УСТРОЙСТВО ДЛЯ СБОРА КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ПРОБ ЗОО- И ИХТИОПЛАНКТОНА
DEVICE FOR COLLECTION OF QUANTITATIVE SAMPLES OF ZOO- AND ICHTHYOPLANKTON

Изобретение относится к области гидробиологии и может быть использовано для научных исследований биофизической экологии гидробионтов, а точнее мелкомасштабного распределения планктона.
В настоящее время не решенным для планктонологов остается вопрос распределения планктона в масштабах от метра до сотен метров. Известно, что зоо- и ихтиопланктон в силу пятнистости распределения и вертикальных суточных миграций являются более сложными объектами, чем фитопланктон, особенно при исследовании его мелкомасштабной изменчивости. Неполнота данных о мелкомасштабном распределении планктона приводит к неточным представлениям о функционировании пелагических экосистем, поскольку основной путь трансформации вещества до высших трофических уровней пролегает через агрегированную часть её компонентов. Основная причина существования этого пробела состоит в архаичности методов сбора проб зоопланктона. Существующие пробоотборники зоопланктона имеют ряд функциональных недостатков, которые можно свести к следующим:
1. Многолитровые батометры (см. М.Е. Виноградов, Современные методы количественной оценки распределения морского планктона. - М. - Наука, - 1983, -280 с), которые можно с успехом использовать в мезотрофных и эвтрофных водах. Однако в слоях с пятнистым распределением гидробионтов даже при многократных зондированиях батометры дают неточные данные о количественном распределении зоопланктона. Кроме того, в олиготрофных водах эти приборы собирают столь малые количества зоопланктона, что их нельзя использовать для количественного учета.
2. Вертикальные замыкающиеся количественные планктонные сети Хансена, Апштейна, Хуна, Нансена (см. И.А. Киселев. Планктон морей и континентальных водоемов. Л.: Наука,- 1969, - т. 1, - 657 с.) и другие производные от этих первоначальных прототипов: сети Джеди, БР, Джом (см. М.Е. Виноградов, Современные методы количественной оценки распределения морского планктона. M.- Наука,- 1983, - 280 с), WP-2, WP-3, Indian ocean closing net [см. http://vvww.hydrobios.de/englisch/produkte_netze_vertikal.html (20.09.2008)]. Основным недостатком данных сетей (а также любых батометров) является низкая достоверность количественных данных из-за эффекта пятнистости распределения планктона: при повторных ловах в одном и том же месте обилие планктона в пробах может изменяться на порядок. При использовании стандартных планктонных сетей и батометров часто возникают существенные ошибки, которые связаны с тем, что:
- для сбора фито- и бактериопланктона достаточно нескольких литров воды, но для оценки видового состава мезозоопланктона необходимо отфильтровать кубометры воды (Билева, 1979);
- глубина погружения вертикальной сети или батометра определяется по длине троса и углу его наклона, что при разных скоростях ветрового дрейфа вносит значительные искажения в получаемые данные (Флинт и др., 1978);
- наличие уздечек и троса перед устьем стандартных сетей вынуждает часть популяции избегать орудий лова, поэтому достоверно облавливаются не все виды;
- неточно определяется объём профильтрованной воды или коэффициент фильтрации сетей;
- объём проб, особенно при сборах на мелководье, часто не соответствует критериям репрезентативности количественной оценки исследуемого параметра;
- при исследовании распределения планктона в одной и той же точке вертикальной сетью (из-за пятнистого распределения планктона) возникает настолько большой разброс данных, что невозможно понять, какой вид изменчивости преобладает: микромасштабный, суточный, сезонный или межгодовой;
- мелкомасштабные неоднородности наиболее ярко проявляются при исследовании вертикального распределения зоопланктона (Виноградов, 1983). Поэтому при сокращении продолжительности вертикальных замыкающихся ловов даже до нескольких метров, объём проб становится столь малым, что картина распределения планктона получается абсолютно некорректной;
- вертикальная сеть при опускании вниз вносит столь большие возмущения в водную среду, что при её подъёме картина распределения планктона искажается.
3. Горизонтально буксируемые пробоотборники, осуществляют «физическое» осреднение данных, поскольку во время длительной буксировки эти пробоотборники проходят сквозь большое количество скоплений планктона. К таким устройствам относятся:
- Однократно буксируемые сети с одним фильтрующим конусом типа двойных сетей Бонго, коллектора Nackthai [см. http://vvww.hydrobios.de/englisch/produkte_netze_horizontal.html (20.09.2008)]. Недостатком этих конструкций является то, что они могут отбирать только одну-две пробы за один лов на дистанции несколько сотен метров. Сети Бонго, как правило, не замыкаются, а объем профильтрованной воды определяют по данным механической вертушки, которую подвешивают в устье сети.
- Непрерывные регистраторы планктона CPR, [см. http://www.fimr.fi/en/tietoa/artikkelit/tutkimus/en_GB/cpr/ (20.09.2008)], U-TOW и аналоги Nu-Shuttle, UOR, (см. http://www.envirotechinstruments.com/utow.html(20.09.2008)] - семейство приборов с прототипом в виде регистратора Харди (см. А.С. Hardy, The continuous plankton recorder. - Discov. Rep., - 1941, - v. 11, - p. 457-509), которые буксируют на полном ходу судна в течение 10 часов. Недостатком этого прибора является очень маленькое входное отверстие, способствующее к возникновению проблемы избегания, механическому разрушению планктона при движении лент, засоряемости сита в водах с большим содержанием планктона.
- Планктонособиратель Лонгхарста-Харди, или LHPR, (см. Longharst и др., A new system for the collection of multiple serial plankton samples // Deep-Sea Res., 1966, - vol. 13, - № 2, - p. 213-222; [http://www.spartel.u-net.eom/plankton.htm#LHPR (20.09.2008)] представляет собой сочетание планктонной сети с одним фильтрующим конусом. Устройство содержит модифицированный регистратор Харди, который размещен в задней части сети в виде концевого приемного стакана. Ленты с ситом сдвигаются электромотором с паузами в 2 минуты. Эти сети наиболее оптимальны для сбора мезопланктона в океанических водах, однако их применение, например, в Черном море, практически невозможно, поскольку даже небольшое количество желетелых  заполняет заднюю часть сети и мезонланктон не попадает в концевой коллектор проб. Кроме того, сохраняется проблема механического разрушения планктона при движении лент. При избыточном количестве планктона он не успевает фильтроваться приемным стаканом и попадает либо в следующую пробу, либо оседает на стенках фильтрующего конуса.
- Многократные сети типа ихтиопланктонного трала Таккера: сети Mocness [см. http://www.ltemet.edu/gallery/cce/MOCNESS_deployment (20.09.2008)], MultiNet или Bioness - [см.  (20.09.2008)] это устройства для сбора крупного мезозоопланктона, макрозоопланктона и мелкого нектона в океанической пелагиали (см. Wiebe P.R., Burt К.Н., Boyd S.H., Morton A.W. A multiple opening-closing net and environmental sensing system for sampling zooplankton // J. Mar. Res., 1976, - vol. 34, - № 3, - p. 313-326). Принцип работы этих устройств заключается в сбрасывании тяжелых горизонтальных осей, к которым последовательно прикреплены фильтрующие конусы из мельничного сита [см. http://www.gma.org/onlocation/mocness.html (20.09.20080)]. Замыкание сетей осуществляет оператор с борта судна. Эти пробоотборники не могут быть использованы для исследования мелкомасштабной структуры распределения мезопланктона из-за крупных габаритов и веса (до 800 кг). Кроме того, их нельзя использовать на мелководье и в пресных водоемах.
Таким образом, существующие пробоотборники не позволяют осуществлять исследования мелко- и микромасштабного распределения мезо- и ихтиопланктона и не дают достоверных количественных данных о вертикальном распределении видов и возрастных стадий зоопланктона.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является планктонометр В.Н. Грезе (Опыт применения планктонометра при исследованиях морского планктона // Океанология, - 1962, - т. 2, - вып. 2, - с. 305-310). Устройство содержит раму, обтекаемый корпус с крыльями, заглубитель, счетчик объема профильтрованной воды, фильтрующую сеть, причем половина сети защищена жестким корпусом, а вторая половина остается свободной, а также стакан для сбора планктона. Известное устройство позволяет осуществлять репрезентативные количественные сборы из узких вертикальных скоплений мезо- и ихтиопланктона, включая реки, озера и мелководные морские акватории, в условиях плотных скоплений желетелого планктона. Основным недостатком описанного планктонометра является то, что он не позволяет обеспечить непрерывный сбор серии проб, что важно при выполнении количественных исследований структуры мелкомасштабного распределения скоплений мезо- и ихтиопланктона и биофизического мониторинга морских акваторий.
