«комплексные и междисциплинарные исследования полярных районов»

Вид материала

Тезисы

Содержание С.В. Музылев T – период сейши с номером n Анализ стратификации водной толщи Западно-Арктического бассейна. Сценарная оценка изменений водных ресурсов в бассейне р. Лены Моделирование динамики русла реки, протекающей в многолетнемерзлых породах. Русловые деформации рек, протекающих в условиях криолитозоны, при повышении температуры окружающей среды (математичсекое и лабор Институт водных проблем РАН Флуктуации поверхностей над подледниковыми озерами в Антарктиде Сульфаты в снежно-фирновых кернах позднего голоцена в районе станции Восток

Подобный материал:

• Тезисы докладов будут размещены на сайте конференции, 22.56kb.
• Э н. профессор Третьяк О. А. Программа, 24.72kb.
• С. В. Козенков Член оргкомитета, 162.66kb.
• Тезисы докладов научной конференции «математические модели сложных систем и междисциплинарные, 669.46kb.
• Мультипрайм исследования Candida, 33.71kb.
• Основой маркетинга являются комплексные маркетинговые исследования, 243.67kb.
• 22 сентября лекция «Туризм и спортивный туризм», 35.71kb.
• Отчет 211 с., 2 ч., 338 источников. Ключевые слова: философское антиковедение, междисциплинарные, 4947.02kb.
• Феномен ядерной энергии: духовно-гуманитарно-прагматичный взгляд, 151.11kb.
• I научная конференция, 34.22kb.

Теоретические и натурные исследования сейшевых колебаний в озере под ледяным покровом (на примере оз. Валлунден, фиорд Ван Майен, Шпицберген)


С.В. Музылев¹, А.В. Марченко ², Е.Г. Морозов<sup>1

1</sup>Институт океанологии РАН

²Институт общей физики РАН


Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН на базе Университетского центра Свальбарда (Норвегия) при активном участии Института общей физики РАН, Института географии РАН, ААНИИ, МФТИ и ЦНИИ им. акад. Крылова с 2007 года проводит регулярные летние и зимние комплексные экспедиционные исследования в фиордах Шпицбергена. Целью таких исследований является изучение гидрологических, гидрофизических и ледовых процессов, которые могут оказывать влияние на прибрежную инфраструктуру и судоходство в Арктическом бассейне. Полевые исследования проводились в окрестностях «столицы» Свальбарда, г. Лонгирбайерна, и вблизи норвежского шахтерского поселка Свеа.

До начала очередного этапа натурных исследований проводились активные теоретические изыскания, которые в дальнейшем служили основой для экспедиционных работ. В частности, выяснилось, что к моменту начала работ не существовало развитой теории волновых движений в покрытом льдом море. Задача о влиянии ледяного покрова на волны и течения в реках и морях является весьма сложной и практически не изученной. Теоретическое описание волновых движений в океане с учетом рельефа дна, береговых границ, вращения Земли и стратификации вод является классической проблемой геофизической гидродинамики. Однако в большинстве широко известных монографий по волнам в океане нет даже упоминания о возможном влиянии ледяного покрова на такие волны. Вероятно, это связано с тем, что для корректного учета ледяного покрова требуется привлечение не только гидродинамических подходов, но и методов теории упругости, что существенно затрудняет исследования. В связи с этим были разработаны основы теории волновых движений в ледовитых морях (С.В. Музылев, Волны в океане под ледяным покровом: основы теории и модельные задачи. «Современные проблемы динамики океана и атмосферы», М., "Триада, ЛТД". 2010. С. 315-345).

В докладе в качестве одного из характерных примеров развитого подхода детально рассматриваются сейшевые колебания в озере Валлунден (77.88 N, 16.75 E) – озере, длиной 1300 м, шириной 800 м и глубиной 10 м. В летний период озеро соединяется проливом с фиордом Ван Майен, длина пролива 100 м, ширина 15 м, глубина 2 м. Зимой пролив промерзает до дна. Полусуточные приливы в озере имеют явно выраженную асимметричную форму. Во все сезоны в озере наблюдались четкие сейшевые колебания с периодом около 3 мин. Было получено обобщение классической формулы Мериана для периода сейш в покрытом льдом озере. В длинноволновом пределе эта формула имеет следующий вид:




где T – период сейши с номером n, L и H – длина и глубина озера соответственно, B – цилиндрическая жесткость (или жесткость при изгибе) льда, Q – коэффициент сжатия льда, M - коэффициент плавучести льда. Волновое число , частота . Согласно полученным результатам натурных измерений, добротность спектра сейшевых колебаний в зимний период гораздо выше, чем в летний, что связано с фильтрацией льдом поверхностного волнения.

