Полученные успехи стали возможны благодаря поддержке российского научного фонда (РНФ) и реализации государственных заданий Института прикладной физики имени А.В. Гапонова-Грехова РАН, а также усилиям специалистов ННГУ имени Лобачевского. Экспедиционные исследования, проведённые командой ИПФ РАН во главе с младшим научным сотрудником Дмитрием Костеевым, открыли горизонты новых научных подходов к изучению арктических морей. Ключевые полученные результаты были представлены в ведущих международных научных изданиях и уже находят отклик экспертного сообщества.
Почему необходимо изучать естественную морскую среду
Организация морских экспедиций — чрезвычайно сложный и ресурсозатратный процесс, однако именно полевые исследования как нельзя лучше позволяют понять сложнейшие законы, управляющие природой Мирового океана. Лабораторные модели и даже самые современные математические симуляции не способны полностью охватить всю совокупность реальных физических факторов, от которых зависит динамика воды и морских течений, свойства дна и поведения волн. Только в условиях настоящего моря можно в полной мере разобраться в этих явлениях.
Для исследования морской поверхности с высоты задействуются радиолокационные и оптические методы, а вот звук незаменим для изучения придонных процессов, поиска подводных геологических структур, обнаружения залежей газогидратов, а также организации связи с глубоководными аппаратами. Благодаря акустике возможно создавать навигационные карты, открывать месторождения сырья и отслеживать климатические процессы. Все эти данные востребованы не только в научных, но и в хозяйственных целях.
Уникальная экспедиция в Арктике: Баренцево и Карское моря
Сотрудники Института прикладной физики имени А.В. Гапонова-Грехова РАН провели один из самых масштабных экспедиционных экспериментов последних лет — во время рейса №90 научно-исследовательского судна «Академик Мстислав Келдыш» исследователи изучали динамику моря в Баренцевом и Карском морях. Эти регионы Арктики чрезвычайно важны для экономики, экологии и глобальной климатической системы планеты. Результаты экспедиции позволяют по-новому взглянуть на взаимодействие океана и атмосферы в северных широтах.
Исследования проходили на глубинах до 200 метров в мелководной полосе. Для получения максимально достоверных данных учёные применили разработанную в ИПФ РАН современную гидроакустическую антенную аппаратуру, действующую по бистатической схеме, когда излучатель звука и приёмник разделены в пространстве. Такой метод позволил эффективно разделять отражения от поверхности и от дна, что в полевых условиях ранее удавалось немногим.
Оптимизация технологий и новые сигналы
Команда ИПФ РАН впервые применила специально подготовленные локационные сигналы, которые ранее не использовались для диагностики дна Арктических морей. В мировой практике для эхолокационного зондирования часто задействуются одиночные высокочастотные импульсы (от десятков до сотен килогерц). Это обеспечивает отличный уровень детализации, однако дальность распространения сигнала в морской воде оказывается небольшой из-за быстрого затухания. Нижегородские учёные разработали компромиссный вариант — подобрав оптимальную частотную полосу и специальные типы модуляции сигнала, они повысили дальность действия без потери точности.
Такая стратегия позволила исследовать подвижные процессы морской среды более глубоко и эффективно. По итогам удалось существенно поднять разрешающую способность методов, сделать диагностику дна и волновых процессов более достоверной.
Первые достоверные данные о брэгговском рассеянии в морских условиях
Одним из главных достижений экспедиции стало первое в мировой практике надёжное экспериментальное подтверждение так называемого эффекта Брэгга — усиления акустического рассеяния на периодически волнистой поверхности, возникающего за счёт конструктивной интерференции звуковых волн. До сих пор этот феномен удавалось наблюдать только при искусственно созданных условиях: на чрезвычайно низких частотах и при почти полном отсутствии волнения. В новом методе, внедрённом группой из ИПФ РАН, эффект был выявлен даже в сложной реальной среде — в Баренцевом и Карском морях, в условиях естественного волнения и сложного рельефа дна.
Это открытие открывает путь к реализации принципиально новых подходов в гидроакустике — для удалённого мониторинга состояния воды и детального картирования придонных структур. Подобные методы востребованы для задач судовождения, разработки морских месторождений полезных ископаемых, прогноза климатических изменений и изучения биоразнообразия Мирового океана.
Моделирование и оценка структуры морского дна
Современная Арктика всё ещё остаётся малоизученной, особенно если речь идёт о рельефе и составе морского дна. Из-за недостатка детальных карт невозможно точно настраивать полевые акустические программы, а стандартные методы моделирования часто не находятся в согласии с реальностью. В ходе проекта был разработан оригинальный подход: специалисты лаборатории виброакустики ИПФ РАН под руководством Дмитрия Костеева предложили алгоритмы параметризации рассеяния звука морским дном с помощью одного настраиваемого коэффициента. Это позволило быстро и с высокой точностью сопоставлять реальные наблюдения с расчетными моделями, а значит — строить более надёжные акустические карты для арктических морей.
«Дно моря может сильно отличаться не только по высотам, но и по составу осадков, поэтому анализ акустических данных требует умелой настройки моделей. Наш метод параметризации оказался простым, но очень эффективным — он действительно облегчает работу с большими объёмами информации о морском дне», — делится впечатлениями Дмитрий Костеев.
Вклад в науку и перспективы для Арктики
Экспедиции, проведённые при поддержке РНФ, показали, что отечественная наука может на практике решать задачи мирового уровня. Соединение инновационной гидроакустики, оригинальных алгоритмов и полевого эксперимента принесло уникальные результаты, которые окажут влияние и на будущие фундаментальные, и на прикладные исследования океана. Работа коллектива Института прикладной физики имени А.В. Гапонова-Грехова РАН, научного коллектива ННГУ и молодого исследователя Дмитрия Костеева ярко демонстрирует, как возможно открывать законы природы Арктики, способствуя прогрессу и развитию и науки, и инженерной мысли России.
Новые методы диагностики морского дна и поверхности, подтверждение эффекта Брэгга в реальных условиях, а также технологии параметризации характеристик донных осадков — всё это становится ценным инструментом для будущих экспедиций, мониторинга природных процессов и развития судоходства на Северном морском пути. Арктические исследования с каждым годом приобретают всё большее значение, и российские научные коллективы уверенно заявляют о себе на мировом уровне.
