СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАЧАЛЬНОЙ СТАДИИ ДЕФОРМАЦИИ НАБЛЮДАЕМОГО С КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ЛЕДНИКА
METHOD OF DETERMINING INITIAL STAGE OF DEFORMATION OF GLACIER OBSERVED FROM SPACECRAFT

Изобретение относится к способам, предназначенным для выявления критического состояния ледника перед его разрушением, например, сходом со склонов гор, по увеличению значения мощности отраженного электромагнитного излучения, наблюдаемого с космического аппарата.
Ледники - один из важных компонентов природной среды в полярных и горных районах. Они играют важную роль в жизни Земли. У ледников происходит вязкопластическое течение, связанное с действием силы тяжести на него. Скорость движения ледника, как правило, не превышает нескольких сотен метров в год. Однако существуют пульсирующие ледники, скорость движения которых может резко возрасти на один-два порядка (Ю.Я. Мачерет Радиозондирование ледников. М.: Научный мир, 2006. 392 с). Бесконтрольное движение таких ледников может привести к катастрофическим последствиям. Поэтому необходимо определять и контролировать напряженное состояние пульсирующих ледников.
Для быстрого определения скорости движения ледника пользуются своеобразными «ледниковыми часами» - криокинеметрами. Криокинеметр, предназначенный для непрерывной записи, называется криокинеграфом.
Сконструированный Швейцарской ледниковой комиссией криокинеметр - это металлическая прямоугольная коробка (7×5×2,5 см), на двух узких сторонах которой два гнезда с нарезкой, отвечающей нарезке штатива обычного фотоаппарата. Одно гнездо помещается на короткой стороне, другое - на длинной, чтобы прибор можно было ставить как удобнее. Из одной крышки коробки выдается главная ось; на нее неподвижно насажен блок (диаметром около 16 мм) с плоским желобом. Вращение этого валика при помощи увеличительного механизма передается стрелкам двойного циферблата, который помещается за целлулоидным окошечком на противоположной стороне аппарата. Главный циферблат диаметром в 35 мм разделен на 100 равных частей, занумерованных через каждый десяток. Легко отсчитывается полделения. Малый циферблат суммирует десять оборотов главного (большого). Одно деление главного циферблата соответствует смещению обода блока на 0,1 мм.
Подставкой криокинеметра служит тренога фотоаппарата, теодолита и т.п. Передаточная нить (проволока) наматывается на один оборот на блок. На одном ее конце - бронзовый грузик весом в 200 г; он поддерживает нить, свисающую совершенно свободно, в натянутом положении. Грузику придана форма катушки, чтобы на нее можно было намотать излишек проволоки (или всю, когда прибор не работает). Другой конец проволоки связан с якорем - полым металлическим цилиндром высотой около 12 см (диаметром 3,5 см), несколько расширяющимся кверху. В этой расширенной части сделан венец из дырочек. Нить закрепляется в одной из них узлом.
Во льду высверливают отверстие (соответствующее диаметру цилиндра) и ставят в него вертикально цилиндр, наполненный охладительной смесью (2 части мелконакрошенного льда и 1 часть поваренной соли), предохраняющей лед от таяния, а якорь - от выпадения из гнезда.
Якорь укрепляют на каком-нибудь выступе конца ледника, а криокинеметр - на земле перед концом ледника. Схема действия прибора очень проста: ледник продвигается вперед, проволока, связывающая его с аппаратом, от этого ослабляется, но через блок оттягивается грузиком книзу; вращение блока передается валику, а от последнего через механизм - стрелкам циферблата. Чувствительность прибора такова, что 1-2-х часов уже достаточно для получения заметного отсчета (Mercanton P. Le cryocinemetre de la Commission helvetigue des glaciers. «Ztschr. F. G.», XXII, 1935).
Криокинеметр (и криокинеграф) этой конструкции может мерить скорость движения ледника только по его краю, так как при длине проволоки, превышающей 10 м, получаются большие ошибки (длина проволоки под влиянием температурных колебаний изменяется).
