«Геофизик» в деле: как проходят научные экспедиции ИПФ РАНа на Горьковском море

Осень – не повод для учёных ИПФ РАН отказываться от натурных исследований. До сих пор сотрудники отдела радиофизических методов в гидрофизике изучают волновые характеристики на Горьковском водохранилище. Как происходят эти экспедиции, мы поговорили с кандидатом физико-математических наук, заведующим лабораторией информационно-измерительных систем Иваном Капустиным.

— Расскажите, пожалуйста, об исследованиях, проводимых ИПФ РАН на Горьковском водохранилище?

Наши исследования связаны с развитием новых радиофизических методов определения характеристик процессов, происходящих в толще водоема и проявляющихся на его поверхности. К радиофизическим относятся методы, использующие свойства волновых полей различной природы. Это, например, радиолокационные, оптические и акустические методы.

В 2007 году под руководством Станислава Александровича Ермакова мы начали создавать научный полигон ИПФ РАН на Горьковском водохранилище. Первые исследования проводились с надувной лодки и небольшого судна, на которые устанавливалось оборудование. Тогда мы начали измерять ветровое волнение в водохранилище, изучать характеристики течений и приводного ветра, плёнок поверхностно-активных веществ, а также оценивать концентрации взвеси и фитопланктона, который интенсивно цветет в тёплое время года.

В 2014 году наши силами было создано собственное маломерное научно-исследовательское судно «Геофизик». Оно отвечало всем необходимым для нас требованиям: малая осадка, значительная автономность плавания, возможность размещения различного измерительного оборудования. Сейчас «Геофизик» задействован во множестве научно-исследовательских проектов и прикладных работах. Если наши коллеги по институту или из других организаций обращаются к нам с просьбой провести измерения с борта «Геофизика», – мы не отказываем.

— В чем заключается ваша работа?

Есть несколько направлений деятельности.

Во-первых, проведение натурных измерений, которые могут проводиться как длительными циклами до 7 дней, так и однодневными экспериментами. Для этого мы собираем данные с различных датчиков, установленных на судне, при его перемещении по водохранилищу. В итоге мы получаем пространственную картину распределения различных параметров, которую можно накладывать на карту.

В этой работе нам помогают множество инструментов: для определения скорости и направления приводного ветра используются метеостанции и ультразвуковые приборы, для измерения скорости течения акустические – доплеровские профилографы, для определения параметров водной толщи – специальные зонды, которые опускаются с борта судна до дна. Имеются специальные приборы и для измерения параметров волн на поверхности воды – волнографы, буи, акселерометры, а для измерения характеристик коротких ветровых волн с длиной несколько сантиметров – радиоскаттерометры и комплекс многочастотной радиолокации, а также панорамные радиолокаторы сантиметрового и миллиметрового диапазона.

Во-вторых, мы разрабатываем специальное программное обеспечение, чтобы обрабатывать и анализировать результаты, полученные в ходе экспериментов.

Ну и в-третьих, некоторые эффекты, которые можно наблюдать в природе, мы моделируем в контролируемых лабораторных экспериментах, чтобы изучить их более детально.

Некоторые натурные эксперименты проводятся как подспутниковые, то есть мы проводим измерения с помощью радиолокационной или оптической спутниковой съемки. Такие измерения крайне важны, поскольку позволяют проверять и интерпретировать данные, получаемые спутниковыми системами дистанционного зондирования.

В процессе работы мы создали специальные карты глубин и течений в озерной части Горьковского водохранилища. Они собирались, в первую очередь, для научных целей, но оказались востребованы и органами власти.

Одним из направлений, которым мы сейчас активно занимаемся, – проблема восстановления приповерхностных течений по их образам, которые формируются из, так называемых, сликовых структур – выглаженных областей на водной поверхности. В большинстве случаев эти области связаны с наличием пленок поверхностно-активных веществ биологической и антропогенной природы. Эта работа поддержана грантом РНФ, который в этом году продлили до 2023 года.

— Как часто вы проводите исследования в этой локации?

Обычно мы начинаем проводить измерения на Горьковском море в начале мая. Перед этим мы подготавливаемся к спуску и оснащаем лодки необходимым оборудованием. Работы продолжаются все лето и часть осени. Натурные исследования завершаются, когда среднесуточные температуры становятся отрицательными, поскольку при появлении льда подъем лодок становится затруднительным. В отдельные годы, когда осень случалась теплой, наши измерения продолжались до середины ноября. Несколько лет назад мы проводили измерения и зимой, для этого мы выходили на лед на несколько километров от берега, бурили лунки и опускали в них приборы, а также отбирали пробы воды с различных глубин.

Наши исследования не ограничиваются акваторией Горьковского водохранилища. Отдельные эксперименты проводятся в акватории Волги, Оки и на малых реках, а также в Чебоксарском и Куйбышевском водохранилищах. Специальные экспедиции организуются для работы на Черном море со стационарной океанографической платформы, а также в Арктическом регионе.

— Где кроме научных исследований могут использоваться ваши данные по изучению образования волн и плёнок на поверхности водоемов?

Ветровое волнение в водоемах, в том числе во внутренних, — очень важная характеристика, которую необходимо учитывать при обеспечении безопасности судоходства, проектировании и эксплуатации различных гидротехнических сооружений.

Высоты и длины поверхностных волн характеризуют энергию, сосредоточенную в волне и определяют нагрузку, которую испытывают сооружения и береговая линия. Пленки на поверхности водоема могут говорить о загрязнениях как биогенного так и антропогенного характера, присутствующих в воде, то есть являются индикатором загрязнений. Знание характеристик волн и наличия пленок на поверхности крайне важно для зон рекреации.

Задачи о ветровых волнах и пленках на поверхности воды во многом связанные, поскольку пленки сильно влияют на короткие ветровые волны и благодаря этому эффекту становятся видны на поверхности воды как оптическими так и радиолокационными системами. Этот эффект активно используется при построении систем экологического мониторинга водоемов: так при нашем участии создается автоматизированный комплекс дистанционного зондирования экологического состояния водоемов ЭкоРадар. К настоящему моменту проведены успешные натурные испытания комплекса.

В целом можно сказать, что наши научные исследования имеют глобальную цель – формирование комфортных условий для проживания и деятельности человека.