана майна размером 1,2 м на 1,2 м. Толщина льда составляла 29,5 см. Глубина места в точке измерений - 24,5 метра.
          Гидрометеорологические условия : облачность 6-10 баллов, температура воздуха –3-6 градусов С, ветер 4-7 м/сек переменных направлений, кратковременные осадки в виде снега.
Использовался комплексный зонд для измерения физико-химических характеристик морской среды : температуры, электропроводности, водородного показателя, содержания растворенного кислорода, окислительно- восстановительного потенциала, глубины прибора., а так же одновременно измерялись три ортогональные составляющие вектора пульсаций скорости течений на различных отстояниях от дна. При этом приборы были помещены в обтекатель таким образом, что одна из горизонтальных компонент была ориентирована по направлению среднего вектора течения ( продольная составляющая ).
Анализируется как изменчивость измеряемых параметров в среде, так и влияние на работоспособность каналов условий измерений.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ.

Температура.

Вертикальное распределение температуры приведено на рисунке 1.
Изменение температуры по глубине в период измерений составляло от минус 0,2 град.С у нижней кромки ледяного покрова до плюс 1,5 град.С, на глубине 20 метров. Изрезанность вертикального профиля свидетельствует о наличии микроструктурных особенностей, связанных, предположительно, с вертикальной конвекцией в зимний период. При этом существенные различия в вертикальных профилях, снятых 2 и 4 марта могут быть обусловлены выравнивающим воздействием конвекции в результате интенсификации теплообмена через майну во льду.
Изменения температуры на разных глубинах представлены на рисунках 2-11. Время наблюдений на каждом из горизонтов превышало 1000 секунд. Изменения глубины положения приборов за время наблюдений на горизонте по данным преобразователя гидростатического давления было менее 7 см.
Независимо от амплитуды изменчивости температуры, наблюдаются изменения температуры с периодами от нескольких десятков до нескольких сотен секунд, связанные, вероятно, с вертикальными движениями, обусловленными внутренними волнами. Причинами, вызывающими внутренние волны, может быть, в том числе, и перемещение обтекателя при изменении горизонта наблюдений. Так, на рисунках 6, 7 и  8  ( горизонты наблюдений 12,28 м, 14,2 м и 16,13 м ) началу периодических колебаний предшествует относительно спокойный период ( без колебаний ) продолжительностью 300-400 секунд непосредственно после изменения горизонта наблюдений.
В целом, результаты измерений свидетельствуют о том, что канал температуры в период измерений был работоспособен.

Электропроводность.

Вертикальное распределение электропроводности приведено на рисунке 12.
Изменение электропроводности по глубине в период измерений составляло от 
160 мСм/м у нижней кромки ледяного покрова до 480 мСм/м у дна. Максимальное изменение по вертикали отмечалось от поверхности до 10 метров глубины.
Изрезанность вертикального профиля свидетельствует о наличии микроструктурных особенностей, связанных, предположительно, с вертикальной конвекцией в зимний период.
 Существенные различия в вертикальных профилях, снятых 2 и 4 марта могут быть обусловлены воздействием конвекции в результате интенсификации теплообмена через майну во льду. При этом изрезанность вертикального профиля электропроводности, измеренного 4 марта в поверхностном 10-метровом слое явно выше, чем 2 марта, что служит косвенным подтверждением соображений, изложенных выше.
Изменения электропроводности на разных глубинах представлены на рисунках  13-22. Время наблюдений на каждом из горизонтов превышало 1000 секунд. Изменения глубины положения приборов за время наблюдений на горизонте по данным преобразователя гидростатического давления было менее 7 см.
Результаты измерений подтверждают соображения об изменчивости и причинах ее вызывающих, изложенные при анализе изменчивости температуры.
В целом, результаты измерений свидетельствуют о том, что канал электропроводности в период измерений был работоспособен.

Соленость.

Соленость для комплексного зонда является не измеряемой, а расчетной величиной. Она рассчитывается по измеренным значениям температуры, электропроводности и гидростатического давления. В зависимости от изменения температуры и электропроводности, степень их вклада в соленость может быть различной. В конкретных условиях данных измерений, значение солености определяется электропроводностью. Поэтому , все соображения, изложенные применительно к электропроводности, в полной мере относятся и к солености.
Вертикальное распределение солености приведено на рисунке 23.
Изменение солености по глубине составляло от 1,6 промилле у нижней кромки ледяного покрова до 4,7 промилле у дна. Максимальное изменение по вертикали отмечалось от поверхности до глубины 10 метров и составило немного менее 3 промилле.
Изменения солености на разных глубинах представлены на рисунках  24-33.
Полученные расчетные значения солености хорошо согласуются с известными климатическими величинами для данного района.

Водородный показатель.

Вертикальное распределение водородного показателя приведено на рисунке 34.
Обращает внимание существенное различие как в значениях, так и в форме профилей водородного показателя, измеренных 2 и 4 марта. Отличие составляет более 0,5 у.е. в поверхностном слое и порядка 0,15 у.е.- у дна, т.е. за время от начала процесса зондирования  различие существенно уменьшилось. Если же анализировать значения водородного показателя на разных горизонтах, представленные на рисунках 35-44, то окажется, что они очень близки к значениям профиля вертикального распределения водородного показателя от 4 марта. Различие в методиках зондирования 2 и 4 марта объясняются некоторой задержкой в установке палатки, в которой размещалась регистрирующая аппаратура ( порядка 1 часа ). И все это время обтекатель с приборами находился в воде, т.е. мог объективно воспринять физико-химические свойства воды после перемещения из воздушной среды с отрицательной температурой. Поэтому будем рассматривать и описывать зондирование от 4 марта как отражающее истинный профиль водородного показателя, а зондирование от 2 марта- как некий переходный процесс к истинному значению водородного показателя ( выборки на дискретных горизонтах, в основном, проводились 2 марта ).
Наибольшее изменение водородного показателя по глубине  от 8,18 у.е ( у поверхности ) до 7,9 у.е. наблюдается в поверхностном 10- метровом слое. Глубже, до дна , наблюдается практически постоянное значение водородного показателя – 7,9 у.е. В приповерхностном слое и на глубинах 9-10 метров наблюдаются микроструктурные особенности, связанные, вероятно, с биоактивностью в этих слоях.
Изменения водородного показателя на разных глубинах малы по амплитуде и длиннопериодны, с периодом порядка времени наблюдений- 1000 секунд, что позволяет предположить локальное химическое воздействие обтекателя с установленными в нем приборами.
В целом, результаты измерений свидетельствуют о том, что канал измерения водородного показателя был работоспособен. Однако, для проведения качественных измерений необходима предварительная длительная адаптация канала к условиям измерений.

Растворенный кислород.
 

