Результат интеллектуальной деятельности: Способ мониторинга состояния дрейфующего ледяного поля или припая и прогноза его разлома при сжатии льдов и воздействии волн зыби

Способ мониторинга состояния дрейфующего ледяного поля или припая и прогноза его разлома при сжатии льдов и воздействии волн зыби относится к ледоведению и ледотехнике и служит для прогноза момента образования трещин или разлома ледяного поля в условиях сжатия ледяных полей и при воздействии волн зыби. Такие данные могут быть использованы для обеспечения безопасности нахождения на льду людей, материальных ценностей, дрейфующих станций, ледовых аэродромов, ледовых переправ, а также при эксплуатации нефтедобывающих платформ в ледовых условиях и разгрузки судов на ледяной покров.

Известен способ определения перемещений ледника с последующим отколом его крайней части и падением некоторого объема льда в море. Фиксация такого события осуществляется сейсмометром, установленным на берегу, и волнографом, расположенным на припае (припай - ледяной покров, связанный с берегом) /1, 2/. Такой способ позволяет определить момент откола части льда от ледника и образование айсберга по времени вступления упругой волны, которая распространяется по грунту с известной скоростью.

Недостатком способа является возможность осуществления контроля только за одним ледником с известными координатами с целью определения момента отрыва части льда и образования айсберга.

Известен взятый за прототип способ регистрации времени и координат места образования айсбергов выводных ледников, который осуществляется в результате расстановки на берегу в районе выводных ледников трех сейсмометрических станций, установленных по треугольной схеме в вершинах треугольника со сторонами не менее 200 м. При этом станции состоят из трех сейсмометров (двух горизонтальных и одного вертикального). Горизонтальные сейсмометры ориентируются по сторонам света - север-юг и запад-восток. Такая схема позволяет определить координаты места формирования айсберга по вступлению упругой волны, образующейся при отрыве айсберга от ледника и распространяющейся по грунту с известной скоростью /3/. Такая схема позволяет контролировать одновременно несколько ледников, производящих айсберги. При этом координаты ледников заранее известны.

Недостатком способа является невозможность его применения на дрейфующем ледяном покрове с целью мониторинга состояния дрейфующего ледяного поля или припая и прогноза его разлома. Таким способом можно зарегистрировать образование трещин, но нельзя определить изменения напряженно-деформированного состояния ледяного поля и, таким образом, прогнозировать возможность его разлома. Кроме того, при треугольной схеме расстановки сейсмометров можно определить направление и расстояние до очага разрушения по известным скоростям распространения только упругих волн. Для ледяного покрова при трехточечной схеме расстановки приборов и равновероятном образовании трещины в любом месте может возникнуть ситуация, когда полезный сигнал придет к двум приборам одновременно. В этом случае вторая координата очага полезного сигнала будет являться функцией скорости распространения волны и возникнет неопределенность по определению координат очага торошения или трещинообразования.

Технический результат предлагаемого способа заключается в расширении функциональных возможностей мониторинга физико-механического состояния ледяного поля или припая с целью прогнозирования его разлома в результате внешнего воздействия, которое характеризуется изменением волновых полей в окружающем ледяном покрове и изменением напряженно-деформированного состояния исследуемого ледяного поля.

Предлагаемое решение достигается за счет расстановки разнесенных на ледяном поле или припае на некоторое расстояние по четырехугольной схеме четырех полевых станций, каждая из которых включает трехкомпонентный сейсмометр, двухкомпонентный наклономер, два однокомпонентных деформометра, два однокомпонентных датчика давления и приемник сигналов глобальной спутниковой системы позиционирования. Стороны четырехугольника выбираются в зависимости от размеров ледяного поля и решаемых задач. Кроме того, в комплект полевых станции входит модуль сбора и оцифровки данных, получаемых с аналоговых датчиков, модуль передачи данных в цифровом формате по радиоканалу и запись в базу данных на устройство постоянной памяти (сервер) базовой станции сбора и обработки данных. Электропитание полевых станций осуществляется от блоков аккумуляторных батарей, входящих в состав полевых станций. Управление и настройка полевых станций осуществляется с помощью защищенного переносного персонального компьютера на месте или удаленно по радиоканалу. Базовая станция сбора и обработки данных служит для приема данных в цифровом формате от полевых станций по радиоканалу и записи в базу данных на устройство постоянной памяти (сервер). Кроме того, одновременно с записью на сервер осуществляется обработка данных на компьютере по определенному алгоритму в режиме реального времени с выводом на дисплей, что позволяет оперативно выделить предикторы разломов ледяного поля и дать заблаговременный прогноз опасного явления в определенном временном диапазоне. Базовая станция сбора и обработки данных, в зависимости от решаемых задач, располагается на судне, ледяном поле или берегу. Таким образом расстановка из четырех модульных полевых станций обеспечивает мониторинг динамической и статической составляющих напряженно-деформированного состояния ледяного поля или припая. Временная синхронизация между полевыми станциями, а также фиксация изменений ориентации расстановки датчиков при дрейфе и поворотах ледяного поля осуществляется посредством приема сигнала глобальной спутниковой системы позиционирования на приемник сигналов глобальной спутниковой системы позиционирования GPS или ГЛОНАСС.

