Fig. 4 - The process of registering elastic pulses simultaneously at three stations, Alpha, Beta and Gamma, during the formation of a through crack in the ice field -- (a) and wavelet transformation of the background values of swell waves and two pulses during the formation of cracks -- (б). N, E are horizontal mutually transverse components. The arrows are pulses during the formation of cracks. The asterisk is a train of fluctuations with a period of up to 1 min. Gamma station, channel N, 12.04.2019
Линейные расстановки с интервалом между датчиками от 2 до 500 м позволяют определять скорость распространения упругих и гравитационных волн в широком частотном диапазоне. В экспериментах с заранее известным расположением источника волн фазовая скорость C определяется по коррелируемым фазам групп волн из простого соотношения C = X/At, где X -- расстояние, пройденное волной по линии датчиков, At -- время прохождения волной пути X. При изучении физико-механических процессов образования волн естественного происхождения, когда неизвестно расположение источника волн, используются расстановки приборов по треугольнику со сторонами от 30 м до 5 км. В самом общем виде для любой треугольной расстановки приборов и безотносительно к направлению распространения плоской волны методика расчета фазовой скорости и азимута определяется из схемы (рис. 5).
Рис. 5 - Расчетная схема определения скорости и направления волны зыби в дрейфующем ледяном покрове при пространственной расстановке полевых станций а, р и у. А и В -- проекции сторон треугольника на вектор скорости волны; 0 -- угол между одной из сторон треугольника и вектором скорости волны
Fig. 5 - Calculation scheme for determining the velocity and direction of the swell wave in the drifting ice cover with a spatial arrangement of the field stations а, p and y. A and B are projections of the sides of the triangle on the wave velocity vector; 0 is the angle between one of the sides of the triangle and the wave velocity vector
Методика взаимной корреляции двух временных рядов позволяет при последовательном сдвиге по времени относительно друг друга определять временной сдвиг Dt и характеризовать «кажущуюся» скорость распространения волны между станциями. Для определения истинной скорости V разработаны методики определения азимута и скорости распространения волнового процесса. В данной методике для расчета вектора скорости волн зыби (V) получена формула:
где Za = 11,24°, Lp = 1904,72 м -- расстояние между а и p, L^ = 1273,28 м, Dt2 -- время прохождения волной расстояния Lp. Значения Za, Lp и L^ определяются расстановкой приборов по схеме треугольника. Время Dt определялось по коррелируемым фазам цуга волн станций, например, Альфа и Бета, что позволяло оценить истинные скорости волны зыби. Проведенные расчеты показали, что скорость волн зыби изменялась в пределах от 30 до 33 м/с. Подобные значения соответствуют проведенным ранее измерениям на дрейфующих станциях «Северный полюс» и теоретическим дисперсионным соотношениям фазовых и групповых скоростей изгибно-гравита- ционных волн [8, 9, 10]. Азимут, как правило, менялся в соответствии с источником зарождения волн.
Пример расчета оценки напряжений в ледяном покрове при изгибе его волнами зыби. Напряжения при изгибе ледяного поля волнами зыби могут достигать разрушающих напряжений. Вертикальные смещения (z) любой точки ледяного поля при изгибе его гравитационной волной определяются как z = z0-sinkx, где z0 -- амплитуда волны, м; k = 2p/l -- волновое число, 1 -- длина волны, м; х -- расстояние, м. Оценка несущей способности ледяного покрова путем расчета максимальных изгибных напряжений во льду основана на теории изгиба жестких пластин [3, 4].
