Статья опубликована в №60 (август) 2018
Разделы: Науки о Земле
Размещена 16.08.2018. Последняя правка: 21.08.2018.
Просмотров - 1616

Выявление гидрологических фронтов в поле солености с авиасредств разведки (результаты физического моделирования)

Степанюк Иван Антонович

доктор физико-математических наук, профессор

Российский государственный гидрометеорологический университет

профессор кафедры океанологии

Скачко Юлия Борисовна, инженер, Российский государственный гидрометеорологический университет

УДК 551.46.0

Введение. В настоящее время характеристики гидрологических фронтов, в том числе –гидрофронтов в эстуариях приполярных регионов, определяются преимущественно путем анализа данных стандартной океанографической съемки, либо с помощью картирования температурного поля ИК-радиометром с авиасредств. Выявление с авиасредств при ИК-радиометрии возможно лишь при наличии больших температурных градиентов в зоне гидрофронта, что для приполярных условий мало характерно. Кроме того, ИК-съемка не может осуществляться в условиях низкой облачности либо тумана. Картирование пассивным микроволновым методом (СВЧ-радиометры) также имеет ряд недостатков, рассмотренных в работе [2]. Все эти особенности предопределяют актуальность разработки новых авиаметодов, которые могли бы использоваться для определения характеристик не только термохалинных, но и чисто соленостных гидрофронтов, причем, в любых атмосферных условиях.

В наших работах [3,4 и др.] были начаты исследования метода, основанного на регистрации искажений характеристик электромагнитного поля вещательных радиостанций над зонами аномалий электрической проводимости. При распространении электромагнитной волны над электрически неоднородной поверхностью над зонами перепадов проводимости структура волны существенно искажается. В частности,  резко меняется ориентация векторов электрического (E) и магнитного (H) полей, и соответственно – вектора распространения (“кажущийся пеленг”). Такие изменения  можно выявить, например, путем регистрации одной из составляющих вектора H.

Идея метода была заимствована из геофизики. В геофизических методах разведки рудных месторождений известны низкочастотные электромагнитные методы, использующие поля вещательных радиостанций (например [5,6]). Такие методы получили общее название «методов радиокип» – «радиокомпарирования и пеленгации». Они могут применяться как в наземном варианте, так и с авиасредств [6]. В настоящее время известно успешное применение этого метода только в наземном варианте [1].

Однако гидрологические фронты намного слабее выражены в поле проводимости по сравнению с рудными месторождениями и для разработки океанологических методов требуется проведение специальных исследований.

Нами были проведены лабораторные исследования метода с использованием физических моделей, имитирующих морскую поверхность с гидрофронтами, выраженными в поле солености.

Геофизический метод радиокомпарирования и пеленгации (радиокип) в применении к морским условиям. Принцип действия метода состоит в следующем. Как отмечено выше, при распространении электромагнитного поля, например – поля вещательной радиостанции, над полупроводящей неоднородной поверхностью появляются искажения в положении векторов E и H.

Картина искажений распространяющегося поля над зонами гидрофронтов с учетом известных данных в смежных областях представляется следующей. Над зонами гидрофронтов формируется вторичное поле, синфазное с первичным. При этом результирующий вектор магнитной силы H^/_аном (рис. 1) отклоняется от горизонтальной плоскости на некоторый угол b (наклонение вектора), а от плоскости, перпендикулярной вектору распространения поля (вектору Умова-Пойнтинга), –  на угол  g,  который  может  быть назван склонением. Такое изменение ориентации вызывает появление составляющих  H_x и  H_z, и, следовательно, уменьшение составляющей H_y,  которая  при    отсутствии аномалий электрической  проводимости будет соответствовать полной напряженности  H.

Эта полная напряженность поля, распространяющегося над полупроводящей поверхностью, будет отклонена от горизонтали, т.е. все равно иметь составляющую H_z. Но  эта составляющая будет пропорциональна средней по пространству (в пределах, сравнимых с длиной волны). Аномальные искажения возможны только над зонами высоких градиентов электрической проводимости.

