Подводный зонд поможет оценивать безопасность выхода на лёд

Сотрудники Института прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН (Нижний Новгород) и Арктического и антарктического научно-исследовательского института (Санкт-Петербург) с коллегами нашли способ дистанционно следить за изменением толщины льда на реках и озёрах 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.

Подводный зонда на стенде РНФ на КМУ 2025

От толщины льда на реках и озёрах 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.

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 лёд, без необходимости его бурения.

Подводный зонд на дне малого ледового бассейна ААНИИ до включения заморозки в ноябре 2024 года

«Разработанный нами метод зондирования льда позволяет вести непрерывный мониторинг в труднодоступных местах и в ситуациях, когда выход на лёд 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 завершённой второй фазы лабораторного эксперимента с замораживанием солёного льда и получить алгоритм измерения толщины, который может быть применён для морского льда», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Юрий Титченко, кандидат физико-математических наук, заместитель заведующего отделом радиофизических методов в гидрофизике ИПФ РАН.

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

Процесс взятия кернов при максимальной толщине льда в январе 2025 года

Авторы работы проследили полный цикл замерзания и таяния пресноводного льда с помощью подводного акустического зонда в лабораторных условиях. В малом ледовом бассейне Арктического и антарктического научно-исследовательского института иследователи собрали 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 (распространённая 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 Юрий Титченко.

Ледяные керны на поверхности льда в малом ледовом бассейне ААНИИ

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 исследователи построили математическую модель отражённого льдом акустического импульса, которая согласуется с сигналом, наблюдаемым в эксперименте.

Источник: пресс-служба РНФ.