Вертикальное распределение растворенного кислорода приведено на рисунке 45.
Значения концентрации растворенного кислорода, измеренные 2 и 4 марта существенно различаются. Отличие составляет более 3,5 мг/л. в поверхностном слое и порядка 0,5 мг/л.- у дна, т.е. за время от начала процесса зондирования  различие существенно уменьшилось. Если же анализировать значения концентрации растворенного кислорода на разных горизонтах, представленные на рисунках 46-55, то окажется, что они очень близки к значениям профиля вертикального распределения растворенного кислорода, снятого 4 марта. Различие в методиках зондирования 2 и 4 марта объясняются некоторой задержкой в установке палатки, в которой размещалась регистрирующая аппаратура ( порядка 1 часа ). Обтекатель с приборами все это время находился в воде ( с отрицательным значением температуры у поверхности ), и мог объективно воспринять физико-химические свойства воды после перемещения из воздушной среды с отрицательной температурой в связи с полным оттаиванием мембраны кислородного датчика. Поэтому будем рассматривать и описывать зондирование от 4 марта как отражающее истинный профиль вертикального распределения концентрации растворенного кислорода, а зондирование от 2 марта- как некий переходный процесс к истинному значению концентрации растворенного кислорода ( выборки на дискретных горизонтах, в основном, проводились 2 марта ).
Наибольшее изменение концентрации растворенного кислорода по глубине  от 18 мг/л
 ( у поверхности ) до 15 мг/л наблюдается в поверхностном 1,5- метровом слое. Глубже, до глубины 10 метров , наблюдается некоторое падение концентрации растворенного кислорода до 14 мг/л и некоторое возрастание до 15 мг/л у дна. В приповерхностном слое наблюдаются изменение концентрации растворенного кислорода дрейфового характера , что может свидетельствовать о неполном размораживании мембраны датчика растворенного кислорода, однако выборка на горизонте 1,5 метра , выполненная при окончании работ 2 марта ( рисунок 48) свидетельствует о том, что концентрации растворенного кислорода в поверхностном слое все- таки достигает значения 16,5 мг/л. Микроструктурные особенности отражены на вертикальном профиле концентрации растворенного кислорода , однако, их регулярный периодический характер может свидетельствовать об аппаратном происхождении.
Изменения концентрации растворенного кислорода на разных глубинах малы по амплитуде и обнаруживают дрейфовую составляющую, что может отражать значительную инерционную составляющую измерений.
В целом, результаты измерений свидетельствуют о том, что канал измерения концентрации растворенного кислорода был работоспособен. Однако, для этого канала могут быть существенны и ограничения , связанные с внешними условиями использования.

Редокс-потенциал.

Вертикальное распределение редокс- потенциала приведено на рисунке 56.
Отличия в значениях и профилях редокс- потенциала, полученных 2 и 4 марта значительны, что делает необходимым обратиться к реализациям, полученным на разных горизонтах ( рисунки 57- 66). К сожалению, анализ и этих измерений обнаруживает только дрейфовую составляющую, несомненно, аппаратного происхождения, за исключением горизонтов 1,5 м (рисунок 59) и 10,9 м (рисунок 60 ) проявляющих некоторую адаптивную составляющую. Поэтому, обсуждать конкретные величины измеренных значений редокс- потенциала смысла нет.
Качественно характер вертикальной изменчивости редокс- потенциала можно описать на примере зондирования 4 марта ( рисунок 56 ). Это- возрастание редокс- потенциала примерно, на  10 мВ от поверхности до глубины 10 метров и, далее, его постоянное значение до дна. Особенности вертикального распределения редокс- потенциала совпадают с особенностями других химических параметров ( солености и водородного показателя ). 
В целом, результаты проведенных измерений свидетельствуют о том, что канал требует исследования и устранения причин аппаратного дрейфа.

Микроструктурные особенности вертикального распределения.

При зондировании обычными приборами микроструктурные особенности в распределении физико-химических параметров сглаживаются, нивелируются из-за инерционности приборов и дискретности снятия информации с них. Так, при дискретности отсчетов в 1 секунду и скорости опускания приборов 10 см/с, все особенности профиля, менее 10 см протяженности ( на самом деле, более ), будут пропущены и сглажены.
На рисунке 67 приведено распределение по вертикали среднеквадратических значений пульсаций электропроводности, полученное в процессе зондирования 4 марта. Сам преобразователь пульсаций электропроводности обеспечивает измерение в диапазоне частот 2-100 Гц, т.е. очень малых масштабов. Вид регистрируемых сигналов приведен на рисунке 69. Внутренняя структура сигнала, связанная с его разрывностью ( перемежаемостью ) показана на рисунке 68. Спектральная характеристика микроструктуры приведена на рисунке 70.
Обсуждать подробно полученные характеристики микроструктуры вертикального профиля электропроводности по единичной реализации вряд ли целесообразно, однако, некоторые особенности очевидны. Так на вертикальном профиле пульсаций электропроводности видно, что области с интенсивными флуктуациями перемежаются с областями, где флуктуации отсутствуют или находятся на уровне аппаратурных шумов. Непрерывный характер вертикального распределения параметров является не более чем нашей интерпретацией, а в действительности распределение разрывно.