Анализ стратификации водной толщи Западно-Арктического бассейна.


Е.А. Сухих, М.Д. Хуторской

Геологический институт РАН


Изучение гидрометеорологических особенностей Баренцевоморского региона показало, что этот район является одним из наиболее информативных при выявлении климатической изменчивости, т.к. располагается в пограничной зоне Атлантического и Северного Ледовитого океанов. Таким образом, появляется возможность оценить термохалинные импульсы, идущие как со стороны Атлантики, так и из полярных областей. В западной части Баренцева моря встречаются наиболее контрастные по своим характеристикам атлантические и арктические водные массы, формируя зону полярного фронта, выраженную не только в океане, но и в атмосфере.

На основе измерений температуры водной толщи, выполненных в ходе 25-27 рейсов НИС «Академик Николай Страхов», были построены двухмерные профили и 3D-модели температурного распределения в водной толще для различных районов акватории арх. Шпицберген. Анализ профилей позволил выявить как основные особенности, характерные для морей Арктического бассейна (осенне-зимняя присклоновая конвекция, влияние рельефа дна, отепляющее действие глубинного теплового потока Земли), так и стратификационные черты, присущие только фронтальным зонам Баренцева моря (круглогодичное отепляющее действие атлантической водной массы, отсутствие зимней квазиизотермии, наличие значительных температурных градиентов в зонах контакта атлантических вод с арктическими, присклоновыми или баренцевоморскими водами).

По имеющимся данным было проведено изучение изменчивости теплосодержания в сезонном и межгодовом временных масштабах. Анализ нескольких станций, выполненных в 25 и 27 рейсах на полигоне «трог Орла», при практически идентичном широтно-долготном положении выполненных станций, указал на значительную положительную температурную аномалию в промежуточном слое атлантических вод в 2007 году.

Изучив состояние арктических льдов и атмосферной циркуляции на территории Европы (кол-во осадков, температура) в данный период, можно было сделать вывод о ведущей роли теплосодержания океана в климатической системе (однако при наличии множества прямых и обратных связей и взаимообусловленностей).

Описаны причины изменчивости теплового состояния атлантических водных масс, поступающих в Северо-Европейский бассейн в системе течений. Для этого была проанализирована структура водной толщи Северной Атлантики, выявлены основные типы водных масс и направления циркуляции (на основе ряда исследований в Северной Атлантике). Была описана роль Северной Атлантики в глобальном процессе обмена свойствами вод Мирового океана (на основе концепции глобального океанического конвейера), а также меридиональная циркуляция в Северной Атлантике.

Таким образом, были выявлены основные климатообразующие районы, а изменчивость состояния климатической системы описана с позиции естественных автоколебаний. На основе исследований были сделаны некоторые прогнозные оценки относительно дальнейшего состояния климатической системы.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект №11-05-00047) и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России (проект № 14.740.11.0194).


Трансполярная система Северного ледовитого океана – международная комплексная программа исследований в Арктике


И.Е. Фролов¹, Х. Кассенс², М. Клаггес³, С.М. Прямиков¹, Л.А. Тимохов<sup>1

1</sup>ГУ «Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт»

²Институт морских наук им. Лейбница при университете г. Киль, Германия.
³Институт полярных и морских исследований им. Альфреда Вегенера, Германия


Значительные изменения в природной среде Арктики в последнее десятилетие выдвигают исследования Северного Ледовитого океана в одно из приоритетных направлений. Из всего спектра проблем изменчивости Северного Ледовитого океана нами выделяется самая актуальная, но нашему мнению, задача – исследование трансполярной системы Северного Ледовитого океана. Основанием для этого послужили следующие факты. Во-первых, аномальные изменения в этот период произошли в структуре ледяного покрова и термохалинном состоянии поверхностного слоя СЛО. Радикальные изменения наблюдаются в области трансарктического течения - основной системы транспорта льдов и пресной воды от морей сибирского шельфа через Арктический бассейн и пролив Фрама в Северную Атлантику. Во-вторых, усиленное поступление через пролив Фрама в теплых и соленых вод атлантического происхождения и их трансарктический перенос по акватории Арктического бассейна вызвал экстремальные изменения термохалинной структуры не только промежуточных слоев, но и поверхностного слоя в Евразийском суббассейне, и, предположительно донных вод.

Наблюдавшееся в период МПГ 2007/2008 экстремальное уменьшение площади распространения льдов в летний период в Северном Ледовитом океане, несомненно, связано с перечисленными выше океаническими процессами и особенностями атмосферной циркуляции в этот период, а также оказывает обратное воздействие на атмосферную циркуляцию в Арктике, а, возможно, и в умеренных широтах. Поэтому мониторинг состояния и изучение изменчивости трансполярной системы СЛО поможет понять и объяснить происходящие климатические изменения.

По инициативе научных учреждений России (ААНИИ) и Германии (АВИ, ИФМ-ГЕОМАР) рамках Соглашения между Россией и Германией был выдвинут проект «Трансполярная система СЛО: прошлое, настоящее и будущее». Основной целью международного научно-исследовательского проекта является исследование изменений трансполярной системы СЛО под влиянием внутренних и внешних факторов, установление обратных связей с элементами климатической системы Арктики для развития методов гидрометеорологических прогнозов и расчетов, а также оценки последствий для экосистемы СЛО. Проект формулируется как ключевая программа комплексных и междисциплинарных исследований в Арктике на период до десяти лет, реализация которой позволит расширить наше понимание природы термохалинной структуры, циркуляции вод и льдов и тепломассообмена СЛО, развить теорию колебаний крупномасштабных процессов в СЛО (включая атмосферные), обусловленных внутренними, присущие только этому океану, и внешними факторами; определить, какие изменения трансполярной системы СЛО можно ожидать в ближайшем будущем, и каким образом это скажется на природной среде Арктики, чрезвычайно чувствительной к таким изменениям.

Содержательная часть проекта включает широкий комплекс исследований: ледовые, океанологические, геохимические, биологические и геологические. Полевые исследования будут выполняться научно-исследовательскими судами, научными дрейфующими станциями «Северный Полюс», на временных ледовых лагерях, с помощью вертолетов и специально оборудованных самолетов, на морских полигонах новыми типами лабораторий длительного мониторинга. В систему наблюдений будут включены спутниковые наблюдения, сеть притопленных буйковых станций годовой и более серий непрерывной регистрации, дрейфующие океанографические и метеорологические буи и другие современные комплексы наблюдений.

Проект открыт для кооперации с организациями и учреждениями России и Германии, но также приветствуется кооперация с другими зарубежными странами.

Сценарная оценка изменений водных ресурсов в бассейне р. Лены

в первой трети XXI века


А.Г. Георгиади, Н.И. Коронкевич, И.П. Милюкова, Е.А. Барабанова

Институт географии РАН


На протяжении ряда лет в Институте географии РАН разрабатывается методология долгосрочного сценарного прогнозирования изменений ресурсов стока, которая позволяет получить долгосрочный сценарный прогноз: (1) изменений ресурсов стока в крупных речных бассейнах в результате глобальных и региональных изменений климата; (2) трансформации водохозяйственного комплекса, вызванного социально-экономическими изменениями, происходящими в стране, и их воздействия на водные ресурсы.

Сценарии изменений речного стока в бассейнах крупных, трансграничных рек Европейской территории России и Сибири, обусловленные изменениями климата возможными на последовательных стадиях глобального потепления климата в XXI веке строятся на основе: 1) модели месячного водного баланса, адаптированной к условиям зоны распространения многолетнемерзлых грунтов (Георгиади, Милюкова, 2002, 2006; Georgiadi, Milyukova, 2000, Georgiadi, Milyukova, Kashutina, 2010); 2) результатов моделирования изменений климата и методов их усвоения (IPCC, 2007); 3) результатов расчетов изменений характеристик многолетнемерзлых почвогрунтов; 4) метода сценарных оценок будущей трансформации водохозяйственного комплекса (Коронкевич, 1990; Коронкевич и др., 2008 и другие); 5) географических информационных систем.