Ниже приводится пример оценки напряжений в верхнем слое ледяной пластины, т.к. именно с него начинается образование и рост трещин при разрушении верхнего слоя гребня волны разрывом. Конечно, в этом случае не учитываются пластические свойства льда, и для расчета напряжений берется модуль Юнга. Напряжения сжатия -- растяжения с_. в ледяном поле можно оценивать по формуле:
где Е -- модуль упругости, МПа; h -- толщина льда, м; р -- коэффициент Пуассона. При использовании этого выражения предполагается, что кривая профиля волны близка к цилиндрической. При следующих характеристиках льда и параметрах волны изгиба: Е = 3-103 МПа; h = 1,0 м; р = 0,34; V = 30 м/с; Т = 20 с; 1= СТ; z0 = 2-10-3 м определено механическое напряжение сжатия ледяной пластины при фоновых/спокойных значениях амплитуд колебаний во льду. Согласно приведенной формуле, фоновые колебательные напряжения во льду составляли 0,3 кПа. Это очень незначительная величина, однако при интенсивных короткопериодных волнах с большой крутизной волновые напряжения могут достигать десятков кПа и приводить к разлому ледяного поля. Трудности определения разрушающих напряжений связаны также с выявлением визуальной связи появления трещин и записями приборов на ледяном поле. Рассмотренный пример оценки фоновых и разрушающих напряжений будет закладываться в алгоритм обработки данных с соответствующим оповещением трещинообразования и разломов льда в режиме реального времени.
Дистанционная измерительная система мониторинга состояния морского дрейфующего льда. Разработанная в лаборатории физики льда система позволяет следить за крупномасштабной механикой деформирования и разрушения ледяных полей. Практическое применение данной системы мониторинга дает возможность оценить степень динамичности ледяного покрова и на основании этого дать прогностические оценки степени устойчивости льда в данном районе в ближайший промежуток времени. Первичными звеньями системы являются полевые сейсмические станции сбора данных от присоединенных датчиков -- сейсмометров и наклономеров [7]. Полевые станции сбора данных производят операцию оцифровки данных от датчиков с заданной частотой. При этом сбор всех каналов данных на станциях синхронизирован с помощью часов глобальной системы позиционирования. Данные сохраняются в локальном хранилище, а также по радиоканалу отправляются на сервер сбора данных базовой станции в режиме реального времени. Каждая полевая станция сбора данных оснащается геолокационным модулем, который собирает и передает координаты станции через спутниковый радиоканал на судно, что позволяет всегда знать точное расположение полевой станции вне зависимости от работоспособности основного радиоканала. На льду станции расставляются по схеме треугольника. Такое размещение позволяет определять физические параметры прогрессивных волн. Важнейшими из них являются фазовая скорость и азимут распространения волны.
Все данные передавались на базовую станцию, находящуюся на НЭС «Академик Трёшников», состоящую из приемника/передатчика основного радиоканала, вторичного радиоканала для локальной передачи данных между выносным передатчиком основного радиоканала и сервером сбора данных. Сервер сбора данных принимал по радиоканалу данные от полевых станций в режиме реального времени и сохранял их в архиве. Также сервер сбора данных осуществлял вывод получаемых данных на графический дисплей в виде волновых профилей, принимаемых от всех полевых станций, с возможностью частотной обработки и выделения интересующей информации. Блок радиопередачи включает в себя основной радиоканал, радиомодуль 900 МГц с антенной, резервный радиоканал WI-FI, радиомодуль 2,4 ГГц с антенной. Управление полевой сейсмостанцией осуществляется с помощью защищенного ноутбука Panasonic CF-31. Регистратор основных каналов данных имеет в своем составе внутреннюю карту памяти объемом 8 Гб, на которую записывается собираемая информация. Регистрация сигналов базировалась на методике круглосуточного проведения инструментальных измерений. Применяемая в экспедиции «Трансарктика-2019» измерительная система с пространственной расстановкой приборов на льду обладает малым потреблением мощности от внешнего аккумулятора, большой емкостью энергонезависимой памяти, встроенным высокостабильным генератором и модулем GPS в совокупности с аналого-цифровым трактом, что обеспечивает качественные эксплуатационные характеристики для широкого круга научных и прикладных задач. В проведенных исследованиях круглосуточный мониторинг состояния дрейфующего ледяного покрова сопровождался визуальным осмотром ледяного поля лагеря станции, обнаружением, по возможности, сквозных трещин, подвижек и торошений. Особое внимание уделялось первичной информации, возникающей перед сжатием и торошением льдов. Прогностические признаки экстремальных характеристик динамики льда позволяют принимать меры безопасности в ледовом лагере.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Изгибно-гравитационные волны. На рис. 6 представлена картина колебательных и волновых процессов в системе лед -- вода при воздействии ветра и волн океанической зыби. Все компоненты сейсмометра отражают колебания в широком диапазоне частот и обусловлены воздействием как локального ветра, так и приходящей зыби от далеких штормов на открытой воде. На горизонтальных компонентах сейсмометров отмечаются периодические импульсы, обусловленные полусуточными приливными сжатиями и подвижками в ледяном покрове, создающими упругие волны.