В основу изобретения Устройство для сбора количественных проб зоо- и ихтиопланктона Мельникова-Темных (КПМТ) поставлена задача путем разработки конструкции прибора обеспечить возможность сбора репрезентативных проб для количественных исследований структуры мелкомасштабного распределения скоплений мезо- и ихтиопланктона и биофизического мониторинга морских акваторий.
В соответствии с поставленной задачей устройство должно отвечать следующим техническим требованиям:
непрерывный отбор 10 проб выполнять на скорости 3 узла за 30 минут;
- обеспечивать равномерное закрытие сетей;
- соответствие каждой пробы одному и тому же объему профильтрованной воды, вне зависимости от колебаний скорости судна, направления и силы течений и т.д.;
- осуществление автоматического подъема устройства на поверхность после закрытия последней фильтрующей сети;
- соответствие веса и размеров устройства задачам отбора проб на любых типах судов.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для сбора количественных проб зоо- и ихтиопланктона Мельникова - Темных (КПМТ) дополнительно содержит электронную часть а также горизонтальный руль и 10 фильтрующих сетей с планктонными стаканами. Фильтрующие сети располагаются внутри корпуса. Устройство дополнительно содержит турбину с осью и механизм управления фильтрующими сетями, включающий редуктор, управляющую рейку, толкатели, распределитель, оси с фиксаторами. Устье фильтрующих сетей выполняется прямоугольным с жесткими горизонтальными планками. Каждая верхняя горизонтальная планка предыдущей фильтрующей сети, являясь нижней планкой следующей сети, перемещается по вертикальным пазам внутри корпуса. Корпус выполняется прямоугольным. Турбина соединяется с осью турбины механизмом управления фильтрующими сетями, а горизонтальный руль связан с механизмом закрытия последней сети и с датчиком всплытия. Корпус изготавливается из металлопластика. Электронная часть содержит аналого-цифровой преобразователь, датчики Холла, Bluetooz - беспроводную систему передачи данных на компьютер, датчики температуры, солености, давления, кислорода, флуоресценции, акустический трансмиттер для передачи информации о глубине и закрытии сетей.
Изобретение поясняется фотографиями. Фиг. 1 - Погружение и отбор проб устройством для сбора количественных проб зоо- и ихтиопланктона Мельникова - Темных (КПМТ); фиг. 2 - Основные узлы устройства, фиг. 3 - управляющая рейка, толкатели и распределитель; фиг. 4- оси с фиксаторами для сбрасывания сетей, расположенные в вертикальных пазах 10; фиг. 5 - момент срабатывания сети: распределительный механизм высвободил ось с фиксаторо, который закрыл предыдущую сеть (А) и открыл следующую (Б); фиг. 6. - блок управления сетями изнутри: первая сеть (А) закрыта, вторая сеть (Б) открыта; фиг. 7 - блок приемных стаканов.
Заявляемое устройство состоит из (см. фиг. 2) носового обтекателя (I), корпуса 2 и хвостового блока стабилизаторов3). Носовой обтекатель 1 содержит входное отверстие 15, встроенный счетчик объема профильтрованной воды 16 и индикаторы всплытия 19. Прямоугольный корпус содержит турбину 4, ось турбины 5 и механизм управления фильтрующими сетями, который включает три сектора:
a) верхний, расположенный на корпусе, включающий редуктор 6, управляющую рейку 7, толкатели 8 распределителя 9 с фиксаторами сетей 10;
b) средний, являющийся рабочей камерой десяти фильтрующих сетей 11, размещенных внутри корпуса (см. фиг. 6). Каждая фильтрующая сеть имеет прямоугольное устье, горизонтальные стороны которого выполнены в виде жестких планок 18 и каждая фильтрующая сеть обеспечена стаканом 12 для сбора планктона. Внутри корпуса по его боковым сторонам располагаются направляющие вертикальные пазы 13 (см. фиг. 6), предназначенные для перемещения горизонтальных планок 18 фильтрующих сетей. Все фильтрующие сети 11 связаны между собой по принципу: верхняя горизонтальная планка предыдущей сети является нижней горизонтальной планкой следующей;
с) нижний, предназначенный для размещения связанных с фиксаторами сетей 10 пружин и тросов, которые закрывают сети.
