Введение к работе
- J -
Актуальность
Настоящая диссертация представляет собой обобщение многолет-их исследований автора в области полярной океанологии, геофизики ледотехники. Особое внимание уделялось исследованию динамиї.н орскнх льдов, обусловленной взаимодействием океана и атмосферы и вляющейся источниками многих геофизических процессов на 3' иге. В вяэи с этим морские льды рассматриваются как часть терме іьн"нп-еской системы, являющейся одним из клинатообразующих фак зров. С ругой стороны, при освоении природных ресурсов в шельфопнх морях рктики человек встречается с необходимостью решения множества едотехнических задач. Сукохоцсг>"о во льдах, воздействие льда, на нженерные сооружения, устройство дорог и аэродромов >!.. льду н .п. требуют знания механических характеристик льда и ледяного окрова и особенностей его поведения при нагружении. Поэтому, вы-вление механизмов и закономерностей динамических процессов в «стене воздух-лед-вода способствует как разработке методов прог-оэа ледовых явлений, гак и решению инженерных задач. В этой свя-н особое значение приобретает получение полной и достоверной ин-ормации о динамических процессах, происходящих в ледяном покро-
Q .
Исследования, разулг тати которых обобщены в Диссертации, вы-элнялись в Арктическом и антарктическом научно-исследовательском нституте и тесно связаны с научно-исследовательскими разработка-I по ведомственным программам и планах НИОКР Росгидромета, Госу-зретвенной научно-технической программой "Мировой океан" (в неспящее время "Комплексные исследования окелнов и морей, Арктики и итарктики"),, Научно-технической программой "Исследование природах условий полярных областей" и Планом фундаментальных и поиско->іх научно-нсследовлгельских работ ПЩ РФ ААШ1И.
История п современное состояние вопроса
Изучению строения морского ледяного покрояа и возникающих в ;м динамических процессов уявлялось большое внимание в связи с ('доходствои по Северному морскому пути. Здесь особо следует от-этить работы большой группы учених Арктического и Лнтарктическо-5 научно-исследовательского института В .Е.Бородачева , А.В. Ьушу-
ona, Б.Л. Воеводина, З.М. Гудковича, Ю.А.Горбунова, И.Д. Карелі на, И.Ю. Кулакова, А.П. Легенькова, СМ. Лосева, Л.А.Тииохов Д.Є. Хейсина и др., разработавших теоретические и инструментал ные нетоды исследований пространственной изменчивости дрейфа ль, и его распределения, влияния синоптических условий на изменен сплоченности, появление разрывов, образование полигоналкні структуры и т.п. Физико-механические свойства морских льд представлены п работах В.D.Богородского, В.П. Гаврило, А.Р. Гуо ва, и.К. Попова и др., использовавиих радиофизические и гидро. кустические методы исследования.
В настоящей работе под динамическими процессами в порскі льдах понимается физика и механика деформирования- и разрушен! льда, механические колебания и ролны, вызванные действием воэм; щающих внешних сил, сил тяжести, внутренних сил упругости и др' гих активных и диссипативных факторов. В такой постановке комі лексно рассматриваются как геофизические задачи, так и их физі ческие и технические аспекты. В этом случае в іеорию динаиическі процессов включаются следующие задачи:
физика образования и распространения сквозных трещин в лі дяных полях;
формы разрушения ледяных полей при торошении;
упругие волны в ледяных полях;
гравитационные волны (поверхностные и внутренние) в норі покрытом льдом;
механизмы взаимодействия дрейфующих ледяных островов айсбергов с морским льдом;
- пропахивание морского дна килями торосов и айсбергов.
История изучения процессов деформирования и разрушения морі
ких льдов начиналась, по-видимому, со времен освоения Севері когда мореплаватели на деревянных судах уходили от штормов дрейфующие льды, где волны гасились льдон. Научную основу и наті натическое описание динамических процяссоп впервые приводит своей работе А.Гринхалл (1887). Он рисспотрел зависимость фазові скорости иэгибных волн от волнового числа. Первые эксперименты і распространение упругих волн во льду провепи Н.юинг и А.Крэ] (1934). В морских льдах Арктики К.Ханкиис (1960) впервые примет сейсмические методы исследований волновых процессов.
Эксперименты с одновременным измерением деформаций от стат
еских и движущихся по льду нагрузок проводились с целью опреде-ения несущей способности ледяного покрова в 1942-1943 гг., когда о льду Ладожского озера проходила "Дорога жизни", связывавшая локадный Ленинград с "Большой землей" . В военных условиях ученые изико-Техннческого института определяли безопасные варианты дви-ения автомашин по льду. Результаты работ указывали на no3HO)f-ость пролома льда при совпадении скоростей автомашин и свободней ряпитационной волны в озере. Здесь следует отметить ра'оты .Е.Иванова, П.П.Кобеко и А.Р.Шульмана (1946); М.К. Калл скиго, .С. Песчанского (1964) и др.
