Подводный зонд поможет оценивать безопасность выхода на лед

Ученые нашли способ дистанционно следить за изменением толщины льда на реках и озерах с помощью подводного акустического зонда. Предложенный подход будет полезен при оценке безопасности ледовых переправ и позволит точнее рассчитывать риск весенних паводков. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в The Journal of the Acoustical Society of America.

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. Традиционно толщину льда 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 толщины льда, особенно на стадиях формирования и таяния ледяного покрова, когда такие наблюдения крайне актуальны. Поэтому нужны альтернативные методы постоянного мониторинга.

Ученые из Института прикладной физики имени А.В. Гапонова-Грехова РАН (Нижний Новгород) и Арктического и антарктического научно-исследовательского института (Санкт-Петербург) с коллегами проследили полный цикл замерзания и таяния пресноводного льда с помощью подводного акустического зонда в лабораторных условиях.

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. Подводный акустический зонд был расположен на дне так, чтобы посылать к поверхности воды ультразвук на частоте 200 килогерц (распространенная рабочая частота для эхолотов). Такие сигналы, достигая льда, отражались и, как эхо, улавливались тем же зондом. При этом устройство принимало отражения от обеих границ льда: от нижней (с водой) и от верхней (с воздухом).

«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», — поясняет руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Юрий Титченко, кандидат физико-математических наук, заместитель заведующего отделом радиофизических методов в гидрофизике ИПФ РАН.

По тому, насколько сигнал от верхней границы льда поступал на зонд позже, чем от нижней, авторы смогли рассчитать толщину льда. Более того, специалисты определили скорость распространения звука во льду и коэффициент его затухания. Эти параметры оказались различными для стадий замерзания и таяния льда, что согласуется с результатами, полученными ранее другими методами. Поэтому по ним можно будет определять риск разрушения ледяного покрова и отслеживать приближение паводков.

В результате ученые построили математическую модель отраженного льдом акустического импульса, которая согласуется с сигналом, наблюдаемым в эксперименте. По характеристикам принятого зондом сигнала модель позволяет рассчитать толщину льда в широком диапазоне значений. Это значит, что на практике можно установить под водой акустический датчик, и он сможет автоматически сообщать о том, как меняется лед, без необходимости его бурения.

«Разработанный нами метод зондирования льда позволяет вести непрерывный мониторинг в труднодоступных местах и в ситуациях, когда выход на лед опасен. 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», — рассказывает Юрий Титченко.

В исследовании принимали участие сотрудники Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург), и Яньтайского института исследований прибрежной зоны (Китай).