Если исходить из среднеансамблевых сценарных климатических изменений (основанных на результатах расчетов, выполненных на 11 глобальных климатических моделях), то в случае реализации сценариев А2 и В1 в первой трети текущего столетия наиболее вероятно слабо заметное повышение годового стока в центральной равнинной части бассейна р. Лены, не превышающее 3-4%. Однако потепление климата может вызвать некоторую трансформацию внутригодового распределения речного стока, которая характеризуется компактным перераспределением стока в течение половодья, пик которого сместится на более ранние сроки. При этом согласно обоим сценариям произойдет незначительное снижение максимального месячного стока в период половодья.

Были рассмотрены несколько сценариев развития систем водопользования в бассейне Лены, исходящих как из разных вариантов демографического и экономического развития региона, так и разных технологий использования воды. В их числе варианты сохранения современного удельного водопотребления, его значительного снижения, полного прекращения загрязненных сточных вод в реки. В любом случае водозабор и безвозвратные изъятия не превысят 1% среднего годового стока Лены в 2015 г. и 1-2% на уровне 2025-2030 гг. Наиболее вероятный диапазон прогнозного изменения водозабора в 2015 г. 245-500 млн.м³/год, а безвозвратных потерь воды для водных объектов (с учетом потерь воды на испарение с акватории водохранилищ) – от 400 до 500 млн. м³/год. К 2025-2030 гг. безвозвратный расход может приблизиться к 1 км³. Для отдельных, наиболее обжитых районов, особенно в меженный период, могут возникнуть затруднения при решении водохозяйственных балансов, одним из наиболее реальных путей преодоления которых может стать гидротехническое регулирование стока. Еще более острой может стать в этих районах проблема предотвращения качественного истощения водных ресурсов из-за возможного увеличения водоотведения, в т.ч. загрязненных сточных вод.


Моделирование динамики русла реки, протекающей в многолетнемерзлых породах.


И.И. Грицук¹, В.К. Дебольский¹, О.Я Масликова¹, Н.К.Пономарев<sup>2

1</sup>Институт водных проблем РАН

²Российский университет дружбы народов


Русла рек, протекающих в зоне ММП, отличаются рядом особенностей. Переход температуры через 0^оС (температура замерзания и плавления влаги, содержащейся в почве) обычно происходит в верхних горизонтах земной коры, вызывая замерзание и оттаивание почвы. Мощность этого слоя ежегодного протаивания изменяется от 2-3 метров до 20-30 см., непосредственно ниже залегают мерзлые толщи. Ещё ниже, часто ближе ко дну потока, располагается слой талика. Таким образом, русло реки в условиях криолитозоны можно моделировать как трехслойную породу, обладающую различными физическими свойствами как грунта, так и входящего в его состав льда.

Работа посвящена результатам лабораторных исследований и математического моделирования динамики русла реки, протекающей в многолетнемерзлых породах и является развитием исследований, доложенных на предыдущей конференции и опубликованных в журнале «Снег и Лёд», №2, 2011.

Предложена математическая модель динамики русла реки при различных внешних факторах, включающих изменение физических свойств грунта и льда от изменения температуры во времени. В лабораторных условиях исследовалось динамика русла при скоростях потока, превышающих в разной степени неразмывающие, при вариации расходов воды, уровней водной поверхности и льдистости материала, слагающего береговой откос русла. Полученные результаты позволили существенно развить предложенную ранее термодинамичекую модель гидродинамическим блоком, включающим и блок, описывающий транспорт наносов.

Предлагаемая модель была также протестирована рядом экспериментов, выполненных на установке, позволившей установить связи интенсивности дождя с поверхностным и подповерхностным стоком при различной льдистости породы.

