14. Морские научные исследования в рейсах НИС «Импульс

14. Морские научные исследования в рейсах НИС «Импульс»
№ 13, 17 и 20 (руководители В.А.Чупин, С.Г. Долгих, С.В. Яковенко).
14.1. Введение.
Экспедиционные работы проведены в рамках выполнения темы научноисследовательских работ ТОИ ДВО РАН «Гидрофизические, гидроакустические и
геодинамические процессы в океане и их взаимодействие в системе «шельф - глубокое
море»», а также в соответствии со следующими программами и проектами:
проект 09-05-00597-а «Пространственные и временные вариации звуковых и
инфразвуковых шельфовых волн» при поддержке РФФИ в рамках программы «Изучение
природы пространственно-временных вариаций основных параметров поверхностных и
внутренних морских волн ультразвукового и звукового диапазонов при их движении по
шельфу переменной глубины»;
проект 09-05-01089-а «Изучение нелинейного взаимодействия механизмов
возникновения и развития колебаний и волн земной коры» при поддержке Российского
фонда фундаментальных исследований.
14.2. Цели экспедиции.
Исследовать природу пространственно-временных вариаций основных параметров
(амплитуда, период волны) поверхностных и внутренних морских волн инфразвукового и
звукового диапазонов при их движении по шельфу переменной глубины, а также
некоторые закономерности трансформации энергии шельфовых волн инфразвукового и
звукового диапазонов в энергию упругих волн поверхностного типа. Изучить нелинейное
взаимодействие шельфовых волн различного частотного диапазона и влияния
гидрологических изменений на основные параметры волн широкого диапазона частот,
распространяющихся по шельфу. Выполнить экспериментальные работы по изучению
условий распространения и трансформации гидроакустических и сейсмоакустических
волн, возбуждаемых в ближней и дальней зонах с помощью низкочастотных
гидроакустических и сейсмоакустических излучателей. На основе полученных
экспериментальных данных сформировать банк данных.
14.3. Задачи экспедиции.
1) Создать измерительный полигон, состоящий из имеющегося у коллектива
оборудования.
2) Провести измерения в разных режимах работ излучаемых систем.
3) Выполнить модельно-теоретические и экспериментальные исследования по
изучению закономерностей трансформации геоакустических и гидроакустических
колебаний и волн широкого диапазона частот на границе «дно-море».
4) Провести первые пробные эксперименты по изучению природы вариаций
основных гидрофизических параметров шельфовой области моря по выбранным трассам с
помощью необитаемых подводных аппаратов.
5) Создать банк данных.
14.4. Методы измерений и обработки данных.
Оригинальность и новизна используемых методов и подходов при выполнении
экспериментальных работ заключается в применении лазерно-интерференционных
методов при разработке и создании аппаратно-программного комплекса на основе
берегового лазерного деформографа, лазерного измерителя вариаций давления
гидросферы,
лазерного
гидрофона,
дополненных
гидроакустическими
и
гидрофизическими приѐмными и излучающими системами, направленного на изучение
природы амплитудно-фазовых вариаций шельфовых волн и их трансформации на границе
раздела сред в частотном диапазоне от 0 (условно) до 1000 Гц. Все пространственно
разнесѐнные лазерно-интерференционные установки комплекса, стационарные и
мобильные гидроакустические и гидрофизические аппаратно-программные приѐмопередающие установки объединены в единую измерительную систему на основе
современных GRID технологий.
14.5. Используемые технические средства и их краткая характеристика.
1). Береговой 52,5-метровый лазерный деформограф со следующими
характеристиками: точность измерения микроперемещений - 0,3 нм, рабочий диапазон
частот - 0-1000 Гц, динамический диапазон практически неограничен.
2). Лазерный гидрофон и лазерный измеритель вариаций давления гидросферы,
обладающие следующими характеристиками: точность измерения вариаций давления - 1
мПа, рабочий диапазон частот 0-1000 Гц, динамический диапазон практически
неограничен.
3). Измеритель течений "Aanderaa" RCM 9 LW (измерение течений, температуры
воды), гидрологический зонд RBR-XR620 (измерение температуры, электропроводности),
гидроакустические и гидрологические косы.
4). Автоматическая метеостанция «Aanderaa» (измерение температуры воздуха,
направления и скорости ветра, атмосферного давления, влажности).
5). Акустический доплеровский измеритель направления и скорости течений Sontek
ADP.
6). Инфразвуковой сейсмоакустический излучатель с рабочим диапазоном частот 220 Гц.
7). Гидроакустические излучающие системы, работающие на частотах около 35, 245
и 360 Гц.
14.6. Объемы выполненных работ.
Для установки прецизионных лазерных установок в условиях близости береговой
полосы разработана и изготовлена вспомогательная буксируемая плот-платформа. При
проведении экспедиционных работ, испытаны ходовые качества платформы во время
буксировки НИС «Импульс» (рис.14.1). C платформы выполнялась установка лазерного
измерителя вариаций давления гидросферы, лазерного гидрофона и измерителя течений.
Рис.14.1. Буксировка плота-платформы к месту установки лазерного гидрофона.
Проведены экспедиционные исследования по изучению природы пространственновременных вариаций основных параметров шельфовых морских волн диапазона
приливов, внутренних волн, инфрагравитационных волн, ветровых волн, захваченных и
излучѐнных шельфовых волн, гидроакустических колебаний и волн широкого диапазона
частот при их движении по шельфу переменной глубины. Приѐмные гидрофизические
системы вместе с лазерными гидрофонами устанавливались в различных точках шельфа
стационарно на длительное время. Одновременно с измерениями основных параметров
поверхностных и внутренних морских волн широкого диапазона частот выполнены
экспериментальные работы по изучению условий распространения и трансформации
гидроакустических и сейсмоакустических волн, которые возбуждались в ближней и
дальней зонах с помощью низкочастотных гидроакустических и сейсмоакустических
излучателей. Некоторые гидрологические измерения по выбранным трассам на шельфе
выполнены на основе применения необитаемого подводного аппарата, оснащѐнного
современным измерительным гидрологическим комплексом.
14.7. Предварительные научные результаты.
На берегу м. Шульца и прилегающем шельфе был создан полигон, оснащѐнный
лазерным гидрофоном и лазерным измерителем вариаций давления гидросферы, которые
измеряют вариации гидросферного давления с точностью 1 мПа в частотном диапазоне от
0 (условно) до 1000 Гц, береговым лазерным деформографом неравноплечего типа,
измеряющим вариации микродеформаций земной коры в частотном диапазоне от 0
(условно) до 1000 Гц, уровнемером ѐмкостного типа, измеряющим вариации уровня моря
с точностью 1 мм, сейсмоакустическим и гидроакустическими излучателями, способными
создавать колебания в земной коре и в воде в частотных диапазонах 0-20, 25-35, 240-250
Гц, двумя вертикальными приѐмными гидрофизическими системами, состоящими из 12
термодатчиков, тремя гидрологическими зондами, которые измеряют вариации
температуры, солѐности, давления, величину и направление скорости течений,
метеостанцией.
В
летне-осенний
период
были
проведены
комплексные
экспериментальные исследования по измерению основных параметров колебаний и волн
инфразвукового и звукового диапазонов в зоне установки комплекса практически всеми
вышеперечисленными установками с отработкой методики проведения работ в пассивном
(без использования излучающих систем) и активном (с использованием излучающих
систем) режимах исследований. При этом организован банк полученных
экспериментальных данных. На основе полученных экспериментальных данных с
использованием берегового лазерного деформографа, лазерного нанобарографа и
лазерного измерителя вариаций давления гидросферы выполнены модельнотеоретические работы по оценке вклада атмосферных и гидросферных процессов в
уровень микроколебаний земной коры на границе «земная кора – море». В сентябре 2009
года на прилегающем к м. Шульца шельфе были проведены первые пробные
эксперименты по изучению природы вариаций основных гидрофизических параметров
шельфовой области моря по выбранным трассам с помощью необитаемого подводного
аппарата, измеряющего вариации температуры, давления солѐности и мутности в
непрерывном режиме с передачей полученных экспериментальных данных в базу данных
в режиме реального времени.
14.8. Выводы.
Задачи экспедиционных работ в целом выполнены. Разработаны и апробированы
различные способы установки гидрологических зондов и лазерных интерферометров.
Пополнен банк экспериментальных данных предыдущих лет. Изучены некоторые
особенности трансформации энергии морских шельфовых волн в энергию упругих волн
поверхностного типа, а также энергии поверхностных упругих волн акустического
диапазона в гидроакустическую энергию. При проведении данных исследований
выявлены основные физические условия и зоны наиболее эффективной трансформации
вышеуказанных колебаний и волн.