Первичная (исходная) составляющая H_z индуцируется в морской воде за счет вихревых токов. При однородном поле электрической проводимости токи являются круговыми. При наличии горизонтальных градиентов их характер искажается: в зоне более высокой проводимости формируемый ток (точнее – плотность тока) получается больше, чем в зоне уменьшенной проводимости. В результате вместо вертикального вектора вторичного поля получается «наклоненный» вектор. Суммирование с исходным полем создает показанные на рис. 1 искажения.

Перспективность радиометода регистрации морских гидрофронтов следует из тех соображений, что глубина проникновения поля в морскую воду на используемых в методе частотах довольно велика (порядка 10⁰ -10¹  метров). Тем самым, в создании аномалий участвуют не какие-либо чисто поверхностные неоднородности (например, наличие нефтяной пленки в ИК–методах), а именно гидрологические фронты. При этом они могут выявляться как в поле температуры, так и в поле солености, что очень важно для эстуариев, где температурные контрасты слабо выражены. Кроме того, появляется возможность выявления гидрофронтов при наличии льда. Морской ледяной покров с его существенно меньшей по сравнению с водой электрической проводимостью не является экраном, хотя и оказывает свое  влияние на  структуру поля.

 

 

 

Рисунок 1 –  Искажения вектора магнитной силы при распространении  электромагнитного поля над  зонами аномалий электрической проводимости морской воды.

 Для исследования возможностей метода нами были использованы, как ранее [3,4, и др.], так и в последнее время, модельные условия.

Лабораторные установки. Основная лабораторная установка для проведения модельных исследований выглядит следующим образом (рис. 2).

 

 

 

Рисунок 2 – Моделирование участка моря с гидрофронтами

Модельные условия задаются в бассейне 1, который разделен на секции поролоновыми перегородками 2. Над бассейном размещены направляющие 3, по которым перемещается тележка 4 с измерительным преобразователем поля в виде магнитного диполя 5. Ось диполя ориентирована вертикально, т.е. воспринимает составляющую . Диполь по экранированному кабелю 6 через полосовой фильтр 7 подсоединен  к усилителю 8 с детектором на выходе и далее к цифровому вольтметру 9.

Расстояние между поверхностью воды и преобразователем поля (условная “высота полета”) задается путем перемещения по вертикали направляющих 3.  Излучатель электромагнитного поля 10 располагается на удалении от бассейна и выполнен в виде магнитного диполя, ось которого совмещена с поверхностью воды в бассейне. Питание диполя  осуществляется от генератора 11.

Для изучения возможных искажений из-за наличия береговой черты  («береговой эффект») была  создана специальная установка в виде модели реального эстуария (рис. 3). Береговая черта имитировалась винипластовыми гнутыми отрезками, приваренными к дну бассейна. Сам бассейн также был изготовлен из винипласта.

В процессе проведения экспериментов измерялось падение напряжения на ячейке измерительного преобразователя. В качестве исследуемых растворов чаще всего использовалась баренцевоморская вода с разбавлением дистиллированной водой до требуемых значений  солености. В некоторых случаях применялись навески морской соли. Соленость контролировалась аргентометрическим методом (титрованием).

 

 

Методика проведения экспериментов. Принципиальной особенностью модельных экспериментов является неоднородность излучаемого электромагнитного поля в пределах длины экспериментального  бассейна. Аномальные эффекты над зонами перепадов электрической проводимости в натурных условиях формируются при распространении однородной, плоской электромагнитной волны в дальней (волновой) зоне излучателя. В модельных условиях невозможно обеспечить измерения в волновой зоне из-за требуемых при этом повышенных расстояний между излучателем и бассейном с соответствующим возрастанием мощности излучателя. Поэтому остается лишь имитировать волновую зону, располагая ось излучателя совпадающей с поверхностью воды в бассейне и учитывая неоднородность поля в пределах длины бассейна методическими приемами.

Второй важной особенностью является существование диффузии через пористые перегородки, в результате чего происходит постепенное выравнивание солености воды в секциях бассейна. Это ограничивает временные рамки выполняемых экспериментов и требует соответствующего приспособления методики.

Последовательность подготовки и проведения экспериментов следующая.