Хвостовой блок стабилизаторов 3 устройства содержит горизонтальный руль 17, который, переворачиваясь при закрытии последней фильтрующей сети, обеспечивает подъем устройства к поверхности воды и включение индикаторов всплытия 19 (два светодиода, включающихся при подъеме устройства на поверхность). Также в хвостовом блоке расположен съемный блок (см. фиг. 7) со стаканами 12 для сбора планктона.
Электронная часть прибора содержит и использует следующие компоненты:
- индикаторы всплытия 16, которые связаны с аккумулятором и гирконом, который реагирует на положение горизонтального руля 14;
- аналого-цифровой преобразователь с запоминающим устройством, связанный с датчиками давления, температуры, солености (электропроводности), скорости буксировки и скорости потока внутри устройства, аккумулятор, Bluetooth (беспроводная система передачи данных на компьютер) и сервисные индикаторы (заряд/разряд батарей);
- на борту судна используется миникомпьютер (КПК) с системой спутникового позиционирования (GPS), принимающий через Bluetooth накопленную информацию от устройства за время буксировки.
Корпус и детали предлагаемого устройства выполнены из углепластика, стеклопластика и устойчивых к воздействию морской воды сплавов алюминия и нержавеющей стали, что обеспечивает оптимальный вес (25 кг) и размеры (1608040 с крыльями)
Устройство работает следующим образом. Перед буксировкой устройство готовят к работе. Для этого фиксаторы сетей 10 и толкатели 8, а также горизонтальные планки 18 (см. фиг. 6) фиксируют в верхнем положении, в котором все сети закрыты. Регулировкой механизма управления задается требуемый объем проб. Во время буксировки прибора вода, поступающая во входное отверстие 15, вращает турбину 4 и ось турбины 5, связанную с механизмом управления сетями через редуктор 6. Редуктор 6 передает движение управляющей рейке 7 и толкателям 8 распределителя 9, к которым прикреплены фиксаторы сетей 10, расположенные в направляющих вертикальных пазах 13. Управляющая рейка 7, движимая редуктором 6, воздействует на толкатель 8 и открывает первую сеть. Планктон, проходя сквозь входное отверстие 15, попадает в первую фильтрующую сеть, а затем в стакан для сбора планктона 12. Через заданное количество оборотов управляющий блок закрывает первую фильтрующую сеть и автоматически открывает вторую и т.д. Сети поочередно закрываются и открываются через заданные интервалы времени, определяемые скоростью движения управляющей рейки 7, которая равномерно и медленно продвигаясь (с интервалом в 3 мин) поворачивает толкатели 8 и поочередно освобождает фиксаторы сетей 10. В момент закрытия последней сети механизм управления сетями обеспечивает поворот горизонтального руля 17, что обеспечивает всплытие устройства на поверхность и включение индикаторов всплытия 19.
Во время буксировки информация о глубине погружения, температуре, солености, скорости буксировки, скорости потока внутри прибора регистрируется датчиками, преобразуется АЦП и записывается в запоминающее устройство. Во время буксировки в бортовой компьютер поступает информация спутниковой системы навигации (GPS). После буксировки Устройство извлекается из воды и по Bluetooz полученная информация передается в бортовой компьютер. Преимущества заявляемого устройства заключаются в том, что:
- устройство, в отличие от всех существующих, дает возможность исследовать тонкие по вертикали скопления планктона с шагом от 10 см и исследовать новые закономерности распределения планктона в зонах с резкими гидрологическими и гидрохимическими градиентами;
- устройство работает на любых типах судов, имеющих лебедку со стальным тросом: т.е. впервые появляется возможность исследовать мелкомасштабное распределение зоопланктона в шельфовой зоне, даже на маломерных судах;
- в процессе работы выполняется автоматический сбор 10 количественных проб мезо- и ихтиопланктона при заданных объемах профильтрованной воды для каждой пробы вне зависимости от колебаний скорости судна, дрейфа, волнения, направления, силы ветра: т.е. обеспечивается прецизионно точный отбор проб;
- обеспечивается существенная экономия времени экспедиционных работ;
- прибор дает возможность осуществлять горизонтальные, косые и вертикальные ловы на дистанции из нескольких сотен метров или на циркуляции (в одной точке);
- обеспечивается экспрессный непрерывный сбор проб планктона в зонах экологического риска;
- в отличие от современных непрерывных регистраторов планктона, может быть использовано в районах с большим обилием желетелых (медуз и гребневиков).