Выводы:

• русло реки в условиях криолитозоны можно моделировать как трехслойную породу – сезонноталый слой, ММП и талик. Для каждого слоя отдельно подбирались системы уравнений термо-и гидродинамики, наиболее адекватно отражающие состояние изменения грунта в совокупности с внешними условиями (изменение температуры и скоростей течения окружающей среды);
  
• наиболее динамичным в плане размыва является верхний, сезонноталый слой. Это объясняется большей рыхлостью и подвижностью грунта, который подвергается воздействию как максимальных скоростей потока на поверхности, так и внутрисклоновых, фильтрационных и дождевых потоков. Разрушение слоя ММП вследствие высокой сцементированности происходит гораздо медленнее и описывается другими временными интервалами (десятки и сотни лет). Слой талика зачастую не подвергается размытию из-за небольших придонных скоростей;
  
• перенос вещества в потоке происходит в двух направлениях – непосредственно вдоль потока под воздействием скоростей течения и в сторону цента потока со склонов под воздействием талых и дождевых вод. Общий транспорт наносов рассчитывается как векторная сумма этих двух составляющих.
  

Русловые деформации рек, протекающих в условиях криолитозоны, при повышении температуры окружающей среды (математичсекое и лабораторное моделирование)


Е.И. Дебольская, В.К. Дебольский, И.И. Грицук, О.Я. Масликова, Э.И. Замятина

Институт водных проблем РАН


Актуальность прогнозирования переформирований берегов рек, протекающих в криолитозоне, на основе математического моделирования обусловлена крайне незначительным объемом фактических данных о переработке мерзлых берегов особенно в условиях изменяющегося климата. Цель работы – исследование влияния речного потока в период повышения температуры воды на деформации береговых склонов, сложенных вечномерзлыми породами с включением пластов льда, с учетом процессов термоэрозии, термокарста, солифлюкции и суффозии. Метод исследования – лабораторное и математическое моделирование. В основу трехмерной математической модели термоэрозии береговых склонов рек, протекающих в районах вечной мерзлоты, и ее верификации, положены результаты лабораторных экспериментов. При повышении температуры воды в основном потоке ледяные пластины начинают таять, образуя полости, в которых образуются неоднородные по сечению и длине малые потоки. Неоднородность потоков в полостях взывают деформации их стенок, размывая их. Кроме того, теряющие твердую основу в виде льда, слои грунта, расположенные между и над ледяными пластинами, начинают оседать под действием силы тяжести. Начинают действовать процессы солифлюкции и суффозии. В процессе таяния дисперсионной среды происходит изменение ее физического состояния, в частности переход из мерзлого состояния в талое. Принимается, что к границе раздела фаз переносится тепло только за счет теплопроводности и что при движении границы раздела полностью выделяется теплота фазовых переходов воды. Закон перемещения границы фазового перехода – условие Стефана определяется из уравнения теплового баланса.

Для определения продольных скоростей и коэффициентов турбулентного обмена используется приближение «мелкой воды» и выполнения градиентно-вязкого режима течения. Значение поперечной скорости вычисляется из уравнения неразрывности.

Деформация берегового склона при оттаивании определяется в первую очередь оседанием породы под действием силы тяжести. При достаточной рыхлости породы определенную роль может играть и размыв, вызываемый течением воды, как в основном русле, так и в образовавшихся полостях. Параметризовать оседание пород в образовавшихся пустотах, заполненных водой, практически невозможно, не зная состав грунта, его пористость, льдистость, влажность. И даже зная все эти характеристики, без проведения экспериментов с грунтом данного состава при конкретных механических и термических нагрузках, определить скорость и объемы сползания, невозможно. Математическое моделирование в сочетании с лабораторным экспериментом, дает возможность, подобрав соответствующие коэффициенты, параметризовать все действующие силы без рассмотрения их в отдельности. В результате расчетов получены трехмерные распределения горизонтальных скоростей в открытом потоке и в таликах, двухмерные распределения отметок дна и твердых поверхностей таликов (деформации берегов).
а

б
Оценки изменения наклона берега, полученные в лабораторном и численном эксперименте, совпадают с достаточной степенью точности. Численные эксперименты показали, что при учете размыва значительную роль играют коэффициенты шероховатости внутри протаявших областей. При увеличении коэффициента шероховатости деформации дна переходят на русловую часть потока, изменяя его режим от неразмывающего к размывающему, что подтверждается данными лабораторного эксперимента.


