Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Вакпрофи. Публикация статей ВАК, Scopus
Научные направления
Поделиться:
Статья опубликована в №62 (октябрь) 2018
Разделы: Науки о Земле
Размещена 04.10.2018.

Выявление гидрологических фронтов с авиасредств разведки при наличии ледяного покрова

Степанюк Иван Антонович

доктор физико-математических наук, профессор

Российский государственный гидрометеорологический университет

профессор кафедры океанологии

Скачко Юлия Борисовна, инженер, Российский государственный гидрометеорологический университет


Аннотация:
Рассматриваются результаты физического моделирования авиаметода выявления гидрологических фронтов в поле солености под ледяным покровом. Метод основан на регистрации искажений магнитной составляющей поля вещательных радиостанций. Описана методика моделирования. Оценены перспективы метода и направление дальнейших исследований.


Abstract:
The results of physical modeling of the method of hydrological fronts’ detection in the salinity field under the ice cover with aircrafts are considered in the article. The method is based on the registration of the magnetic component distortions of the field of broadcasting radio stations. The method of modeling is described here. The prospects of the method and the direction of further research have been estimated.


Ключевые слова:
гидрологические фронты; авиаметод выявления гидрофронта; ледяной покров; поле вещательных радиостанций; физическое моделирование

Keywords:
hydrological fronts; method of air detection of a hydrofront; ice cover; field of broadcasting radio stations; physical modeling


УДК  551.46.0 

Введение. Из общетеоретических соображений следует, что ледяной покров над гидрологическими фронтальными разделами оказывает “маскирующее” действие. Он «непрозрачен» для ИК-диапазона, а также  при пассивных измерениях температуры в СВЧ-диапазоне. Видны перспективы лишь в активном варианте микроволновых измерений, причем, на пониженных частотах (область 25….200 МГц), где морской лед является «полупрозрачным» (например [3]).

В нашей работе  [4] на физических моделях рассмотрена перспективность использования для выявления гидрофронтов эффекта искажений характеристик поля вещательных радиостанций на частотах менее 5 МГц. Основу работы составил так называемый «метод радиокип» (радиокомпарирования и пеленгации), неоднократно использовавшийся в задачах геофизической разведки – выявление рудных месторождений, выявление «водяных линз» в пустынях (например [6], выявление подземных пустот антропогенного происхождения [2], и др.  

Применительно к океанологическим проблемам использование  частот электромагнитного поля в радио-  и ИНЧ–диапазонах  роль ледяного покрова не может быть существенной. Действительно, затухание во льду (даже – в соленом морском льду) электромагнитного поля в этих диапазонах частот весьма мало (см. например [1]), чтобы опасаться  возникновения каких-либо препятствий в реализуемости рассматриваемого метода. Несомненно, что роль ледяного покрова возрастает пропорционально росту используемых частот – следует ожидать заметного влияния льда при частотах порядка 105÷106 Гц. Причем, наличие подобного влияния нельзя рассматривать как отрицательный фактор, поскольку в этом случае появляется возможность не только выявления гидрофронтов подо льдом, но также – границ льдов вне зависимости от атмосферных условий при проведении съемки (например, [5]). Конечно, в этом замечании нет претензий на замену весьма эффективных радиолокационных станций бокового обзора (РЛС БО), используемых при ледовой авиаразведке в настоящее время.

Физическое моделирование метода. Оценки роли льда и вносимых искажений целесообразно исследовать экспериментально. На специальных установках, описанных в нашей работе [4], были выполнены эксперименты по изучению возможностей выявления положения гидрофронта под ледяным покровом с помощью рассматриваемого авиаметода. Гидрофронты моделировались поролоновыми перегородками, располагаемыми между секциями экспериментального бассейна, заполняемыми водой с различной соленостью. Технология экспериментов подробно описана в работе [4].

Для поставленных здесь задач ледяной покров моделировался слоем парафина, который наиболее соответствует льду по электрофизическим свойствам. Парафин наносился в жидком состоянии и, застывая на поверхности подготовленного для эксперимента бассейна, образовывал тонкий однородный слой “льда” требуемой по условиям подобия толщины.

Методически эксперимент организовывался следующим образом. До нанесения “ледяного покрова” проводился полный комплекс измерений при фиксированных условиях: напряженность исходного поля, расстояние до излучателя, угол между простиранием фронтов и направлением магнитного вектора воздействующего поля, высота расположения приемного диполя и др. После нанесения “ледяного покрова” эксперимент продолжался при сохранении отмеченных условий. Такая организация позволяла сравнивать характеристики сигналов при наличии и отсутствии слоя модельного “льда”.

На рис. 1 показан вид осредненного по ансамблю данных профиля сигнала над бассейном при наличии ледяного покрова над одним из фронтов.

