Гидрофизическая лаборатория «Геофизик» на Горьковском водохранилище

Лаборатория предназначена для дистанционной диагностики взволнованной водной поверхности и верхнего слоя воды Горьковского водохранилища, в том числе применительно к задачам верификации спутниковых методов.

Маломерное судно «Геофизик» было разработано в 2013 году сотрудниками Института прикладной физики РАН как плавучая гидрофизическая лаборатория. Летом 2014 г. судно было спущено на воду, успешно прошло ходовые испытания и стало регулярно использоваться для решения различных задач.

Силовой набор судна выполнен из легких алюминиевых профилей, обшивка палуб и надстройки – из водостойкой фанеры. Такое решение обеспечивает продолжительный срок службы и позволило добиться небольшого веса в 800 кг и малой осадки в 150 мм (Таблица 1). В результате «Геофизик» может уверенно работать на мелководных участках Горьковского водохранилища, в его пойме и в акваториях примыкающих малых рек. Значительный запас хода, составляющий почти 1000 км, открыл возможности для реализации продолжительных экспедиций (сроком до одной недели), охватывая натурными наблюдениями площадь всей озерной части Горьковского водохранилища или осуществляя регулярный мониторинг отдельного его района.

Компоновка судна была организована таким образом, чтобы обеспечить, с одной стороны, большое количество полезных площадей, предназначенных для размещения разнообразного научного оборудования, а, с другой стороны, сформировать комфортное помещение на 4 человек для проживания и работы (рис. 1б). Такой подход позволил корректно разметить собственное научное оборудование и выполнить заказные и совместные работы с другими организациями. Кроме того, лаборатория «Геофизик» может быть использована при проведении натурных (полевых) испытаний новых образцов оборудования различного назначения.

Продолжительные экспедиционные работы на «Геофизике» показали, что судно способно работать практически при любых ветро-волновых условиях, имеющих место на Горьковском водохранилище (высота волны до 1 м и скорость ветра до 15 м/с), и в полной мере справляется с поставленными перед ним задачами.

Решаемые задачи

Лаборатория предназначена для дистанционной диагностики взволнованной водной поверхности и верхнего слоя воды Горьковского водохранилища, в том числе применительно к задачам верификации спутниковых методов. Объектами исследований являются:

• поверхностные волны, оказывающие сильное воздействие на структуру берегов, дна и прочих объектов и являющиеся индикатором процессов, протекающих на поверхности и в приповерхностном слое воды;
• течения, отвечающие за перенос взвеси в водоеме и искажающие структуру поверхностного волнения;
• биогенные и антропогенные загрязнения (включая пленки поверхностно-активных веществ);
• цветение водорослей, представляющее собой значительную угрозу экологии водоема, вызывая снижение прозрачности, уменьшение концентрации растворенного в воде кислорода, резкое повышение уровня содержания токсинов в воде, усиление процессов заиливания водоемов и т.д.
• оптические свойства воды;
• следы надводных судов, представляющие значительный интерес для задач экологического мониторинга, например, с целью обнаружения судов-загрязнителей.

Оснащение

Для реализации поставленных задач лаборатория оборудована уникальным комплексом радиолокационного, оптического и акустического оборудования (рис. 1 в, г). В его состав входят:

• многочастотные двухполяризационные комплексы дистанционного зондирования водной поверхности; доплеровские радиоскаттерометры см- и мм-диапазонов разработки ИПФ РАН,;
• оптические анализаторы спектра ветрового волнения разработки ИПФ РАН;
• панорамный радиолокатор см-диапазона “Furuno”, “Микран”;
• акустические и контактные волнографы поверхностных волн разработки ИПФ РАН;
• ультразвуковой измеритель скорости ветра “Wind Sonic”;
• акустический профилограф скоростей течений ADCP “Workhorse Monitor 1200 kHz”;
• флуорометр FluoroProbe III BBE Moldaenke для измерения вертикальных профилей температуры и мутности воды, концентраций хлорофилла-а и окрашенного растворенного органического вещества;
• мутномер “Турбидо-1М” для измерения первичных гидрооптических характеристик воды;
• приемники GPS и картплоттер Garmin EchoMap 50s для профилирования дна, ориентирования на водоеме и регистрации координат судна;
• оборудование для взятия проб пленок;
• фото и видеорегистрирующая аппаратура;
• система подводной видеосъемки;
• персональные компьютеры для сбора и обработки данных.

a)

б)

в)

г)

Научная коллаборация

За 2014–2018 годы на Горьковском водохранилище было успешно проведено более 50 экспедиций продолжительностью от суток до полутора недель, а общий километраж приблизился к цифре 3000 км (рис. 2). В экспедициях решались как собственные задачи ИПФ РАН, так и задачи, решаемые совместно с другими институтами: ИО РАН, МГИ РАН, ИФА РАН, МГУ, ННГУ, ВГУВТ. Активное участие в работах принимали студенты и аспиранты перечисленных организаций. Полученные на основе экспедиционных данных результаты представлены в высоко-рейтинговых мировых и российских научных изданиях (например, [1–12]).

