В статье приводится информация о предварительных результатах исследования физико-механических процессов в ледяном покрове СЛО в период МПГ 2007/08 гг. На основе инструментальных наблюдений за динамикой и механикой деформирования ледяных полей дрейфующих станций «Северный полюс» получены временные ряды значений физических характеристик льда. Представлены данные о колебаниях ледяного покрова, обусловленных воздействием поверхностных и внутренних волн океана. Механические автоколебания при сжатии сравниваются с колебаниями при взаимодействии айсберга с морским льдом. Характеристики волновых и колебательных процессов в морских льдах представлены обобщенным амплитудным спектром в широком диапазоне частот/периодов.
В СЛО одновременно протекают физико-механические процессы различного масштаба и интенсивности, приводящие к образованию дискретной структуры морского ледяного покрова. Хаотические флюктуации скорости дрейфа могут обусловливать турбулентное движение льдов. Значительные ускорения при подвижках возникают при сравнительно кратковременных взаимодействиях ледяных полей при сдвиге и торошении. Ромбовидные и мозаичные фрагменты ледяных образований, наблюдаемые на аэрофотоснимках и спутниковых изображениях, образуют самоподобные фигуры, линейные размеры которых составляют от сотен метров до сотен километров. Характеру относительных деформаций и разломов во льду способствует неоднородность характеристик прочности ледяного покрова.
В общем уравнении дрейфа морского льда основными параметрами являются: вектор скорости, касательные напряжения трения на разделе воздух-лед и лед-вода, горизонтальная составляющая отклоняющей силы вращения Земли, проекция силы тяжести на поверхность моря, горизонтальная составляющая приливообразующей силы, сила внутреннего взаимодействия между ледяными полями, плотность и толщина льда. Выявление связей динамических процессов в системе атмосфера-лед-океан (приливы, ветер, скорость дрейфа льдов, сжатие и торошение, возникновение протяженных разломов, волновые и колебательные процессы) для совершенствования теоретических моделей дрейфа льдов, прогнозирования сжатия и разломов является сложной задачей. В частности, на это обращено внимание в работе (Гудкович и Доронин, 2001): «…при описании общей картины дрейфа льда учесть массы и скорости льдин раздельно практически невозможно; …точная скорость и положение каждой льдины расчетным путем не могут быть предвычислены».
В настоящее время подходы, основанные на получении длительных рядов инструментальных данных о крупномасштабной механике льда, позволяют получить достоверную физическую основу для объяснения природы некоторых, даже в какой-то мере загадочных мозаик в ледяных образованиях, которые во время дрейфа возникают без видимой связи с локальными гидрометеорологическими условиями. Поэтому при описании процессов перестройки структурных связей разного масштаба принимаются во внимание природа автоколебательных процессов, распространение поверхностных волн зыби во льдах, воздействие внутренних волн и турбулентных потоков на ледяной покров (Wadhams, 1986; Смирнов, 1996). Намечены подходы развития теоретических основ явления самоподобия и самоорганизации морских льдов.
Получению новых данных посвящен цикл комплексных исследований масштабной физики и механики льда, проводимых на дрейфующих станциях «Северный Полюс».
Исследования проводились на основе инструментальных измерений параметров динамики дрейфующего льда. Использовался комплекс измерительной техники: наклономеры, сейсмометры, акселерометры, GPS-приемники, согласующие устройства, компьютеры (Смирнов и др., 2009). Сигналы от приборов круглосуточно с дискретностью 100Гц регистрировались в компьютере: вертикальные и горизонтальные смещения, горизонтальные ускорения ледяных полей при подвижках, изгибные деформации при волновых и колебательных движениях ледяного поля, сейсмоакустические импульсы при трещинообразовании и сдвиге.
Длительные ряды наблюдений отклика ледяного покрова на динамические процессы в океане и атмосфере и параметры собственных процессов во льдах подвергаются статистической обработке для выявления причинно-следственных связей и получения прогностических элементов. Получены новые данные о крупномасштабных явлениях и механических характеристиках ледяного покрова, в том числе масштабной прочности льда. Эти подспутниковые инструментальные наблюдения на ледяных полях дрейфующих станций и сопутствующие им спутниковые изображения льда создают подходы к объяснению природы мезомасштабных мозаичных образований на поверхности СЛО.