Д.Е.Хейсин (1967) достаточно полно изложил матема ічєскую еорню волновых процессов, развивающихся в ледяном покрове под ействиен сил тяжести, внутренних сил упругости, сил гидрлдинами-ёского давления и воэмущаоцих внешни): сил.
Теория деформирования и разрушения ледяных полей изгибом при :*атии морских, льдов хорошо описывает процессы торосообразования И.И.Зубов,1944; Р.Пармертер и М. Кун,1972; Л.А. Тнмохов и Д.Е. ейсин,19П7).
С.А.Вершинин (1937) исследовал проблему деформирования и аэрушения льда вблизи гидротехнического сооружения. Им разрабо-аны модели механики макрора^рушений и деформаций морского льда ак материала и ровных ледяных полей при статических и квазиста-ических силовых вэаинодейстьиях с сооружениями континентального ельфа. Различные аспекты применения неханики разрушения тел с рещннами для описания процессов разрушения ледяного покрова приели к работам по трещииостойкости льда (Р.В. Готьдптенн и Н.М. сипенко, 1983).
Зарубежные ученые применяют инструментальные негоды для нзу-ения морского ледяного покрова и динамических процессов в нем с елью решения проблемы воздействия льда на сооружения шельфа. десь сладует отметить работы К.Кросдейла, р.фредеркинга, П.Во-амсл, Д. Бляншв и др.
Анализ состояния проблемы показывает, что в настоящее время гсутстпует обобщенная экспериментально и теоретически обоснования модель деформирования и разрушения лодяного покрова в завмеи-ости от сил гидрометеорологического характера различного масшта-а. (от единиц метров до десяткоз и сотен километров). Эго обус-
- б -
ловлено следующими причинами:
многообразием и сложность» физическо-механических процес сов разрушения ледяных полей при взаимодействии друг с другой и препятствиями;
недостаточным уровнем развития теоретических основ нехани ки льда, отличающихся нестабильно
отсутствием сведений о детальных механизмах воздействия н ледяной покров колебательных и волновых процессов со стороны ат мосферы и океана;
малым объенон сведений о физике образования полигональної структуры трещин и разводий в ледяной покрове и образованием пі этой причине блокового строения ледяного покрова.
Реальные научные и технические предпосылки комплексного ре шения задачи создания измерительных устройств и проведения с и: помощью натурных экспериментов и наблюдений за физическими процессами деформирования и разрушения морских ледяных полей позволили развернуть в ДАНИИ с ведущий участием автора работы по изучению физико-механических/ динамических процессов и закономерностей различного пространственно-временного масштаба во льдах Арктики и Антарктики.
Целые работы является установление закономерностей физики t механики сформирования и разрушения ледяного покрова в зависимости от гидрометеорологических условий. Для решения этой цвт были поставлены следующие задачи:
провести эксперименты и наблюдения за процессами деформирования и разрушения морских ледяных полей;
разработать методы физического моделирования сбросов напряжений, а также колебаний и волн во льду как одного из основные показателей процесс», деформирования и разрушения ледяного покрова;
обобщить данние по физике колебаний и волн на основе модельных экспериментов;
выявить причинно-следственные связи динамических процессоЕ с гидрометеорологическими условиями;
разработать методы и соответствующие измерительные приборь для контактных измерений дефорнативных характеристик льда in situ
Нотодм исследования основаны на фундаментальних положениях механики разрушения, физики колебаний и волн и теории взаимодействия атмосферы и океана. Основное внимание было уделено разработке экспериментальных методов исследования напряженно-деформированного состояния ледяного покрова, изучению основных форм в'З разрушения и природы образования колебательных и волновых промг.с-сов в системе атмосфера- ледяной покров- океан- земная корі.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые обобщены закономерности физико-механических процессов в ледяных полях, основанные на физических представлениях механики разрушения, согласующихся между собой и дополняющих друг друга.і результате которых были решены важные научные и практически*» задачи.
1. Проведен комплекс исследований механики деформирования и
разрушения ледяных полей в их естественном состоянии, при этом
выявлены и изучены неизвестные ранее следующие физические законо
мерности:
сбросы механических напряжений, характеризующие реакцію ледяного покрова на образование разрывов и сдвигов с трением;
эффект возникновения автоколебательных процессов при сжатии морских льдов, сопровождаемый периодическим деформированием, микроподвижкаки ледяных полей и излучением упругих волн.
-
Обобщены лампы» по физике колебаний и волн в ледяном покрове; на основе модельных экспериментов для иэгибно-гравитацион-ннх волн во всем частотном диапазоне построены дисперсионные кривые; это дало возможность из общего спектра виделить кваэигармо-нические автоколебания, ответственные за ключевые динамические процессы.
-
При экспериментальных исследованиях иэгибных колебаний подяного покрова Северного Ледовитого океана обнаружены ранее неизвестные прогрессивные гравитационные_ волны с периодами до 30 минут и фазовыми скоростями распространения 0.5-2 м/с; показано, что это явление возникает в результате воздействия внутренних волн океана на ледяной покров.
