Лаборатория нелинейной гидрофизики и природных катастроф

Для решения поставленных задач планируется использовать широкий спектр экспериментальных и теоретических методов. Экспериментальные исследования будут проводиться на установках, входящих в состав Уникального комплекса проведения междисциплинарных исследований ТОИ ДВО РАН «Международный научно-образовательный геосферный полигон».

Для выполнения работ по изучению различных деформационных возмущений и пеленгованию зон их образования будут использоваться два лазерных деформографа с измерительными плечами 52.5 и 17.5 м, расположенных под углом 92 градуса друг относительно друга. Дополнительно в отдельных работах будет применяться широкополосный велосиметр (он же сейсмограф) Guralp CMG-3ESPB. Интересующие деформационные возмущения связаны с подводными землетрясениями, генерирующими и не генерирующими цунами, первичными и вторичными микросейсмами, микросейсмами «голоса моря», микросейсмами «прибойного шума», деформационными возмущениями инфрагравитационного диапазона. Рабочий диапазон частот (от 0 (условно) до 10 000 Гц) и высокая точность измерения смещений участков земной коры (0.3 нм) позволяют регистрировать данные деформационные возмущения практически на любых планетарных расстояниях.

Помимо названных деформационных возмущений, повышенный интерес представляет регистрация деформационных сигналов, вызванных взаимодействием морских внутренних волн с дном шельфовой области моря, а также деформационных возмущений, обусловленных сейшами, морскими инфрагравитационными волнами, краевыми волнами. Несомненно, необходимо учесть вклад атмосферных процессов в деформацию земной коры и в вариации гидросферного давления. Для этого синхронно с работой лазерных деформографов и велосиметра будет работать лазерный нанобарограф, созданный на основе применения интерферометра Майкельсона равноплечего типа, который позволяет измерять вариации атмосферного давления в частотном диапазоне от 0 (условно) до 10 000 Гц с точностью 50 мкПа. Будут использоваться лазерные измерители вариаций гидросферного давления, обладающие следующими техническими характеристиками: рабочий диапазон частот от 0 (условно) до 10 000 Гц, точность измерения вариаций гидросферного давления 50 мкПа, рабочие глубины до 100 м. В зависимости от поставленных задач, будет работать 1-2 прибора, установленных на дно в различных точках шельфа Японского моря. Лазерные измерители вариаций гидросферного давления способны регистрировать вариации гидросферного давления, вызванные волнами-убийцами, внутренними морскими волнами, инфрагравитационными морскими волнами, сейшами, гравитационными ветровыми волнами и т.п.

Дополнительно в море будут работать термогирлянды, автономные регистраторы гидростатического давления, автономные регистраторы гидрофизических полей, различные гидрологические зонды, гидроакустические станции (созданные на основе гидрофонов Bruel & Kjaer 8103 и 8104), измеритель скорости звука. Тонкая структура вод шельфовой области будет исследоваться с применением акустического доплеровского профилографа, установленного на катере. На берегу комплекс оснащён метеостанцией, аппаратно-программным вычислительным комплексом, предназначенным для первичной обработки в реальном времени поступивших экспериментальных данных с занесением их в ранее созданную базу экспериментальных данных, а также системой надводного видеомониторинга.

При решении задач, поставленных в проекте, ранее полученные экспериментальные данные, а также данные, полученные в ходе выполнения проекта, будут обрабатываться с применением различных измерительных и аналитических методик.

К измерительным методикам можно отнести следующие:

• методика измерения вариаций микродеформаций верхнего слоя земной коры, вариаций давления атмосферы и гидросферы с помощью лазерных деформографаов различных типов и направлений, лазерных нанобарографов и лазерных измерителей вариаций давления гидросферы в частотном диапазоне от 0 (условно) до 10 000 Гц и высокой точностью;
• методика измерения излучений гидроакустических сигналов различной модификации гидроакустическими излучателями в полосах частот 19 – 26 Гц мощностью до 10 кПа, 25 – 40 Гц мощностью до 1 кПа и 230 – 270 Гц мощностью до 3.7 кПа;
• методика измерения звуков, распространяющихся в воде, с помощью гидрофонов Bruel & Kjaer 8103 и 8104 в различных частотных диапазонах и чувствительностью;
• методика измерения основных значений метеоданных, градиентов течения в толще воды и скорости звука с помощью метеостанции MaxiMet GMX 500, профилографа ADP Sontek SY-51208 и измерителя скорости звука Valeport miniSVP и др.