Бассейн заливается пресной водой до заданной отметки. Отдельно готовятся объемы морской воды либо навески морской соли для обеспечения требуемых значений солености в отсеках (объемы отсеков известны). Соль растворяется в отдельных сосудах, затем концентрированный раствор вливается в соответствующую секцию и перемешивается с исходной водой. Все растворы вливаются в ”свои” секции практически одновременно. Поверхность воды после добавления растворов должна совпадать с поверхностями расположения перегородок, чтобы снизить эффекты подъема воды по порам.

Остаточные эффекты (неоднородность поля, уклоны поверхности, несовпадение поверхностей перегородок и воды и др.) учитываются путем выполнения фоновых измерений. Эти измерения выполняются при одинаковых значениях солености воды в отсеках и при той же высоте расположения измерительного диполя над поверхностью воды, что и в планируемом эксперименте. Результат фоновых измерений в виде горизонтального распределения вертикальной составляющей поля над бассейном при одинаковых соленостях получают путем осреднения данных “проходок” над бассейном с отсчетами через 1 см. Необходимое количество отсчетов для получения фонового распределения в каждой точке равно 40. Это позволяет оценить функцию плотности распределения фоновых значений и ее соответствие нормальному закону. В результате можно получить оценки случайных погрешностей на разных удалениях от излучающего диполя.

При отработке методики выявилось, что наиболее целесообразно проведение фоновых измерений над водой с минимальной планируемой соленостью. Требуемые для эксперимента значения в отсеках “добавляются” после фоновой съемки.

Экспериментальные результаты проверялись на нормальность распределения по критерию Пирсона.

Как уже было отмечено выше, для учета остаточной неоднородности поля снимался профиль значений напряженности H_z вдоль длины бассейна  при одинаковой солености во всех секциях, т.е. при отсутствии градиентов. Полученный профиль содержит значения напряжения в приемном диполе U_iф над каждой из точек бассейна

В дальнейшем для каждой точки вычисляются значения

 

                                                                                  (1)   

где  Ữ_iф – среднее значение сигнала в точке при фоновых измерениях;

       Ữ_i – среднее значение сигнала в этой же точке при проведении эксперимента,

 Ữ_iн – нормирующее значение сигнала в серии экспериментов.

Распределение значений  вдоль длины бассейна представляет собой результат отдельного эксперимента.

Для выявления влияния модельных  гидрофронтов на вертикальную составляющую регистрируемых искажений магнитного поля вычисляются значения

 

                                                                              (2)

где  U_{max  –}  максимальное значение  над модельным гидрофронтом;

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

 

Результаты модельных экспериментов. На рис. 4 показан вид распределения  регистрируемого сигнала (без обработки по вышеприведенным формулам). Над модельными гидрофронтами выделяются всплески напряжения U_i в приемном диполе.

 

 

Рисунок 4 – Пример распределения напряжения в приемном диполе без учета неоднородности первичного поля. Частота 800 кГц.

С учетом распределения первичного (фонового) поля результаты получаются более показательными (рис. 5). Обобщающие зависимости были получены  только по таким данным.

 

 

При малых значениях солености и, соответственно, при уменьшенных градиентах в зоне гидрофронта величина всплесков над фронтами уменьшается пропорционально уменьшению электрической проводимости. Пример результатов показан на рис. 6. Аналогичные особенности можно отметить также и на рис. 5.

 

 

 

На рис. 7 показан пример распределения измеренных значений в эстуарии. Здесь выделяется (хотя и слабо) береговая рефракция (т. 10) и отчетливо выражена граница между речными (пресными) и морскими  (солеными) водами.

 

 

 

Рисунок 7 –  Пример распределение напряжения в приемном диполе по нормали к  гидрофронту в  эстуарии. Частота 1,07 МГц.

На рис. 5÷7 доверительный интервал указан как  ±2s при доверительной вероятности R=0,95.

Все приведенные примеры свидетельствуют об однозначной перспективности изучавшегося метода. Во всех примерах можно подчеркнуть его «глубинные» возможности.

Дополнительно следует отметить, что над однородными зонами  регистрируются сигналы, пропорциональные значениям солености (рис. 5÷7). Эта особенность может быть использована для прямых измерений солености. Однако такие измерения требуют надежной отработки методики (фильтрация выбросов над гидрофронтами, выбор оптимальных частот и др.).