На фиг. 1 представлена расстановка по четырехугольной схеме четырех модульных полевых станций 1 (C₁, С₂, С_3,С₄) с подключенными датчиками 2 (Д₁ - сейсмометры, Д₂ - наклономеры, Д₃ - деформометры, Д₄ - датчики напряжения во льду, Д₅ - приемники сигнала глобальной спутниковой системы позиционирования). По радиоканалам 3 полевые станции 1 связываются с базовой станцией сбора и обработки данных 4 (Б₁), расположенной на судне 5. Кроме того, в зависимости от условий проведения наблюдений, базовая станция сбора и обработки данных 4 (Б₁) может быть расположена на ледяном поле или берегу.

Предлагаемый способ мониторинга состояния дрейфующего ледяного поля и прогноза его разлома при сжатии льдов и воздействии волн зыби осуществляется следующим образом. На дрейфующей льдине или припае по четырехугольной схеме в вершинах четырехугольника устанавливаются четыре модульные полевые станции 1. Для этого расчищаются четыре площадки, на которых ко льду примораживаются постаменты из досок и на них устанавливаются трехкомпонентные сейсмометры 2 (Д₁) и двухкомпонентные наклономеры 2 (Д₂). В поверхностный слой льда вмораживаются деформометры 2 (Д₃) и датчики напряжения 2 (Д₄), которые замораживаются в предварительно выбуренные скважины. Датчики ориентируются по сторонам света - север-юг и запад-восток, что обеспечивает возможность определения направлений и координат очагов трещинообразования и разрушения, а также скорость продвижения этих процессов к исследуемому ледяному полю. Кроме того, подключаются приемники сигналов глобальной спутниковой системы позиционирования 2 (Д₅). Датчики при помощи проводов соединяются с модулями сбора и оцифровки данных и блоком аккумуляторных батарей. Рабочая настройка и проверка полевых станций осуществляется с помощью защищенного переносного персонального компьютера (ноутбука), который на фиг. 1 не указан. На судне 5 разворачивается базовая станция сбора и обработки данных 4 (Б₁), на которую по радиоканалам 3 поступают данные в цифровом формате и записываются в базу данных на устройство постоянной памяти (сервер). Кроме того, осуществляется обработка поступающей информации на компьютере по определенному алгоритму в режиме реального времени с выводом на дисплей, что позволяет оперативно выделить предикторы разломов ледяного поля и дать заблаговременный прогноз опасного явления в определенном временном диапазоне. Базовая станция сбора и обработки данных 4 (Б₁), кроме судна, в зависимости от решаемых задач, может располагаться на ледяном поле или берегу. За временной синхронизацией между полевыми станциями и изменениями первоначальной ориентации расстановки датчиков при дрейфе и поворотах ледяного поля осуществляется постоянный контроль посредством приема сигнала глобальной спутниковой системы позиционирования на приемники сигналов глобальной спутниковой системы позиционирования 2(Д₅).

Способ мониторинга состояния дрейфующего ледяного поля и прогноза его разлома при сжатии льдов и воздействии волн зыби был опробован на дрейфующем ледяном покрове в экспедициях в Карском море и море Лаптевых.

Использованные источники

1. Smirnov V.N., Korostelev V.G., Shushlebin A.I. Monitoring of the dynamics of fast ice and icebergs. Proceedings 17-th Int. Conf. on Port and Ocean Eng. under Arctic Conditions (POAC 03), 2003, pp. 709-713.

2. Смирнов В.H. О изгибно-гравитационных колебаниях ледяного покрова моря Дейвиса. Бюл. Сов. Антарктической эксп. №61, 1967, с. 61-65.

3. Смирнов В.Н., Шушлебин А.И., Ковалев С.М. Способ определения времени и координат места образования айсбергов выводных ледников. Патент на изобретение № 2427011. Приоритет изобретения 22.12.2009 г. Зарегистрировано в Гос. Реестре изобретений РФ 20.08.2011 г.