Квазистатические наклоны (каналы N1 и E2) ледяного поля отражали изменчивость его изостатического равновесия. Кроме того, наклономеры регистрировали динамические процессы с периодами до 30 мин. Объяснение природы длительного наклона ледяного поля 15 -- 16.04.2019 на основании записей трех станций пока не дано. Сравнительно быстрые наклоны, по-видимому, были связаны с усилением ветра, разломами и подвижками льда. Процесс деформирования ледяного поля отразился на записях наклономера в течение нескольких часов с последующим возвращением в исходное устойчивое состояние. Комплексный подход к обработке натурных метеорологических (скорость и направление ветра) и океанологических (скорость течения, короткопериодные внутренние волны, приливные явления...) данных позволит в дальнейшем выявить механику этого крупномасштабного ледового процесса.
7 9 11 13 15 17 Апрель
Дата
Рис. 6 - Изменчивость динамических явлений при мониторинге состояния дрейфующего ледяного покрова в период 7 -- 19.04.2019, станция Бета. Z, N, E -- исходные сигналы вертикального и горизонтальных компонент сейсмометра; N E2 -- исходная запись от двух компонент наклономера; масштаб меток наклономера 5,0 мкрад
Fig. 6 - Variability of the dynamic phenomena when monitoring the state of the drifting ice cover, 7--19.04.2019. Beta Station. Z, N and E are source signals of the vertical and horizontal components of the seismometer; N1 and E2 are the original recording from two components of the tilmeter. The scale of the tiltmeter labels is 0.1 V = 50 mkrad
Из общей картины динамики дрейфующего льда уверенно выделяются основные виды колебаний и волн при использовании полосовых фильтров. Как правило, применялись следующие полосовые фильтры: 0,2 -- 2 Гц, 0,1 -- 0,2 Гц, 0,047 -- 0,060 Гц, 0,020 -- 0,047 Гц. Например, на уровне сравнительно спокойного фона четко выделяются периодические узкополосные сигналы от ветрового воздействия и изгибно-гравитационных волн от приливных явлений в океане. Как показало сравнение полученных данных с локальными метеорологическими характеристиками, сигналы 15 -- 16 апреля были обусловлены возникновением волн при воздействии ветра, разломах и подвижках льда.
Очевидно, что использование программы полосовых фильтров, спектрального анализа, кинематики волн дает возможность выявления природы волновых процессов и обнаружения возможных источников их зарождения. Естественно, что при обработке исходных данных следует учитывать периоды воздействия самого судна на лед при различного рода его маневрах или включении механизмов.
Волновые характеристики при сжатии льдов во время приливных явлений в океане. Известно, что сжатия морских льдов обусловлены ветром, приливами, уровнем моря, толщиной льда и его торосистостью. Все эти процессы и свойства льда подвержены изменчивости, поэтому прогнозирование сжатия и торошения льдов является сложной задачей. Известно, что приливные сжатия в арктических льдах создаются в основном градиентами приливного течения, передающими силовое воздействие ледяному покрову через касательные напряжения на границе лед -- вода. Несмотря на значительные успехи в изучении этого явления, можно констатировать, что природа возникновения и основные режимные характеристики сжатий понятны, но крупномасштабная механика сжатий требует более глубокого изучения [11]. Поэтому постановка инструментальных наблюдений динамического состояния морского льда в экспедиции «Трансарктика-2019» является существенным шагом в изучении явления сжатия и торошения льдов при приливных явлениях в СЛО.