К аналитическим методикам можно отнести следующие:

• методика изучения взаимодействия колебаний и волн в широком диапазоне частот в системе «атмосфера-гидросфера-литосфера»;
• изучения микродеформаций верхнего слоя земной коры широкого диапазона частот;
• методика изучения вариаций микродеформаций верхнего слоя земной коры, вызванного атмосферными процессами;
• методика изучения вариаций микродеформаций верхнего слоя земной коры, вызванного протекающими в гидросфере процессами;
• методика изучения колебаний и волн, протекающих в океане, в широком диапазоне частот;
• методика изучения вариаций атмосферного давления в широком частотном диапазоне;
• методика изучения распространения сейсмоакустических волн, распространения гидроакустических волн;
• методика изучения определение цунамигенности землетрясений;
• методика обработки экспериментальных данных.

Расчеты волн цунами в рамках нелинейно-дисперсионной теории длинных волн будут проводиться с помощью международного вычислительного комплекса NAMI-DANCE, в разработке которого принимали участие исполнители проекта. Он позволяет анализировать цунами сейсмического, оползневого и атмосферного происхождения. Этот комплекс прошел верификацию на ряде международных тестовых задач (benchmarks) и активно используется для моделирования исторических и прогностических цунами, в том числе при моделировании цунами в Тихом океане и Охотском море. Теоретические исследования, направленные на разработку моделей катастрофических волн, будут выполняться как в рамках гидродинамических уравнений (Эйлера и Навье-Стокса), полных по нелинейности, так и в рамках упрощенных моделей типа нелинейных эволюционных уравнений (Кортевега-де Вриза, Гарднера, обобщений нелинейного уравнения Шредингера и т.д.), справедливых для волн умеренной амплитуды с узким спектром.

Теоретические разработки будут вестись с использованием современного аппарата нелинейной теории волн (обратная задача рассеяния, преобразования Дарбу, алгебра Ли, преобразование годографа). Для проведения вычислений у авторов имеются различные коды: HOSM (High-Order Spectral Method), решающий уравнения Эйлера (включая трехмерные); полная по нелинейности схема в конформных переменных для планарных волн на глубокой воде; NAMI-DANCE (о котором говорилось выше), решающий уравнения теории длинных волн (как поверхностных, так и внутренних на границе раздела); быстрые псевдоспектральные коды семейств уравнений типа нелинейного уравнения Шредингера и Кортевега-де Вриза.

При исследовании волн-убийц будут активно применяться статистические методы, основанные на стохастических волновых уравнениях в рамках лучевого подхода. Последнее представляет интерес как средство выделения каустик, способствующих образованию волн-убийц в полях нерегулярных волн на двумерной морской поверхности. Предполагается использование не только общеизвестных, но и оригинальных методов.

В качестве примера можно привести итерационный метод (авторы: Petrov, Ehrhardt, Makarov, EPL, 2016) для построения численного решения нелинейного однонаправленного уравнения Гельмгольца. Этот метод позволяет корректно учитывать широкоугольные поправки к нелинейному уравнению Шредингера, что особенно актуально для рассеяния волн при прохождении через случайно-неоднородную среду.

Разделение нелинейных волновых компонент по данным прямого численного моделирования на связанные и динамические возможно с помощью метода оконной фильтрации, предложенного в работе А.В. Слюняева (A.V. Slunyaev, Effects of coherent dynamics of stochastic deep-water waves. Phys. Rev. E 101, 062214 (2020)).

Для обнаружения когерентных волновых структур в полях нерегулярных волн будет использоваться оконный метод на основе обратной задачи рассеяния (Б.В. Дивинский, Б.В. Левин, Л.И. Лопатухин, Е.Н. Пелиновский, А.В. Слюняев. Аномально высокая волна в Черном море: наблюдения и моделирование. ДАН 395, № 5, 690-695 (2004) / B.V. Divinsky, B.V. Levin, L.I. Lopatukhin, E.N. Pelinovsky, A.V. Slyunyaev, A freak wave in the Black Sea: observations and simulation. Doklady Earth Sciences v. 395A, N. 3, 438 –443 (2004); A.V. Slunyaev, Persistence of hydrodynamic envelope solitons: detection and rogue wave occurrence. Physics of Fluids 33, 036606 (2021)).

Еще одним оригинальным подходом, который планируется задействовать в проекте, является метод статистической топографии, позволяющий эффективно выделять аномально большие волны (Klyatskin & Koshel, PRE, 2015). Случайные добавки к полю скорости с заданным тензором корреляции, т.е. соленоидальные или потенциальные случайные поля скорости с заданной спектральной плотностью и известным пространственным радиусом корреляции, мы будем строить с помощью метода генерации случайных полей скорости с заданными корреляционными тензорами, разработанного ранее. Подход основан на генерации статистически независимых гармоник, обратное преобразование Фурье от которых с заданной спектральной функцией и даст двумерное или трехмерное поле скорости с заданным корреляционным тензором.