Причиной ошибок в показаниях прибора может быть и ветер, так как он меняет натяжение проволоки. Прибор успешно работает в тихую погоду или когда ветер дует параллельно оси ледника. Аппарат не может учитывать движение льда вбок или вверх по течению ледника (это отразится только на регистрации им скорости движения вниз по течению: запись покажет уменьшенное значение скорости). Кроме того, использование прибора предполагает работу специалистов на ледниках.
Известен способ определения момента времени схода наблюдаемого с космического аппарата ледника (см. патент на изобретение РФ №2605528, МПК G01C 11/10, опубл. 20.12.2016). Способ осуществляют по принципу определения перемещения ледника за заданный промежуток времени относительно неподвижных характерных точек на склонах ледника. Осуществляют первую съемку ледника и неподвижных характерных точек с космического аппарата. Определяют момент пересечения изображения ледника контрольного створа, измеряют по полученному изображению расстояние от контрольного створа до максимально удаленной крайней точки языка ледника. В случае, если изображения ледника и контрольного створа не пересекаются, проводят дополнительную съемку. Определяют изменение измеряемого расстояния от контрольного створа до крайней точки языка ледника и далее определяют расстояние от фронтальной части ледника до объекта, достижение которого ледником приведет к катастрофическому событию, и определяют время. Технический результат заключается в определении момента времени катастрофического схода ледника дистанционно с космического аппарата и в повышении точности определения момента времени катастрофического схода ледника. Однако есть существенные недостатки данного способа, связанные с тем, что определение неподвижных точек и языка ледника производится в оптическом диапазоне. В случае тумана, облачности или в ночное время съемка невозможна. В некоторых районах облачность наблюдается, практически, в течение всего года. В полярных районах солнечное освещение отсутствует в зимний период времени. Этот способ, кроме того, непригоден для центральных областей ледника, так как невозможно определить движение льда, покрытого снегом.
Также известен способ регистрации движения ледника акустическим методом (Епифанов В.П., Глазовский А.Ф. Исследования ледников на основе акустических измерений // Лед и снег. 2013. Т. 53. №3. С. 12-19) с помощью метода акустической эмиссии в диапазоне частот 15-20 кГц, что позволяет исследовать движение льда в деградирующем леднике. Проходя через лед, звуковая волна вызывает упругое смещение каждой частицы льда относительно ее равновесного положения, поэтому акустические методы чрезвычайно чувствительны к структуре льда. Акустические характеристики связаны не только с упругими и вязкими характеристиками кристаллической решетки льда, но и с его теплоемкостью. Акустические измерения позволяют также определять плотность дислокаций и длину петли во льду как функцию его термодинамического состояния и выделять стадии пластичности на деформационных кривых льда и гранита. Собственные акустические колебания в ледниках возникают при нарушениях сплошности льда. Существенный недостаток способа - значительная трудоемкость, требующая установки многих сотен датчиков, невозможность их установки в труднодоступных местах (на больших высотах), то есть имеются ограничения на районы исследований ледников.
Известен способ контроля движения наблюдаемого с космического аппарата ледника (см. патент на изобретение РФ №2650779, МПК G01C 11/06, опубл. 17.04.2018), принятый за прототип. Изобретение относится к области дистанционного мониторинга опасных природных процессов и может быть использовано для контроля движения ледника относительно наземного объекта, столкновение с которым с вероятностью приведет к катастрофическим последствиям. Сущность способа заключается в том, что выполняют съемку в оптическом диапазоне с космического аппарата ледника и неподвижных характерных наземных точек в моменты, взятые через задаваемый промежуток времени. Определяют скорость движения фронтальной части ледника по получаемым изображениям. Дополнительно выполняют одну или более съемку ледника и характерных точек вокруг ледника через отсчитываемое от момента выполнения предшествующей съемки ледника время, взятое из заранее рассчитанного диапазона значений. По полученным изображениям определяют расстояния от характерных наземных точек до фронтальной части ледника. С учетом указанных расстояний определяют параметры, по которым контролируют движение фронтальной части ледника относительно наземного объекта. Недостаток способа - существенные ограничения из-за облачности и возможность измерения только нижних краевых частей ледника.
Недостатками всех вышеперечисленных способов регистрации движения ледников является то, что они не позволяют определять начальные стадии деструкции ледника и предсказывать заранее возможное движение ледника, особенно в случае пульсирующих ледников.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является выявление критического состояния ледника на его ранних стадиях, перед возможным разрушением.