Временной диапазон наблюдаемых динамических процессов в ледяном покрове составляет от единиц секунд до полусуточных приливных событий, пространственный масштаб при контактных измерениях – сотни метров. При обработке данных и анализе результатов используются метеорологические параметры локального района и спутниковые снимки.
В настоящее время получен большой объем исходных цифровых данных, которые подвергаются дальнейшей обработке, представлению результатов и их анализу. При этом принимаются во внимание и используются сведения из разделов механики сплошных и дискретных сред, физики колебаний и волн в различных средах, теории самоподобных процессов пространственных и временных рядов различных сред. Создаваемая база данных включает скорости и направление дрейфа, интенсивность проявления во льдах поверхностных и внутренних волн, параметры автоколебаний, события сжатий, разломов и торошения льда. При обработке длительных рядов наблюдаемых параметров динамики физико-механических процессов в дрейфующем ледяном покрове использовались соответствующие программы.
Пример результатов обработки данных за двухнедельный период наблюдений на дрейфующей станции СП-35 представлен на рис. 1. Для выявления возможной связи динамических процессов в ледяном покрове с локальной метеорологической обстановкой даются соответствующие графики и карты траектории дрейфа льда и направления ветра за наблюдаемый период. Прослеживается четкая связь скорости ветра и скорости дрейфа при не всегда однозначной связи с локальным направлением ветра. Появление трещин в ледяном поле 2 января сопровождалось серией одиночных упругих импульсов и повышением уровня волн зыби с периодом 25 секунд.
Рис. 1. Реакция дрейфующего ледяного поля на динамические процессы в океане и атмосфере: а) метеопараметры: Р-атмосферное давление, to – температура воздуха, vв – скорость ветра; б) ледовые характеристики: 1– скорость дрейфа, 2 – квазистатический наклон ледяного поля, 3 – амплитуда волны зыби в ледяном поле, 4 – амплитуда колебаний льда в диапазоне внутренних волн, 5 – колебания льда при торошении; в) карта траектории дрейфа льда и направление ветра за наблюдаемый период. Толщина льда – 2 м, СП-35, 2008 г.
Получены оценки горизонтальных смещений и ускорений льда, намечены пути к определению ледовых сил, действующих в ледяном покрове при дрейфе. При средней погрешности измерения ускорений ледяного поля 0,25 мкм/сек2 выявлена возможность определения внешних сил, действующих на ледяное поле вдоль траектории его дрейфа (Sheikin and Smirnov, 2009). При дальнейшей детальной обработке временных рядов будут получены корреляционные оценки и статистика параметров каждого ледового события во время дрейфа.
Физико-механические процессы во льдах СЛО сопровождаются образованием колебаний и волн, характеризующих природу явлений в системе атмосфера-лед-океан. Классификация волновых процессов создается на основе инструментальных измерений характеристик динамических процессов в морских льдах. Ниже приводится краткое описание основных волновых явлений.
В ледяном покрове СЛО постоянно присутствует фон изгибно-гравитационных волн в диапазоне периодов от 1 до 60 секунд. Волны возникают от воздействия ветра, при торошении льдов, от волн на открытой воде. Волны зыби во льдах могут иметь амплитуду несколько сантиметров при длине волны размером 900 метров. Слабое затухание ледовой зыби позволяет регистрировать её за тысячу километров от штормовых районов в Атлантике, в Баренцевом и в Беринговом морях. Волны зыби с периодом 20–35 секунд отмечаются на всех дрейфующих льдах в Арктическом бассейне (Hunkins, 1962; Wadhams еt al., 1986).
