Коллектив российских ученых разработал новый способ численного моделирования ледовых торосов, айсбергов и стамухов в Арктике, который позволяет определить их структуру на основе ультразвукового сканирования толстых слоев льда. Их первоочередной задачей было описать криволинейные полости, заполненные полостью и водой, чтобы получить проектных оценки ледовых нагрузок на инженерные сооружения. Работа была опубликована в российском научном журнале «Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии».
Согласно последним исследованиям, взаимодействие нефтедобывающих сооружений и судоходства в арктических регионах с ледяными образованиями, известными как торосы, приобретает особую важность. Эти ледяные гребни, образующиеся в результате сжатия ледяного покрова, могут значительно влиять на безопасность эксплуатации. Чтобы оценить ледовые нагрузки на инженерные структуры, необходим морфометрический анализ характеристик торосов. Проведенные исследования подчеркивают значимость радиолокационных подходов для изучения нижней части торосов, а также важность статистических данных, полученных в разных регионах, таких как Баренцево море и море Бофорта.
Научные работы, проведенные в ледовом лагере Барнео и других регионах, предоставили ценные данные о структуре и силах, действующих на торосы. Исследования показали, что надводная часть тороса, известная как «парус», и подводная часть, называемая «килем», имеют различные характеристики, которые необходимо учитывать для разработки проектных оценок ледовых нагрузок на сооружения.
Среди ключевых находок — использование технологий гидролокации, которые позволили провести детальный морфометрический анализ нижней части торосов. Эти подходы обеспечили сбор обширных статистических данных об осадке льда и глубине киля на пяти участках Баренцева моря, а также в море Бофорта. Результаты анализа позволили выдвинуть гипотезы о форме килей и их возможном воздействии на морские структуры.
Новая работа ученых МФТИ, акцентирующая внимание на численном моделировании распространения волнового сигнала в торосах, демонстрирует инновационный подход к решению этой задачи. Используя сеточно-характеристический метод на структурированных и химерных расчетных сетках, исследователи проанализировали отклики от полостей, заполненных воздухом и водой. Их результаты дают возможность прогнозировать толщину ледяных образований и глубину их осадки.
На расчетных областях размером 16 на 16 метров получены результаты полноволнового моделирования, позволяющего учитывать различные параметры среды, такие как соленость и температура.
Рисунок 1. Принципиальная модель ледового гребня. Красным обозначена расчетная область при рассмотрении нижней части киля тороса. Источник: журнал «Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии».
Исследование открывает новые возможности для точного анализа взаимодействия ультразвуковых волн с ледяными образованиями. Например, первоначальный импульс переотражается от поры, вводя в расчет сложные системы переотражений, что дает более полное представление о структуре тороса.
Полученные алгоритмы и модели могут быть эффективно использованы для анализа и прогнозирования ультразвуковых сигналов, что, в свою очередь, позволяет определить важные морфометрические параметры торосов.
«В наши дни ведется активное исследование арктического региона с целью добычи различных полезных ископаемых и использования Северного морского пути для доставки товаров. Поэтому изучение воздействия ледовых образований на оффшорные конструкции продолжает оставаться актуальной тематикой. В нашей научной группе есть цикл статей на эту тему. В частности, недавние исследования сосредоточились на торосах — ледяных гребнях, формирующихся в результате сжатия ледяного покрова. Многометровые торосы могут представлять серьезную угрозу, поэтому понимание их морфометрии и нагрузки на инженерные конструкции необходимо для предотвращения аварий и недоразумений в условиях жесткого арктического климата, — пояснила Алена Фаворская, ведущий научный сотрудник лаборатории прикладной вычислительной геофизики МФТИ. — Таким образом, эти исследования не только обогащают наше понимание ледяных процессов, но и укрепляют безопасность в арктических акваториях путем разработки надежных методов оценки воздействия льда на нефтедобывающие сооружения и морские пути».
