«ОТЧЁТ О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ по Государственному контракту № 02.740.11.0341 от 07 июля 2009 г. Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области океанологии ФЦП Научные и ...»

Российская академия наук

Дальневосточное отделение

ТИХООКЕАНСКИЙ ОКЕАНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

им. В.И. ИЛЬИЧЁВА

(ТОИ ДВО РАН)

УДК 550.34; 551.466; 534.2; 519.688

УТВЕРЖДАЮ

№ госрегистрации Директор ТОИ ДВО РАН Инв. № академик РАН В.А. Акуличев «_» _ 2009 ОТЧЁТ

О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ

по Государственному контракту № 02.740.11.0341 от 07 июля 2009 г.

Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области океанологии ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России»

ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫХ МОРЕЙ РОССИИ

И СЕВЕРО-ЗАПАДНОЙ ЧАСТИ ТИХОГО ОКЕАНА

Модельно-теоретический и экспериментальный этап Зам. директора А.С. Астахов _ Д-р геол.-минер. наук Руководитель темы _ член-корреспондент РАН Г.И. Долгих Владивосток Список исполнителей Научный руководитель Профессор (реферат, введение, заключение, член-корреспондент РАН _ Г.И. Долгих разделы 1, 2, 7) Ответственные исполнители темы Зав. лаб. (реферат, введение, заключение, раздел канд. геогр. наук _ В.Б. Лобанов 6) Зав. лаб. (реферат, введение, заключение, канд. техн. наук _ В.К. Фищенко разделы 3, 5) Старш. науч. сотр.

канд. физ.-мат. наук _ С.Г. Долгих (разделы 1, 2) Старш. науч. сотр.

канд. техн. наук _ С.В. Яковенко (разделы 1, 2) Исполнители темы Науч. сотр. _ К.В. Бачинский (раздел 2) Аспирант _ С.С. Будрин (раздел 1) Техник _ К.Н. Бутовец (раздел 6) Науч. сотр. _ А.В. Голик (раздел 3) Вед. инж. программ. _ И.А. Горин (раздел 6) Стажер-иссл. _ Т.А. Гуленко (раздел 6) Инженер _ А.Г. Долгих (раздел 2) Старш. науч. сотр.

канд. геогр. наук _ В.А. Дубина (раздел 6) Старш. инженер _ Н.М. Дулова (раздел 6) Инженер-эл. _ А.Г. Закурко (разделы 1, 2) Вед. науч. сотр.

канд. физ.-мат. наук _ С.П. Захарков (раздел 6) Науч. сотр. _ Е.Г. Кислёнок (раздел 3) Вед. науч. сотр.

канд. техн. наук _ С.Н. Ковалёв (разделы 1, 2) Инженер _ О.В. Косарев (раздел 1) Техник _ Н.С. Кот (раздел 6) Старш. инженер _ О.И. Курсова (раздел 6) Науч. сотр. _ М.Ю. Мартынов (раздел 2) Зав. лаб.

д-р. техн. наук _ Ю.Н. Моргунов (раздел 2) Инженер _ Д.В. Мукомел (раздел 1) Глав. науч. сотр.

д-р. физ.-мат. наук _ В.В. Навроцкий (раздел 6) Техник _ О.В. Новикова (раздел 1) Старш. науч. сотр.

канд. физ.-мат. наук _ В.В. Овчаренко (раздел 1) Вед. инженер _ О.П. Окунцева (раздел 2) Аспирант _ И.С. Олейников (раздел 3) Вед. науч. сотр.

канд. хим. наук _ Г.Ю. Павлова (раздел 6) Науч. сотр. _ А.А. Пивоваров (раздел 1) Науч. сотр. _ А.А. Плотников (раздел 1) Старш. инженер _ О.C. Попов (раздел 6) Аспирант _ А.Н. Самченко (раздел 4) Науч. сотр. _ А.Е. Суботэ (раздел 3) Вед. науч. сотр.

канд. физ.-мат. наук _ М.Ю. Трофимов (раздел 4) Вед. науч. сотр.

канд. геогр. наук _ Ф.Ф. Храпченков (раздел 6) Мл. науч. сотр. _ О.Д. Шабалина (раздел 6) Науч. сотр.

канд. техн. наук _ В.А. Швец (разделы 1) Науч. сотр.

канд. геогр. наук _ Е.А. Штрайхерт (раздел 6) Зав. лаб.

д-р. физ.-мат. наук _ И.О. Ярощук (раздел 2) Нормоконтролёр _ Н.В. Ковальчук Соисполнители д-р. физ.-мат. наук _ В.И. Белоконь разделы 4, 5, 7) Профессор д-р. физ.-мат. наук _ Л.Л. Афремов (разделы 4, 5) Доц., канд. физ.-мат. наук _ Ю.В. Гой (разделы 4, 5) Доц., канд. физ.-мат. наук _ Л.Г. Московченко (разделы 4, 5) Доц., канд. физ.-мат. наук _ К.В. Нефедев (разделы 4, 5) Доц., канд. физ.-мат. наук _ Н.А. Смаль (разделы 4, 5) Отчёт 165 с., 1 ч., рис. 74, 19 табл., 102 источника, 0 прил.

ЛАЗЕРНЫЙ ДЕФОРМОГРАФ, ЛАЗЕРНЫЙ ГИДРОФОН, ЛАЗЕРНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ

ВАРИАЦИЙ ДАВЛЕНИЯ ГИДРОСФЕРЫ, ЛАЗЕРНЫЙ НАНОБАРОГРАФ, GPS-ПРИЁМНИК,

ШИРОКОПОЛОСНЫЙ СЕЙСМОГРАФ, СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ,

ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ, ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ ЗОНДЫ, ПРОФИЛОГРАФ,

GRID-ТЕХНОЛОГИИ, ПОВЕРХНОСТНЫЕ ВЕТРОВЫЕ ВОЛНЫ, ВНУТРЕННИЕ ВОЛНЫ,

ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ, МОДЕЛЬ ЗЕМНОЙ КОРЫ, ЭНЕРГООБМЕН ГЕОСФЕР,

БАНК ДАННЫХ

Объектом исследования являются динамические процессы дальневосточных морей России.

При этом основное внимание уделяется вопросам возникновения, развития и трансформации на границе раздела геосфер волн инфразвукового и звукового диапазонов, взаимодействию данных волн с разномасштабными неоднородностями океана и соседних геосфер, их роли во взаимодействии атмосферных, гидросферных и литосферных процессов широкого диапазона частот, в энергообмене в системе «атмосфера-гидросфера-литосфера», влиянию данных процессов на климат Земли.

Основная цель работы на втором этапе проекта связана с: 1) выполнением обработки полученных на первом этапе экспериментальных данных с целью изучения связи региональных и локальных океанологических процессов, закономерностей трансформации волновых полей океана на границе раздела сред; 2) созданием модели динамики и трансформации низкочастотных и сверхнизкочастотных волновых полей океана в условиях глубокого и мелкого моря; 3) с развёртыванием основного управляющего GRID-сервера на базе ПО Globus Toolkit / gLite; 4) созданием основ построения модели взаимодействия инфразвуковых гидрофизических процессов с упругой средой; 5) подключением основных элементов GRID инфраструктуры ДВГУ к управляющему GRID серверу, развёрнутому в ДВО РАН; 6) изучением воздействия волновых полей океана на структуру и динамику прибойных зон шельфовых областей; 7) разработкой программы внедрения результатов НИР в образовательный процесс.

В ходе выполнения работ на полигоне ТОИ ДВО РАН и научно-образовательного центра «Физика Земли» ДВГУ «м. Шульца» проведены измерения вариаций основных параметров волновых полей океана, атмосферы и земной коры с помощью горизонтального лазерного деформографа неравноплечего типа подземного варианта, лазерного нанобарографа;

трёхкомпонентного широкополосного сейсмографа; метеостанции ANDERRA; GPS приёмника NRIMBLE 5700; лазерного измерителя вариаций давления гидросферы; лазерного гидрофона;

уровнемера ёмкостного типа; гидрологического зонда RBR XR-620; гидрологического зонда ANDERRA; вертикальной цифровой термокосы; профилографа ADP (SY-51208); низкочастотных гидроакустических излучателей; низкочастотного сейсмоакустического излучателя, спутниковых приёмных средств. При этом полученные материалы организованы в банк экспериментальных данных. Проведена частичная обработка полученных экспериментальных данных. На основе результатов обработки построены модели взаимодействия и динамики морских волн звукового и инфразвукового диапазонов, трансформации их энергии в энергию микроколебаний земной коры.

Большое внимание в ходе выполнения работ по второму этапу уделено динамики и трансформации шельфовых течений, поверхностных и внутренних шельфовых волн при их движении и разрушении, играющих важнейшую роль в динамики и конфигурации прибойных зон морей и океанов, в биопродуктивности шельфовых областей.

Развёрнуты основные элементы GRID-инфраструктуры поддержки работ региональной сети океанологического и геофизического мониторинга. С помощью данных систем в работу над проектом вовлечено большое число пространственно разнесённых специалистов, специализирующихся в различных областях знания наук о Земле, математики и информатики.

Созданная GRID-инфраструктура позволила организовать согласованную работу всех участников НИР над общими задачами проекта, предоставляя им на рабочие места в оперативном режиме все необходимые ресурсы – данные с экспериментальных установок, аналитические приложения для обработки данных и решения модельных задач, совокупные вычислительные ресурсы. К основному ядру GRID-инфраструктуры подключена GRID-инфраструктура, которая развернута в Дальневосточном государственном университете.

Разработана программа по внедрению полученных результатов в образовательный процесс ДВГУ и других ВУЗов Росси. В качестве учебного пособия для ДВГУ в ноябре 2009 года опубликована монография Долгих Г.И., Привалова В.Е. «Лазеры. Лазерные системы».

Полученные результаты предполагается использовать в работах по предсказанию, предотвращению и уменьшению последствий природных и техногенных катастроф.