Технический результат изобретения заключается в повышении точности обнаружения начальной стадии деформации ледника.
Результат достигается тем, что способ определения начальной стадии деформации ледника, наблюдаемого с космического аппарата, характеризующийся тем, что с помощью изображений, полученных на космическом аппарате, выявляют неподвижные характерные точки на склонах ледника, отличается тем, что изображения на космическом аппарате получают с помощью радиолокационных изображений, для чего облучают склоны ледника электромагнитным излучением в С-диапазоне и в Ku-диапазоне, регистрируют принимаемое значение мощности отраженного электромагнитного излучения в неподвижных характерных точках на склонах ледника в С-диапазоне и в Ku-диапазоне, повторно облучают склоны ледника в С-диапазоне и в Ku-диапазоне, сравнивают полученные радиолокационные изображения в этих диапазонах, и, при стабильном значении мощности отраженного электромагнитного излучения в С-диапазоне и повышенном значении мощности отраженного электромагнитного излучения в Ku-диапазоне, фиксируют состояние непрерывной пластической деформации, предсказывающее направление движения части ледника либо возможность схода ледника до начала его быстрого движения, и делают вывод, что данная область ледника находится в начальной стадии деформации.
Сущность способа в том, что, с помощью радиолокационных изображений, полученных с космических аппаратов, определяется значение мощности отраженного электромагнитного излучения на частоте, лежащей в области 13…14 ГГц (Ku-диапазон) и на частоте, лежащей в области 5…6 ГГц (С-диапазон). Выявляют области ледника с повышенным значением мощности отраженного электромагнитного излучения на частоте 13…14 ГГц, причем значение этой величины на частоте 5…6 ГГц остается стабильным. Выявленная область ледника находится в состоянии пластической деформации.
-4
Этот эффект обусловлен возникновением автоволн пластического течения с длиной волны в интервале 0,5-2 см при деформировании ледяного тела, и скоростью распространения 10-5…10 м/с, что придает им схожесть с неподвижной дифракционной решеткой. В результате взаимодействия микроволнового излучения с длинами волн во льду порядка 1 см и периодической структурой в виде волн течения, возникает интерференционный эффект, который существенно увеличивает значение мощности отраженного сигнала в Ku-диапазоне (в 2-10 раз выше, чем при отражении от естественных неоднородностей).
-2
-5
-4
При вязкопластических деформационных процессах в ледниках появляются дополнительные рассеиватели, создающие интенсивное отраженное излучение. Такими рассеивателями являются недавно обнаруженные в кристаллических средах автоволны пластического течения (Зуев Л.Б. Автоволновая модель пластического течения // Физическая мезомеханика. 2011. Т. 14. №3. С. 85-94.). Волны течения появляются в результате механического деформирования среды в виде самопроизвольно разделенных в пространстве деформируемых и недеформируемых объемов, которые обладают периодичностью с размерами порядка 10 м и распространяющиеся с малой скоростью 10…10 м/с. Это явление имеет место внутри ледников и вблизи их поверхности при определенных температурах, массе льда и их местонахождении на склонах гор. Начало динамического процесса, т.е. движения ледника с образованием волн течения, может привести к сходу ледника. Для пресного льда существование автоволн пластического течения подтверждено лабораторными исследованиями, их средняя длина составляет 1,35 см (см. Бордонский Г.С., Гурулев А.А. Проявление автоволн пластического течения в пресном льду при микроволновых измерениях // Письма в Журнал технической физики. 2019. Т. 45. №6. С. 40-42.).
Так как длина автоволн пластических течений составляет порядка сантиметра, и они имеют периодическую структуру, то, соответственно, ледник становится схож с хаотически распределенными в нем дифракционными решетками, имеющими период d~1 см. Соответственно, электромагнитные волны с длиной волны, близкой по значению к периоду решетки, будут интерферировать, и значение мощности отраженного электромагнитного излучения увеличивается. Такого эффекта не наблюдается на длинах волн электромагнитного излучения радаров, существенно отличающихся от длины волны автоволн пластических течений льда.
В среде длина электромагнитной волны меньше длины волны в вакууме в n раз, где n - показатель преломления среды. С учетом, что для льда эта величина примерно равна 1,8, то интерференция электромагнитных волн на леднике, в котором существуют волны течения, будет наблюдаться для длин волн излучения во льду в некотором интервале вблизи 1,2 см (что соответствует частоте 13,5 ГГц).
При радарном зондировании Земли из космоса, весь электромагнитный диапазон разбивают на каналы (HF, P, VHF, UHF, L, S, С, X, Ku, K, Ka, V, W), и канал, в котором будут наблюдаться интерференционные явления от существующих волн течения в ледяном теле лежит в Ku-диапазоне (13…14 ГГц), а соответственно, в С-диапазоне (5…6 ГГц) этого явления наблюдаться не будет. В отличие от оптического диапазона, электромагнитное излучение в этом диапазоне слабо задерживается снегом в данных диапазонах длин волн и проникает в пресный лед на глубины в несколько метров. Состояние этого слоя и будет регистрироваться на радиолокационных изображениях.
При получении радиолокационных изображений ледников для двух разных диапазонов частот (Ku и С-диапазонов), будут выявляться области, где значение мощности отраженного излучения в Ku-диапазоне будет значительно выше, по сравнению со средним значением по снимку, чем в С-диапазоне.
На Фиг. 1a изображена схема выявления деформируемых областей ледника, расположенного на склоне горы, на Фиг. 1б карта ледника с выделенной областью части ледника с увеличенным значением мощности отраженного электромагнитного излучения, находящейся в напряженном состоянии, где возникли рассеиватели во льду в виде автоволн пластического течения.
Способ осуществляют следующим образом.
Производят с космического аппарата радиолокационную съемку ледника, определяют значение мощности отраженного электромагнитного излучения на частоте, лежащей в области 13…14 ГГц (Ku-диапазон) и на более низких частотах, например, лежащих в области 5…6 ГГц (С-диапазон). При повторных съемках выявляют области ледника с повышенным значением мощности отраженного электромагнитного излучения на частоте 13…14 ГГц. Дополнительно измеряют значение мощности отраженного электромагнитного излучения на частотах в области 5…6 ГГц, которое остается стабильным. Определяют, что выявленные области повышенного значения отражения электромагнитного излучения от ледника в Ku-диапазоне находятся в состоянии непрерывной пластической деформации. Это состояние порождает во льду неоднородности, рассеивающие падающее внешнее излучение от космического радара, из-за возникновения автоволн пластического течения. По полученным изображениям, при их сравнении, определяют пространственное нахождение областей течения ледника. Автоволны пластического течения увеличивают мощность рассеяния в 2-10 раз по сравнению с естественными неоднородностями. При повторных съемках определяют нарастание или уменьшение площади ледника, охваченных течением, что позволит, с учетом рельефа его ложа, предсказать направление движения любой части ледника, а также предсказать возможность схода ледника, до начала его быстрого движения.
В настоящее время имеются технические возможности для реализации предложенного способа. Существуют космические радиолокаторы с синтезированной апертурой (СА) на борту и работающие в Ku и С-диапазонах, позволяющей получать карты интенсивности отраженного излучения с высоким пространственным разрешением.
Предлагаемый способ позволяет определять состояние пластической деформации непрерывно движущегося или пульсирующего ледника дистанционно при любых погодных условиях, в ночное время и без присутствия специалистов на леднике и его склоне. Начало движения ледника определяется в любой его области. Это позволяет определить нарастание площади пластического течения во времени, что позволит выявить возможное начало быстрого движения, то есть схода ледника.
Преимуществами заявленного изобретения являются: дистанционный метод определения начала деструкции ледника по возрастанию во времени площади повышенного отражения радиолокационного сигнала на частотах Ku-диапазона;
преимущество заявленного изобретения заключается в том, что возможно предсказание катастрофического движения льда на начальной стадии, задолго до его обнаружения ранее предложенными способами регистрации подвижки ледников;
высокое пространственное разрешение обнаружения процесса пластической деформации по всей площади ледника, составляющее значение порядка 10 метров;
всепогодность метода, отсутствие маскирующего влияния снежного покрова на начало движения льда;
способ основан на новом физическом явлении, в зарубежной и отечественной литературе ранее не описан.