Исследования на морской экспериментальной станции МЭС "Мыс Шульца" (Чупин)
- пополнить ранее созданную базу экспериментальных данных вариаций уровня микродеформаций земной коры, микроколебаний атмосферного давления и температуры, направления и скорости ветра, вариаций давления и температуры гидросферы, а также данных о поверхностном волнении моря за 2023 год;
- обеспечить непрерывную работу сейсмоакустико-гидрофизического комплекса на морской экспериментальной станции м. Шульца, состоящего из трех береговых лазерных деформографов, лазерного нанобарографа, лазерного измерителя вариаций давления гидросферы, метеостанции, системы точного времени, аппаратно-программного вычислительного комплекса, вспомогательной гидрофизической и геофизической аппаратуры;
- исследовать пространственное распространение энергетических характеристик гидроакустических волн и упругие характеристики верхнего слоя морской земной коры с помощью аппаратно-программного комплекса, состоящего из береговых лазерно-интерференционных систем и гидроакустических излучателей;
- классифицировать инфразвуковые и низкочастотные звуковые процессы природного и антропогенного происхождения, регистрируемые лазерно-интерференционным комплексом;
- развить дистанционный метод мониторинга тропических циклонов (тайфунов) с оценкой энергетических параметров генерируемых процессов.
- развить деформационные методы определения цунамигенности землетрясений;
- изучить физику возникновения и динамики деформационных возмущений диапазона «голоса моря». Возникающих в результате взаимодействия региональных ветровых волн и волн зыби, генерируемых тайфунами;
- исследовать распространение гидроакустических волн в зоне перехода геосфер «гидросфера-литосфера» с помощью низкочастотных гидроакустических излучателей, береговых лазерных деформографов, лазерных измерителей вариаций давления гидросферы.
- проведение профилактических работ береговых лазерных деформографов и лазерного нанобарографа, установленных на м. Шульца.
- выполнение замены и модернизация электронных и оптических элементов лазерно-интерференционных систем.
- установка лазерных измерителей вариаций давления гидросферы, лазерных гидрофонов на шельфе Японского моря вблизи м. Шульца с организацией сбора полученных экспериментальных данных на береговом посту наблюдения;
- получение экспериментальных данных вариаций гидросферного давления, гидрометеорологических данных при стационарных постановках в бухтах залива Петра Великого;
- проведение круглогодичных метеорологических наблюдений;
- испытание новых и модернизированных береговых измерительных устройств;
- установка вспомогательных измерительных устройств;
- выполнение непрерывных синхронных измерений микродеформаций земной коры, вариаций атмосферного давления лазерно-интерференционными методами и последующее пополнение существующей базы данных;
- изготовление прототипов новых приборов, проведение испытаний и экспериментов;
- проведение работ по излучению гидроакустических сигналов;
- проведение экспериментов по синхронному приёму гидроакустических сигналов береговыми лазерными деформографами, сейсмографами и лазерными измерителями вариаций давления гидросферы;
- проведение сейсмоакустического мониторинга волновых полей системы «атмосфера-гидросфера-литосфера»;
- развёртывание дополнительных помещений берегового измерительного комплекса, модернизация существующих подземных и надземных помещений.
В течение года проводилась дефектовка и замена некоторых конструктивных элементов лазерных деформографов. В качестве технических работ на лазерных деформографах выполнялась замена источников лазерного излучения, проводилась разборка и замена креплений световодов.
Произведена двухсуточная постановка измерительной станции на о. Русский с целью оценки сейсмического фона.
Выполнены практически непрерывные измерения микродеформаций земной коры лазерными деформографами в пассивном режиме на экспериментальном измерительном полигоне, включающем в себя регистрацию вариаций микродеформаций земной коры тремя лазерными деформографами, микроколебаний атмосферного и гидросферного давлений в частотном диапазоне от 0 до 1000 Гц, вариаций температуры в прибрежной части во время работы измерителей вариаций давления гидросферы, метеорологических параметров с пополнением ранее созданного банка экспериментальных данных на полигоне МЭС «м. Шульца». Общий объем собранных первичных данных составил более 1 Тб.
Выполнялись работы по установке лазерных измерителей вариаций давления гидросферы в бухте Витязь на разных глубинах с целью оценки коэффициента влияния давления водяного столба на измерительный элемент лазерно-интерференционного прибора на основе стандартизированных измерительных устройств.
Выполнена станция измерений вариаций гидросферного давления в б. Новик.
Выполнена разработка плана и подготовка к созданию берегового лазерного деформографа на МЭС «о. Попова».
В б. Витязь выполнена станция измерения вариаций гидросферного давления с использованием связки лазерного измерителя вариаций давления гидросферы и профилографа. Получены данные приливных, сейшевых и ветровых волн. Выполнен предварительный анализ полученных экспериментальных данных
Зарегистрированы новые периоды генерации инфразвуковых колебаний, а также акустические отклики в акватории Японского моря, связанные с прохождением тайфунов.
В процессе обработки значительного объема архивных данных береговых лазерных деформографов продолжилась апробация деформационного метода определения степени цунамигенности подводных землетрясений.
В 2023 г. на МЭС ТОИ ДВО РАН «м. Шульца» в составе лазерно-интерференционного измерительного комплекса в режиме практически непрерывного измерения вариаций деформаций земной коры работали три стационарных береговых лазерных деформографа. Два лазерных деформографа с длиной измерительной базы 52, 5 м ориентированы под углом 18 относительно линии меридиана и направлены по одной оси («север-юг» – СЮ) и один лазерный деформограф с длиной измерительного плеча 17,5 м, имеющий ориентацию 110 относительно той же линии («запад-восток» – ЗВ). Угол между измерительных плеч деформографов составляет 92° Для измерения вариаций атмосферного давления в непрерывном режиме измерения работал лазерный нанобарограф. Лазерный нанобарограф установлен в защищенном отдельном помещении. 30 июля 2022 г. в открытой части Японского моря установлен лазерный измеритель вариаций давления гидросферы (ЛИВДГ). ЛИВДГ был установлен ориентировочно в 200 метрах от берегового измерительного комплекса на глубине 20 м в точке с координатами 42°34’43,7’’N, 131°09’17,4’’. Время непрерывной работы составило 40 суток. Весь период работы экспедиционного отряда проводился преимущественно непрерывный мониторинг метеорологических параметров (температура, скорость и направление ветра, давление, влажность), регистрация явлений различного характера (природные, техногенные) для изучения их влияния на различные деформационные процессы, развивающиеся в литосфере. Все данные, полученные измерительным комплексом, сохранены в банк данных, находящимся в ТОИ ДВО РАН. На рисунке 1 приведено схематическое расположение основных лазерно-интерференционных измерителей.
Рисунок 1 – Схема расположения лазерно-интерференционного измерительного комплекса на МЭС ТОИ ДВО РАН: 1 – лазерный деформограф «север-юг», 2 –лазерный деформограф «запад-восток», 3 – лазерный нанобарограф, 4 – лазерный измеритель вариаций давления гидросферы, 5 – лабораторное здание.
В начале 2023 года были проведены профилактические мероприятия всех лазерно-интерференционных систем береговых лазерных деформографов. Проверены крепления и целостность юстировочных узлов, источников излучения, уголковых отражателей. Проведены работы по проверке креплений и смазке стоек лучеводов, состоящих из герметичных металлических труб. Выполнена настройка и калибровка систем регистрации при механическом внешнем воздействии на фундамент деформографов. Выполнены мероприятия по проверке оптической части интерферометров. Часть интерферометров обслуживалась в лабораторном помещении отряда. В результате выработки ресурса лазеров на некоторых приборах производилась их замена с полным разбором конструкции лучеводов лазерных деформографов.
На МЭС ТОИ ДВО РАН «о. Попова» проведена подготовка к созданию установки береговой лазерный деформографа с длиной измерительного плеча 15-17 м. Проведена разработка плана работ и закупка некоторых материалов.
На о. Русский на побережье б. Полонка бухты Новик выполнена установка и обеспечена работа двухсуточная работа мобильного лазерного деформографа с целью перспективного исследования фоновых геофизических шумов, отработки методики постановки мобильных лазерных деформографов, исследования синхронных записей пространственно-разнесенных лазерных деформографов. Деформограф во время работы показан на рисунке 2.
Рисунок 2 – Мобильный лазерный деформограф на о. Русский
В процессе стационарной постановки ЛИВДГ были выделены нелинейные гидрофизические возмущения типа «одна сестра», «две сестры», «три сестры». возникновение которых связано, по-видимому, с взаимодействием гидрофизического волнового поля в гравитационном диапазоне и возмущений в инфрагравитационном диапазоне. На рисунке 3 показана динамическая спектрограмма записи ЛИВДГ за период 3,5 месяца.
Рисунок 3 – Динамическая спектрограмма ЛИВДГ в диапазоне морского волнения
На рисунке 4 показаны примеры записи нелинейных гидрофизических возмущений.
Рисунок 4 – Примеры записи одиночных нелинейных гидрофизических возмущений ЛИВДГ
Анализ синхронных данных лазерного деформографа и лазерного нанобарографа с синхронными записями ЛИВДГ подтверждает, что одиночные нелинейные гидрофизические возмущения на фоне регулярных морских волн возникают при появлении в этом районе квазигармонических солитоноподобных одиночных, двойных или тройных сигналов с основными инфрагравитационными периодами около 5.5, 5.0, 4.5, 3.5 и 2.5 мин большой амплитуды.
