СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ МОРСКОГО ЛЬДА
METHOD OF DEFINING SEA ICE THICKNESS

Изобретение относится к технике измерения толщины морских льдов. Оно может быть использовано для ледовой разведки, а также радиоинтроскопии ледников.
Известны способ и устройство для измерения толщины морского льда (A.с. SU №353204). Способ включает облучение морского льда специальными зондирующими радиоимпульсами и измерение временного интервала между раздельно наблюдаемыми сигналами, отраженными от верхней и нижней поверхностей морского льда. Для повышения точности измерений в известном способе повышают частоту радиосигнала и уменьшают число периодов в каждом импульсе. Однако, с увеличением частоты колебаний, растет коэффициент затухания в морском льду, что препятствует разделению наблюдаемых сигналов от верхней и нижней поверхностей морского льда.
Устройство для измерения толщины морского льда с борта летательного аппарата содержит импульсный радиолокатор сантиметрового диапазона с синхронизатором, модулятором и приемо-передающую антенну дециметрового диапазона, в котором для увеличения точности измерения и упрощения устройства выход модулятора радиолокатора сантиметрового диапазона через формирователь наносекундных видеоимпульсов соединен с антенной дециметрового диапазона. По сравнению с аналогами, которые излучают короткие радиоимпульсы на несущей частоте сантиметрового диапазона и обладают низкой точностью измерения при наличии солености и неоднородностей в морском льду, в известном устройстве синхронизатором радиолокационной станции производят возбуждение антенны дециметрового диапазона. В результате излучаются радиоимпульсы, длительность которых определяется полосой пропускания антенны и может составлять единицы наносекунд. При этом сигнал сантиметрового диапазона, отразившийся от верхней кромки морского льда, принимается сантиметровой антенной, а сигнал дециметрового диапазона, отразившийся от нижней кромки морского льда, принимается дециметровой антенной.
Однако с увеличением частоты колебаний растет коэффициент затухания в морском льду, что препятствует разделению сигналов от верхней и нижней поверхностей, и положительный технических эффект, заключающийся в повышении точности измерений толщины морского льда, достигается только при измерении толщины пресного и малосоленого льдов.
В известном способе и устройстве (Финкельштейн М.И., Лазарев Э.И. Радиолокационный видеоимпульсный измеритель толщины морского льда как новое перспективное средство ледовой разведки // Труды ААНИИ. СПб., 1977, т.343, с.104-113) данное противоречие решается путем использования широкополосного облучающего сигнала и его последующей обработки с выделением высокочастотных составляющих. Данный способ радиолокационного зондирования позволяет измерять толщину морского льда с точностью 10% в диапазоне толщины 45-250 см, а также приблизительную толщину морского льда в диапазоне от 0 до 45 см и характер поверхности (торосистость).
Для реализации способа устройство устанавливалось на летательном аппарате (на самолетах визуальной ледовой разведки ИЛ-14 и самолетах Ан-2), имеющих ограничения по рабочим высотам (от 200 до 2000 м), а также по погодным условиям.
Известные способы, в принципе, позволяют определять толщину ледовых полей, толщина которых не превышает 250 см, с приемлемой точностью. Однако при эксплуатации морских нефтяных и газовых терминалов определенную угрозу их безопасности могут создавать айсберги, размеры которых могут достигать для морей арктического бассейна 190×430×20,8 м (Научные исследования в Арктике. Том 3. Дистанционное зондирование морских льдов на северном морском пути: изучение и применение / Йоханнессен О.М., Александров В.Ю., Фролов И.Е. и др. Спб. Наука. 2007, с.212-214). Известные способы измерения толщины морского льда практически не пригодны для измерения толщины айсбергов (общая высота надводной и подводной частей айсберга).
Известны также способы ионной томографии объектов (Патент US №3980885; A.с. SU №1814375), заключающиеся в предварительном выборе зоны интереса в исследуемом объекте, облучении выбранной зоны интереса пучком ионов, регистрации прошедших через зону интереса ионов детекторным блоком и получения изображения зоны интереса на основе сигнального детекторного блока. При этом в известном способе (A.с. SU №1814375), в отличие от способа (Патент US №3980885) для повышения чувствительности, облучение производят в режиме относительного перемещения исследуемого объекта и системы источник детекторный блок, соответствующем формированию продольной томограммы выбранной плоскости зоны интереса, причем в каждой позиции относительно перемещения регистрируют распределение пробегов ионов. По совокупности зарегистрированных распределений восстанавливают изображение выбранной плоскости зоны интереса. А также перед детекторным блоком размещают болюс для компенсации разброса пробегов ионов вследствие вариаций толщины объекта.
Технический результат известного способа, заключающийся в повышении чувствительности за счет эффективного использования пика кривой Брэгга протонов или более тяжелых ионов, достигается за счет восстановления изображения выбранной зоны интереса по совокупности зарегистрированных ионов при синхронных вращательном или поступательном движении объекта с детекторным блоком.
Однако практическая реализация способа отягощена выполнением подготовительных процессов и использованием дополнительных приспособлений, что ограничивает применение способа только в стационарных лабораторных условиях. Практическая реализация способа включает предварительные рентгенотомографические исследования. Просмотр полученных томограмм на предмет обнаружения области, зоны интереса, для которых необходимо получить дополнительную информацию о распределении плотности. Выполнение расчетов, для выявления направлений по которым необходимо провести уточняющую томографию ионным пучком. Выполнение расчетов пробегов частиц по выбранным направлениям в том числе и для встречных направлений пучка. Так как по сечению пучка в зоне интереса пробеги могут отличаться друг от друга, то подготовка следующего этапа исследования состоит в изготовлении болюсов пластин переменной толщины, компенсирующих эти различия в пробегах и установки дополнительных коллиматоров.
Задачей заявляемого технического решения является повышение достоверности определения массогабаритных размеров айсбергов.
Поставленная цель достигается за счет того, что в способе определения толщины морского льда, включающем облучение морского льда зондирующими импульсами и измерение временного интервала между раздельными сигналами, томографическое восстановление изображения, в котором определяют длину корреляции динамических переменных, описывающих потоки энергии и/или импульса от вершины до подошвы ледяного образования, в радиальном, аксиальном и тангенциальном направлениях при воздействии на объект исследования когерентным импульсным протонным спиновым эхом; томографическое восстановление изображения исследуемого объекта выполняют на уровне решетки льда - тридимита.
Совокупность новых отличительных признаков, заключающихся в том, что определяют длину корреляции динамических переменных, описывающих потоки энергии и/или импульса от вершины до подошвы ледяного образования, в радиальном, аксиальном и тангенциальном направлениях при воздействии на объект исследования когерентным импульсным протонным спиновым эхом; томографическое восстановление изображения исследуемого объекта выполняют на уровне решетки льда - тридимита, из известного уровня техники не выявлена, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического предложения условию патентоспособности "изобретательский уровень".
Как известно, морской лед состоит из кристалликов, представляющих собой прямую шестигранную призму, напоминающую отдельные ячейки в решетке.
Кристаллическая решетка воды непрерывно деформируется при понижении температуры, постепенно приближаясь к решетке льда при низких температурах. В момент замерзания лишь завершается такой процесс, причем это завершение происходит скачком.
Изменение формы кристаллической решетки начинает особо резко сказываться при переходе температуры ниже 4°С, когда вода быстро приближается по своему строению ко льду, обладающему большим удельным объемом. Посредством рентгеновского анализа в лабораторных условиях обнаружено, что здесь начинают вырастать на кривой дополнительные максимумы, характерные для решетки льда - тридимита.
Молекулярные группировки обоих типов никогда не встречаются одновременно: вся вода при всех температурах остается однородной (Шулейкин В.В. Краткий курс физики моря. Л., Гидрометеорологические издательство, 1959, с.422-423).
Предлагаемый способ основан на применении метода когерентного импульсного протонного спинового эха, что позволяет исследовать физико-химические свойства морской воды на молекулярном уровне (Зверев С.Б., Копвиллем У.Х. Применение многократных квантовых резонансов для изучения структуры жидкостей // Оптика атмосферы и океана, т.6, №7, 1993, с.778-782).
Главное преимущество способа заключается в четкой физической концепции квантово-механических представлений о структуре вещества. Вся информация о структуре среды и явлениях, происходящих в ней, отображена в динамике прецессии спинов резонирующих поляризованных атомных ядер и детектируется методом протонного спинового эха.
При этом выполняется оценка функциональных зависимостей вязкости, плотности, сжимаемости, теплоемкости, электропроводности и растворяемости газов от внешних факторов (температуры, солености, гидроакустического давления), а также определяются данные о количестве парамагнитных соединений в морской воде, о характере взаимодействия растворенных в морской воде веществ с молекулами воды, что позволяет выявить зоны с аномальными значениями релаксационных параметров по совокупности параметров спиновой релаксации, таких как скорость спин-решеточного взаимодействия, которая характеризует процесс установления термодинамического равновесия между спиновой подсистемой и решеткой, скорость спин-спиновой релаксации, которая характеризует сохранение спиновой памяти об условиях, в которых создавалась твердая фаза, скорость спин-решеточной релаксации во вращающейся системе координат, которая характеризует процесс установления равновесий между жидкой и твердой фазой, время и условия образования решетки льда - тридимита.
Исследование структуры молекулы воды, динамики ее изменения в результате взаимодействия воды с природными электромагнитными полями и гидрометеорологическими явлениями дает возможность для изучения физической сути различных природных процессов изменения микроструктуры морской воды, динамики океанских течений, взаимодействия океана и атмосферы.
-15
Проблема исследования структуры воды, как и вообще жидкого состояния вещества, - одна из наиболее сложных в современной физике конденсированного состояния. Морская вода по составу и своей структуре является сложной гетерогенной и многофазной системой. Исследования показали, что многофазовые состояния морской воды обладают различными временами корреляции молекул жидкости и соответственно разными временами релаксации, которые зависят от интенсивности межфазового обмена. Благодаря уникальной энергетической чувствительности, почти достигшей в настоящее время квантового предела - постоянной Планка h=4×10 эВ/Гц, предлагаемый способ реализует практически предельные значения по разрешению и чувствительности.
Импульсная мультиплексная логика измерений позволяют выделить фазы с разной подвижностью молекул и временами жизни протона в данной фазе, что исключительно важно для решения вышеуказанных задач. А использование эффектов механизма спин-фононных взаимодействий, т.е. поглощение энергии ультразвукового излучения отдельными фазами, составляющими гетерогенную систему, позволяет усилить или подавить остальные составляющие, что существенно повышает селективность и чувствительность способа и обеспечивает определение номинальных условий распространения различных физических полей в пограничном слое океан - атмосфера, а также же в толще морских и океанических вод, и позволяет реализовать создание квантовой измерительной сигнатурной системы анализа и контроля массогабаритных измерений крупных ледовых образований, включая айсберги.
Способ реализуется следующим образом.
Устройство, посредством которого реализуется заявляемый способ, представляет собой зонд протонного спинового эха, снабженный спектрометром протонного спинового эха и блоком обработки спин-релаксационных параметров, аналог которого известен (Зверев С.Б. Новый метод исследования динамики вод океана. Владивосток. Труды Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН, т.3, 1990, с.160-172). Устройство может быть установлено как непосредственно на поверхности айсберга в телескопическом устройстве, управляемом по радиоимпульсам, так и размещено в морской среде с плавательного средства, или на низколетящем летательном аппарате, например на вертолете, или запускаемым с судна беспилотного комплекса ледовой разведки типа «Дозор» (Робот исследует льды // Пресс-Регион Плюс, №1, СПб, 2009, с.4).
Посредством блока обработки спин-релаксационных параметров выполняют детектирования молекулярных спиновых взаимодействий протонов морской воды в жидкой (омываемой айсберг) и твердой фазах.
Определяют τ - время и l - длину корреляции динамических переменных, описывающих потоки энергии или импульса. Параметры t и l, которые характеризуют затухание во времени и пространстве взаимного влияния молекул, т.е. корреляцию на основании зависимостей
p
2
t=L/D,
p
p
1
p
2
где D - коэффициент диффузии, t - температура, t=τ(L/l), L - объем, t=L/χ, χ - коэффициент температурной проводимости (Большая советская энциклопедия. Под ред. Прохорова A.M. 3-е издание, т.21. М., 1975, «Советская энциклопедия», с.1854).
Так как время протонной спин-решетчатой релаксации морской воды изменяется в зависимости от температуры (Попов Н.И., Федоров К.Н., Орлов В.М. Морская вода. М.: Наука, 1979, с.261. Мельниченко Н.А. Океанология. 1975, с.839-841), то ввиду разности температур воздуха, морской воды и ледяного образования определяется объем айсберга и его внешняя конфигурация.
Длину корреляции динамических переменных, описывающих потоки энергии и/или импульса от вершины до подошвы ледяного образования, определяют в радиальном, аксиальном и тангенциальном направлениях при воздействии на объект исследования когерентным импульсным протонным спиновым эхом.
Томографическое восстановление изображения исследуемого айсберга или торосистого ледового образования выполняют на уровне решетки льда - тридимита, что позволяет выявить трещины и изломы, анализ которых позволит принять наиболее правильное решение по транспортировке или разрушению айсберга при угрозе нарушения безопасной эксплуатации морских нефтегазовых терминалов месторождений.
По сравнению с известными способами определения толщины объекта, преимущественно морских ледовых образований, включая айсберги, предлагаемый способ более прост по техническому исполнению, более объективен, а используемые технические средства для его реализации основаны на промышленной базе.