Колебания ледяного покрова в диапазоне периодов от единиц минут до часа и более возбуждаются короткопериодными гравитационными внутренними волнами океана и турбулентными течениями (рис. 2). Под действием внешних сил (в том числе воздействием килей торосов и айсбергов на слой скачка плотности воды) подо льдом возникают колебания с амплитудами до десятков метров. Если внутренние волны становятся неустойчивыми и разрушаются, то образуются мелкомасштабные турбулентные потоки. В зависимости от энергии этих процессов на поверхности СЛО образуются колебательные и волновые процессы с фазовыми скоростями внутренних волн (около 0,5 м/с).
Рис. 2. Колебания ледяного поля дрейфующей станции СП-35 в диапазоне периодов волн зыби и внутренних волн. 1 – исходная запись от наклономера на льду; длительность записи около 3-х часов; 2 – исходная запись, пропущенная через низкочастотный фильтр с частотой среза 0.01 Гц; начало времени условное; толщина льда 2 м; СП-35, 2008 г.
В консолидированном ледяном покрове океана обнаружены периодические горизонтальные подвижки со сжатием, относящиеся к классу автоколебательных процессов (Смирнов, 1996). Для поддержания автоколебаний не требуется внешних периодических воздействий. Источником энергии ледовых автоколебаний являются силы сжатия, обусловленные ветром и поверхностными течениями океана. Демпфирующим механизмом служат силы трения и сцепления на стенках трещины/разрыва во льду. Подобный механизм возникает также на контакте морского льда с вертикальной опорой морского сооружения или с айсбергом. Процесс взаимодействия характеризуется регулярной повторяемостью накопления и сброса напряжений, отражая релаксационные свойства льда в масштабе наблюдений.
Генерация таких механических колебаний, период и амплитуда которых не зависят от характера внешнего воздействия, обусловлена свойствами самой ледовой системы. Длительность и интенсивность автоколебательных подвижек с трением по разрыву во льдах характеризуют реологию льда, механику его разрушения, формируя при этом структуру излучаемых упругих волн. Периодические пульсации ледяного поля могут превратиться в квазигармонические автоколебания – процесс стабильного скольжения с трением по разрыву. Длительность автоколебательных процессов достигает десятки минут, в спектре при этом устойчиво сохраняются низкочастотные пики колебаний (рис. 3). Распространяющиеся от ледового эпицентра упругие волны в диапазоне частот 0,2–1,5 Гц являются одним из основных признаков происходящего процесса сжатия.
Рис. 3. Амплитудный спектр упругих колебаний в период сжатия и разломов ледяного поля. Примечание: длительность процесса сжатия 15 минут; частотный диапазон колебаний 0,2–1,5 Гц; толщина льда 2,5 м; СП-37, 18 января 2010 г.
Переход от разрывных колебаний к почти синусоидальным зависит от относительной скорости смещения стенок разрыва. Записи периодической горизонтальной подвижки по разрыву во льдах при сжатии иллюстрируют известное в технике и сейсмологии явление «sticк slip». Автоколебания служат прогностическим признаком ледового сжатия и торошения и могут быть использованы для разработки технологии оценки силы сжатия и прогноза разлома и торошения. Процесс автоколебаний – яркий пример явления самоорганизации в хаосе временных ледовых событий.
Об энергии автоколебательных процессов можно судить по реакции взаимодействия дрейфующих ледяных островов и айсбергов с морским льдом (Smirnov еt al. 2010). На фрагменте записи динамики антарктического айсберга толщиной 260 м (рис. 4), выделяются собственные колебания айсберга и пилообразные группы импульсов наклонов/ускорений айсберга при взаимодействии с контактирующим морским льдом.
Рис. 4. Типичные примеры автоколебательных процессов в дрейфующих льдах: а) фрагмент записи наклонов ледяного поля при сжатии, толщина льда 2,5 м; временной интервал между импульсами 4–6 сек; СП-37; б) фрагмент записи колебаний айсберга, толщина 260 м, масса 13×109 кг; временной интервал между импульсами 3–6 сек; собственные колебания айсберга 45–55 сек.
Величина энергии подобных динамических процессов при сравнительно малых ускорениях пока не поддается оценке из-за трудности определения массы и относительной скорости взаимодействующего льда, но очевидно, что эффекты такого взаимодействия могут объяснить многие природные явления и способствовать решению практических задач по воздействию льда на инженерные сооружения в Арктике.