Постановки ЛИВДГ на разных глубинах совместно с гидрологическими зондами позволили рассчитать коэффициент преобразования данных ЛИВДГ при регистрации морских волн с периодами от нескольких секунд до десятков минут. На рисунке 5 приведены синхронные записи лазерного измерителя вариаций давления гидросферы и профилометром.
Рисунок 5 – Синхронные записи ЛИВДГ (красный) и профилометра скорости звука Valeport Mini SVP
После оценки амплитуд колебаний давления, вызванных морским давлением, были рассчитаны средние значения коэффициентов пересчета для каждой из глубин. В результате расчетов мы обнаружили, что с увеличением глубины значение коэффициента преобразования также увеличивается, но не по линейному закону. Так, для глубины 5 м он составляет 11,6 Па/В, для глубины 7 м - 28,1 Па/В, а для глубины 8 м - 38 Па/В. Полученные результаты позволяют рассчитывать амплитуды морских волн в экспериментальных исследованиях с использованием ЛИВДГ.
По результатам обработки данных лазерного деформографа было установлено, что связь между зарегистрированными деформационными аномалиями и смещением морского дна в очаге цунами в районе Японских островов сходна с аналогичной связью, обнаруженной ранее в других регионах Земли (Индонезия, Латинская Америка, западное побережье Северной Америки). Этот результат позволяет утверждать, что подобная зависимость должна быть характерна для любого региона Земли. На рисунке 6 показан один из результатов регистрации цунамигенного землетрясения лазерным деформографом.
Рисунок 6 – Фрагмент записи цунамигенного землетрясения лазерным деформографом и его динамическая спектрограмма.
Запись лазерного деформографа (синий), линия тренда (красный).
При этом величина деформационной аномалии, возникшей в очаге цунами, уменьшается, почти по сферическому закону, с удалением от эпицентра землетрясения. Такое поведение деформационных аномалий, порождающих цунами, характерно и для других регионов Земли, что свидетельствует об универсальности этого явления. Учитывая точность измерения смещений в основании лазерного деформографа, равную 10 пм, можно утверждать, что лазерный деформограф способен зафиксировать смещение морского дна в очаге формирования цунами на расстоянии 20 000 км (половина длины экватора), равное примерно 2 мм.
При прохождении тайфунов в Японском море генерируются инфразвуковые колебания в диапазоне 6-12 Гц, трансформирующиеся в микросейсмические колебания, регистрируемые лазерными деформографами. Исследована динамика изменения широкополосного спектра сигнала, генерируемого проходящим атмосферным вихрем. На рисунке 7 показана траектория перемещения вихря тайфуна, а на рисунке 8 приведены динамические спектрограммы и спектр участка записи в соответствии с обозначениями рисунка 7.
Рисунок 7 – Траектория тайфуна Хиннамнор, совмещенная с изображениями, сделанными спутником “Himawari-8” в видимом диапазоне
Рисунок 8 – Динамические спектрограммы в диапазоне инфразвуковых волн «голос моря»: а) лазерный деформограф «север-юг» 52,5 м, б) лазерный деформограф «запад-восток» 17,5 м, в) спектр участка записи лазерного деформографа «север-юг» в период максимального проявления сигнала в 19:00.
По результатам данных измерительного комплекса было определено, что понижение категории опасности тропических циклонов, которые приводятся в официальных источниках информации, производится значительно раньше, чем это происходит в действительности. Это может быть связано с выходом опасных циклонических процессов из зоны ответственности за наблюдения тех метеорологических агентств, которые предоставляют информацию в международные базы данных.
В результате исследования колебательных процессов, вызываемых прохождением тропических циклонов вблизи дальневосточного региона Российской Федерации, выявлены аномальные волны зыби, предшествующие входу в акваторию Японского моря тайфуна, которые можно характеризовать, как предвестники тайфуна. Результаты наблюдения получены с использованием данных лазерно-интерференционного измерительного комплекса, выполняющего синхронные непрерывные измерения вариаций колебаний во всех геосферах. При анализе натурных данных лазерного измерителя вариаций давления гидросферы удалось рассчитать область формирования основной группы волн, порожденных перемещающимся тайфуном, и локализовать область генерации волн-предвестников, а также описать механизмы их формирования и распространения.
Рисунок 9 – Рис. 1. Спектрограмма лазерного измерителя вариаций давления гидросферы (а) и его синхронные данные с данными лазерного нанобарографа (б) на фоне траектории перемещения тайфуна Хиннамнор.