На рис. 7 показаны периодические всплески амплитуды волн как от сейсмометров, так и от наклономера с периодичностью около 12 часов. Из показаний приборов, установленных на полигоне размером до двух километров, следует, что волновые явления с частотами в диапазоне 0,05 -- 10 Гц, а также квазистатические наклоны ледяного поля дрейфующей станции совершают коррелируемые движения на больших пространствах ледяного покрова. На рис. 8 представлен пример типичной картины спектра колебаний льда при мониторинге состояния дрейфующего ледяного покрова в течение сравнительно длительного времени. Длина блока выборки сигнала для обработки составляла 48 часов. Все это позволило выделять волны зыби и инфранизкочастотный шум в диапазоне инфразвуковых частот (до 1 Гц) длительностью 4 -- 5 часов и с периодичностью 12 часов.
Все это позволяет говорить нам о том, что зарегистрированные процессы обусловлены полусуточными приливо-отливными явлениями в океане. Можно определить рассматриваемое явление как эффект приливного сжатия.
11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Апрель
Дата
Рис. 7 - Общая картина динамического процесса в дрейфующем ледяном покрове при приливных явлениях в СЛО, 11 -- 22.04.2019. Z, N, E -- амплитудная огибающая сигналов вертикального и горизонтальных компонент сейсмометра. Стрелка -- период усиления ветра и волн зыби
Fig. 7 - A general picture of the dynamic process in the drifting ice cover during tidal phenomena in the Arctic Ocean, 11--22.04.2019. Z, N and E are the amplitude envelope of the signals of the vertical and horizontal components of the seismometer. The arrow is the period of increasing wind and swell waves
Рис. 8 - Пример обработки исходных данных вейвлет-преобразованием колебательной скорости при приливных явлениях, станция Бета, 11 -- 12.04.2019. Звездочки -- периоды появления инфразвуковых колебаний
Fig. 8 - Ап example of processing the initial data by a wavelet transformation of the oscillatory velocity in tidal phenomena in the АО. Беїа station, 11 -- 12.04.2019. The asterisks are the occurrence periods of the infrasound vibrations
При необходимости, особенно при обнаружении прогностических признаков сжатия и торошения, в данной методике можно делать уточняющие расчеты в коротких временных промежутках с уменьшенной степенью прореживания сигнала и выделения высокочастотной составляющей.
Естественно, возникают вопросы по поводу обнаруженного эффекта. Какого рода деформации льда происходят на значительных ледовых масштабах океана во время прилива? Каким образом при этом возникают упругие и гравитационные волны во льду? Какова природа упругих и вязкопластических крупномасштабных деформаций? Все эти задачи доступны для решения, если исследуются не только волновые процессы с помощью сейсмометров, но и относительные деформации льда при сжатии и разломах с помощью наклономеров и деформометров. На выбранном фрагменте общей записи рис. 9 отражена механика деформирования ледяного поля на одной из станций, где длительность процесса с излучением колебаний и волн при приливах составляла 3 -- 5 часов. Одновременно зарегистрированные процессы на всех трех станциях обладают преимущественно горизонтальной направленностью, в то время как вертикальные колебания в этот же период практически отсутствуют. Периоды изменчивости квазистатических наклонов длились по несколько часов и сопровождались сравнительно короткими периодами возврата в первоначальное состояние. Увеличение наклона сопровождалось сигналами от сейсмометров и наклономеров с горизонтальной поляризацией при практически слабом проявлении их на вертикальных компонентах сейсмометра. Как видно из рис. 8, эти процессы сопровождаются возникновением инфразвуковых волн в ледяном покрове.