Об активной жизни ледяного покрова свидетельствуют колебания и волны в широком диапазоне амплитуд и частот/периодов (рис. 5). Все описанные выше волновые процессы отражают физико-механические явления в дрейфующем ледяном покрове. При пространственной расстановке приборов на льду отмечены автоколебательные процессы, сопровождающиеся сдвиговыми подвижками и торошением. Выявлены автоколебания, происходящие в морском льду совместно с ледяными островами и айсбергами. Это говорит о том, что процесс автоколебаний может возникать в системе с большими массами льда и на значительных пространствах. Особенно следует выделить свободные гравитационные волны, возникающие при обрушении выводных ледников и образовании айсбергов. В этом случае волны в припае могут продолжаться в течение нескольких часов с периодом волны до часа. Эффекты подобного динамического взаимодействия льдов могут объяснять многие природные явления и способствовать решению практических задач на арктическом шельфе.
Рис. 5. Обобщенный спектр амплитуд колебаний и волн во льдах морей и океанов. 1, 2 – сейсмические события (землетрясения, динамика ледников, микросейсмы); 3 – автоколебания (self-excited oscillations); 4 – изгибно-гравитационные волны (flexural-gravity waves); 5 и 5* – зыбь во льдах (ice swell) (Hunkins, 1962); 6 – свободные волны при зарождении айсбергов (free waves from icebergs); 7 – внутренние волны океана (internal waves); 8 – колебания шельфовых ледников (Hunkins, 1962)
В общем спектре волн во льдах присутствуют данные об упругих волнах, источник которых имеет большие пространственные размеры. Так, например, в диапазоне частот упругих волн 0,02–10 Гц отмечаются сигналы либо от протяженного сдвигового разлома в ледяном покрове, либо от землетрясения. Можно надеяться, что при дальнейших исследованиях и анализе полученных результатов обобщенный спектр будет дополняться новыми сведениями и способствовать совершенствованию технологии мониторинга льдов Арктики и Антарктики.
При сжатии и торошении процесс разрушения льда сопровождается смятием, дроблением, изгибом, сдвигом. Выделяются следующие масштабы деформирования и разрушения льда: развитие микротрещин (масштаб меньше 1 м); трещины размером десятки-сотни метров (локальный масштаб); трещины и разводья (1–100 км, мезомасштаб); протяженные сдвиговые разломы в ледяном покрове (до 1000 км, макромасштаб).
Классификация основных механизмов разрушения льда содержит: разрывы при термических напряжениях, наклоны льда и образование трещин, вызванных совместным действием ветра и течений; изгиб льда волнами зыби, образующими параллельные трещины; изгиб при потере устойчивости формы ледяной пластины при сжатии и упруго-пластическом деформировании; смятие и дробление льда при торошении.
Во время образования сквозных трещин в ледяном покрове отмечаются сбросы напряжений. Эти напряжения характеризуют способность ледяного покрова накапливать в себе энергию упругих деформаций и косвенным образом отражать локальную и масштабную прочность льда. Длительные изменения внешних условий ведут к постепенному переходу больших массивов льда в неравновесное состояние, к появлению в них избыточного напряжения и возможного последующего самопроизвольного разрушения. Лед можно рассматривать как среду с аккумулированной энергией. Разрушение ледяного покрова вызывается не только внешними силами, но и внутренними, действующими изнутри объема льда. В некоторые моменты сочетание этих сил приводит к лавинообразному характеру разрушения. Самопроизвольное разрушение может произойти спустя значительное время после действия внешних сил. Этот процесс сопровождается явлениями самоорганизации и самоподобия.
На спутниковых снимках среди форм деформирования и разрушения льда мезо– и макромасштаба следует выделить сдвиги, вызывающие образование системы трещин в узкой протяженной зоне ледяного покрова. Формирование магистральной трещины и последующее относительное смещение по разрыву образуют цепочку разводий. В этом случае механика деформирования льдов согласуется с основными положениями механики разрушения различных сред:
– разлом не пороговое явление, а процесс, развивающийся в пространстве и во времени;
– разрушение льда осуществляется благодаря возникновению, росту и слиянию трещин;
– формирование масштабного разрыва приводит к перераспределению напряжений в некотором объеме ледяного покрова;
– процесс разрушения может протекать с сохранением подобия на разных масштабных уровнях.
