Статья по теме:
Механика колебаний и волн во льдах северного ледовитого океана при явлениях сжатия и торошения
В.Н. Смирнов, С.М. Ковалев, А.А. Нюбом, М.С. Знаменский, ГНЦРФ Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург, Россия
РЕЗЮМЕ
Одной из основных научных и прикладных проблем в Северном Ледовитом океане является разработка методов краткосрочного прогнозирования явлений сжатия и торошения морских льдов, образования во льду локальных и протяженных разломов и разводий. Выявление связи процессов в системе атмосфера -- лед -- океан необходимо для совершенствования моделей климата. В связи с этим важны результаты по натурным инструментальным измерениям параметров крупномасштабной механики и динамики льда, которые позволят объяснить природу наблюдаемых ледовых процессов. В экспедиции «Трансарктика-2019» с помощью пространственной расстановки сейсмометров и наклономеров на дрейфующем ледяном покрове проводились исследования колебаний и волн в системе лед -- вода. Получены новые научные результаты по широкому спектру физико-механических явлений в океане: воздействие на лед океанической зыби, сжатие и торошение, разлом ледяных полей, приливные сжатия.
Ключевые слова: волны, дрейфующий лед, колебания, мониторинг, приливные сжатия, разломы льда, трещины.
MECHANICS OF OSCILLATIONS AND WAVES IN THE ICE OF THE ARCTIC OCEAN DURING COMPRESSION AND RIDGING
VICTOR N. SMIRNOV*, SERGEY M. KOVALEV ALEXEY A. NUBОМ, MAXIM S. ZNAMENSKIY State Scientific Center of the Russian Federation Arctic and Antarctic Research Institute, St. Petersburg, Russia
Summary
One of the main scientific and practical problems in the Arctic is the study of the dynamic state of the sea ice cover. The main parameters in the general model of drifting ice are the drift velocity vector, friction stress at the air-ice and ice-water interfaces, and the forces of dynamic interaction of ice fields. Establishing the connection between the large-scale processes in the atmosphere-ice-ocean system is necessary for developing methods of forecasting ice compression and ridging and the formation of local and extended fractures and leads, which help improve the existing climate models. The main aim is to obtain results of full-scale instrumental measurements of parameters of ice large-scale mechanics and dynamics, which provide a physical basis for explaining the nature of observed large-scale ice processes and allow one to perform physical parametrization. To accomplish this aim and evaluate the physicomechanical condition of the drifting ice cover of the Arctic Ocean, the “Transarktika-2019” expedition performed a real-time ice monitoring in April 2019. The investigation was conducted using seismometers and tiltmeters installed on the ice such that they formed a triangle with the sides measuring up to two kilometers. Data has been obtained on the wave and oscillation processes of crack formation, compression and ridging of ice.
The possibilities of deciphering the initial data on the physics of wave and oscillatory processes in the icewater system considerably increase when using the known methods of processing seismic signals. With use of spectral Fourier analysis wavelet-transformation of oscillations significanlty extending possibilities of the seismic method at revelation of prognostic signs of crack formation and compression was applied. It is shown that the dynamics of ice processes can be connected with oceanic swell and tidal events. A possibility is created for obtaining new results in the investigation of large-scale mechanics of sea ice.
Keywords: cracks and fractures in ice, drifting ice, fluctuations and waves, monitoring methods, tidal compressions.
ВВЕДЕНИЕ
лед вода колебание сжатие
Механика деформирования морского ледяного покрова Северного Ледовитого океана (СЛО) и образование упорядоченных ледовых структур обусловлены крупномасштабными процессами в системе атмосфера -- лед -- океан [1 -- 3]. Выявление физических связей процессов в такой системе необходимо для совершенствования моделей и методов прогнозирования сжатия и торошения льдов, образования во льду локальных и протяженных разломов и разводий. Перестройка структурных связей в ледяном покрове сопровождается колебаниями и волнами на поверхности океана. Фрагментация структуры льдов обусловлена циклическими процессами во льду, которые, в силу их регулярности, поддерживают постоянные состояния разрушения по большим пространственным и временным масштабам [4, 5]. Одними из основных процессов формирования структуры льдов являются периодические горизонтальные подвижки, проявляющиеся через разномасштабные деформационные процессы и возникающие при этом упругие волны во льду. Явление периодических горизонтальных смещений в сплоченном ледяном покрове СЛО можно представить как крупномасштабные релаксационные автоколебания [6]. Процесс может длиться несколько часов и состоять из периодических сбросов напряжений с интервалами от единиц до десятков минут. Полученные данные позволяют подойти к разработке модели явления автоколебаний для случая сплошного ледяного покрова при сжатии на контакте протяженного разрыва.
В настоящее время одной из важных задач в исследованиях морского льда остается выявление связей крупномасштабных физико-механических процессов с явлениями в атмосфере и океане в режиме реального времени. Особенно это касается выявления прогностических признаков сжатия и торошения льдов и сопутствующих этому океанических волн зыби и приливо-отливных явлений в океане. С этой целью в настоящей работе основное внимание уделено описанию методов регистрации волновых и колебательных процессов в дрейфующем ледяном покрове с помощью сейсмометров, наклономеров и дистанционной измерительной системы и некоторым результатам натурных наблюдений.
ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И МЕТОДЫ НАБЛЮДЕНИЙ
Для регистрации колебаний и волн в ледяном покрове в широком частотном диапазоне от 0,0167 до 50 Гц применялись трехкомпонентные молекулярно-электронные сейсмометры СМЕ-4311ГТ. Наклономеры (измерители угла наклона в двух горизонтальных координатах) ИН-Д3а-360 могут также регистрировать горизонтальные ускорения при низкочастотных колебаниях. Сейсмометры и наклономеры устанавливались на специально изготовленные деревянные постаменты, вмороженные в лед на глубину до 30 см. Электропитание приборов осуществлялось от аккумуляторов. Для сбора и экспресс-анализа поступающих данных использовались АЦП Е14-140, логгеры «Байкал», компьютеры-регистраторы и дистанционная система мониторинга динамики дрейфующего морского льда, разработанная в лаборатории физики льда ААНИИ [7].
Сейсмометр. Сейсмометр характеризуется низким шумом, высокой чувствительностью, компактными размерами и небольшим весом. Он работает до -40 °С и имеет высокое значение чувствительности -- 4 кВт/мс-1. Регистрация сигналов в диапазоне частот 0,02 -- 100 Гц (или периодов от 0,01 до 50 с) осуществляется через плату АЦП на специализированный накопитель информации с привязкой к абсолютному времени. В зависимости от поставленной задачи сигналы от сейсмометра могут быть отражены в размерностях скорости смещения, смещения или ускорения. На рис. 1 показан пример записи волнового процесса в ледяном покрове от вертикальной компоненты сейсмометра в трех соответствующих размерностях. Во многих примерах обработки исходных данных такая информация играет важную роль при расшифровке природы того или иного процесса в системе лед -- вода.
По зарегистрированному явлению с орбитальным движением льда на волне зыби следует сказать следующее. Известно, что в океане у поверхностной волны каждая частица воды движется по кругу в вертикальной плоскости, смещаясь вперед, когда она на гребне волны, и назад, когда она находится во впадине. В рассматриваемом примере со льдом, когда горизонтальная компонента совпадает с направлением движения волны, четко отмечается орбитальное движение льда в волне (рис. 1б). Если движение происходит по часовой стрелке, то можно считать, что направление движения самой волны происходит в направлении слева направо (показано на рисунках стрелкой). В течение минут-часов ось этого эллипса отклоняется от вертикали и меняется с периодичностью 5 -- 10 градусов. Отклонение от вертикали и периодические колебания оси эллипса обусловлены, по-видимому, механикой взаимодействия слоя воды и нижней поверхности льда. В другое время наблюдений ось диаграммы эллипса вообще имеет незначительное отклонение от вертикали.
Рис. 1 - Пример записи волнового процесса в ледяном покрове от вертикальной компоненты сейсмометра Z (а) и схема орбитального движения частиц льда в вертикальной плоскости в разное время ZE (б)
Размерности скорости смещения (Zd<) мм/с, смещения ^см) мм и ускорения ус) мм/с2. Горизонтальная стрелка (б) -- направление движения волны, звездочка -- головная движущаяся точка в вертикальной плоскости. Станция Бета, 03.04.2019
Fig. 1 - An example of recording the wave process in the ice cover from the vertical component of the seismometer Z and the scheme of the orbital motion of ice particles in the vertical plane
Dimensions of the displacement velocity Zw< (mm/s), Zсм -- displacement (mm) and acceleration Zус (mm/s2) -- a); ellipse in the plane ZE -- б). Horizontal arrow (б) -- direction of the wave, asterisk -- the head moving point in the vertical plane. Beta station 03.04.2019
Здесь уместно привести выдержку из статьи норвежских ученых, проводивших исследования на припайном льду архипелага Шпицберген. «Было бы интересно исследовать, связано ли движение поверхности с напряжениями во льду, подобное случаю волновых напряжений в океане, поскольку этот фазовый сдвиг между вертикальными и горизонтальными движениями может быть важным компонентом быстрого разрушения прибрежного морского льда» [8, с.1996]. Этот вопрос будет рассмотрен в планируемой статье совместно с анализом данных по подледным течениям, по волнам зыби и короткопериодным внутренним волнам.
Наклономер ИН-Д3а-360. Применяемые в экспедиции измерители угла наклона в двух горизонтальных координатах ИН-Д3а-360 работают при температуре до -50 °С и могут измерять также горизонтальные ускорения при низкочастотных колебаниях в дрейфующем ледяном покрове. Наклономер на выходе имеет сумму показаний в виде ускорений и наклонов. Диапазон измерения наклонов ± 360 угловых секунд или ± 1746 мкрад. Максимальное горизонтальное ускорение может достигать 17,5 мм/с2 при динамическом диапазоне 60 дБ.