Результаты

К основным результатам использования гидрофизической лаборатории «Геофизик» на Горьковском водохранилище следует отнести следующие:

• получены новые представления о взаимодействии ветрового волнения с пленками поверхностно активных веществ (ПАВ) биогенного и антропогенного происхождения на основе измерения сигнала обратного рассеяния микроволнового излучения, имеющие большую значимость для разработки перспективных алгоритмов достоверного обнаружения опасных загрязнений на водной поверхности [1];
• разработаны региональные биооптические алгоритмы оценки концентраций хлорофилла-а, как важного индикатора биопродуктивности воды, и общей взвеси по данным спутникового и судового зондирования [2];
• предложены оригинальные методы подводной регистрации изображений водной поверхности с целью восстановления оптических свойств воды, в том числе в оптически сложных водах [3];
• установлены корреляционные связи между некоторыми гидро- и биооптическими характеристиками воды [4];
• исследована структура течений в озерной части, построена их карта, проанализирована их зависимость от расхода воды через ГЭС, обнаружены вихревые структуры в поле течений в Горьковском водохранилище [5];
• построена современная карта глубин (рельефа дна), включающая мелководные участки водоема вдали от судового хода, где наблюдались значительные расхождения с навигационными картами [5];
• получены новые сведения о лидарных сигналах флуоресценции и обратного рассеяния, необходимые для разработки статистических моделей лидарных эхо-сигналов для задач оптического мониторинга сильно эвтрофированных водоемов и диагностики внутренних волн [6-8];
• исследованы процессы растекания поверхностных пленок применительно к задачам прогнозирования растекания судовых сбросов нефтепродуктов и разработки рекомендаций по их локализации с помощью боновых заграждений [9–11];
• исследованы пространственно-временные изменения содержания и эмиссии метана с поверхности водохранилища применительно к задачам взаимодействия атмосферы и гидросферы и климатологии [12];
• исследована пространственно-временная изменчивость ключевых гидрохимических показателей, отображающих современное экологическое состояние водоема;
• исследованы зоны смешения рек.

Полученные результаты подтвердили важность создания и практическую значимость плавучей лаборатории «Геофизик», а также возможность ее использования для решения целого ряда фундаментальных и прикладных задач. Лаборатория периодически оснащается новым оборудованием, что способствует возможности решения новых задач и получению углубленных знаний в уже решаемых задачах. Вместе с тем, лаборатория способствует привлечению студентов и аспирантов, развитию у них интереса к решению современных океанологических и экологических задач и проблем, а также получению опыта работ в полевых условиях.

Коллектив лаборатории приглашает всех заинтересованных к реализации новых научных проектов.

Литература

1. Ermakov S.A., Sergievskaya I.A., Da Silva J.C.B., Kapustin I.A., Shomina O.V., Kupaev A.V. and Molkov A.A. Remote Sensing of Organic Films on the Water Surface Using Dual Co-Polarized Ship-Based X-/C-/S-Band Radar and TerraSAR-X // Remote Sens. 2018, 10(7), 1097.
2. Molkov, A.A.; Fedorov, S.V.; Pelevin, V.V.; and Korchemkina E.N. On Regional Models for High-Resolution Retrieval of Chlorophyll a and TSM Concentrations in the Gorky Reservoir by Sentinel-2 Imagery. Remote Sens. 2019, 11, 1215.
3. Molkov, A. A.; Dolin, L. S. The Snell’s Window Image for Remote Sensing of the Upper Sea Layer: Results of Practical Application. J. Mar. Sci. Eng. 2019, 7, 70.
4. Мольков А. А., Капустин И. А., Щегольков Ю. Б., Воденеева Е. Л., Калашников И. Н. «Об исследовании оптических свойств Горьковского водохранилища» // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2018. Т. 11, № 3. С. 26–33.
5. Капустин И. А., Мольков А. А. «Исследование структуры течений и глубин в озерной части Горьковского водохранилища с использованием акустических средств измерений» // Метеорология и гидрология. 2019. № 7. С. 110–117.
6. Aleksandr A. Molkov, Lev S. Dolin, Vadim V. Pelevin, Ivan A. Kapustin, Nikolay A. Belyaev, Boris V. Konovalov, and Viacheslav V. Kremenetskiy. Lidar measurements spatial variability of optical properties of water in eutrophic reservoirs // Proc. SPIE 10784, Remote Sensing of the Ocean, Sea Ice, Coastal Waters, and Large Water Regions 2018, 107841A.
7. Grishin M. Ya., Lednev V. N., Pershin S. M., Bunkin A. F., Ermakov S. A., Kapustin I. A. and Molkov A. A. Lidar Sensing of Ship Wakes // Physics of Wave Phenomena. 2017. Vol. 25. No. 3. pp. 1–6.
8. В. Н. Леднёв, М. Я. Гришин, С. М. Першин, А. Ф. Бункин, И. А. Капустин, А. А. Мольков, С. А. Ермаков «Лидарное зондирование пресноводной акватории с высокой концентрацией фитопланктона» // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из Космоса. 2016. Т. 13. № 1. С. 119–134.
9. С. А. Ермаков, И. А. Капустин, А. А. Мольков, Е. М. Сироткин, Е. Ю. Чебан «Теоретическое и экспериментальное исследование эффекта прохождения нефтепродуктов за боновые заграждения» // Cовременные проблемы дистанционного зондирования Земли из Космоса. 2015. Т. 12. № 2. С. 127–139.
10. Ermakov, S., Da Silva, J.C.B., Kapustin, I., Molkov, A., Sergievskaya, I., and Shomina, O. Radar probing of surfactant films on the water surface using dual co-polarized SAR // (2016) Proceedings of SPIE. The International Society for Optical Engineering, 9999, статья № 99990A.
11. Капустин И. А., Ермошкин А. В., Богатов Н. А., Мольков А. А. «Об оценке вклада приводного ветра в кинематику сликов на морской поверхности в условиях ограниченных разгонов волнения» // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 2. С. 163–172.
12. Гречушникова М. Г., Репина И. А., Степаненко В. М., Казанцев В. С., Артамонов А. Ю., Варенцов М. И., Ломова Д. В., Мольков А. А., Капустин И. А. «Пространственно-временные изменения содержания и эмиссии метана в водохранилищах с различным коэффициентом водообмена» // Известия Русского географического общества, Т. 150. № 5. C. 14–33.