„Знанието и науката не висят на вратата.“

Особености на морското гравиметрично изследване в Северния ледовит океан.

Изследването на гравитационното поле на труднодостъпни райони на Земята напоследък става все по-неотложна задача. Най-продуктивният метод за неговото изследване в момента е въздушното гравиметрично изследване. Въпреки това, в сравнение с традиционното изследване на морската гравитация, то има два недостатъка – относително ниска точност на измерване и пространствена разделителна способност. В условията на Арктика с висока ширина и особено дълбоководната част на Северния ледовит океан, въздушната гравиметрична работа също се усложнява от дългото време на приближаване, което значително усложнява изследването. Извършване на високоточни морски гравиметрични изследвания в полярните ширини, разбира се, е актуален проблем както за геофизичните, така и за геодезическите задачи.

През 2020 г. подобно изследване на морската гравитация беше извършено от НИС Академик Федоров за трети път през последните седем години. Измерванията на нарастването на гравитацията бяха извършени на относително ниво в три области на Северния ледовит океан, за да се създадат модели на плътност на земната кора въз основа на високоточни данни за морската гравитация, получени по профилите на проекта извън 200-милните икономически зони на държавите от арктическия басейн.
Една от характерните особености на хидроложкия режим на Арктическия басейн е ледената покривка, която се запазва през цялата година и е в постоянно движение. Дебелината на леда на места може да достигне 4 м, плътността на леда е 10 бала.
Като се имат предвид тези трудни ледени условия в полярните ширини, работата беше извършена в двукорабна версия, когато ледоразбивачът „50 години Победа“ пробие канал, а научният експедиционен кораб (НИК) подсилен ледови клас „Академик Федоров“ директно проучва, следвайки канала (рис. 1).

Гравиметричната работа беше извършена с помощта на три гравиметрични комплекса от същия тип, разработени и произведени от АД Концерн ЦНИИ Електроприбор. На рис. 2 е показано разположението на гравиметрите „Папагал“ и „Чекан-АМ“ на борда на НИК „Академик Федоров“.

Рис. 1. Пилотиране на НИК „Академик Федоров“ от ледоразбивач „50 години Победа“

Рис. 2. Гравиметри „Папагал“ и „Чекан-АМ“ на борда на НИК „Академик Федоров“

Гравиметрите бяха поставени на борда на кораба в помещение, най-близо до метацентъра на кораба и оборудвани като гравиметрична лаборатория. Гравиметричните измервания се извършваха непрекъснато от момента на тръгване от пристанище Санкт Петербург до края на рейса в същото пристанище. По време на акостиране в пристанището на Кил (Германия), бяха извършени първоначални и крайни референтни наблюдения.

Морското гравиметрично изследване беше извършено в комбинация с многолъчево изследване на топографията на дъното и акустично профилиране по предварително проектирани профили.
Позиционирането на плавателния съд по профилите е осигурено с помощта на навигационния комплекс Seapath-330 с точност най-малко 50 m спрямо проектното положение. Показанията в реално време на гравиметрични сензори, жироскопични стабилизационни системи и гравиметрични системи за термостабилизация бяха записани с помощта на софтуер с честота най-малко 10 Hz.

За офис обработка на гравитационни данни, навигационната информация се записва под формата на файлове в международния формат за обмен на геофизични данни P1/90, които съдържат навигационна (ширина, дължина) и батиметрична (дълбочина на морето) информация.
Проучване на морската гравитация на борда на НИК Академик Федоров беше извършено на относително ниво от август до октомври 2020 г. в следните три зони на Северния ледовит океан (рис. 3), с обща площ от около 750 000 кв. км.

Рис. 3. Схема на завършени морски гравиметрични профили

1. Западната част на хребета Гакел, включително прилежащите части на басейните на Амундсен и Нансен.
2. Полярната част на Ломоносовия хребет, включително прилежащата част на басейна Амундсен.
3. Западната част на Канадския басейн, включително прилежащите части на възвишение Алфа Менделеев и хребетът на Северния вятър.