Влияние частоты используемого электромагнитного поля. Получение зависимости приращения сигнала над гидрофронтом от частоты используемого электромагнитного поля потребовало индивидуальной настройки установки на некоторый набор частот и проведения серий опытов. Поскольку в качестве приемных в установке использовались магнитные диполи, то обеспечивалась их настройка в резонанс. Для экспериментов были изготовлены диполи трех основных типов в диапазоне магнитных моментов m =3,7¸ 75,5 А× см².

Результаты экспериментов приведены на рис. 8. Зависимость от частоты получилась в виде серии кривых, имеющих максимум в области порядка 0,5 МГц.

С дальнейшим увеличением частоты регистрируемые сигналы экспоненциально уменьшаются, но даже при очень высоких частотах из изучавшегося диапазона их значения составляют не менее нескольких процентов.

Выявленный максимум на частоте 0,5 МГц интерпретировать затруднительно. Вполне возможно, что он вызван технологией моделирования и никак не проявится в натурных условиях.

 

 

Рисунок 8 – Зависимость коэффициента K_f  от частоты используемого   электромагнитного поля 

Влияние высоты расположения приемного диполя. Высота расположения диполя – это модельная высота полета авиасредства. Тем самым, необходимы эксперименты, проводимые  при изменениях высоты.

Зависимости от ”высоты полета” при различных перепадах солености были получены на различных частотах используемого электромагнитного поля. На рис. 9 показан вид такой зависимости на частоте 1,45 МГц. 

Физически вполне естественно, что зависимость от градиента солености  является нелинейной и уменьшается с увеличением “высоты полета”. Исследования выполнены до перепада солености 5 ‰, , хотя при контакте пресных речных вод с морскими водами в эстуариях возможны более высокие градиенты.

 

 

   

С изменением частоты используемого электромагнитного поля характеристики этих зависимостей изменяются. В частности, с  уменьшением частоты  значения ”всплесков” K_f  при тех же градиентах в зонах гидрофронтов по предварительным данным уменьшаются (рис. 10).

 

 

 

Рисунок 10 – Зависимость K_f   от высоты расположения  приемного диполя над поверхностью воды при различных градиентах солености. Частота 1,07 МГц.

Причины такой зависимости неясны. Возможно, они связаны с особенностями проявления скин-эффекта в зоне гидрофронта. Несомненно, что это требует дополнительных исследований.

На рис. 11 показана обобщенная зависимость чувствительности от высоты при различных градиентах солености  и при пониженной частоте поля.

Зависимость сигнала от “высоты” полета, в целом, является тривиальной. Получается (рис. 9÷11), что с увеличением высоты сигнал существенно ослабевает и на высотах, эквивалентных 500-1000 м, для перепадов солености порядка 5 ‰ оказывается слишком слабым для уверенного выявления фронта.

 

Обсуждение. Полученные результаты позволяют считать, что исследованный в модельных условиях метод выявления гидрологических фронтов в поле солености весьма перспективен.

Реализация метода в натурных условиях возможна при малых высотах полета как с пилотируемых авиасредств, так и с помощью беспилотных летательных аппаратов.

Экспериментальные зависимости, полученные нами в модельных условиях, следует рассматривать как предварительные. В дальнейшем целесообразно проведение натурных экспериментов.

1. 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.
2. 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.
3. Степанюк И.А., Носов И.Н.. Скачко Ю.Б. Радиометод регистрации авиасредствами географического положения гидрологических фронтов // Х1-я Всероссийская конф. по промысл.океанологии, Калининград, 14-18 сент.1999 г. –М.: Изд-во ВНИРО, 1999.– С.155.
4. 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.
5. Тархов А.Г. и др. Некоторые аспекты интерпретации данных метода радиокип на основании моделирования // Известия Вузов. Геология и разведка.– 1973.– № 3.– С. 106-112.
6. Тархов А. Г. и др. Электроразведка методом радиокип. – М.: Наука, 1981. – 235 с.