Флуктуации поверхностей над подледниковыми озерами в Антарктиде

по измерениям IСESat


В.М. Котляков, Л.Н. Васильев, А.Б.Качалин, М.Ю. Москалевский, А.С. Тюфлин

Институт географии РАН


Радиоэхо зондирование обнаружило в Антарктиде около 280-ти подледниковых озер. Большинство их расположено в Восточной Антарктиде. Понимание поведения их требует еще дальнейших усилий. Конфигурация озер, форма поверхности над ними, положение береговой линии определяется лазерными альтиметрическими измерениями с космической системы IСESat.

Обнаружены устойчивые морфологические признаки поверхности над подледниковыми озерами, согласующиеся с термомеханической моделью формирования переходных зон: ложе ледника – водная поверхность – ложе ледника. Флуктуация поверхности над подледниковыми озерами сопровождается вертикальными движениями, а также их деформацией. Наибольшая амплитуда осцилляций происходит в переходной зоне.

В пределах отдельных бассейнов активных подледниковых озер могут формироваться каскады, приводящие к сдвигу фаз в динамическом процессе смежных озер. Пространственно-временная флуктуация поверхностей определена в результате разработки нового метода анализа динамического спектра колебаний ледниковой поверхности. Изложение сопровождается примерами поведения подледниковых озер бассейна Рекавери, озера Восток и района Купола А.

Работа выполнена в рамках проекта 2 подпрограммы "Антарктика" ФЦП "Мировой океан" и Программы Президиума РАН № 4 «Оценка и пути снижения негативных последствий экстремальных природных явлений и катастроф, включая проблемы ускоренного развития атомной энергетики».

Сульфаты в снежно-фирновых кернах позднего голоцена в районе станции Восток


Л.П. Голобокова¹, Э.Ю.Осипов¹, Н.А.Онищук¹, У.Г.Филиппова¹, Т.В.Хождер¹,

В.Я. Липенков<sup>2

1</sup>Учреждение РАН «Лимнологический институт СО РАН»

²Государственное учреждение «Арктический и антарктический научно-исследовательский институт


Динамика химического состава осевшего аэрозольного вещества, захороненного в ледовой толще полярных районов, позволяет проследить его глобальное атмосферное обращение. Определение ионного состава ледяного керна дает важную информацию об источниках его загрязнения. Основным поставщиком загрязняющих частиц является морской, почвенный или вторичный аэрозоль. Концентрация главных ионов во льду увеличивается в периоды похолодании, в теплые периоды – снижается. Это связано, в первую очередь с количеством выпадающих осадков, при похолодании оно уменьшается, при повышении температуры – возрастает. Кроме того, для ледниковых эпох характерно резкое усиление контрастов между сушей и океаном, следовательно, отмечается рост энергии океанских и атмосферных процессов. Свойствам атмосферных аэрозолей и их роли в различных циклах биосферы в блоке взаимодействия атмосфера-океан-суша уделяется значительное внимание. Преимущественными ионами морских аэрозолей являются ионы типа Na⁺ и Cl^-, почвенных – ионы Mg²⁺ и Аl³⁺. Сложнее всего определить источник ионов SO₄^2-, так как они поступают в атмосферу вследствие вулканической и биологической деятельности, а также с морским аэрозолем [1]. На естественный ход природных процессов в XX в. накладывается воздействие человека. В данной работе рассматриваются результаты химического анализа образцов ледяного керна из скважины 5Г, которые были доставлены в Лимнологический институт СО РАН (Иркутск) на НЭС «Академик Федоров» сотрудниками ААНИИ (Санкт-Петербург). Ранее по изменению химических показателей талой воды керна скважин VK-07 и VFL-1 были выделены слои, содержащие включения вулканических осадков [2]. Известно, что извержения вулканов сопровождаются мощным выбросом в атмосферу газообразных соединений серы. Попадая в воздушную среду, под воздействием ультрафиолетового излучения и в присутствии воды, эти соединения довольно быстро трансформируются в сульфаты. Сульфатный аэрозоль обычно является мелкодисперсным и легко переносится на большие расстояния. В связи с этим наиболее показательными маркерами события, соответствующего извержению вулкана, служат изменения концентраций сульфатов и кислотность растворов. По аналогии с кернами скважин VK-07 и VFL-1 рассматривается соотношение концентраций ионов SO₄^2- и величины рН растворов ледяного керна, захороненного в период позднего голоцена, скважины 5Г с целью возможного выявления подобных сигналов.