В допълнение към основните изследователски райони беше извършено изследване на морската гравитация в зоната на свързване на южния край на хребета Гакел с континенталния край на море Лаптев. Площта на допълнителни изследвания беше 20 000 кв. км.

Ледените условия в първия район (басейните Нансен и Амундсен, хребетът Гакел) се характеризират с наличието на двугодишен и остатъчен лед с различна степен и концентрация от 9–10 бала. Дебелината на леда в цялата област не надвишава 1–1,2 m, в хълмовете – до 1,6 m.
Ледените условия във втория район (полярната част на Ломоносовия хребет) се характеризират с наличие на двугодишен (до 2 бала) и остатъчен (до 7 бала) лед с концентрация 9–10 бала. Дебелината на леда в целия регион не надвишава 1 м, в хълмовете – до 1,5 м. Такива ледени условия направиха възможно провеждането на морски гравитационни изследвания в първия и втория район с почти постоянен курс и скорост.

Най-тежки ледови условия се наблюдават в северната част на третия район (южен склон на възвишение Алфа). Те се характеризират с наличието на големи и обширни ледени полета от стар лед с концентрация 9–10 бала с включвания на остатъчен лед с концентрация до 1 бал.
Схемата на навигация в северната част на третия район и характеристиките на леда са показани на рис. 4.

Дебелина на твърд и кохезивен стар лед в северната част на третия район достигна 3,5 метра. Движението и притискането на леда доведоха до появата на различни хълмисти образувания (хребети, прегради), което значително увеличи дебелината на ледената покривка. Движението по канала беше постоянно затруднено от преминаването на хълмове, каналът зад ледоразбивача беше пълен с големи отломки и настърган лед. При тези условия НИК „Академик Федоров“ не можеше да се движи непрекъснато и равномерно, периодично спираше в леда, в очакване да преодолее хребетите и преградите на хълмовете от ледоразбивача „50 лет Победы“ или от фрагментите на кораба. Особено труден от гледна точка на леда беше районът над южния склон на възвишение Алфа в третия район.

Така на гравиметричния галс на проектния профил CAN-04, дълъг 263 км, корабите спират 18 пъти (6 пъти ледоразбивач „50 лет Победы“ и 12 пъти НИК „Академик Федоров“), 4 пъти са направени пробиви на плавателните съдове. Средната скорост на галс беше 3,5 възела. На гравиметричния галс на проектния профил CAN-01, с планирана дължина 192 км, плавателните съдове са спирали 33 пъти, направени са 5 места за стоянка на НИК „Академик Федоров“. Средната скорост на галс беше 2,7 възела. Поради тежки ледови условия беше решено профилът CAN-01 в северната му част да бъде съкратен с 35 км.

Общо от 14 851 линейни км проучване, 7 300 линейни км беше извършено в тясно сплотен 10-балов стар и дебел първогодишен лед, 3800 лин. км – в нилов, млад и тънък първогодишен лед и само 3750 лин. км – в чиста вода. Средната скорост на кораба в тежък лед беше 3,7 възела (при минимум 2,1 възела), в млад и разреден лед – 5,0 възела, в чиста вода – 10–13 възела.

Рис. 4 Схема на навигация в северната част на 3-ти район и характеристики на леда

При гравиметричното изследване бяха отбелязани проблеми, свързани с невъзможността да се осигури равномерно и праволинейно движение на плавателния съд поради трудни ледови условия. В резултат на нарушението на движението напред на съда, качеството на записаните данни в определени участъци от профилите намалява, което се изразява в усложняване на полезния сигнал чрез ясно разпознаваема интерференция с по-ниска амплитуда и дължина на вълната (рис. 5). Анализът на получените данни даде възможност да се идентифицират два основни вида смущения поради тяхното възникване:
– „отклонение“ на плавателния съд;
– интервали на спирания и ускорения, когато корабът е хванат в лед.

Рис. 5. Пример за неправилна краткопериодична интерференция с ниска амплитуда, усложняваща формата на полезен сигнал по CAN-05 профила (фрагмент)