Введение…………………………………………………………………………………………………... 1 Обработка экспериментальных данных с целью изучения связи региональных и локальных океанологических процессов, закономерностей трансформации волновых полей океана на границе раздела сред……………………………………………………………………………………………… 1.1 Модулирующее воздействие ветровых волн на гидроакустические волны………………... 1.2 Гидросферно-литосферное взаимодействие в микросейсмическом диапазоне……………. 2 Создание модели динамики и трансформации низкочастотных и сверхнизкочастотных волновых полей океана в условиях глубокого и мелкого моря………………………………………………….. 2.1 Моделирование упругих деформаций трехслойной сферической оболочки методом минимизации невязок…………………………………………………………………………….. 2.1.1 Сопоставление экспериментальных и модельно теоретических значений микродеформаций, вызванных вариациями атмосферного давления…………………………… 2.2 Экспериментальные и теоретические исследования преобразования гидроакустической энергии в сейсмоакустическую энергию………………………………………………………... 2.2.1 Экспериментальные исследования………………………………………………………… 2.2.2 Теоретический анализ преобразования гидроакустической энергии……………………. 2.3 Экспериментальные и теоретические исследования преобразования сейсмоакустической энергии в гидроакустическую энергию………………………………………………………….. 2.3.1 Экспериментальные исследования………………………………………………………… 2.3.2 Модельно-теоретические оценки…………………………………………………………... 3 Развёртывание основного управляющего GRID-сервера на базе ПО Globus Toolkit / gLite………………………………………………………………………………………………………. 4 Создание основ построения модели взаимодействия инфразвуковых гидрофизических процессов с упругой средой………………………………………………………………………………………… 4.1 Описание упругих колебаний в трехслойной модели: атмосфера – океан – кора………. 4.2 Анализ исходных уравнений в предельных случаях……………………………………… 4.3 Распределение энергии между поверхностными и внутренними волнами при их возбуждении колебаниями дна на мелкой воде……………………………………………….. 4.4. Оценка энергии, передаваемая океану движущимся возмущением атмосферного давления………………………………………………………………………………………….. 5 Подключение основных элементов GRID инфраструктуры ДВГУ к управляющему GRID серверу, развёрнутому в ДВО РАН на базе ПО Globus Toolkit / gLite …………………………….. 6 Изучение воздействия волновых полей океана на структуру и динамику прибойных зон шельфовых областей………………………………………………………………………………………………… 6.1 Характеристика выполненных наблюдений……………………………………………... 6.1.1 Дистанционные спутниковые наблюдения…………………………………………….. 6.1.2 Регистрация короткопериодной изменчивости течений и внутренних волн………… 6.1.3 Мониторинг изменчивости структуры вод и водообмена Амурского залива……….. 6.2 Характеристики внутренних гравитационных волн в заливе Петра Великого по результатам спутникового зондирования…………………………………………………….. 6.2.1 Данные и методы………………………………………………………………………… 6.2.2. Обсуждение……………………………………………………………………………… 6.3 Трансформация внутренних волн на мелководье………………………………………... 6.4 Характеристика течений и изменчивости структуры вод в проливе Босфор Восточный………………………………………………………………………………………. 6.4.1 Наблюдения………………………………………………………………………………. 6.4.2 Долговременная изменчивость течений………………………………………………... 6.4.3 Пространственная структура поля течений…………………………………………….. 6.4.4 Долговременные изменения океанологических характеристик в придонном слое…. 6.5 Выводы……………………………………………………………………………………… 7 Разработка программы внедрения результатов НИР в образовательный процесс……………… Заключение……………………………………………………………………………………………... Список использованных источников…………………………………………………………………. Исследование волновых полей геосфер необходимо проводить на основе использования аппаратуры, которая может измерять вариации основных параметров геосфер в широком частотном и динамическом диапазонах на уровне фоновых колебаний. Это необходимо, чтобы изучить физику возникновения и развития волновых и не волновых процессов геосфер, а также закономерности трансформации их энергии на границе раздела системы «атмосфера-гидросфералитосфера». К таким установкам, в первую очередь относятся установки, созданные на основе современных лазерно-интерференционных методов – лазерных деформографов, лазерных нанобарографов, лазерных измерителей вариаций давления гидросферы и лазерных гидрофонов.

При изучении взаимодействия геосфер основное внимание мы уделим взаимодействию системы «океан – земная кора». Это связано, с одной стороны, с целями и задачами, которые стоят перед выполнением задач данного проекта, и, с другой стороны, с необходимостью изучения физических процессов шельфовых областей морей Мирового океана в условиях всё возрастающей добычи ресурсов и их освоения.

В начальной фазе проведение исследований необходимо выполнять с использованием искусственных источников с известными параметрами (частота, мощность и форма излучённого сигнала). Это необходимо для построения и апробирования в натурных условиях модели возникновения, развития и трансформации природных океанологических процессов широкого диапазона частот. Поэтому применение гидроакустических и сейсмоакустических низкочастотных излучателей, гидроакустических и сейсмоакустических приёмных систем, созданных на основе использования современных лазерно-интерференционных методов, позволит построить рабочую модель, которую можно трансформировать в приемлемую модель для изучения более низкочастотных процессов.

Решение модельно-теоретических задач по изучению динамики и трансформации низкочастотных и сверхнизкочастотных океанологических процессов необходимо проводить с использованием различных подходов на основе применения полученных экспериментальных данных. Проведённые экспериментальные исследования на первом этапе выполнения проекта позволили получить уникальные экспериментальные данные на лазерно-интерференционном комплексе, дополненном рядом излучающих и приёмных гидрофизических, гидроакустических и геофизических систем. При этом получены экспериментальные данные о динамики и трансформации волновых полей океана диапазона поверхностных и внутренних морских волн, сейш, сгонно-нагонных явлениях, течений и шумов океана звукового диапазона. Все эти результаты были использованы при построении рабочей модели динамики и трансформации волновых полей звукового и инфразвукового диапазонов на основе применения трёх модельных подходов.

Использование результатов модельно-теоретических и экспериментальных исследований остро необходимо при освоении ресурсов шельфовых областей Мирового океана в условиях интенсивного судоходства, оценки динамики прибойных и мелководных акваторий с целью их учёта при проведении народнохозяйственных работ в данных районах.

Учитывая большие пространственные масштабы размещения экспериментальных установок, огромный объём получаемых экспериментальных данных, необходимость обработки и анализа полученных экспериментальных данных в режиме реального времени, при выполнении данного проекта остро необходимо применение современных сетевых и вычислительных ресурсов. В настоящее время наибольшими возможностями обладают современные GRID технологии.

Пространственно-распределённая сеть экспериментальных комплексов может быть объединена в единый макрообъект на основе технологии GRID. В отчёте описываются работы по развертыванию в ТОИ ДВО РАН основного GRID-сервера, обеспечивающего управление всеми распределенными информационными, аналитическими и вычислительными ресурсами с использованием стандартизированных GRID-сервисов. Для этого на достаточно мощном компьютере в серверном помещении института были установлены два комплекта т.н.

промежуточного программного обеспечения - Globus Toolkit и gLite, которые на сегодняшний день являются основными средствами разработки GRID-приложений. Начато тестировании обоих пакетов, по его итогам в конечном итоге будет принято решение о выборе в качестве основного средства поддержки GRID-сервисов одного из этих пакетов или, возможно, о их совместном использовании. Обсуждаются вопросы реализации взаимодействия с GRID-ресурсами конечных пользователей. Подробно описывается планируемая к реализации базовая технология предоставления GRID-ресурсов участникам настоящей НИР посредством интерфейса океанологической информационно-аналитической системы ДВО РАН.

Результаты проведенных исследований, особенно описание и принципы работы лазерноинтерференционных установок, активно внедряются в лекционные и практические курсы научнообразовательного центра «Физика Земли».

1 Обработка экспериментальных данных с целью изучения связи региональных и локальных океанологических процессов, закономерностей трансформации волновых полей океана на границе раздела сред 1.1 Модулирующее воздействие ветровых волн на гидроакустические волны Существует масса экспериментальных и теоретических работ о влиянии различных гидродинамических процессов на параметры распространяющихся искусственно созданных гидроакустических волн. Так в работах [1-3] получены результаты, указывающие на существенное воздействие внутренних и поверхностных морских волн на параметры распространяющихся от излучателей к приёмникам гидроакустических волн. При этом в экспериментах использовались излучатели, работающие на частотах до 1000 Гц.

Результаты, полученные в работах [1-3], наводят на мысль о возможном использовании параметрических методов при изучении инфразвуковых волн ограниченными по частотному диапазону приёмными гидроакустическими системами. Согласно данным работам, и другим аналогичного характера работам, из-за влияния на параметры распространяющихся высокочастотных гидроакустических волн инфразвуковых гидрологических колебаний, вызванных морскими приливами, поверхностными и внутренними волнами, в спектрах обработанных экспериментальных данных вблизи максимума, соответствующего излучённому сигналу, обнаруживаются пики, указывающие на модулирующее воздействие более низкочастотных составляющих на излучённый сигнал.

В начальной фазе выполнения экспериментальных работ, частичные результаты которых обсуждаются в данной статье, ставилась задача по оценке применимости прямых и параметрических методов при изучении вариаций гидросферного давления, вызванных различными инфразвуковыми шельфовыми волнами. В экспериментальных исследованиях были задействованы различные низкочастотные гидроакустические излучатели, а также приёмные системы, созданные на основе современных лазерно-интерференционных методов, - лазерный гидрофон [4] и лазерный измеритель вариаций давления гидросферы [5]. Рабочий диапазон частот данных приёмных систем позволяет независимо рассматривать вариации гидросферного давления, вызванных морскими ветровыми волнами и излученными гидроакустическими волнами. В главе мы основное внимание уделим оценке влияния морских ветровых волн на параметры распространяющихся гидроакустических волн по трассе «излучатель-приёмник».

В главе приведены результаты, полученные при обработке данных трёх экспериментов в диапазоне ветровых и излучённых гидроакустических волн. В первом эксперименте был задействован лазерный гидрофон, который располагался в бухте Витязь на дне на глубине 17,5 м и на удалении в 1000 м от излучателя. Излучатель, работающий на частоте около 245 Гц [6], находился в точке на глубине 10 м при глубине моря в данном месте около 25 м. Во втором эксперименте, который был выполнен в тот же день, но по времени позже, был задействован лазерный гидрофон, который располагался в бухте Витязь на дне на глубине 17,5 м на удалении в 1000 м от излучателя. Излучатель, работающий на частоте около 32 Гц, находился в точке на глубине 10 м при глубине моря в данном месте около 25 м. В третьем эксперименте был задействован лазерный измеритель вариаций давления гидросферы, который располагался на шельфе Японского моря в точке на дне на глубине 27 м и на удалении 5000 м от излучателя.

Излучатель, работающий на частоте около 321 Гц, находился в точке на дне на глубине 41 м. Все излучатели работали в непрерывном режиме.

В таблице 1.1 приведены результаты обработки данных первого эксперимента. Столбец №1 – спектр исходного ряда, поверхностное волнение – 7.28 с, излучённый сигнал – 244.81 Гц. Столбец №2. Проводим обработку данных в соответствии с работами [1-3]. Выделяем сигнал на частоте излучённого сигнала и анализируем изменение его амплитуды со временем. При спектральной обработке в области излучённого сигнала установлено наличие двух пиков на частотах 244.66 и 244.95 Гц. Появление двух пиков на частотах 244.66 Гц и 244.95 Гц в соответствии с [1-3] можно объяснить модулирующим воздействием более низкочастотных волн с периодами около 6.54 и 7.30 с, что близко к периоду основного ветрового волнения с периодом 7.28 с. Столбец №3.

Фильтруем исходные данные высокочастотным фильтром Хэмминга длиной 200 и с граничной частотой 200 Гц. Данная процедура сделана для того, чтобы избежать ошибок обработки исходного ряда, связанных с возможным влиянием низкочастотных спектральных составляющих на высокочастотные составляющие. В спектре отфильтрованного ряда обнаружен максимум на частоте ветрового волнения, но с амплитудой меньшей исходной амплитуды на четыре порядка. В области излучённого сигнала обнаружен максимум с той же амплитудой и частотой. Столбец №4.

Выделяем сигнал на частоте излучённого сигнала и анализируем изменение его амплитуды со временем. При спектральной обработке в области излучённого сигнала установлено наличие трёх пиков – 244.66, 244.81 и 245.06 Гц, но почти на четыре порядка меньшей амплитуды, чем в предыдущем случае такой же обработки. Причём их амплитуды находятся на уровне амплитуд шумовых компонент спектра. Столбец №5. Проводим фильтрацию отфильтрованного ряда высокочастотным фильтром Хэмминга длиной 200 и с граничной частотой 200 Гц. Данная процедура сделана для ещё большего подавления низкочастотных спектральных составляющих и ликвидацию их возможного влияния на высокочастотные спектральные составляющие. В спектре вторично отфильтрованного ряда не обнаружен максимум на частоте ветрового волнения, но в области излучённого сигнала обнаружен максимум с той же амплитудой и частотой. Столбец №6.

Выделяем сигнал на частоте излучённого сигнала и анализируем изменение его амплитуды со временем. При спектральной обработке в области излучённого сигнала установлено наличие трёх пиков – 244.66, 244.81 и 245.06 Гц, но их амплитуды находятся на уровне амплитуд шумовых компонент спектра. Столбец №7. Фильтруем исходные данные высокочастотным фильтром Хэмминга длиной 300 и с граничной частотой 5 Гц. Так мы моделируем работу гидрофона, амплитудно-частотная характеристика которого слева от 5 Гц спадает по закону 4-5 дБ/октаву. В спектре отфильтрованного ряда обнаружен максимум на частоте ветрового волнения, но с амплитудой меньшей исходной амплитуды в 50 раз. В области излучённого сигнала обнаружен максимум с той же амплитудой и частотой. Столбец №8. Выделяем сигнал на частоте излучённого сигнала и анализируем изменение его амплитуды со временем. При спектральной обработке в области излучённого сигнала установлено наличие двух максимумов 244.66 и 244.95 Гц.

Появление двух указанных максимумов в соответствии [1-3] можно объяснить модулирующим воздействием более низкочастотных волн с периодами 6.54 и 7.30 с, что близко к периоду основного ветрового волнения 7.28 с. Столбец №9. После фильтрации исходных данных высокочастотным фильтром Хэмминга длиной 300 и с граничной частотой 5 Гц фильтруем исходный ряд высокочастотным фильтром Хэмминга длиной 200 и с граничной частотой 200 Гц.

Данная процедура сделана для того, чтобы избежать ошибок обработки исходного ряда, связанных с возможным влиянием низкочастотных спектральных составляющих на высокочастотные составляющие. В спектре отфильтрованного ряда обнаружен максимум на частоте ветрового волнения, но с амплитудой меньшей исходной амплитуды на шесть порядков, что находится на уровне шума. В области излучённого сигнала обнаружен максимум с той же амплитудой и частотой. Столбец №10. выделяем сигнал на частоте излучённого сигнала и анализируем изменение его амплитуды со временем. При спектральной обработке в области излучённого сигнала установлено наличие трёх спектральных максимумов – 244.66, 244.81 и 245.06 Гц, но их амплитуды находятся на уровне амплитуд шумовых компонент спектра.

Если бы мы не фильтровали ряды данных высокочастотным фильтром Хэмминга с частотой среза 200 Гц, то из обработанных данных, приведённых в столбцах 2 и 8, можно было бы говорить о воздействии ветрового волнения на параметры излучённого сигнала (появление гармони на частотах 244.66 и 244.95 Гц). Но дальнейшая фильтрация исходного ряда высокочастотным фильтром указывает на то, что в нашем случае никакого воздействия нет, а присутствует «эффект обработки», связанный с влиянием низкочастотной спектральной составляющей на высокочастотную часть спектра в области излучённого сигнала.

Проверим наше утверждение на модельном ряде. Построим модельный ряд, состоящий из двух не связанных друг с другом гармоник с амплитудами, совпадающими с амплитудами, полученными в процессе обработки исходного экспериментального ряда. Всю обработку модельного ряда проведём в соответствии с вышеуказанным процессом обработки. Результаты обработки модельного ряда приведены в соответствующих столбцах ниже в таблице 1.1. При анализе результатов обработки исходного экспериментально полученного ряда данных и модельного ряда следует, что в пределах ошибок обработки никакого воздействия ветрового морского волнения на параметры распространяющегося гидроакустического сигнала нет. Если это воздействие и есть, то оно «потонуло» в ошибках измерения и обработки.

Что будет при увеличении амплитуды ветровой гармоники. Построим модельный ряд, состоящий из двух независимых гармоник. Зададим амплитуду гармоники на частоте излучённого сигнала прежней, а амплитуду гармоники на частоте ветрового волнения в десять раз большей, чем в предыдущем модельном ряде и, соответственно, в исходном ряде экспериментальных данных. Далее проведём обработку построенного модельного ряда в соответствии с ранее выполненными этапами обработки исходного ряда экспериментальных данных. Результаты обработки приведены в таблице 1.1. При сравнении результатов обработки двух модельных рядов видно, что увеличение амплитуды ветрового волнения на порядок приводит к усилению его воздействия на амплитуду гармоники в области высокочастотного («излучённого») сигнала.

Зададим естественный вопрос: что будет в области высокочастотной гармоники, если задать амплитуду низкочастотной («ветровой») гармоники сравнимой или меньшей амплитуды высокочастотной гармоники. Построим модельный ряд, состоящий из высокочастотной гармоники с амплитудой, равной амплитуде принятого установкой излучённого сигнала в натурном эксперименте, и низкочастотной гармоники, частота которой совпадает с частотой ветрового волнения, но с амплитудой примерно в 5 раз меньшей амплитуды высокочастотной гармоники. Результаты обработки модельного ряда приведены в таблице 1.1. Из таблицы 1. видно, что присутствие в обрабатываемом сигнале низкочастотной гармоники приводит к «эффекту воздействия ветрового волнения на параметры излучённого сигнала», т.е. к появлению двух спектральных максимумов слева и справа относительно модельно введённой высокочастотной гармоники.

Обобщая результаты обработки экспериментального ряда данных и трёх модельных рядов, приведённых в таблице 1.1, можно констатировать, что: 1) присутствие «ветровой» гармоники приводит к тому, что слева и справа относительно гармоники «излучения» на различных этапах обработки появляются спектральные максимумы на ширине f 1 / T, где Т соответствует периоду «ветровой» гармоники; 2) изменение величины амплитуды «ветровой» гармоники вызывает прямо-пропорциональное изменение амплитуд появившихся боковых (относительно гармоники «излучения») гармоник; 3) почти во всех случаях даже одинарная фильтрация «ветровой» гармоники не подавляет её влияние на высокочастотную область спектра; 4) можно уверенно утверждать, что двойная фильтрация «ветровой» гармоники снижает её влияние на высокочастотную область спектра до уровня шума, хотя при огромном желании это «влияние»

можно и найти.

Мы проанализировали данные одного лишь эксперимента при конкретном расположении излучателя и приёмника. Можно возразить, что подобного результата не будет наблюдаться при подтверждения данного утверждения проанализируем экспериментальные данные ещё двух экспериментов с их сопровождением модельными расчётами.

В таблице 1.2 приведены результату обработки данных второго эксперимента и модельный ряд, построенный по вышеуказанной методике. Модельный ряд строился на основе двух гармоник – на частоте ветрового волнения, соответствующей периоду 6,55 с, и на частоте 32,97 Гц, соответствующей частоте излученного сигнала. Вся обработка велась в соответствии с обработкой, результаты которой приведены в таблице 1.1. Излучатель работал в непрерывном режиме. При анализе полученных результатов после обработки экспериментальных и модельных данных установлено, что никакого воздействия поверхностные ветровые волны в пределах ошибок обработки и эксперимента не оказывают на распространяющийся искусственный гидроакустический сигнал с частотой около 33 Гц по трассе «излучатель-приёмник».

В таблице 1.3 приведены результаты обработки третьего эксперимента и модельный ряд, построенный по вышеуказанной методике. Модельный ряд строился на основе двух гармоник – на частоте ветрового волнения, соответствующей периоду 11,22 с, и на частоте 321,6 Гц, соответствующей частоте излученного сигнала. Вся обработка велась в соответствии с обработкой, результаты которой приведены в таблице 1.1. При анализе полученных результатов после обработки экспериментальных и модельных данных установлено, что никакого воздействия поверхностные ветровые волны в пределах ошибок обработки и эксперимента не оказывают на распространяющийся искусственный гидроакустический сигнал с частотой около 321,6 Гц по трассе «излучатель-приёмник».

Таблица 1.1 Результаты обработки данных первого эксперимента 0. 244.81 Гц 244,66 Гц 244,81 Гц 244,66 Гц 244.81 Гц 244.66 Гц 244.81 Гц 244.66 Гц 244.81 Гц 244. 5.11х10-3 5.65х10-4 5.11х10-3 1.40х10-7 5.09х10-3 1.11х10-7 5.11х10-3 1.12х10-5 5.10х10-3 Гц 244.81 Гц 244.68 Гц 244.81 Гц 244.68 Гц 244.81 Гц В районе 244.81 Гц 244.68 Гц 244.81 Гц 244. 5.11х10-3 5.87х10-4 5.09х10-3 1.04х10-7 5.08х10-3 5.09х10-3 1.15х10-5 5.08х10- 244.81 Гц 244.68 Гц 244.81 Гц 244.68 Гц 244.81 Гц В районе 244.81 Гц 244.68 Гц 244.81 Гц 244. 5.15х10-3 2.64х10-3 5.14х10-3 1.05х10-6 5.13х10-3 5.14х10-3 1.16х10-4 5.13х10- 5.16х10-3 5.96х10-7 5.14х10-3 2.13х10-10 5.13х10-3 5.15х10-3 1.17х10-8 5.13х10- Таблица 1.2 Результаты обработки данных второго эксперимента 1. 1.21х10-1 7.86х10-3 1.21х10-1 1.46х10-5 1.21х10-1 4.30х10-5 1.21х10-1 1.51х10-4 1.21х10-1 4.30х10- Таблица 1.3 Результаты обработки данных третьего эксперимента 3.86х10-4 2.39х10-4 3.84х10-4 7.56х10-8 3.82х10-4 6.09х10-12 3.85х10-4 4.23х10-5 3.83х10-4 Гц 1.2 Гидросферно-литосферное взаимодействие в микросейсмическом диапазоне Изучение процессов, происходящих в смежных геосферах, показывает их несомненную взаимосвязь. Так морские поверхностные волны в прибрежной зоне, где глубина соизмерима с полудлиной волны, вызывают микросейсмические колебания земной коры на соответствующих частотах.

Однако отсутствие достаточно полно разработанной теории прибрежного волнения затрудняет оценку трансформации энергии морских поверхностных волн в колебания земной коры. В этих условиях особую значимость приобретают экспериментальные данные, позволяющие проанализировать соотношение энергий морских волн и колебаний земной коры, что в свою очередь поможет развитию теоретических моделей.

Синхронные измерения колебаний земной коры при помощи лазерных деформографов горизонтальной и вертикальной ориентации и вариаций давления гидросферы при помощи донной станции были проведены на базе ТОИ ДВО РАН «м. Шульца» были проведены в осенний период 2000 года [7]. Донная станция была оснащена гидрофоном и термодатчиком. По результатам этих измерений были произведены оценки соотношения энергий микросейсм и поверхностных волн [8].

Измерение вариаций давления гидросферы в диапазоне частот поверхностного волнения при помощи пьезокерамического гидрофона имеет ряд ограничений, обусловленных нелинейностью АЧХ гидрофона и близостью изучаемого частотного диапазона к нижней границе его чувствительности. Этих недостатков лишены приборы, основанные на лазерноинтерференционных методах. Поэтому в дальнейшем в лаборатории физики геосфер ТОИ ДВО РАН был создан лазерный измеритель гидростатического давления [9]. Он обладает линейной АЧХ и широким диапазоном измеряемых частот. Высокая чувствительность данного прибора ( мкПа при толщине мембраны 0,1 мм) позволяет на новом качественном уровне проводить измерения в гидросфере.

Произведем оценку соотношений энергий микросейсмических колебаний и поверхностного волнения по результатам измерений, проведенных мае – июле 2009 года. Для анализа были выбраны несколько участков записей разной длительности, отличающиеся друг от друга характером морского волнения. Анализ проводился по методике, описанной ниже. Для анализа были выбраны по 5 синхронных участков записи лазерного деформографа и лазерноинтерференционного измерителя гидростатического давления, который находился на дне на глубине 15 м.

Давление гидросферы, действующее на круглую мембрану, закреплённую на краях оценивалось по формуле [10]:

где: l - смещение мембраны; h – толщина мембраны; E – модуль Юнга; - коэффициент Пуассона, R – диаметр мембраны. В установке используется набор мембран изготовленных из нержавеющей стали. R=10 см, h=0,1 мм, E = 2,1 1011 H2 ; = 0,25.

Амплитуда волны по вариациям давления у дна определялась по формуле [11]:

где: а – амплитуда вертикальных колебаний поверхности моря, P – амплитуда колебаний давления у дна, H – глубина, - длина ветровой волны, g – ускорение свободного падения, - плотность воды. Длину ветровой волны определим по формуле [11]:

где: Т – период волны.

Предварительно файлы данных были пропущены через полосовой фильтр, построенный на основе окна Хэмминга длиной 500 с граничными частотами 0,14 и 1 Гц. Обработка велась периодограммным методом с последующим уточнением амплитуд микросейсм методом максимальной энтропии.

Энергия на единицу морской поверхности (Ws) для прогрессивных морских волн, где: с - плотность воды, a – амплитуда волны, g – ускорение свободного падения, - длина волны, h – глубина.

Средняя энергия в единице (Wср,м) объёма равна:

Удельная потенциальная энергия упругой деформации базы деформографа, выраженная через напряжения в главных осях, рассчитывалась по формуле [12]:

д, G - постоянные Ляме, - коэффициент Пуассона, Е – модуль Юнга, L – длина базы деформографа.

Для гранита, из которого, в основном, и состоит база деформографа, примем =0.27, E=70x109 Па.

На рисунке 1.1 представлены синхронные спектрограммы записей лазерного деформографа а) и лазерного измерителя вариаций давления гидросферы б) полученных с 22:35 14 июля по 22: 15 июля 2009 года.

Рисунок 1.1 — Синхронные спектрограммы записей лазерного деформографа а) и лазерного В данной записи наблюдается слабое, затухающее со временем поверхностное волнение.

В таблице 1.4 представлены периоды зарегистрированных колебаний Т, рассчитанные амплитуды поверхностных волн ам, амплитуды колебаний земной коры ад, их отношение ам/ад, средние энергии поверхностных волн Wср,м и колебаний упругой средыWср,д и их отношение Wср,м/Wср,д.

Отношения энергий, приведенные в данной таблице, близки к полученным нами ранее по данным эксперимента 2000 года [8].

Таблица 1.4 Соотношения энергий На рисунке 1.2 представлены синхронные спектрограммы записей лазерного деформографа а) и лазерного измерителя вариаций давления гидросферы б) полученных с 23:01 29 августа по 13:38 31 августа 2009 года.

Рисунок 1.2 — Синхронные спектрограммы записей лазерного деформографа а) и лазерного В данной записи прослеживаются две спектральные компоненты поверхностных волн, компонента с большим периодом представляет собой зыбь, компонента с меньшим периодом – ветровую волну.

В таблице 1.5 представлены периоды зарегистрированных колебаний Т, рассчитанные амплитуды поверхностных волн ам, амплитуды колебаний земной коры ад, их отношение ам/ад, средние энергии поверхностных волн Wср,м и колебаний упругой средыWср,д и их отношение Wср,м/Wср,д.

Таблица 1.5 Соотношения различных энергий Анализ данных таблицы показывает, что энергия ветровых волн более эффективно трансформируется в энергию колебаний земной коры, чем энергия волн зыби.

На рисунке 1.3 представлены синхронные спектрограммы записей лазерного деформографа а) и лазерного измерителя вариаций давления гидросферы б) полученных с 10:12 20 июля по 19: 21 июля 2009 года.

Данную запись можно условно разделить на две части, на первом ее участке наблюдалось затухающее ветровое волнение. Затем ветер то усиливался, то ослабевал, меняя свое направление, и на втором участке мы видим спектральные компоненты с убывающими периодами для анализа были выбраны 5 участков записи первой части (1-5) и 5 участков записи второй части (6-10).

В таблице 1.6 представлены периоды зарегистрированных колебаний Т, рассчитанные амплитуды поверхностных волн ам, амплитуды колебаний земной коры ад, их отношение ам/ад, средние энергии поверхностных волн Wср,м и колебаний упругой средыWср,д и их отношение Wср,м/Wср,д.

Рисунок 1.3 — Синхронные спектрограммы записей лазерного деформографа а) и лазерного Таблица 1.6 Периоды зарегистрированных колебаний, соотношений энергий Анализ данных таблицы показывает, что в первой части записи, где амплитуды ветровых волн были гораздо больше, чем во второй части, отношение энергий морских ветровых волн к энергии колебаний земной коры также заметно выше.

Согласно [9], соотношение между спектрами морских волн в прибрежной зоне и микродеформаций земной коры (Sa/Su) равны: для теории - 6х1011, для эксперимента – 5х1012.

Анализ данных приведенных в таблицах 1-3 показывает, что среднее значение отношения энергий морских ветровых волн к энергии колебаний земной коры для первой таблицы составляет 4,34х1010; для второй таблицы -1,91х1011 и 1,04х1011 для зыби и ветровых волн соответственно;

для третьей таблицы 2,47х1011 для первой части и 3,34х1010 для второй части. Таким образом, можно сделать вывод, что полученные нами отношения при сильном волнении имеют тот же порядок, что и теоретические значения, а при слабом волнении они меньше.

Отклонение от литературных экспериментальных данных модно объяснить тем, что последние были получены в условиях сильных штормов, регистрация которых производилась по причине недостаточной чувствительности существовавшей на тот момент аппаратуры.

2 Создание модели динамики и трансформации низкочастотных и сверхнизкочастотных волновых полей океана в условиях глубокого и мелкого моря 2.1 Моделирование упругих деформаций трехслойной сферической оболочки методом минимизации невязок Рассмотрим земную кору, которую для простоты расчета представим в виде цельной оболочки, состоящей из осадочного, гранитного и базальтового слоёв (см. рисунок 2.1 и рисунок 2.2).

Оболочка нагружена внешней и внутренней распределенной нагрузками. Внутренняя нагрузка представляет собой воздействие мантии на земную кору, т.е. давление. Внешняя нагрузка — это среднее значение между атмосферным давлением и давлением океана на земную кору.

Пренебрегая процессами в мантии, атмосфере и гидросфере мы считаем, что внутреннее и внешнее воздействие на оболочку постоянно. Это усредненная постановка задачи, но даже в таком представлении задача нова и удовлетворяет большому количеству физических факторов [14].

В решении данной задачи мы используем систему координат оболочек вращения. Начало координат расположим на срединной поверхности гранитного слоя. Получим, что Ox1= ; Ox2= ;

Ox3=z.

Рисунок 2.2 — Графическое представление постановки задачи Для описания этой задачи используем уравнения теории упругости:

Движения:

Коши:

2 23 = 2 32 = u2,3 + Будем считать, что при t = t0:

На краевых поверхностях при z = h, h опишем внешнее и внутреннее давление:

Введем значение 33 в виде:

Используя краевые условия, найдем значения коэффициентов a и b:

Решение задачи в такой постановке сложно. Ее точное решение в полной постановке не известно. Для упрощения вводим некоторые допущения, которые позволят снизить трудоемкость задачи. Учитывая наше усреднение, можно считать нагрузку осесимметричной. В связи с этим мы сведем трехмерную задачу к двумерной [15], принимая:

Второе допущение заключается в том, что мы накладываем ограничения на поперечные перемещения и зададим поперечные деформации в виде:

f 1 ( z ), f 3 ( z ) - принятые функции распределения поперечных деформаций по толщине где Учитывая принятые нами допущения (2.6) и (2.7), преобразуются уравнения равновесия, закон Гука и краевые условия на боковой поверхности.

Уравнения закона Гука:

Используем метод минимизации невязок [16]. Используя этот метод, получим следующие выражения невязок для нашей задачи:

Используя уравнения закона Гука:

выразим через функции сдвига и обжатия перемещения оболочки u1, u3 и деформации. Для этого помножим первое уравнение (2.10) на и сложим со вторым уравнением (2.10):

Отсюда выразим продольное напряжение:

Учитывая принятые выше допущения (2.6) и (2.7), выведем следующие выражения деформаций:

уравнений (2.13) и (2.2). Затем возьмем интеграл от 0 до z. Учитывая то, что мы имеем дело с трехслойной конструкцией, будем брать интеграл отдельно по каждому слою, как показано на рисунке 2.3, получим перемещения для каждого слоя. Так как мы расположили начало координат на срединной поверхности второго слоя, то при нахождении для первого и третьего слоя раскладываем интеграл на сумму двух, от срединной поверхности второго слоя до его границы и от границы слоев до z. Этим правилом мы будем пользоваться и в дальнейшем, раскладывая один интеграл на два или три интеграла в зависимости от слоя.

Уравнения для поперечного перемещения получим в виде:

v ( x ), ( x ) — произвольные функции интегрирования, представляющие собой перемещения где оси оболочки.

уравнений (2.13) и (2.2). Получаем следующие равенства для перемещений:

Для нахождения напряжений воспользуемся уравнениями закона Гука (2.10), принятыми выше допущениями и уравнениями движения:

Учитывая уравнения для деформаций (2.2), поперечного (2.14) и продольного перемещений (2.15), сможем получить выражения для продольной деформации:

Из уравнений закона Гука (2.10) получаем:

Учитывая полученное выше выражение, уравнения равновесия (2.4) и продольной деформации (2.17), можно легко найти выражения для продольного напряжения. Для определения поперечного напряжения воспользуемся уравнениями равновесия (2.16) теории упругости.

Сначала возьмем первое равенство из этой системы и выразим касательное напряжение Чтобы определить поперечное напряжение воспользуемся вторым уравнением равновесия (2.16). Выразим Чтобы вывести основные уравнения, воспользуемся третьим и четвертым уравнениями закона Гука (2.10). Найдем вторые формулы для поперечной деформации:

где Разница между первоначально принятыми (2.13) и вторыми (2.18) деформациями:

i 3 = i3 i 3 (i = 1,3) — представляет собой невязку. Минимизация уравнений позволяет найти выражения для определения функций сдвига и обжатия. Минимизация невязок производится путем ортогонализации с каждым из составляющих поперечных деформаций:

В итоге имеем три уравнения, и пять неизвестных. Еще два уравнения выведем из равенств (2.16), получаем оставшиеся равенства для неизвестных.

Мы получили пять дифференциальных уравнений с пятью неизвестными двадцатого порядка, которые теперь можно решить, где F — гравитационная сила, представленная как возмущение гравитационного потенциала, возникающее из-за притяжения поля плотности и притяжения поверхностного слоя, протекающее при деформации.

K 05,(11) K 05 01,11 + K 06,(111 K 07 1,11 K 08 33, K 001&01 + K 002&1 K 001,(1j ) + K 003&( j ) + K 004&33, K 005,(11) K 005 01,11 + K 006,(111 K 007 1,11 K 008 33, B01 ( j ) + B02&33 B03&01 B04&1 + B03,(1j ) B05&( j ) B06&33,1 + B07,(11) + B08 01,11 B08,(1111 + B09 1,11 + B010 33,1111 + + B015,(1j ) + B016 01,1 B016,(11) + B017 1,1 + B018 33,11 + B019 ( j ) + + B0j q3 + A041,(1j ) + A042 01,1 A043,(11) + A044 1,1 + A045 33,11 + H 2 (A41,(11) + A42 01,11 A43,(111 + A44 1,11 + A45 33,111 + A46,(1j ) + K 5j,3,(11) K 5j,3 01,11 + K 6j,3,(111 K 7j,3 1,11 K 8j,3 33,111 K 9j,3,(1j ) + + A47 33 + H 2 K1j&01,1 + K 2j&1,1 K1j,(11) + K 3j&( j ),1 + K 4j&33, K 5j,(111 K 5j 01,111 + K 6j,(1111 K 7j 1,111 K8j 33,1111 K 9j,3,(11) + + B2j,3&33 B3j,3&01 B4j,3&1 + B3j,3,(1j ) B5j,3&( j ) B6j,3&33,1 + + B7j,3,(11) + B8j,3 01,11 B8j,3,(1111 + B9j,3 1,11 + B10,3 33,1111 + B11,3 ( j ) B12,3 33,1 + B13,3 01 + B14,3 1 B13,3,(1j ) + B14,3 ( j ) + B15,3,(1j ) + + B16,3 01,1 B16,3,(11) + B17,3 1,1 + B18,3 33,11 + B19,3 ( j ) + B19,3 33 + + B20,3 B21,3 ( j ) B22,3&33 B23,3 ( j ) B24,3 33 B25,3 + B0j,3 q3 + B nml, S nl — коэффициенты интегрирования.

производных. Этот метод прост и дает высокую точность решения. Впоследствии мы можем замечено, что при больших членах суммы точность решения изменяется не существенно. Вид графика не изменяется, а изменяется его числовое значение на пренебрежительно малые величины, т.е. наше ограничение придает решению высокую точность и простоту. Запишем разложения в ряд Фурье искомых функций:

Фурье.

Пользуясь значениями уравнений (2.21), мы найдем нужные значения для производных по первой координате для 33,1 = ( kbk sin k + kbk cos k ), 33,11 = ( k 2bk cos k k 2bk sin k ), Подставив производные разложения в ряд Фурье искомых функций из уравнения (2.22) в выражения (2.20), получим систему дифференциальных уравнений второго порядка относительно времени. Теперь получаем систему из пяти алгебраических уравнений с пятью неизвестными. В представленной модели мы используем средние значения модулей упругости и коэффициентов Пуассона, которые можно найти в справочнике [17].

2.1.1 Сопоставление экспериментальных и модельно теоретических значений микродеформаций, вызванных вариациями атмосферного давления Как упоминалось выше, предложенная модель является гибкой, и добавление каких-либо дополнительных нагрузок не повлечет за собой сильных изменений. Дальнейшее развитие модели путем учета атмосферного давления, позволило оценить его вклад в деформационные процессы земной коры. Для этого введем переменную нагрузку, равную атмосферному давлению, расположенную на внешней поверхности оболочки. В результате изменятся только краевые условия оболочки, а дальнейшее решение существенно не меняется, как и добавление любой другой нагрузки:

Сопоставление полученных теоретических результатов с экспериментальными данными сейсмоакустико-гидрофизического комплекса, расположенного на полигоне Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН «мыс Шульца», позволяет говорить о целесообразности использования данной модели в решении подобных задач. Модельные расчеты позволили более точно оценить вклад атмосферного воздействия в деформационные процессы земной коры. На рисунках 2.4 и 2.5 приведены графики, полученные теоретически (1) и экспериментально (2) с помощью сейсмоакустико-гидрофизического комплекса за один и тот же промежуток времени.

Обе записи сделаны с частотой 0,5 Гц и длительностью 12 часов. Задавая внешнюю нагрузку на основании данных лазерного нанобарографа, входящего в состав комплекса, мы можем получить значения микродеформаций земной коры, зависящие только от вариаций атмосферного давления.

Использование такой модели позволяет разделить вклад в вариации микродеформаций земной коры атмосферных и гидросферных процессов.

Рисунок 2.4 — Графики колебания земной коры за 2 марта 2001 г., Рисунок 2.5 — Графики колебания земной коры за 4 января 2001 г., Если посмотреть спектр первого ряда (рисунок 2.4), то можно увидеть ярко выраженные гармонику на частоте 30,52 мкГц (рисунки 2.6 и 2.7). Для второго ряда данных спектр записи выглядит следующим образом – рисунок 2.8 и рисунок 2.9. Здесь присутствует гармоника на частоте 15,26 мкГц.

Рисунок 2.6 — Спектр расчетного ряда колебаний земной коры за 2 марта 2001 года Рисунок 2.7 — Спектр записи лазерного деформографа за 2 марта 2001 года Если для первого ряда гармоника четко выраженная, то для второго ряда четко выраженная только расчетная гармоника, а полученная с помощью лазерного деформографа имеет небольшую пологую площадку с 15, 26 до 30,52 мкГц.

Рисунок 2.8 — Спектр расчетного ряда колебаний земной коры за 4 января 2001 года Рисунок 2.9 — Спектр записи лазерного деформографа за 4 января 2001 года В полученных данных на временных интервалах от минут до единиц суток чаще всего наблюдается коррелированность между каналами нанобарографа и лазерного деформографа.

Участки, где сигналы меняют характер корреляционной зависимости, редки и, предположительно, связаны с локальными флуктуациями давления. Как видно из рисунка 2.4, мы имеем дело с коррелированным рядом, а на рисунке 2.5 некоррелированный ряд.

В спектрах мощности, вычисленных по записям 52,5-метрового берегового лазерного деформографа, диапазон периодов 55 мин - 24 часа характеризуется присутствием мощных спектральных пиков, соответствующих суточным и полусуточным периодам, причём величина спектрального пика, соответствующего суточной составляющей, стабильно превышает величину спектрального пика, обусловленного полусуточным приливом. Возьмем запись лазерного деформографа в период с 14:32:41 12 августа 2004 года по 16:16:41 28 августа 2004 года и частотой дискретизации 50 Гц. Рассчитаем для этого ряда микродеформации земной коры, воспользовавшись моделью, описанной выше. Для этого используем данные лазерного нанобарографа за тот же промежуток времени (рисунок 2.10).

Рисунок 2.10 — Графики колебания земной коры за август 2004 года, Получен ряд данных длительностью более 16 суток и частотой дискретизации 0,0167 Гц. На спектрах этих записей (рисунок 2.11 расчетный, рисунок 2.12 экспериментальный) видны гармоники с частотами 23,4 мкГц и 11,7 мкГц, соответствующие суточным и полусуточным приливам.

Рисунок 2.11 — Спектр расчетного ряда колебаний земной коры за период с 12 августа по Рисунок 2.12 — Спектр записи лазерного деформографа за период с 12 августа по Еще один ряд данных с длительностью почти 11 суток представлен на рисунке 2.13 с частотой дискретизации 0,0167 Гц. Он также был сшит из 12 часовых файлов записи лазерного деформографа с частотой дискретизации 62,5 Гц.

Рисунок 2.13 — Графики колебания земной коры за октябрь 2001 года, На рисунках 2.14 и 2.15 представлены спектры расчетного и экспериментального ряда. Так же как и на предыдущей записи четко видны гармоники с частотами 11,7 мкГц и 23,4 мкГц, соответствующие периодам 23часов 49 минуты и 11 часам 52 минутам.

Рисунок 2.14 — Спектр расчетного ряда колебаний земной коры за период с 21 октября по Рисунок 2.15 — Спектр записи лазерного деформографа за период с 21 октября по 1 ноября 2.2 Экспериментальные и теоретические исследования преобразования гидроакустической энергии в сейсмоакустическую энергию При исследовании сейсмоакустических процессов в частотном диапазоне 1-300 Гц береговыми лазерными деформографами установлено, что данный диапазон характерен присутствием сейсмоакустических шумов, вызванных работой механизмов морских судов [18-23].

Поскольку шельфовая область Японского моря является районом интенсивного судоходства, то вызванные им сейсмоакустические шумы в большей или меньшей степени практически постоянно присутствуют в записях лазерных деформографов в упомянутом диапазоне частот. При спектральной обработке записей деформографов выделяются пики на частотах, соответствующих тональным компонентам сигнала движущегося источника. Для изучения сейсмоакустического шума, вызванного морским судоходством, в ТОИ был проведен ряд экспериментов по генерации гидроакустических волн в шельфовой области Японского моря низкочастотными гидроакустическими излучателями и приёму вызванных ими сейсмоакустических колебаний расположенным на берегу лазерным деформографом [21,23-28]. Этот интерес вызван тем, что в области низких частот сейсмоакустические поверхностные волны становятся доминирующим механизмом переноса акустической энергии в мелководной шельфовой зоне моря [29].

Экспериментальные исследования сравнительных уровней акустических шумов, регистрируемых гидрофонами и донными геофонами [29] показали, что на мелководном шельфе при частотах ниже 25 Гц в спектре записей гидрофонов наблюдается уменьшение, а в спектре записей геофонов – увеличение уровня спектральных составляющих.

Почти аналогичная картина наблюдается при регистрации сигналов, возбуждаемых низкочастотным гидроакустическим излучателем на частоте 32, Гц, гидрофоном и береговым лазерным деформографом [30]. На рисунке 2.16 приведены сравнительные спектры неравноплечего лазерного деформографа и гидрофона при регистрации сигналов вышеупомянутого излучателя. Лазерный деформограф располагался в точке с координатами 42°35'N и 131°08'E, гидрофон в точке с координатами 42°19'N и 131°03'E, излучатель – в точке с координатами 42°20'N и 131°10'E на глубине 40 м при глубине места 152 м. Излучаемый сигнал близок к гармоническому при частоте 32,0 Гц, амплитуда излучаемого сигнала – 2,5 кПа. Из рисунка 2.16 видно, что отношение сигнал/шум в спектре лазерного деформографа гораздо выше, чем в спектре гидрофона, несмотря на то, что расстояние от излучателя до лазерного деформографа значительно больше, чем до гидрофона, и излучатель располагался под углом к оси деформографа, что с учетом диаграммы направленности прибора понижает его чувствительность.

При проведении данных экспериментальных работ исследовались различные аспекты возникновения сейсмоакустических волн при работе низкочастотных излучателей и судов, но при этом остался открытым вопрос о количестве трансформированной энергии в упругую среду.

Рисунок 2.16 — Одновременные спектры записи гидрофона (вверху) и лазерного деформографа неравноплечего типа (внизу) при работе низкочастотного излучателя на частоте 32,0 Гц в шельфовой области Японского моря залива Петра Великого 2.2.1 Экспериментальные исследования Одни из первых исследований, по изучению возможности регистрации источников гидроакустических волн и их пеленгации, были проведены в 19931995 г.г. на морской экспедиционной станции ТОИ ДВО РАН «м. Шульца», расположенной в шельфовой зоне Японского моря. Тогда выполнялись работы по генерации гидроакустических волн низкочастотным гидроакустическим излучателем в условиях глубокого и мелкого моря и приёму этих волн береговым лазерным деформографом неравноплечего типа [31,32].

В таблице 2.1 приведены данные проведённого эксперимента, где: – расстояние от места излучения до лазерного деформографа; – глубина моря в месте излучения; – глубина погружения низкочастотного гидроакустического излучателя; – частота излучаемого сигнала;

– давление, приведенное к расстоянию 1 м от геометрического центра излучателя; – средняя амплитуда сейсмоакустического сигнала, зарегистрированного лазерным деформографом неравноплечего типа с длиной плеча 52,5 м при работе низкочастотного гидроакустического излучателя в режиме непрерывного излучения; “приведённая” амплитуда к равному давлению излучения (2,3 кПа) для деформографа с длиной плеча 52,5 м.

Таблица 2.1 Результаты эксперимента 1995 г.

Гидроакустический излучатель на каждой станции работал в течение 25 минут в импульсном и непрерывном режимах по одной и той же схеме.

При проведении данного эксперимента [33] по измерениям на горизонтальном лазерном деформографе, ориентированном по линии северюг, было уделено внимание высокочастотным шумам искусственного и естественного характера гидроакустического или сейсмоакустического происхождения. Исходя из общей задачи исследования количества преобразованной гидроакустической энергии в сейсмоакустическую, используются данные, полученные при работе излучателя на станциях 47. Результаты, полученные во время работы излучателя на станциях при исследовании нашей задачи не рассматривались, так как местоположение этих станций находятся под значительным углом к оси 52,5 метрового деформографа. Поэтому при регистрации сейсмических волн, имеющих частоту 32 Гц, характеристика направленности лазерного деформографа не соответствует возможности уверенного приёма акустического сигнала в указанных точках.

На рисунке 2.17 показано расположение станций излучения.

Рисунок 2.17 — Расположение станций гидроакустического излучения эксперимента Спектральный анализ последовательных импульсов даёт спектр, характерный для сильно модулированного сигнала с частотой заполнения 32 Гц. В спектре будет наблюдаться три пика на где приведен спектр лазерного деформографа с длиной плеча 52,5 м при работе гидроакустического излучателя на станции № 4 в режиме импульсного излучения. На рисунке 2. показан спектр лазерного деформографа, с длиной плеча 52,5 м в момент времени работы гидроакустического излучателя в непрерывном режиме на станции № 4.

Рисунок 2.18 — Спектр мощности лазерного деформографа с длиной плеча 52,5 при работе гидроакустического излучателя в непрерывном режиме излучения на ст. № Рисунок 2.19— Спектр мощности лазерного деформографа с длиной плеча 52,5 м, полученный при работе гидроакустического излучателя в импульсном режиме на ст. № В 2009 году на гидрофизическом полигоне ТОИ ДВО РАН МЭС «м. Шульца» были возобновлены работы по изучению преобразования энергии гидроакустических волн. Излучение тонального сигнала проводилось уже с применением гидроакустических излучателей, работающих на частотах 30-40 Гц и 240-270 Гц, описание которых приводится в первом отчёте. Прием, образованных при этом сейсмоакустических волн, осуществлялся береговым лазерным деформографом неравноплечего типа, входящим в состав сейсмоакустико-гидрофизического комплекса. Излучение проводилось с борта маломерного научно-исследовательского судна. Для приёма гидроакустического сигнала в воде была организована автономная станция на основе гидрофона. Гидрофон был раскреплен в специальной раме и установлен на дно. Сигнал с гидрофона поступал на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), подключенный к последовательному порту портативного компьютера. Во время прихода судна в точку излучения, производилось включение компьютера и запуск программы записи “E-24”, одноименной с названием используемого АЦП. В ходе проведения эксперимента были сделаны восемь станций излучения низкочастотных гидроакустических колебаний. Расположение данных станций относительно лазерного деформографа показано на рисунке 2.20 (одна минута по широте соответствует приблизительно одной морской миле). Также рядом с точками излучения обозначена частота излучаемого сигнала.

Рисунок 2.20 — Расположение станций гидроакустического излучения эксперимента г.: • - местоположения станций излучения при работе в дрейфе; - якорные стоянки; ЛД – В ходе проведения эксперимента на станциях 1 и 2 судно стояло на якоре, а при проведении сеансов излучения на станциях 3-8 – находилось в дрейфе. На станциях 3, 5 и 7 излучение производили при глубине погружения излучателя 5 метров, а на станциях 4, 6 и 8 глубина погружения составляла 21 метр.

Работа излучателя в точках, когда судно находилось в дрейфе, не была эффективной, потому что, как оказалось в ходе обработки результатов эксперимента, эти точки излучения не попадали в зону диаграммы направленности горизонтального лазерного деформографа, ориентированного по оси север-юг. В то же время, запись сигнала гидрофона не удалось принять с каждой станции излучения, так как при сеансах излучения на станциях 6-8 оказался недостаточным заряд блока бесперебойного питания для продолжения работы записывающего устройства. Вследствие этого, при обработке данных настоящего эксперимента, основное внимание было уделено результатам, полученным при работе излучателя на якорных стоянках в бухте Витязь.

В таблице 2.2 приведены данные проведенного эксперимента, с учетом указанных нюансов.

Таблица 2.2 Данные эксперимента 2009 года На станции 1 излучатель работал при глубинах погружения 5, 12 и 22 м с одинаковой мощностью излучения. Глубина моря в этом месте составляет 27,7 м. Частота излучения гидроакустического сигнала, указанная в таблице, записывалась по показаниям частотомера на борту судна. На рисунке 2.21 приведена отфильтрованная полосовым фильтром запись лазерного деформографа. Полосовой фильтр брался со следующими характеристиками: частоты среза 31, Гц и 33 Гц, длина – 3000. Начало и конец излучения с частотами 31,96 Гц и 32,92 Гц показаны стрелками. Но так как регистрация сигнала лазерным деформографом во время эксперимента носила прерывистый характер, то, как видно, вначале участка записи излучатель уже работал.

Рисунок 2.21 — Отфильтрованный участок записи лазерного деформографа при работе низкочастотного гидроакустического излучателя на частотах 31,96 Гц и 32,92 Гц На рисунках 2.22 и 2.23 показаны спектрограммы сейсмоакустического сигнала, полученные при обработке данных, записанных лазерным деформографом при работе гидроакустического излучателя на станции № 2.

Рисунок 2.22 — Спектрограмма сигнала лазерного деформографа с длиной плеча 52,5 м, полученного при работе гидроакустического излучателя в тональном режиме на ст. № 2: а) На рисунке 2.23 приведен спектр нефильтрованного участка записи лазерного деформографа при работе гидроакустического излучателя на станции № 2. Максимум мощности гидроакустического излучения показан стрелкой.

Рисунок 2.23 — Спектры участков записи лазерного деформографа при работе гидроакустического излучателя на станции № 2: а) h = 5 м, 4 dB; б) h = 12 м, 12 dB На рисунке 2.24 приведена спектрограмма сейсмоакустического сигнала при работе гидроакустического излучателя на станции № 1. Мощность излучения на разных глубинах также была одинакова.

Рисунок 2.24 — Спектрограмма сигнала лазерного деформографа с длиной плеча 52,5 м, полученного при работе гидроакустического излучателя в тональном режиме на ст. № 1: а) глубина погружения 5 м; б) глубина погружения 12 м; c) глубина погружения 22 м На рисунках 2.25, 2.26 показаны спектры нефильтрованных участков записи лазерного деформографа при работе гидроакустического излучателя на станции № 1. Энергонесущие пики сигнала, излученного гидроакустическим излучателем, отмечены стрелками.

Отметим, что лазерный деформограф уверенно регистрирует сейсмоакустические волны, вызванные работой низкочастотного гидроакустического излучателя при режимах излучения разной мощности.

Рисунок 2.25 — Спектры участков записи лазерного деформографа при работе гидроакустического излучателя на станции № 1: а) h = 5 м; б) h = 12 м Рисунок 2.26 — Спектр участка записи лазерного деформографа при работе гидроакустического излучателя на станции № 2 (h = 22 м, 12 dB) При излучениях гидроакустического сигнала на станции 1, возле станции 2 над дном была установлена автономная приёмная станция на основе гидрофона, сигнал с которого поступал на портативный компьютер [34]. На рисунке 2.27 приведены спектры нефильтрованных сигналов, полученных с помощью автономной станции и лазерного деформографа. Отчетливо выделяются максимумы на частоте излучения 32,8 Гц. Также заметно увеличение уровня спектральных составляющих на низких частотах в спектре деформографа, что говорит о доминирующем вкладе сейсмоакустических поверхностных волн в перенос акустической энергии.

Рисунок 2.27 — Спектр записи лазерного деформографа (вверху) и гидрофона (внизу) На рисунке 2.28 приведены формы сигналов, зарегистрированных лазерным деформографом на станции 1 при работе излучателя при разных глубинах погружения, согласно таблице 2.2.

Сигналы отфильтрованы с помощью полосового фильтра, взятого со следующими характеристиками: частоты среза – 31,5 и 36,5 Гц, длина – 6000 точек, окно Хэмминга.

Рисунок 2.28 — Отфильтрованные участки записи лазерного деформографа при работе излучателя на станции 2 при глубинах погружения: а) 5 м; б) 12 м; в) 22 м При практически одинаковой мощности излучения, наибольший уровень сигнала наблюдается при работе излучателя на глубине 12 м. Вследствие этого можно подтвердить известную теорию [34], что при расположении источника звука близко к поверхности воды, т.е.

соответствует полю диполя и амплитуда звукового давления тем меньше, чем меньше Согласно расчета зависимости относительной излучаемой мощности точечного источника от его заглубления [35], на рисунке 2.29 показана эффективность источников излучения, используемых в данной работе и описанных выше, работающих на частотах излучения 32 и 240 Гц.

Рисунок 2.29 — Эффективность гидроакустических излучателей, с частотами излучения При обеспечении работы гидроакустических излучателей с бортов научноисследовательских судов, находящихся в дрейфе, было замечено, что количество трансформированной энергии зависит не только от упругих характеристик дна, но и от изменяющейся со временем глубины моря [19-23]. В рамках эксперимента, также было проведено гидроакустическое излучение во время движения судна по оси лазерного деформографа, от станции № 2 к станции № 1. Эксперимент проводился в пасмурную, почти штилевую погоду в бухте Витязь Японского моря. Трасса, по которой двигался катер, была выбрана по оси деформографа и проходила поперёк бухты. Низкочастотный гидроакустический излучатель был спущен с борта катера на глубину 15 м. В начальной точке глубина моря составляла около 20,1 м, а расстояние до лазерного деформографа – 656,3 м. В конечной точке глубина моря была около 26,6 м, а расстояние до лазерного деформографа – 1718,6 м. Катер с подвешенным излучателем пересекал бухту Витязь, при этом излучатель непрерывно работал, а береговой лазерный деформограф принимал излучённый сигнал. Из-за небольшого течения, направленного вдоль бухты, катер немного сносило. За время эксперимента скорость движения катера составила величину около 0,3 м/с. Будем считать, что от места генерации сигнала, т.е. от места трансформации части энергии гидроакустической волны в сейсмоакустическую волну, изменение амплитуды сигнала в пространстве подчиняется закону цилиндрической расходимости. С учётом этого пересчитаем данные лазерного деформографа и оценим амплитуду сигнала, трансформированного в месте генерации. При таком пересчёте мы избежим ошибок в оценках амплитуды принятого лазерным деформографом излучённого сигнала, связанных с изменяющимся расстоянием от места генерации до места приёма.

На рисунке 2.30 а) приведён график изменения величины амплитуды трансформированного сигнала по оси лазерного деформографа, а на рисунке 2.30 б) – изменение глубины моря по трассе.

При анализе графиков, приведённых на рисунке 2.30 а) и б), следует, что при росте глубины моря от 20 м до 29-30 м количество трансформированной гидроакустической энергии в сейсмоакустическую энергию увеличивается почти по линейному закону.

Рисунок 2.30 — График изменения амплитуды трансформированного сигнала (а) и Полученная запись деформографа была подвергнута дальнейшей обработке с применением низкочастотного фильтра Хэмминга со следующими параметрами: частота среза 0,003 Гц, длина 150 точек. На рисунке 2.31 приведен полученный после обработки ряд данных деформографа. Из рисунка 2.30 видно, что амплитуда принятого лазерным деформографом сигнала меняется с периодом около 8-8.5 минут. Это указывает на то, что основной модуляционный эффект должен быть вызван волновыми процессами, существующими в водной или упругой средах с периодами вдвое большими, т.е. с периодами около 16-17 минут. Проведенные отдельные измерения вариаций гидросферного давления на дне бухты Витязь лазерным измерителем вариаций давления гидросферы [41] и лазерным гидрофоном [42] показывают, что в водной среде существуют устойчивые колебательные процессы с периодом около 16-17 минут.

Рисунок 2.31 — Отфильтрованная запись лазерного деформографа На рисунке 2.32 приведена спектрограмма участка записи лазерного деформографа во время буксировки излучателя.

Рисунок 2.32 — Спектрограмма сигнала лазерного деформографа с длиной плеча 52,5 м, полученный при работе гидроакустического излучателя в тональном режиме при движении судна Данный процесс можно наблюдать на примере двухчасового участка записи лазерного гидрофона (рисунок 2.33).

Рисунок 2.33 — Участок записи лазерного гидрофона, работавшего на дне бухты Витязь Эти сверхнизкочастотные колебательные процессы можно отнести к сейшевым колебаниям бухты Витязь в периоды проведения экспериментальных измерений.

2.2.2 Теоретический анализ преобразования гидроакустической энергии На основе экспериментальных данных, полученных с помощью лазерного деформографа неравноплечего типа с длиной плеча 52.5 м при работе в условиях “глубокого” моря низкочастотного гидроакустического излучателя, проведем оценку отношения потока энергии в волне Рэлея к излучаемой акустической мощности гидроакустического излучателя в условиях глубокого моря [43,44].

Актуален вопрос о соотношении энергий различных типов волн, возбуждаемых в упругой среде силовым источником. Будем считать, что распределение поля давления, вызванного работой низкочастотного излучателя в гидросфере, подчиняется тем же условиям, что и работа точечного источника излучения в упругой среде [45].

Источник нормальной нагрузки (рисунок 2.34) задается граничными условиями вида:

(r > a ). Средняя мощность излучения объемных волн определяется соотношением:

координаты, звездочка – знак комплексного сопряжения.

Рисунок 2.34 — Распределение силовой нагрузки Р точечного источника излучения Средняя мощность излучения поверхностной волны Релея определяется соотношением:

Для источника нормальной силы азимутальная зависимость отсутствует, и интегрирование по сводится к умножению на удобно записать в интегральной форме, где подынтегральное выражение описывает угловую зависимость интенсивности излучения. Для волн сжатия это выражение имеет вид:

первого порядка первого рода, фактора аномалии в ближнем поле и коэффициента затухания в “промежуточном” море определяются в зависимости от частоты излучения по данным таблицы 2.3 [38].

При работе гидроакустического излучателя в условиях шельфовой зоны мыса Шульца при удалении от точки наблюдения на 16 км, параметр равен 4,9 км. В соответствии с этим, при расчете мощности излучаемого сигнала будем пользоваться формулой (2.45).

Проведем расчет акустической мощности при расстоянии 1 м от геометрического центра излучателя, используя выражение усредненного закона спадания акустической энергии.

Используя формулу расчета полного потока энергии гидроакустического излучателя (2.44) и выражение усредненного закона спадания при учете данных табл. 2.3, в соответствии с теми же данными грунта, описанными выше, получим, что отношение энергии в волне рэлеевского типа к излученной мощности приповерхностного источника гидроакустического излучения в зоне расположения лазерного деформографа для станций № 4 и № 5 составит соответственно 1,5 102 и 0,29 102.

Таблица 2.3 Данные гидроакустических волн на шельфе и за свалом глубин и приему трансформированных волн лазерным деформографом позволили оценить вклад гидроакустических волн в уровень микродеформаций земной коры и продемонстрировать большие возможности применения лазерных деформографов по изучению гидросферных процессов и явлений.

сейсмоакустических волн слоя земной коры, в котором расположен лазерный деформограф.

Исследование пространственно-временных характеристик гидроакустических полей, генерируемых низкочастотными гидроакустическими излучателями и регистрируемые сверхнизкочастотных колебаний на данные поля.

2.3 Экспериментальные и теоретические исследования преобразования сейсмоакустической энергии в гидроакустическую энергию Рассмотренные в предыдущей главе результаты исследований по изучению закономерностей трансформации гидроакустической энергии в сейсмоакустическую энергию не позволяют полностью представить процесс трансформации колебаний и волн низкочастотного звукового диапазона на границе системы «вода – дно» без решения обратной задачи – изучение закономерностей трансформации сейсмоакустической энергии волн низкочастотного звукового диапазона в гидроакустическую энергию колебаний и волн на соответствующих частотах.

В данной главе мы рассмотрим только случай трансформации сейсмоакустической энергии в низкочастотного звукового диапазона в линейном случае. То есть мы остановимся на решении обратной задачи с условиями трансформации гидроакустической энергии в сейсмоакустическую энергию, рассмотренные в предыдущей главе [56-58].

Для решения данной задачи корректным образом необходимо использовать в эксперименте в качестве приемных систем аппаратуру, обладающую линейной амплитудно-частотной характеристикой. Данным условиям в наибольшей степени удовлетворяют установки, созданные на основе современных лазерно-интерференционных методов, которые позволяют создавать аппаратуру, обладающую линейной амплитудно-частотной характеристикой в частотном диапазоне от 0 до 1000 Гц. Для измерения волн, распространяющихся в земной коре, в наилучшей степени подходят лазерные деформографы. Для измерения волн, распространяющихся в гидросфере, в наилучшей степени подходят лазерные измерители вариаций давления гидросферы или лазерные гидрофоны.

Для возбуждения упругих колебаний и волн в упругой среде использовался разработанный в ТОИ ДВО РАН сейсмоакустический излучатель, с помощью которого можно возбуждать в упругой среде волны в частотном диапазоне от 5 до 20 Гц.

В главе рассмотрены результаты экспериментальных и модельно-теоретических работ по изучению закономерностей трансформации сейсмоакустической энергии в гидроакустическую энергию на частотах волн, генерированных сейсмоакустическим излучателем.

2.3.1 Экспериментальные исследования На морской экспериментальной станции МЭС «м. Шульца» ТОИ ДВО РАН и в прилегающей к станции акватории был проведён эксперимент по генерации упругих волн в земной коре низкочастотным сейсмоакустическим излучателем и их приему 52,5-метровым лазерным деформографом на берегу, а также гидроакустических волн, возникших в результате трансформации упругих волн на границе «дно-вода» лазерным измерителем вариаций давления гидросферы. Схема эксперимента представлена на рисунке 2.35.

Рисунок 2.35 — Схема эксперимента по излучению сейсмоакустических колебаний.

1 - низкочастотный сейсмоакустический излучатель, 2 - 52,5-метровый лазерный деформограф, 3 - лазерный измеритель вариаций давления гидросферы Низкочастотный сейсмоакустический излучатель находился на расстоянии 100 м от 52,5метрового лазерного деформографа под углом 25° относительно его главной оси. И в 320 м от лазерного измерителя вариаций давления гидросферы, установленного на глубине 27 м на шельфе Японского моря.

В процессе проведения эксперимента частота излучаемого сигнал менялась как плавно, так и скачками в частотном диапазоне от 14 до 19 Гц. Излучённый сигнал синхронно регистрировался лазерным деформографом и лазерным измерителем вариаций давления гидросферы. На рисунке 2.36 приведены динамические спектрограммы записей лазерного деформографа и лазерного измерителя вариаций давления гидросферы, где четко видно синхронное изменение частоты сигнала, принятого данными установками, а на рисунке 2.37 приведены спектры синхронных записей данных приборов в момент работы сейсмоакустического излучателя на частоте 15,2 Гц.

Рисунок 2.36 — Динамические спектрограммы записей лазерного деформографа (вверху) и лазерного измерителя вариаций давления гидросефры (внизу) Рисунок 2.37 — Спектры синхронных участков записи лазерного деформографа (вверху) и лазерного измерителя вариаций давления гидросферы (внизу) С целью дальнейшего анализа выберем семь характерных синхронных участков записей лазерного деформографа и лазерного измерителя вариаций давления гидросферы. В таблице 2. приведены данные спектральной обработки синхронных записей указанных установок.

Таблица 2.4 Данные спектральной обработки лазерного деформографа и лазерного измерителя вариаций давления гидросферы Амплитуда, нм.

Лазерный деформограф Амплитуда, нм.

давления гидросферы 2.3.2 Модельно-теоретические оценки Основываясь на полученных экспериментальных данных, оценим уровень принятой лазерным деформографом сейсмоакустической энергии и гидроакустической энергии, принятой лазерным измерителем вариаций давления гидросферы.

Оценим плотность потока энергии в упругой изотропной среде. В соответствии с [59] среде:

где: - тензор напряжений порождаемых упругой волной, смещения частиц среды под действием волны.

В изотропной среде:

где:

Для акустических продольных волн j -ая компонента вектора плотности потока.

Для акустической продольной волны в упругой среде:

Для плоской гармонической волны:

Средняя по времени компонента вектора потока:

пород, Среднюю по времени плотность энергии упругой волны можно записать в виде:

Если учесть диаграмму направленности лазерного деформографа, то:

где: – смещение, измеренное лазерным деформографом, и Плотность энергии гидроакустической гармонической волны можно записать в виде:

где: – гидроакустическое давление, измеренное лазерным измерителем вариаций давления Найдем отношение плотности гидроакустической энергии к плотности упругой энергии при = 25O, =2000 кг/м3. В таблице 2.5 приведены все эти соотношения для случаев, E у.в.

описанных в таблице 2.4.

Таблица 2.5 Соотношения При анализе данных, приведенных в табл. 2.5 и других подобных материалов, полученных в ходе эксперимента, следует, что около 0,3 % сейсмоакустической энергии трансформируется в гидроакустическую энергию. При подстановке в расчеты с более высокими значениями данное процентное соотношение пропорционально уменьшится.

В результате обработки и анализа полученных данных, можно дать следующие оценки:

1) В упругой среде присутствует сигнал на частоте излучения и на гармониках. В воде присутствует сигнал на основной частоте и на четных гармониках, а на нечетных гармониках сигнал слабый;

2) Нет зависимости количества трансформированной сейсмоакустической энергии в гидроакустическую энергию от частоты в диапазоне излученных сигналов.

3 Развёртывание основного управляющего GRID-сервера на базе ПО Globus Toolkit / В соответствии с техническим заданием для комплексного обеспечения работ по созданию сети океанологического и геофизического мониторинга Дальневосточных морей России будет развернута специальная GRID-инфраструктура, которая позволит интегрировать и предоставлять участникам НИР все необходимые территориально распределенные телекоммуникационные, информационные, аналитические и вычислительные ресурсы. Концепция GRID предполагает, что доступ к ресурсам предоставляется участникам «виртуальных организаций» (ВО), специально создаваемых из территориально разнесенных специалистов для согласованного решения ими тех или иных научных задач. Как отмечалось в предыдущем отчете по НИР, в работах будет задействовано большое число специалистов из различных отраслей знания, ими будут решаться различные частные океанологические и геофизические задачи, поэтому логично предположить необходимость создания и поддержки работы нескольких таких виртуальных организаций. Хотя в рамках концепции GRID предполагается, что владельцами разделяемых ресурсов, как правило, являются сами потенциальные участники ВО, в нашем случае целесообразно развертывание базовой инфраструктуры GRID-ресурсов с облегченными правами доступа к ним участников настоящей НИР. Создаваемая GRID инфраструктура должна включать: 1 – системы автоматизации типовых экспериментальных установок для наблюдения параметров состояния природной среды; 2 – телекоммуникационные каналы доставки данных удаленных экспериментов с моря на берег; 3 – систему береговых GRID-центров приема и временного хранения данных; 4 – телекоммуникационную сеть для доставки данных с береговых центров в основные БД GRIDинфраструктуры; 5 – единую инфраструктуру хранилищ данных в институтах ДВО РАН, ДВГУ и других образовательных учреждениях, управляемую GRID-сервисами; 6 – базу аналитических приложений, используемых участниками НИР для обработки данных и задач моделирования; 7 – средства выскопроизводительной вычислительной поддержки для решения особо сложных аналитических задач на базе суперкомпьютерных комплексов и систем распределенных вычислений.

Для поддержки функционирования виртуальных организаций, порождающих запросы на предоставление ресурсов, во всех узлах GRID-сети должно функционировать единое ПО «промежуточного уровня». Авторы концепции GRID – Ян Фостер и Карл Кессельман сначала предложили всем использовать инструментальный пакет Globus Toolkit, разработанный под их руководством. Это не устроило ряд авторитетных научных групп, разрабатывавших собственные программные средства интеграции вычислительных и информационных ресурсов для своих задач.

Тогда Фостером и Кессельманом была предложена идея разработать открытую архитектуру стандартизированных GRID-служб - OGSA (Open Grid Services Architecture), а всем разработчикам рекомендовать использовать любое программное обеспечение, поддерживающее эти службы. При этом почти сразу же был выпущена новая версия пакета Globus Toolkit – 3.0, полностью основанная на архитектуре OGSA. Другие известные разработчики программных средств управления территориально разнесенными информационно-вычислительными ресурсами адаптировали свои программные пакеты, организовав в них поддержку GRID-служб, входящих в OGSA. В настоящее время для проектирования и поддержки GRID-систем используются различные пакеты, в частности Globus Toolkit 4.0, gLitе, AliEen, NorduGrid и ряд других.

Нами для организации управления вышеперечисленными распределенными GRIDресурсами сети океанологического и геофизического мониторинга предполагается использовать пакеты Globus Toolkit 4.0 и gLitе. О первом пакете достаточно подробно говорилось в нашем отчете по первому этапу НИР. Ниже, основываясь на материалах сайта российского GRIDсообщества [www.gridclub.ru], дадим некоторые пояснения к пакету gLite, который является основным средством разработки GRID-приложений в рамках паневропейского GRID-проекта EGEE (Enabling Grids for E-sciencE), объединившего ресурсы 330 научных организаций из стран Европейского Союза, США, Индии, Китая, России и Украины.

В проекте EGEE было решено, что лучше всего двигаться вперед, используя двухфазный подход. Исходно EGEE использовал «промежуточное» программное обеспечение (ППО) своего предшественника - проекта EDG (Еuropean Data Grid). Это ППО затем было развито в пакет LCG, и именно LCG работал в инфраструктуре EGEE на ранней стадии проекта. Параллельно в EGEE были выполнены работы по модернизации большей части исходного пакета и был создан новый продукт – gLite, который сейчас устанавливается в инфраструктуру и имеет статус предпроизводственного сервиса. Пакет gLite является полным решением для GRID, включая как базовые низкоуровневые программы, так и ряд служб высокого уровня. gLite распространяется на благоприятных для бизнеса условиях лицензии открытого кода. В нем интегрированы как компоненты из лучших на настоящий момент проектов ППО, таких, как Condor и Globus Toolkit, так и компоненты, разработанные для проекта LCG. gLite является одним из лучших базовоинструментальных средств, совместимых с такими планировщиками, как PBS, Condor и LSF. gLite разработан с учетом свойств интероперабельности и содержит базовые службы, облегчающие построение приложений GRID для любых прикладных областей.

В разработке данного программного обеспечения принимают участие различные академические и промышленные исследовательские центры, объединенные в отдельные группы в соответствии с видом деятельности: Управление данными (Data Management), Управление заданиями (Workload Management), Информация и Мониторинг (Information and Monitoring), Учет использования ресурсов (Accounting), Вычислительный элемент (Computing Element), Протоколирование (Logging and Bookkeeping), Безопасность и Сетевой мониторинг (Security and Network Monitoring), Подготовка к работе (Provisioning). Разработка и установка gLite поддерживается также программой EGEE по распределенной т-инфраструктуре (тренировочной инфраструктуре). Эта программа предоставляет по интернету онлайновую документацию, учебные фильмы, организует дистанционные семинары. Обучение можно также пройти на специальном тестовом стенде GILDA, который имеет даже собственный Сертификационный центр (CA). Здесь пользователи и системные администраторы могут проверить все аспекты развертывания и эксплуатации gLite.

Службы gLite соответствуют требованиям SOA (Service Oriented Architecture). Из этого следует, что при необходимости данный продукт можно легко связать с другими GRID-службами, а также, что будет существенно облегчен переход на новые стандарты GRID, такие, например, как WSRF (Web Service Resource Framework) (стандарт OASIS) и OGSA (Open Grid Service Architecture) (предложение Global Grid Forum).

Пакет gLite спроектирован как модульная система, позволяющая пользователям развертывать различные службы в соответствии с их нуждами, а не быть вынужденными использовать всю систему целиком. Предполагается, что это позволит каждому пользователю приспособить систему к его конкретной ситуации.

Базируясь на опыте разработки промежуточных продуктов EDG и LCG, gLite обладает новыми особенностями во всех частях программного пакета. В частности, он гораздо лучше реализует безопасность, имеет лучшие интерфейсы для управления данными и запуска заданий, обладает переработанной информационной системой и многими другими усовершенствованиями, делающими gLite легким и эффективным в использовании. gLite уже развернут на некоторых тестовых и предпроизводственных GRIDах. Сейчас осуществляется установка gLite в общую инфраструктуру EGEE в статусе предпроизводственного сервиса.

Учитывая вышесказанное, было решено наряду с ранее апробированными пакетами Globus Toolkit и G-Condor осуществить установку и провести первичное тестирование возможностей ППО gLite.

Для организации основного GRID-сервера настоящей НИР был приобретен и установлен в серверном помещении ТОИ ДВО РАН компьютер Xeon E5405 Quad Core (4-х ядерный процессор, частота 2 ГГц, оперативная память 2 Гб, дисковый массив общим объемом 3 Тб).

На компьютере был установлен и настроен управляющий Грид-сервер под управлением операционной системы Ubuntu Server 8.0. На сервер было установлен ПО Globus Toolkit 4.2.1, включающее базовые службы Grid Security Infrastructure (GSI), GridFTP, Replica Location Service (RLS), Grid Resource Allocation and Management (GRAM).

Дополнительно на компьютере был настроен виртуальный сервер с операционной системой Scientific Linux 5.3 x86_64, на котором было установлено программное обеспечение gLite 3.2 в составе следующих компонентов:

• glite-BDII (Berkeley Database Information Index) • glite-LFC_mysql (LCG File Catalogue) • glite-SE_dpm_mysql (Storage Element) • glite-VOBOX (Virtual Organization) Начато изучение возможностей всех установленных компонентов для организации целостной системы предоставления участникам НИР территориально распределенных информационных, аналитических и вычислительных ресурсов в режиме виртуальных организаций.

На сервере видеомониторинга под управлением Microsoft Windows Server 2008 настроено ПО GridFTP.Net Server, установлены сертификаты и настроены права для доступа к ресурсам данных. На ряде удаленных компьютеров установлено ПО GridFTP.Net Client, позволяющее вести обмен данными в соответствии с технологиями GRID.

На отдельном сервере под управлением Microsoft Windows Server 2003 установлено ПО Condor 7.3.2, настроенное в режимы сервера и менеджера задач, а также механизм Condor-G для предоставления вычислительных ресурсов серверу под управлением Globus Toolkit. На двадцати компьютерах сотрудников отдела Информационных технологий и отдела Физики геосфер, а также на 10 компьютерах учебного класса ТОИ ДВО РАН, находящихся под управлением различных версий операционных систем Microsoft Windows и Linux, установлено ПО Condor 7.3.2 в качестве клиента для предоставления вычислительных ресурсов для выполнения задач. Общее количество компьютеров - 30, общее количество вычислительных узлов – 38 (8 компьютеров имеют двухядерные процессоры).

Отметим, что вышеприведенное ПО является т.н. промежуточными программным обеспечением - middleware. Для организации интерфейса конечных пользователей с GRIDресурсами применяются два подхода. Для «продвинутых» пользователей в ППО как правило предлагаются средства с ограниченными интерфейсными возможностями (например, некоторый командный язык, или небольшие оконные приложения), но более гибкие в управлении всеми возможностями ППО. Для «обычных» пользователей, какими в основном являются исполнители настоящей НИР, на основе ППО разрабатывают портальные настройки, существенным образом облегчающие процедуры получения доступа к GRID-ресурсам. В нашем случае предполагается реализовать оба подхода. На рисунке 3.1 демонстрируется работа пользователя из ТОИ с GRIDFTP источниками данных, расположенными на МЭС м. Шульца, посредством оконного приложения, предоставляемого клиентской программой GRIDFTP.NET.

Рисунок 3.1 — Работа с территориально удаленными GridFTP источниками данных с помощью оконного приложения программы GridFTP.NET При втором подходе интерфейс участников НИР с ресурсами создаваемой GRIDинфраструктуры будет реализован с помощью океанологической информационно-аналитической системы (ОИАС) ДВО РАН, разработанной в отделе Информационных технологий Тихоокеанского океанологического института. Это тем боле оправданно, что многие участники проекта имеют навыки работы в среде ОИАС.

Фактически ОИАС реализована в форме Web-ГИС проекта. Она предоставляет пользователям посредством стандартного Web-интерфейса доступ к широкой совокупности типов океанологических данных, средствам совместной картографической и общенаучной визуализации данных, библиотеке средств аналитической обработки данных, к высокопроизводительным вычислительным ресурсам корпоративной сети ДВО РАН. На рисунке 3.2 приведена типовая конфигурация окна картографического отображения при работе с ОИАС зарегистрированных пользователей. В данном случае размер базового картографического окна был увеличен пользователем до 640 x 640 пикселов, в области формирования запросов на выборку данных видны дополнительные тематические слои данных. В картографическом окне отображены:

среднеиюньское распределение температуры поверхности воды в регионе; местоположение выполненных в научных рейсах ТОИ ДВО РАН гидрологических станций с данными по вертикальному распределению температуры и солености воды; карта разломов фундамента в Охотском море; маршруты тайфунов, прошедших в регионе в 2002 году.

Рисунок 3.2 — Типовая конфигурация окна картографического отображения при работе с Как уже упоминалось, ОИАС относится к классу Web-ГИС систем. В последние годы такие системы активно разрабатываются у нас в стране и мире. В начале 2000-х годов международным консорциумом OGC была предложена технология взаимодействия территориально разнесенных Wеb-ГИС проектов, основанная на использовании трех базовых обменных сервисов – WMS (Web Map Service), WFC (Web Feature Service), WCS (Web Coverage Service). Использование этих сервисов позволяет, например, при составлении пользователем многослойного покрытия для некоторого географического района наряду со слоями основной ГИС накладывать информационные слои удаленных Web-ГИС систем. В ОИАС ДВО РАН поддерживаются два сервиса OGC технологии - WMS и WFS. Проведены тестовые эксперименты по организации OGCвзаимодействия с несколькими внешними ГИС-проектами, подтвердившие способность ОИАС участвовать в интеграционных проектах, основанных на применении данной технологии.

Система аналитической поддержки ОИАС включает набор программных средств, реализующих классические и сравнительно новые алгоритмы обработки данных, а также несколько программ моделирования океанических процессов. Часть программ реализована на базе технологий Active-X и Javа, они автоматически вызываются для обработки некоторых типов данных ОИАС. Другие программы представляют собой стандартные Desktop-приложения и должны быть предварительно скачаны из ОИАС самим пользователем.

В ОИАС действует специальная система распределения прав доступа пользователей к данным, программным и вычислительным ресурсам, призванная привлечь к участию в проекте ОИАС вместе со своими ресурсами большее число специалистов и научных групп. Пользователи, не прошедшие регистрацию, имеют доступ к очень ограниченному подмножеству ресурсов. После прохождения регистрации пользователю назначается одна из четырех базовых «политик доступа».

Политика 1 – предназначена для внешних по отношению к сети ДВО РАН интернетпользователей, предоставляет доступ только к «открытым» данным.

Политика 2 – предназначена для сотрудников «дружественных» по отношению к ДВО РАН организаций, список таковых устанавливается администратором ОИАС по согласованию с ведущими специалистами, об изменениях в списке информируются владельцы данных (сейчас это институты РАН и вузы Владивостока).

Политика 3 – для сотрудников институтов ДВО РАН.

Политика 4 – для сотрудников ТОИ ДВО РАН.