Цикл гидрофизики I: как учёные ИПФ РАН заглядывают вглубь океана?

В конце лета мы решили закрепить наши воспоминания о походах на речку и морских отпусках и рассказать вам о работе наших учёных-гидрофизиков. Начнём мы с Лаборатории гидрофизического и акустического моделирования ИПФ РАН.

О том, как познают глубины океанов нам рассказал научный сотрудник лаборатории, кандидат физико-математических наук Алексей Ермошкин.

- В каких направлениях вы проводите исследования?

- Стоит сразу отметить, что, как и у многих коллег, у меня два вектора работы: фундаментальный и прикладной. Оба неразрывно связаны с темой моей диссертации, посвященной развитию радиолокационных методов исследования гидрофизических процессов. Радиолокационные методы позволяют получить характеристики поверхности или тонкого приповерхностного слоя океана. Радиолокационную съемку можно проводить с самолёта, корабля и даже с космического спутника. Особое внимание мы уделяем таким гидрофизическим явлениям, как ветровые волны, волны зыби, внутренние волны, неоднородные течения, вихри.

По радиолокационным изображениям можно определить, что происходит не только на поверхности океана, но и в толще воды.

Так, мы видим, например, топографию (рельеф) дна, благодаря неоднородным течениям, которые возникают при обтекании сложного рельефа и взаимодействуют с волнами на поверхности. Теоретическую модель для описания этих процессов разработали в ИПФ РАН. Особое внимание этому уделяли академик РАН Владимир Ильич Таланов, а также мой научный руководитель кандидат физико-математических наук Виктор Владимирович Баханов. Они и другие наши сотрудники занимались развитием кинематической модели, описывающей проявления глубинных процессов на морской поверхности.

Мы сейчас работаем над проектом, который реализуется по гранту РНФ. Он посвящён развитию радиофизических методов исследования приповерхностных процессов в океане. Нами предложены варианты объединения методов когерентного акустического зондирования, когерентного радиолокационного зондирования и оптического зондирования, включая стереофотосъемку.

Каждый из методов в отдельности обладает рядом преимуществ, но не свободен от недостатков. Когерентное акустическое зондирование, описываемое резонансным рассеянием, имеет большую зону наблюдения, но обладает плохим пространственным разрешением. Когерентное радиолокационное зондирование, также описываемое резонансным рассеянием, имеет меньшую зону наблюдения, но более высокое пространственное разрешение. Оба метода позволяют восстанавливать скоростные характеристики рассеяния, связанные со скоростями резонансных рассеивателей.

Используя связь между возвышениями морской поверхности и орбитальными скоростями волн можно определять пространственные спектры ветрового волнения в широком диапазоне длин ветровых волн до метров. Для определения характеристик более короткомасштабных ветровых волн мы предлагаем использовать данные оптического зондирования и стереофотосъемки. Таким образом, при объединении рассматриваемых методов может быть восстановлен пространственный спектр ветрового волнения в диапазоне от энергонесущих до гравитационно-капиллярных волн. Кроме спектральных характеристик волнения можно определить скорость приповерхностного течения по измерениям доплеровского сдвига акустических и радиолокационных сигналов. Данные высокого разрешения, полученные при оптическом зондировании морской поверхности во время проведения синхронных с радиолокационными и акустическими измерений, позволят уточнить связь скоростей рассеивателей акустических и радиолокационных сигналов с параметрами приповерхностного слоя океана. Проведение таких измерений будет организовано в сентябре-октябре 2021 года на стационарной океанографической платформе Морского гидрофизического института РАН на Черном море.

- А практическая деятельность?

- В настоящий момент мы занимаемся одной крупной прикладной задачей. Я не могу про нее подробно рассказать, потому что она содержит информацию ограниченного доступа. Могу только отметить, что в результате должен быть решен вопрос, которым занимались исследователи, в том числе из ИПФ РАН на протяжении многих лет. В течение шести лет мы разрабатывали теоретические модели возникновения геофизических возмущений в разных средах и экспериментально проверяли их эффективность в экспедициях. Для этого проекта в нашем институте была сформирована отдельная лаборатория – лаборатория дистанционных методов обнаружения геофизических возмущений. Заведует ей Виктор Владимирович Баханов, я же являюсь его заместителем. Добавлю, что проект поддерживается Фондом перспективных исследований (ФПИ) и находится в своем завершении.

- Есть ли какие-то прикладные исследования, которыми вы планируете заниматься после этого?

- Да, в наших реалиях нельзя фокусироваться только на одном проекте. Уже сейчас мы приступили к другому исследованию. Это разработка дистанционного автоматизированного радиолокационного комплекса для экологического мониторинга, в частности, обнаружения плёночных загрязнений на поверхности воды.

В проекте мы планируем применить методы и подходы в изучении гидрофизических процессов, которые использовались в ИПФ РАН. Так, радиолокационный метод отлично подходит для обнаружения биогенных или искусственных плёнок на воде. Это связано с тем, что поверхностно-активные вещества из-за своей упругости меняют характер распространения волн на поверхности воды. Теоретическими и экспериментальными исследованиями в этом направлении занимается доктор физико-математических наук Станислав Александрович Ермаков.

Выпустить прибор для экомониторинга вызвалась одна коммерческая компания. Для этого ей нужно было наше научное сопровождение. Кроме того, компания получила поддержку на свои разработки от Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «Развитие-НТИ». Мы планируем выпустить совместный продукт на рынок уже в этом году.

- Можете ли вы больше рассказать о ваших экспедициях?

- Исследования нашей научной группу больше сфокусированы на натурные исследования, чем на лабораторные. Лето для нас – традиционно пора морских испытаний. В общей сложности в рамках проекта ФПИ мы провели работу на Северном, Черноморском и Тихоокеанском флотах. Но не забываем и родные края. Часто мы проводим работы на Горьковском водохранилище, которое намного ближе любого из морей. Там мы занимаемся отработкой методик и испытанием аппаратуры.

- Есть ли какие-то научные результаты, которые были особенно полезны для развития своей или других областей науки?

- Обычно у нас получаются результаты, которые не просто популяризировать, как мне кажется. Но я вижу, что среди наших разработок действительно востребован на рынке радиолокационный комплекс для обнаружения загрязнений и нефтяных плёнок на воде. Кроме того, нас приглашают в крупные экспедиции, в том числе и международные. К примеру, в конце прошлого года мы дошли до Восточно-Сибирского моря из Архангельска по Северному морскому пути во время 82го рейса НИС «Академик Мстислав Келдыш» под руководством член-корреспондента РАН Игоря Петровича Семилетова.

Главной целью экспедиции являлось изучение особенностей функционирования геосистем «литосфера (криосфера) — гидросфера — атмосфера» арктических морей России в условиях меняющегося климата. Задачей нашей команды являлись оптические и радиолокационные измерения отражательной способности ледяного покрова, взволнованной водной поверхности и водной толщи. В качестве одного из результатов, который был получен нами в Восточно-Сибирском море, можно отметить первую регистрацию проявления естественных выходов метана на морскую поверхность радиолокационными методами.