Ученые из Института прикладной физики имени А.В. Гапонова-Грехова РАН и Арктического и антарктического научно-исследовательского института с коллегами проследили полный цикл замерзания и таяния пресноводного льда, используя подводный акустический зонд, в лабораторных условиях. Предложенный подход будет полезен при оценке безопасности переправ и позволит точнее рассчитывать риск паводков.
От толщины льда на реках и озерах во многом зависит безопасность людей, которые выходят на зимнюю рыбалку и пользуются ледовыми переправами, а также сохранность сооружений, например мостов, опоры которых находятся в воде, рассказали ученые. Традиционно его толщину измеряют с помощью эпизодического бурения или на стационарных гидрологических постах. Однако информация, получаемая этими методами, весьма ограничена, количество гидрологических постов сокращается, а бурение не обеспечивает непрерывного мониторинга, особенно на стадиях формирования и таяния ледяного покрова, когда такие наблюдения крайне актуальны. Поэтому нужны альтернативные методы постоянного слежения.
Авторы собрали в малом ледовом бассейне Арктического и антарктического научно-исследовательского института экспериментальную установку, включающую два радиолокатора, установленных на автоматическом поворотном устройстве над водной поверхностью, а также подводный акустический зонд и линейку акустических датчиков вблизи поверхности. Зонд был расположен на дне так, чтобы посылать к поверхности воды ультразвук на частоте 200 кГц. Такие сигналы, достигая льда, отражались и, как эхо, улавливались тем же устройством. При этом оно принимало отражения от обеих границ льда: от нижней (с водой) и от верхней (с воздухом).
На практике это означает, что можно установить под водой акустический датчик, и он сможет автоматически сообщать о том, как меняется лед, без необходимости его бурения. Это позволит вести непрерывный мониторинг в труднодоступных местах и в ситуациях, когда выход на лед опасен.— Преимущество подводного зонда состоит в том, что его работа не зависит от погодных условий, и измерения продолжаются даже в период таяния, восполняя пробел в наблюдениях, который особенно критичен для прогнозирования паводков, — пояснил руководитель проекта, кандидат физико-математических наук, заместитель заведующего отделом радиофизических методов в гидрофизике ИПФ РАН Юрий Титченко.
— Предложенная система позволит своевременно предупреждать государственные и частные организации об опасном истончении льда и помогать метеорологам оценивать региональное влияние глобального изменения климата и строить более точные прогнозы весеннего половодья. В дальнейшем мы планируем обработать результаты только что завершенной второй фазы лабораторного эксперимента с замораживанием соленого льда и получить алгоритм измерения толщины, который может быть применен для морского льда, — рассказал Юрий Титченко.
Уникальность этой разработки в том, что она позволяет следить за толщиной льда не время от времени, а постоянно и дистанционно, рассказал эксперт НТИ по новым материалам и технологиям Евгений Вишневский.
В первую очередь разработка повысит безопасность людей и инфраструктурных объектов (мостов, прибрежных сооружений), а также поможет контролировать ледовые переправы и участки для зимней рыбалки. Кроме того, такая система может помочь точнее прогнозировать весенние паводки, потому что дает более полное понимание того, как и когда разрушается ледяной покров, рассказал специалист.— Еще один важный плюс в том, что технология показывает не только саму толщину льда, но и помогает понять, в каком он состоянии, как быстро меняется, насколько стабилен, как ведет себя во время замерзания и таяния. Это делает метод полезным не просто для наблюдения, а для реальной оценки рисков, — сказал он.
Традиционное бурение представляет опасность, особенно в период таяния льда, а спутниковые методы не подходят для мониторинга небольших пресноводных водоемов, отметил член Координационного совета по делам молодежи в научной и образовательной сферах, завлабораторией оптики океана Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН Дмитрий Глуховец. По его словам, подводный акустический зонд может стать оптимальным решением для безопасного непрерывного мониторинга водоемов в режиме реального времени. В первую очередь технология может применяться для контроля состояния ледовых переправ, безопасность которых сейчас оценивают в основном по косвенным данным и отдельным замерам. Возможны и другие направления использования разработки.— Прибор для измерения толщины ледяного покрова, конечно, очень интересен. Первый положительный момент — безопасность. На гидрологических постах Росгидромета толщина льда измеряется по декадам или пятидневкам, в зависимости от программы наблюдений. Это важная характеристика, так как наблюдатели в зимний период производят работы по вертикалям по всей ширине реки, для измерения скоростей течения. Для прогнозирования необходимо понимать период вскрытия рек, ледохода, всё связано с толщиной льда, — рассказала начальник Гидрометцентра ФГБУ «Верхне-Волжское УГМС» Людмила Филина.
Важно отметить, что на данном этапе разработки акцент делается именно на фундаментальные исследования процессов формирования и таяния ледяного покрова, а не на непосредственное применение зонда для оценки ледовой обстановки перед движением транспорта, отметила ведущий научный сотрудник лаборатории прикладной вычислительной геофизики МФТИ Алена Фаворская. Несмотря на то что в качестве перспектив применения авторами указывается и непосредственный мониторинг толщины льда путем зондирования в реальном времени, это технически достижимо, но на данном этапе развития проекта не тестировалось.— Весенние паводки зависят от толщины льда, которую измеряет зонд. В сочетании с данными о снегозапасах и прогнозом погоды это повысит точность расчетов объема талой воды и сроков вскрытия рек, что позволит службам более эффективно готовиться к паводкам и минимизировать возможный ущерб, — сказал эксперт.
В исследовании принимали участие сотрудники Санкт-Петербургского государственного университета и Яньтайского института исследований прибрежной зоны (Китай). Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в The Journal of the Acoustical Society of America.— Что касается применения в Арктике, технология может быть адаптирована для мониторинга морского льда. Работы в этом направлении уже ведутся в текущем проекте, что существенно повысит безопасность судоходства и работы добывающих комплексов в северных широтах. В перспективе это поможет более точно оценивать риски разрушения ледового покрова и своевременно предупреждать об опасных изменениях в ледовой обстановке, — добавила эксперт.