Рецензии:

16.08.2018, 9:02 Галкин Александр Федорович
Рецензия: Уже неоднократно отмечалось, что переписывая свои старые статьи (см.elib.rshu.ru›files_books/pdf/img-210111816.pdf) необходимо дополнять их новыми результатами. Или обосновывать актуальность повторной публикации старых, известных результатов. Причем в журнале, который не предназначен для узких специалистов, в частности, метеорологов и геофизиков. Понятно, что Рособрнадзор поставил всех преподавателей в глупое положение - "давать рейтинг" любой ценой. Но, если пропускать такие статьи, то журнал перспектив не имеет- ни ВАКовских, ни СКОПУСовских. Аннотация вообще "шедевр" -"Описана примененная авторами методика моделирования метода в лабораторных условиях".За такие фразы студентов без стипендии оставляют!!! Статья не может быть рекомендована к публикации по причине "самоплагиата" Извините за резкость. Надоело. Обратитесь к нашему "теплофизическому авиатору", страдающему неизлечимой формой графоманства,- он даст Вам положительный отзыв для публикации. Реактору:мне больше статьи этих авторов на рецензию не присылать!

17.08.2018, 8:33 Мирмович Эдуард Григорьевич
Рецензия: Работа интересная, тема привлекательная. Тема актуальна, новизна в части моделирования есть, практическая потребность в более широком внедрении, возможно, с использованием беспилотных дронов существует. Являясь в какой-то мере продолжением своей статьи в этом же журнале, в принципе она заслуживает после доработки публикации. Однако возмущение профессора, д.т.н. А.Ф. Галкина рецензент полностью поддерживает, высказывавшись и сам по этому поводу неоднократно. Относится ли этот аспект профессионального рецензента Александра Фёдоровича к данной работе целиком - сказать трудно. Однако из обеих работ на данную тему ссылки самые современные – на свою в этом журнале и работу "Данилычев М. В., Кутуза Б. Г., Калошин В. А., Мошков А. В. Использование радиометрии СВЧ-диапазона для измерения солености поверхностных вод Мирового океана // Журнал радиоэлектроники, № 1, 2015", на которую в данной статье она отсутствует. Т.ч. доля истины в рецензии А. Ф. Галкина всё равно имеется. Ссылки даны в настоящей работе лишь на свои одностраничные тезисы 1999 г. и сб. трудов 1976 г. Почти полный аналог (по теме) работы группы А. Г. Тархова – также 1973 и 1981 гг. У читателя может создаться впечатление, что за эти 30-40 лет этими методами наблюдений, индикации и разведки никто не занимался в то время как даже цикл работ якутских гео- радофизиков, которые радиометодом "добрались" даже до донных глубин, нефтяных загрязнений в северных широтах (правда, не с авиасредств), заслуживают хотя бы упоминания. А вообще-то, есть огромный цикл исследований уникального энтузиаста-энциклпедиста различных границ раздела морской среды по всем параметрам (к сожалени, покойного) Сергея Сергеивича Макарова. Хотелось бы, чтобы о них знали те, кто занимается изучением морской среды, её солёностью, течениями и пр. факторами. Оформлены ссылки не по требованиям журнала и ГОСТа. На этой площадке есть несколько авторов, «приватизировавших» и освоивших её для публикации десятков своих собственных графоманских соображений, фантазий и гипотез, замучив рецензентов. Данный автор также опубликовал уже десяток, если не больше, статей на совершенно разные темы и по разным направлениям, связанным и не связанным с его профессиональной компетенцией. Но он заслуживает уважения не только как автор, но и как рецензент данного журнала, имеющий немного больше «трампов» (козырей) при рекомендациях к печати. Сообщество рецензентов и членов редколлегии должно всё же существовать. Существуют описки типа "првлением"; " 5 %о" и др. Тем не менее, несмотря на большое уважение к Ивану Антоновичу, без учёта и корректировки статья не рекомендуется к печати, а только после.

17.08.2018, 9:19 Галкин Александр Федорович
Рецензия: Автор, наверное, забыл, что его статья полностью была опубликована в Межведомственном сборнике Политехнического института - выпуск №59 "Методы океанологических исследований" под редакцией Б.Н.Беляева. (Ленинград, 1976г). Сборник могу выслать по эл. почте. Редактору: передайте на рецензию г-ну Лобанову. Они поймут друг друга.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий