Гидрофизические исследования при изучении динамики морских волн в шельфовой зоне

Сообщения

Вестник ДВО РАН. 2010. № 6

УДК 551.46

В.А.ЧУПИН, Г.И.ДОЛГИХ, А.Ф.ЩЕРБАТЮК

Гидрофизические исследования при изучении динамики морских волн в шельфовой зоне

Описано использование перспективных технических средств из сейсмоакустико-гидрофизического комплекса Тихоокеанского океанологического института им. В.И.Илъичева ДВО РАН при гидрофизических исследованиях шельфовых областей морей Дальнего Востока. Представлены экспериментальные результаты применения необитаемых подводных аппаратов при изучении динамики морских волн.

Ключевые слова: динамика морских волн, акустический доплеровский профилограф, гидрологический зонд, автономный необитаемый подводный аппарат.

Hydrophysical researches at studying the sea wave dynamics in the shelf zone. V.A.CHUPIN, G.I.DOLGIKH

(V.I.Il’ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok), A.Ph.SCHERBATYUK (Institute for Marine Technology Problems, FEB RAS, Vladivostok).

The use of the perspective techniques of seismoacoustic-hydrophysical complex from Vl.Il’ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS applied to hydrophysical researches of shelf regions of the seas of the Far East of Russia is described. Experimental results of the use of unmanned submersible in studying the sea wave dynamics are presented.

Key words: sea wave dynamics, acoustic Doppler profiler, hydrological probe, untethered unmanned submersible.

Для освоения природных ресурсов и сохранения экологии в прибрежных областях необходимо исследовать процессы на шельфах морей и океанов. В классической океанологии основные параметры среды измеряют зондами при остановке судна в определенных точках либо при буксировке приборов на определенной глубине. В нашей работе рассмотрена возможность применения для этих целей необитаемого подводного аппарата (НПА), который позволяет исследовать большие территории, работать на больших глубинах и изучать районы со сложными рельефом и гидрологией. Это качественно новый уровень в изучении водной среды, позволяющий оценить ее пространственные параметры в заданной акватории путем покрытия ее равномерной горизонтальной сетью вертикальных разрезов.

Сеймоакустико-гидрофизический комплекс ТОИ ДВО РАН1 (рис. 1) расположен в северо-западной части Японского моря. Он позволяет исследовать взаимодействие волновых полей в системе атмосфера-гидросфера-литосфера, что достигается одновременной работой его приборов в данных средах.

*ЧУПИН Владимир Александрович - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, ДОЛГИХ Григорий Иванович - член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, заведующий отделом (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И.Ильичева ДВО РАН, Владивосток), ЩЕРБАТЮК Александр Федорович - член-корреспондент РАН, доктор технических наук, заведующий лабораторией (Институт проблем морских технологий ДВО РАН, Владивосток). *Е-таі1: chupin@poi.dvo.ru

Работа выполнена при поддержке госконтракта от 7 июля 2009 г. № 02.740.110341, частичной поддержке РФФИ (гранты 09-05-00597-а, 09-05-01089-а, 09-05-13571-офи_ц) и ДВО РАН (грант 09-ІІІ-А-07-339).

1 Долгих Г.И., Долгих С.Г., Ковалев С.Н. и др. Лазерно-интерференционный метрологический комплекс // Сб. тр. 18-й сессии РАО. М.: ГЕОС, 2006. Т. 2. С. 38-42.

Рис. 1 Схематическое изображение сейсмоакустико-гидрофизи-ческого комплекса: 1) береговой лазерный деформограф; 2) лазерный нанобарограф; 3) метеостанция; 4) гидроакустические излучатели; 5) акустический доп-леровский профилограф; 6) лазерные гидрофоны; 7) гидрологический зонд; 8) комплексный измеритель параметров течения; 9) лазерный измеритель вариаций давления гидросферы

3 -*] - г 2^

I ттк ( И=

Г

-00 /

Рис. 2. Карта-схема экспериментального полигона

В основном регистрация сверхнизкочастотных волновых процессов, периоды колебаний которых составляют от нескольких минут до нескольких суток, выполняется береговыми и погружными приборами, их работа основана на лазерно-интерференционных методах. Эти исследования необходимо дополнять гидрологическими данными, поэтому в состав комплекса включены акустический доплеровский профилограф (фиксирует изменчивость скорости морских течений при буксировке научно-исследовательским судном с выводом информации на ноутбук и синхронизацией с данными ГЛОНАСС), комплексный измеритель параметров течения (регистрирует электропроводность, температуру воды, давление в стационарном режиме), гидрологический зонд ИВК (измеряет флуктуации основных параметров морской среды при стационарной постановке либо при выполнении гидрологических разрезов).

В 2009-2010 гг. на прилегающем к мысу Шульца шельфе Японского моря (рис. 2) проведены эксперименты по изучению природы вариаций основных гидрофизических параметров шельфовой области моря по выбранным трассам. Для этого использовался разработанный в Институте проблем морских технологий ДВО РАН необитаемый подводный аппарат TSL2 (рис. 3), оснащенный комплексированной навигационной системой и инфор-

2 Агеев М.Д., Борейко А.А., Горнак В.Е. и др. Модернизированный TSL - подводный аппарат для работы на шельфе и в тоннелях // Морские технологии. Вып. 3. Владивосток: Дальнаука, 2000. С. 23-38.

Рис. 3. Подъем НПА TSL после выполнения очередного задания

Рис. 4. Схема места проведения эксперимента с использованием необитаемого подводного аппарата. Белые прямоугольники - места съемки с помощью НПА, ЛД - местоположение 52,5-метрового неравноплечего берегового лазерного деформографа

мационно-измерительным комплексом и имеющий оптоволоконный канал связи с пультом оператора на обеспечивающем судне. Основные технические характеристики подводного аппарата TSL: предельная глубина погружения 200 м, максимальная скорость хода 2 м/с, максимальное время непрерывной работы (при скорости 1 м/с) не менее 10 ч. Навигационная привязка траекторий движения НПА и обеспечивающего научно-исследовательского судна осуществлялась посредством совместной обработки информации от спутниковой, гидроакустической навигационной системы и бортовой автономной навигационных систем.

Осенью 2009 г. на четырех участках выполнено профилирование толщи воды с использованием НПА (рис. 4).

Траектория движения НПА представляла собой меандр в вертикальной плоскости, состоящий из прямолинейных галсов длиной около 100 м каждый на фиксированной глубине. Галсы

выполнены на глубинах от 3 м и через каждые 3 м до дна. Текущие данные, включающие дату, время, географические и относительные координаты, глубину и высоту движения НПА над грунтом, курс, дифферент, скорость, температуру, соленость, мутность, а также концентрации фитопланктона и растворенного в воде метана, полученные с интервалом в 1 с, фиксировались в бортовом накопителе НПА.

Летом 2010 г. эксперименты в указанном районе продолжены по линии север-юг, дополнительное вертикальное и горизонтальное зондирование проводили на трех трассах по линии запад-восток, пересекающих основное направление.

Из-за того что реальная траектория движения НПА не совпадает с прямоугольной сеткой (непрямолинейна), полученные данные интерполировали для представления в виде трехмерных карт (рис. 5; см. вклейку) и включали в единый банк данных для последующей статистической и спектральной обработки. Эта информация будет использована для изучения пространственных и временных вариаций звуковых и инфразвуковых шельфовых волн, а также нелинейного взаимодействия механизмов возникновения и развития колебаний и волн на границе вода-морское дно и в других исследованиях в прибрежных зонах.

Динамическое горизонтальное и вертикальное зондирование с помощью НПА позволяет в режиме реального времени получать экспериментальные данные на больших площадях и с высоким разрешением, что невозможно было сделать при использовании прежних методик.

При обработке измерений выявлены аномальные гидрофизические сигналы на записях датчиков НПА и лазерного измерителя вариаций давления гидросферы, а также аномальные микродеформации на записях лазерного деформографа, связанные с гидрофизическими аномалиями, что позволило оценить их скорость и нелинейные характеристики, определить некоторые закономерности трансформации энергии аномалий в упругую энергию осадочного слоя земной коры.

В дальнейшем для повышения точности выполнения съемки параметров водной среды предполагается синхронно использовать группу автоматических НПА. Это позволит выполнять трехмерную съемку более оперативно и тем самым с большей точностью фиксировать медленно меняющиеся процессы на исследуемом водном полигоне.