На протяжении всего мониторинга динамического состояния ледяного поля горизонтальными составляющими сейсмометра и наклономера отмечено, что в диапазоне периодов 10 -- 25 с кинематические характеристики волны зыби в горизонтальной плоскости почти одинаковы. При установке приборов ось N направлялась на магнитный север, ось Е -- на восток.
На рис. 2а представлены диаграммы скорости смещения и наклона льда при волне с периодом около 20 с. Из диаграмм видно, что движение волны преобладает по направлению оси Е. На рис. 2б и 2в приведены диаграммы наклона Е2 -- N1 и смещения Ес -- N льда в горизонтальной плоскости. Различие в направлениях движения волны, полученных двумя методами, незначительно.
Рис. 2 - Пример записи от сейсмометра (Z -- вертикальная компонента, N, E -- горизонтальные взаимно-перпендикулярные компоненты) и наклономера (N1 и E2) (а), диаграммы наклона Е2 -- N1 (б) и смещения Ес -- N (в) льда в горизонтальной плоскости при волне с периодом около 20 с, 14 -- 15.04.2019
Fig. 2 - Example of recording from the seismometer (Z is vertical component, N, E are horizontal mutually perpendicular components) and the tilt meter (N1 and E2) (a), the diagram of the slope of E2 -- N1 (б) and the displacement of Ec -- Nc (в) of ice in the horizontal plane at a wave with a period of about 20 s, 14 -- 15.04.2019
При обработке цифровых данных применялась операция дифференцирования по времени показаний горизонтальных компонент сейсмометра. На рис. 3 приведены записи продольных и изгибно-гравитационных волн при образовании трещины во льду. Для визуального сходства ускорений с наклонами горизонтальные компоненты сейсмометра размещены парами с записями наклономера. Фазовые соотношения указывают на то, что все четыре канала зарегистрировали колебательное ускорение. При этом получены результаты, хорошо соотносящиеся с показаниями соответствующей компоненты наклономера. Максимальное значение амплитуды колебательного ускорения на составляющей по оси Е достигали 0,05 мм/с2. Можно считать, что наклономер кроме наклонов способен регистрировать вектор ускорения в горизонтальной плоскости. Процесс на рис. 3 характеризуется импульсами упругих волн при образовании трещины во льду, дальнейшее развитие разрушения льда сопровождается образованием вертикальных изгибно-гравитационных волн с амплитудой до ± 0,2 мм/с2 и частотой около 0,2 Гц.
Рис. 3 - Пример записи колебательного ускорения в колебаниях и волнах в ледяном покрове от сейсмометра Z, N, E и наклономера N1 и E2. Горизонтальные компоненты N и E размещены парами с N1 и E2 соответственно. 12.04.2019, етанция Гамма
Fig. 3 - An example of recording the oscillatory acceleration in the wave processes in the ice cover from the Z, N, E seismometer and the N1 and E2 tiltmeters. The horizontal components N and E are placed in pair with N1 and E2, respectively. 12.04.2019, Gamma station
Методика вейвлет-преобразования колебаний (CWT). Возможности расшифровки исходных данных по физике волновых и колебательных процессов в системе лед -- вода существенно расширяются при использовании известных методик обработки сейсмических сигналов. Например, наряду с использованием спектрального анализа Фурье применялось вейвлет-преобразование колебаний, значительно расширяющее возможности сейсмического метода при выявлении прогностических признаков трещинообразования и сжатия.
На рис. 4 представлены сравнительные данные по трещинообразованию во льду. Следует отметить, что вертикальные компоненты на всех станциях практически равны нулю, т.е. зарегистрирован процесс плоских упругих импульсов одновременно в трех точках ледяного поля при образовании сквозной трещины (рис. 4а). Визуально сотрудниками экспедиции были отмечены образовавшиеся трещины 12.04 в 11:28 МСК. На рис. 4б исходные данные приведены в диаграммах вейвлет-преобразования. Внизу рис. 4б прослеживаются периодические цуги волн зыби с периодом около 18 с. Как уже указывалось, в 11:28 МСК возникли короткие импульсы, зарегистрированные тремя станциями.
Связаны ли изгибные деформации льда от волн зыби с образованием трещин, покажет анализ результатов исследования механики образования трещин. Серия подобных измерений показывает, что при расчете характеристик волны с учетом геометрии треугольника сдвиг по времени между станциями может характеризовать скорость упругих волн.
Методика расчета вектора скорости и направления распространения волн. В натурных экспериментах по изучению физики распространения волн во льду используются различные схемы расстановки первичных датчиков на ледяном поле.
Рис. 4 - Процесс регистрации упругих импульсов одновременно на трех станциях Альфа, Бета и Гамма при образовании сквозной трещины в ледяном поле -- (а) и вейвлет-преобразование фоновых значений волн зыби и двух импульсов при образовании трещин -- (б). N, E -- горизонтальные взаимно-перпендикулярные составляющие. Стрелки -- импульсы при образовании трещин. Звездочка -- цуг колебаний с периодом до 1 мин. Станция Гамма, канал N, 12.04.2019