Пульсации скорости течений.

Среднеквадратические значения вертикальной, продольной и поперечной составляющих скорости течений на разных отстояниях от дна приведены на рисунках 71-73. Время наблюдений на каждом из горизонтов составляло около 1000 с. Пороговая чувствительность пульсометра составляла 0.2 см/с. Наибольшая временная изменчивость пульсаций по всем компонентам наблюдалась у поверхности и на отстоянии 10 метров от дна ( глубина- 14,2 м ).
Максимальные значения пульсаций обнаруживаются у вертикальной компоненты непосредственно у границы льда и майны, что естественно при усилении конвекции вследствие усиления теплообмена. Значения СКО вертикальных скоростей достигают 3 см/с при фоновых значениях 0,4- 0,5 см/с. Для продольной составляющей соответствующие величины у поверхности составляют 1,8 см/с и 1 см/с . Для поперечной составляющей максимальные значения СКО пульсаций менее 1 см/с и ненамного превышают фоновые значения.
Интересны связи СКО компонент пульсаций скорости течений на разных отстояниях от дна , которые могут характеризовать, с одной стороны, степень корреляционной связанности энергетик компонент, а с другой стороны, степень энергетической изотропности-анизотропности поля пульсационных скоростей. Как и предполагалось, в приповерхностном слое энергетика вертикальной компоненты является выделенной по отношению к продольной и поперечной компонентам ( рисунок 75, 77 ), в то время, как взаимосвязь энергетик продольной и поперечной компонент, остается изотропной ( рисунок 79 ).Для компонент пульсационных скоростей на других горизонтах, ближе к дну , взаимосвязи энергетик скоростей ближе к изотропной, чем к анизотропной ( рисунок 74- 79 ).

Спектры пульсационных скоростей. 

Спектры пульсационных компонент скорости течений на разных отстояниях от дна приведены на рисунках 80-88.
Спектры получены из данных наблюдений длительностью 1000 с на каждом из горизонтов путем преобразования БПФ и усреднения 10 последовательных спектров в диапазоне частот от 0,05 до 100 Гц (анализируется информативная часть спектров от 0,05 до 30 Гц).
В низкочастотной части спектров ( 0,05 Гц) наблюдается возрастание спектральной плотности при изменении горизонта наблюдений от дна  до поверхности, за исключением  горизонта, отстоящего от дна на 6 метров ( глубина- 17,88 м), где спектральная плотность вертикальной и поперечной компонент пульсаций скорости течений на порядок превышает спектральную плотность пульсаций вышележащего ,на 8 метров отстоящего от дна (глубина- 16,12 м ), горизонта ( рисунки 81, 87 ). Для продольной составляющей ( рисунок 84 ) такого различия не наблюдается. Причины могут быть связаны с аномальной формой спектра на том же отстоянии от дна ( 6 м ) в диапазоне частот от 0,02 до 10 Гц, где спектральная плотность локально возрастает на порядок, изменяя форму спектра всех  компонент пульсаций скорости течений. Такое возрастание свидетельствует о наличии на данном горизонте в указанном диапазоне частот энергосодержащего источника возмущений или передаче энергии из низкочастотной части спектра в более высокочастотную. 
Единственным механизмом, обеспечивающем трансформацию энергии локальных возмущений из низкочастотной области в более высокочастотную, можно предположить зимнюю конвекцию, типа вертикальных движений в конвективных ячейках Бъеркнеса. Однако, дополнительные свидетельства справедливости приведенной гипотезы, отсутствуют.
Такого же типа аномалия спектра пульсаций вертикальной составляющей течений в диапазоне частот 1-8 Гц наблюдается на отстоянии от дна 12 метров ( глубина 12,28 м , рисунок 82).