В проблеме прочности льда и масштабного фактора ключевыми являются напряжения в ледяном покрове, или предпочтительнее называть прочность льда, которая может уменьшаться на два-три порядка по величине, когда размер зоны разрушения ледяного покрова существенно увеличивается. Это хорошо подтверждается инженерными работами по изучению механики разрушения льда и по определению ледовых нагрузок на широкие шельфовые сооружения: с увеличением размеров площади контакта льда и сооружения реализуемая прочность льда оказывается на два-три порядка меньше, чем прочность при испытаниях образцов льда. Характер динамического взаимодействия ледяных образований между собой и с сооружением имеет общие черты. В обоих случаях отмечается подобие форм деформирования и разрушения льда: при малых относительных скоростях движения лед ведет себя как пластическое тело, при больших – как хрупкое (Вершинин и др.,2005).
Ряд признаков пространственных и временных изменяющихся параметров указывают на то, что совокупность трещин, разрывов, гряд торосов и других нарушений сплошности льда является иерархической самоорганизующейся системой. Такой подход создает новое направление исследований на основе статистической физики фракталов: самоподобие и самоорганизация ледовых образований. Самоподобие по пространству и времени – это статистически одинаковый характер структуры геофизической среды в разных пространственно-временных масштабах рассмотрения. В качестве очага разрушения можно принимать минимальный объем системы взаимодействующих трещин – трещинный кластер (Т-кластер), при котором происходит потеря структурной устойчивости рассматриваемого уровня системы. Переходы между уровнями осуществляются «катастрофическим» путем и сопровождаются появлением самоподобных структур (Смирнов и Чмель, 2006).
Самоподобная размерность изрезанных линий гряд торосов и скрытых трещин в ледяном покрове может являться следствием реализации модели Кулона – Мора, согласно которой разрушение среды на сдвиг происходит в том случае, когда касательные напряжения достигают критической величины. В этом случае параметры мезомасштабной прочности льда выражаются через силу сцепления и угол внутреннего трения на линиях скольжения. Сплоченный консолидированный ледяной покров может быть представлен как связно-сыпучая среда. При сдвиговом разрушении процесс развивается дискретно с образованием системы ступенчато расположенных крылообразных трещин. Магистральный разлом при сдвиге происходит путем соединения этих трещин. Присутствие развитых структур во льдах СЛО, перекрещивающихся прямолинейных трещин и разводий указывает на вероятность образования относительно быстрых деформаций на больших площадях поверхности океана. Протяженные ледовые ромбовидные образования имеют углы пересечения разрывов в сравнительно узком диапазоне (30–40°). Описанные явления являются основными факторами для подхода к объяснению природы образования полигональной структуры ледяного покрова.
На основе непрерывных инструментальных наблюдений за кинематикой и динамикой ледяных полей дрейфующих станций «Северный Полюс» получены многомесячные временные ряды значений скорости и ускорений дрейфа льда, реакции ледяного покрова на воздействие поверхностных и внутренних волн океана, событий сжатия и разрушения льда.
Дано описание явления крупномасштабных механических автоколебаний при динамических процессах; приводятся сравнительные данные подобного процесса при взаимодействии морского льда с айсбергом, оценивающие возможную величину глобальных сил ледового взаимодействия.
Характеристики волновых и колебательных явлений во льдах представлены обобщенным амплитудным спектром в широком диапазоне частот/периодов.
Значение пространственно-временной корреляции динамики ледовых образований состоит в потенциальной возможности предсказывать изменение во времени некоторой зоны ледяного покрова, исходя из предшествующей эволюции системы на другом масштабном уровне. Масштабная инвариантность динамики морских льдов в сочетании с их фрактальной организацией позволяют рассматривать ледяной покров как самоорганизующийся пространственно-временной домен.
Установление взаимосвязи между характером деформаций льда различного масштаба и особенностями его дрейфа являются основой для совершенствования моделей динамического поведения морского льда, используемых в задачах ледовых прогнозов, а также при изучении природы катастрофических явлений локального и геофизического масштабов.
Физико-механические свойства ледяного покрова и перестройка его макроструктуры связаны с локальной и мезомасштабной динамикой льдов, механическими ледовыми автоколебаниями, поверхностными и внутренними волнами океана, деформациями и разломами льда.
Направление изучения динамики морских льдов на основе статистической физики самоподобия создает предпосылки для разработки технологии мониторинга состояния льдов мезо– и макромасштаба.
Наблюдения за физико-механическими процессами в ледяном покрове на дрейфующих станциях «Северный Полюс» открывают большие возможности для получения новых результатов в полярной океанологии: совершенствование моделей дрейфа льдов, мониторинг поверхностных и внутренних волн, прогноз сжатия льдов и образование протяженных разломов и разводий – важных факторов при решении климатических и инженерных задач.
В перспективе при изучении дрейфующих льдов следует рекомендовать:
– организацию пространственной установки дрейфующих буев на морских льдах с передачей сигналов об экстремальных ледовых ситуациях (сжатие, разломы, торошение, волны);
– проведение синхронных измерений параметров динамики льда и внутренних волн;
– провести оценку масштабов ледовых автоколебаний на мезопространствах;
– использовать метод подспутниковых и спутниковых оценок силы взаимодействия льдов и масштабной прочности ледяного покрова.
Вершинин А.С., Трусков П.А., Кузмичев К.В. (2005). Воздействие льда на сооружения сахалинского шельфа. М., «Институт Гипростроймост»; 208 с.
Гудкович З.М., Доронин Ю.П. (2001) Дрейф морских льдов. С-Пб. Гидрометеоиздат, С.110.
Смирнов В.Н.(1996) Динамические процессы в морских льдах. С-Пб, Гидрометеоиздат, С. 162.
Смирнов В.Н., Чмель А.Е. (2006) Самоподобие и самоорганизация в дрейфующем ледяном покрове Арктического бассейна. Доклады Академии наук, т. 5, С. 684–687.
Sheikin I. B. and Smirnov, V. N. (2008) Accuracy estimation of the GPS measurements at the Russian drifting stations North Pole-33 and North Pole-35, Proc. 19th IAHR International Symposium on Ice, Vancouver, Canada, July.
Смирнов В.Н., Ковалёв С.М., Никитин В.А., Шейкин И.Б., Шушлебин А.И. (2009) Новые технологии изучения механики и динамики морского льда и получения исходных данных для оценки сил ледового воздействия на берега, дно и сооружения. Труды RAO/GIS OFFSHORE 2009, PROCEEDINGS. СПб, 15–18 сентября, т. 2, с. 288–293.
Smirnov V. N., Korostelev V. G., Panov L. V., Sheikin I. B., Shushlebin A. I. (2010) Dynamic processes of interaction of drifting icebergs and sea ice. Proc. 20th IAHR International Symposium on Ice, Finland.
Hunkins K. (1962). Waves on the Arctic Ocean – J. Geophys. Res., Vol. 67, N 6, p. 2477–2489.
Wadhams, P., V.A. Squire, D.J. Goodman, A.M. Cowan, and S.C. Moore (1988). The attenuation rates of ocean waves in the marginal ice zone., J. Geophys. Res., 93 (C6), 6,799-6, 818.
Abstract
The paper contains information about preliminary results of study of physical-mechanical processes in the ice cover of the Arctic Ocean in the period of IPY 2007/08. Temporal series of of physical characteristics of ice are obtained based on instrumental observations of dynamics and mechanics of deformation of ice fields of drifting stations «North Pole». The data of oscillations of the ice cover caused by action of surface and internal ocean waves are presented. The mechanical self-excited oscillations at the compression are compared with oscillations at interaction of an iceberg with sea ice. The characteristics of wave and oscillation processes are presented by a common amplitude spectrum in the wide range of frequencies/periods.