-
Выявлены механические колебания в системе ледник-айсберг-морской лед-дно; деформации и разрушения льда при этом свидетельствуют о возникновении крупномасштабных автоколебательных процес-
сои; эти данные позволяют в перспективе создать модель явления организовать соответствующий мониторинг.
практическая значимость результатов диссертационных иссл< дований заключается в разработке методов наблюдений за механизм, ни разрушения льда я возможности использования этих результатов проектных организациях Министерства Газовой и Нефтяной промышие, пости России (Арктикморнефтегпэразводка, СахПИПНморнефть, ЬКІІПІ морнефтегаз), а также г> контрактах с зарубежными компаниями (S'I7 TOIL, Норвегия; AMOCO, США).
Результаты исследований могут быть также использованы:
для определения механических характеристик, льда in siti необходимых для иихшиерных расчетов (например, в задачах несуще способности, п оценке глобальных ледовых сил и др.);
при анализе колебательных и волновых процессов в снетег* ледники-айсберги- морской лед-дно, позволяющих обосновать необхс димость учета циклических ледовых нагрузок и возможность появлє ния резонансных аффектов;
для совершенствования теоретических моделей ледовых прог ноэов и повышения безопасности эксплуатации ледостойких платформ
Яичный вклад автора определяется тем,что во всех эксперимен тальных исследованиях автор участвовал в постановке задачи, в на турных измерениях, в обработке полевых данных и анализе реэульта тов. Автор диссертации впервые сформулировал основные положени по физике сброса напряжений в ледяных полях, по эффекту крупно масштабных автоколебательных процессов, по явлению медленных вол на поверхности океана, а также принимал участие в развитии кон цепции исследования физико-механических динамических процессов морских льдах, чго отразилось в постановке соответствующих окспе днционных программ.
Автор являлся ответственным исполнителем проірамиьі ледовы работ в 10 Советской Антарктической экспедиции, на дрейфующи станциях "Северный Полюс" (СП-20, СП-23, СП-24, СП-?8), в морски экспедициях в Арктику и Антарктику, являлся одним из авторо программы по исследованию морского льда на Российско^американско дрейфующей станции "Уэдделл-1", под его руководством и при ег участии проводились работы по контрактам как с российскими, так
зарубежными компаниями.
Яз защиту выносятся следуизие положения:
-
Модель сброса напряжений в «эрском ледяном покрове. Сбгс-ы напряжений характеризуют механику разрушения льда и явтяптся чзгом упругих поли.
-
Физическое моделирование изгибно-гравитационных оля в атурных условиях, являеицихся основными показателями процессов орошения морских льдов.
і. Физико-нежаническая модель автоколебаний в сплошігсм ладя-ort покрове. Яри сжатии сплоченных корских льдов возникает перио-нческое деформирование ледяных полей, сопровождаемое изгибами и ериодическиии сдвиговыми подвижками по трещине с трениеи.
-
Классификация свободных поверхностных волн в морских ьдах Арктики и Антарктики. Поверхностные волны распространяются з штормовых районов на открытой зоде, возникают в зонах иитеи-пяного сжатия и торспеїпія порских льдов, а также образуются при брушении ледников в коре и разруиении айсбергов.
-
Экспериментальное обнаружение и теоретическое обоснование $фекта прогрессивных воли на поверхности Северного Ледовитого кеана, обусловленного воздействием внутренних воля океана на ле-яной покров f"медленные' волна").
Клробахпш работы
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались s симпозиумах, конференциях, совещаниях и пколах, наиболее зна-пелыше из которых состоялись в период 1970-1996 гг. в зскве (ИЛИ АН CCCPJ, Ялте {I съезд советских океанологов), Фрун-s flFP3 АН СССР), Санкт-Петербурге (НАО-95. Р0ГАЯТХСН-9«) и Се-їстополе СИГИ АН УССР). Кроме того, результаты исследований по эке диссертации автор непосредственно представлял эа рубежом: на гмииаре а Полярно» Институте Скотта (Кембридж, 1991); на Кежду-їродной конференции по яедозын проблемам; в гзельфовых районах -ЗОРЕ (Эдинбург, 1991J; на международной симпозиуме - РОАС (Ган-грг, 1993 г.); на международном симпозиуме - IAHR (Тронхейн,
1994 г.); на совещании рабочих групп Американских Инженеров ОНА1 (Хьюстон, 1994, Анкоридк, 1995).
Целиком диссертация докладывалась на совнестнои заседаниі двух секций Ученого совета ГНЦ РФ ЛАНИИ (секции океанологии и ле-доведения и физико-технической секции).
публикации.
Общее количество научных работ по теме диссертации (единолично и в соавторстве) составляет 50. Из них основных, приведенных в конце текста доклада - 30, в тон число монография, 7 зарубежных публикаций и 4 авторских свидетельства на изобретения.