 

1.png

 

Рисунок 1 –  Результаты моделирования метода при наличии
ледяного покрова над одним из модельных гидрофронтов. Частота 1,3  МГц.
Доверительная вероятность для указанного интервала 0,95.

 

Как отмечалось выше, следует ожидать некоторого «маскирующего» действия льда при повышенных частотах. Оценки такого «маскирования» выполнялись по рассмотренной методике для разных перепадов солености в зоне гидрофронта. Пример результатов представлен на рис. 2.

В приведенных данных наглядно видно, что моделируемый ледяной покров, как и следовало ожидать, приводит к занижению получаемых значений (данные показаны пунктиром). Тем не менее, всплеск напряженности поля над зоной гидрофронта остается значимым как в исходном варианте, так и при наличии ледяного покрова.

 

2.png 

 

Рисунок 2 – Результаты моделирования метода при отсутствии
и при наличии  ледяного покрова над гидрофронтами при
пониженной солености воды. Частота 1,3 МГц. Доверительная
вероятность для указанного интервала 0,95.

 

При повышенных градиентах солености, что, в частности, характерно для эстуариев, «маскирующая» роль льда заметно возрастает (рис.3, левые секции).

 

 1.png

Рисунок 3 – Результаты моделирования метода при
повышенных градиентах солености. Частота 1,3 МГц.
Доверительная вероятность для указанного интервала 0,95.

 

Эти данные позволили получить сопоставимые зависимости между значениями сигнала над зоной гидрофронта и градиентом солености (рис.4) в варианте отсутствия ледяного покрова (верхняя кривая) и при наличии ледяного покрова (нижняя кривая). Коэффициент Kf вычислялся, как и ранее [4], по выражению:

 

 1.png

 

где  Umax  –  максимальное значение  над модельным гидрофронтом;

Uср – среднее значение  над однородными зонами по обе стороны от модельного гидрофронта.

 

4.png 

                                    

Рисунок 4 – Зависимость “всплесков” сигнала, регистрируемого над
зонами гидрофронтов, от градиента солености.

 

Кривые аппроксимируются следующими выражениями.

При отсутствии льда:

                                2.png   .

При наличии льда:

                                  3.png ,    

 

где S0 – нормирующее значение солености, задававшееся в опытах равным 1‰.

Обсуждение. Таким образом, в условиях наличия ледяного покрова метод радиокип по результатам моделирования позволяет столь же  эффективно, как и при отсутствии льда:

- выявлять с авиасредств географическое положение гидрологических фронтов, характеризующихся как термохалинными, так и чисто соленостными градиентами;

- при учете дополнительных факторов (направление полета, высота полета, используемая частота и др.)  определять градиенты электрической проводимости в зоне гидрофронта.

Несомненно, что результаты модельных экспериментов требуют соответствующего изучения и подтверждения в натурных условиях.

Ввиду того, что габариты приемного измерителя могут быть реализованы очень малыми, в методе целесообразно использование  беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).

Библиографический список:

1. Богородский В.В., Гаврило В.П. Лед.–Л.: Гидрометеоиздат, 1980.–384 с.
2. Давыдов В.А.Электроразведка методом радиокип в сверхдлинноволновой модификации с использованием радиостанций системы дальней навигации РСДН-20 («Альфа») // Инженерные изыскания, 2014, №2.– С.65-71.
3. Степанюк И.А. Проблема измерения солености морской воды с авиасредств разведки (обзор методов и оценки перспектив) //Электронный периодический рецензируемый журнал «SCI-ARTICLE.RU». – 2018. – № 58 (июнь).– С. 154-168.
4. Степанюк И.А., Скачко Ю.Б. Выявление гидрологических фронтов в поле солености с авиасредств разведки (результаты физического моделирования) //Электронный периодический рецензируемый журнал «SCI-ARTICLE.RU». – 2018. – № 60. – С. 82-94.
5. Степанюк И.А. Метод аэрокартирования аномалий электропроводности морской воды // Методы океанологических исследований. Сборник научных трудов ЛГМИ.– Л.: Изд. ЛПИ им.М.И.Калинина, 1976.– Вып. 59.– С. 45-49.
6. Тархов А. Г. и др. Электроразведка методом радиокип. – М.: Наука, 1981. – 235 с.




Рецензии:

5.10.2018, 9:48 Петрухин Геннадий Михайлович
Рецензия: В статье приводятся результаты физического моделирования дистанционного выявления гидрологических фронтов в поле солености морской воды под ледяным покровом. Метод основан на регистрации искажений магнитной составляющей поля на частотах работы вещательных радиостанций. Описана методика моделирования. Идея метода известна и основана на регистрации "всплесков" напряженности электромагнитного поля от градиента контролируемого параметра. Результаты моделирования дали обнадеживающие результаты, что позволило авторам оценить перспективность метода и определить направление дальнейших исследований. Работа рекомендуется к публикации.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх