aariПроблемы Арктики и АнтарктикиArctic and Antarctic Research0555-26482618-6713Государственный научный центр Российской Федерации Арктический и антарктический научно-исследовательский институт10.30758/0555-2648-2020-66-2-162-179aari-255Research ArticleЛЕДОТЕХНИКАICE TECHNOLOGYМониторинг физико-механического состояния морского льда и краткосрочное прогнозирование экстремальных ледовых явленийMonitoring of the physical and mechanical state of sea ice and short-term prediction of extreme ice phenomenaСмирновВ. Н.SmirnovV. N.

Санкт-Петербург

Victor N. Smirnov

St. Petersburg

КовалевС. М.KovalevS. M.

Санкт-Петербург

Sergey M. Kovalev

St. Petersburg

skovalev@aari.ruШушлебинА. И.ShushlebinA. I.

Санкт-Петербург

Aleksandr I. Shushlebin

St. Petersburg

КолабутинН. В.KolabutinN. V.

Санкт-Петербург

Nikolay V. Kolabutin

St. Petersburg

ЗнаменскийМ. С.ZnamenskiyM. S.

Санкт-Петербург

Maksim S. Znamenskiy

St. Petersburg

ГНЦ РФ Арктический и антарктический научно-исследовательский институтРоссияState Scientific Center of the Russian Federation Arctic and Antarctic research InstituteRussian Federation202010072020662162179Copyright © Смирнов В.Н., Ковалев С.М., Шушлебин А.И., Колабутин Н.В., Знаменский М.С., 20202020Смирнов В.Н., Ковалев С.М., Шушлебин А.И., Колабутин Н.В., Знаменский М.С.Smirnov V.N., Kovalev S.M., Shushlebin A.I., Kolabutin N.V., Znamenskiy M.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.aaresearch.science/jour/article/view/255

В статье дается обзор двух дополняющих друг друга направлений исследований морского льда, которые осуществляются Арктическим и антарктическим научно-исследовательским институтом (ААНИИ). Рассмотрены новые методы инструментального исследования физико-механических характеристик ледяного покрова. Приведены результаты определения локальной прочности льда на научно-исследовательском стационаре ААНИИ «Ледовая база Мыс Баранова». Рассмотрено применение контактного дистанционного метода мониторинга динамического состояния ледяного покрова с целью получения новых данных для создания метода прогнозирования явлений сжатия и разрушения морских льдов в режиме реального времени.

The article presents the results of studies that complement each other. New methods of instrumental studies of the physical and mechanical characteristics of ice and ice cover are considered.

There is briefly described the complex system to developed in the AARI (Arctic and Antarctic research Institute) to determine the strength characteristics of ice formations in natural conditions. The results of determining the ice strength in wells (local strength) at the research station of AARI “Ice Base Cape of Baranov” are presented. The coefficient of comparison of local strength and strength of samples under uniaxial compression is obtained. This allows to determine the ice strength without sampling and testing of samples. On a large experimental material, linear and quadratic approximations for local ice strength were obtained. The influence of the indenter penetration rate on the local ice strength is studied.

There is considered the application of the contact remote method for monitoring the dynamic state of the ice cover in order to obtain new data for creating a method of predicting the phenomena of compression and destruction of sea ice in real time.

To study the large-scale mechanics of ice during dynamic processes in the air — ice — water system, a modular-block system for ice cover monitoring was developed. The layout of the system was tested in Arctic expeditions.

The developed complex system for determining the strength characteristics of ice formations in natural conditions and the modular-block system for monitoring the state of the ice cover complement each other, suggest their further development and improvement, provide wide opportunities for ice research.

волновые процессызонд-инденторледникиледяной покровмониторингподвижкипрогнозпрочностьсейсмометрторошениеborehole jackforecastglaciersice covermonitoringridgeseismometershiftsstrengthwave processesОбработка данных выполнена в рамках плановой научной тематики ААНИИ по разделу проекта 5.1.5 НИТР Росгидромета «Исследование крупномасштабной динамики, физических процессов, механики деформирования и разрушения морских льдов с целью совершенствования методов краткосрочного прогнозирования сжатия и торошения».Data processing was carried out a part of the AARI planned scientific topic under the project section 5.1.5 SRTW of Roshydromet “Research of large-scale dynamics, physical processes, mechanics of deformation and destruction of sea ice in order to improve methods for short-term forecasting of compression and ridging”.ReferencesMalmgren F. On the properties of sea-ice. Bergen: a/s J. Griegs boktrykkeri, 1927. 67 p.Malmgren F. On the properties of sea-ice. Bergen: a/s J. Griegs boktrykkeri, 1927: 67 p.Robin G.Q. Wave propagation through fields of pack ice // Phil. Trans. Rou. Soc. London. A. 1963. V. 225 (1057). P. 313–223.Robin G.Q. Wave propagation through fields of pack ice. Phil. Trans. Rou. Soc. London, A. 1963, 225 (1057): 313–223.Smirnov V.N., Nikitin V.A., Shushlebin A.I., Sheikin I.B. Results of studies of the effect of wind-induced waves and swell on the ice cover of the Barents Sea // Natural Conditions of the Kara and Barents Seas. Proceedings of the Russian-Norwegian Workshop-95, Norsk Polarinstitutt. Oslo, 1997. P. 325–327.Smirnov V.N., Nikitin V.A., Shushlebin A.I., Sheikin I.B. Results of studies of the effect of wind-induced waves and swell on the ice cover of the Barents Sea. Natural Conditions of the Kara and Barents Seas. Proceedings of the Russion-Norwegian Workshop-95. Norsk Polarinstitutt. Oslo, 1997: 325–327.Мячкин В.И. Процессы подготовки землетрясений. М.: Наука, 1978. 232 с.Mjachkin V.I. Processy podgotovki zemletrjasenij. Earthquake preparation processes. Moscow: Nauka, 1978: 232 с. [In Russian].Садовский М.А., Писаренко В.Ф. Сейсмический процесс в блоковой среде. М.: Наука, 1991. 95 с.Sadovskij M.A., Pisarenko V.F. Sejsmicheskij process v blokovoj srede. Seismic process in a block environment. Moscow: Nauka, 1991: 95 р. [In Russian].Смирнов В.Н., Ковалев С.М., Бородкин В.А., Нюбом А.А., Шушлебин А.И. Инструментальный мониторинг и краткосрочный прогноз явлений сжатия и торошения. СПб.: ААНИИ, 2017. 174 с.Smirnov V.N., Kovaljov S.M., Borodkin V.A., Njubom A.A., Shushlebin A.I. Instrumental’nyj monitoring i kratkosrochnyj prognoz javlenij szhatija i toroshenija. Instrumental monitoring and short-term forecast of compression and ridging phenomena. St. Petersburg: AARI, 2017: 174 p. [In Russian].Смирнов В.Н. Динамические процессы в морских льдах. СПб.: Гидрометеоиздат, 1996. 162 с.Smirnov V.N. Dinamicheskie processy v morskih l’dah. Dynamic processes in sea ice. St. Petersburg: Gidrometeoizdat, 1996: 162 p. [In Russian].Свод правил 11-114-2004. Инженерные изыскания на континентальном шельфе для строительства морских нефтегазопромысловых сооружений. М.: Госстрой России, 2004. 88 с.Set of Rules 11-114-2004. Inzhenernye izyskanija na kontinental’nom shel’fe dlja stroitel’stva morskih neftegazopromyslovyh sooruzhenij. Engineering surveys on the continental shelf for the construction of offshore oil and gas facilities. Moscow: Gosstroy of Russia, 2004: 88 p. [In Russian].Petroleum and natural gas industries — Arctic offshore structures. ISO/FDIS 19906:2010(E). 2010. 435 р.Petroleum and natural gas industries — Arctic offshore structures, ISO/FDIS 19906:2010(E), 2010: 435 p.Masterson D.M. Interpretation of in situ borehole ice strength measurement tests // Proc. of IAHR Ice Symposium, Banff, Alberta. 1992. V. 3. Р. 802–815.Masterson D.M. Interpretation of in situ borehole ice strength measurement tests. Proc. of IAHR Ice Symposium, Banff, Alberta. 1992, 3: 802–815.Masterson D.M. Interpretation of in situ borehole ice strength measurement tests // Can. J. Civ. Eng. 1996. V. 23 (1). Р. 165–179.Masterson D.M. Interpretation of in situ borehole ice strength measurement tests. Can. J. Civ. Eng. 1996, 23 (1): 165–179.Masterson D.M., Graham W.P., Jones S.J., Childs G.R. A comparison of uniaxial and borehole jack tests at Fort Providence ice crossing // Can. Geotech. J. 1997. V. 34. P. 471–475.Masterson D.M., Graham W.P., Jones S.J., Childs G.R. A comparison of uniaxial and borehole jack tests at Fort Providence ice crossing. Can. Geotech. J. 1997, 34: 471–475.Kovalev S.M., Korostelev V.G., Nikitin V.A., Smirnov V.N., Shushlebin A.I. Application of a borehole jack for determination the local strength of fresh and sea ice // Proc. of the 17th Int. Symp. on Ice. St. Petersburg: IAHR, 2004. Р. 147–153.Kovalev S.M., Korostelev V.G., Nikitin V.A., Smirnov V.N., Shushlebin A.I. Application of a borehole jack for determination the local strength of fresh and sea ice. Proc. of the 17th Int. Symp. on Ice. St. Petersburg: IAHR, 2004: 147–153.Sinha N.K. The Borehole Jack — Is it a useful tool? // Proc. 5th International Offshore Mechanics and Arctic Engineering Symposium (OMAE), Tokyo, Japan. 1986. Р. 328–335.Sinha N.K. The Borehole Jack — Is it a useful tool? Proc. 5th International Offshore Mechanics and Arctic Engineering Symposium (OMAE), Tokyo, Japan. 1986: 328–335.Sinha N.K., Shkhinek K.N., Smirnov V.N. On borehole indentor (BHI) measurements and analysis // Cold Reg. Sci. Technol. 2012. V. 76–77. P. 109–120.Sinha N.K., Shkhinek K.N., Smirnov V.N. On borehole indentor (BHI) measurements and analysis. Cold Reg. Sci. Technol. 2012, 76–77: 109–120.Свод правил 38.13330.2018. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). СНиП 2.06.04-82*. М.: Минстрой России, 2018. 122 с.Set of Rules 38.13330.2018. Nagruzki i vozdejstvija na gidrotehnicheskie sooruzhenija (volnovye, ledovye i ot sudov). Loads and impacts on hydraulic structures (wave, ice and from ships). SNiP 2.06.04-82*. Moscow: Ministry of Construction of Russia, 2018: 122 p. [In Russian].Kovalev S.M., Smirnov V.N., Borodkin V.A., Kolabutin N.V. Research of the physical-mechanical properties of sea ice at the scientific research station “Ice Base the Cape of Baranov” // Тр. V Всероссийской конференции с международным участием «Полярная механика», 9–11 окт. 2018, г. Новосибирск. URL: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1755-1315/193/1/012030/pdf (дата обращения 01.06.2020)Kovalev S.M., Smirnov V.N., Borodkin V.A., Kolabutin N.V. Research of the physical-mechanical properties of sea ice at the scientific research station “Ice Base the Cape of Baranov”. Proc. V All-Russia Conference with international participation “POLAR MECHANICS”, 9–11 Oct. of 2018, Novosibirsk. Available at https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1755-1315/193/1/012030/pdf (accessed 01.06.2020).Johnston M.E. Strength-Temperature Relationships for First-year, Second-year and Multi-year Sea Ice // Proc. of the 29th (2019) Int. Ocean and Polar Eng. Conf. Honolulu, Hawaii, USA, June 16–21, 2019. P. 707–714.Johnston M.E. Strength-Temperature Relationships for First-year, Second-year and Multi-year Sea Ice. Proc. of the 29th (2019) Int. Ocean and Polar Eng. Conf., Honolulu, Hawaii, USA, June 16–21, 2019: 707–714.Sinha N. Borehole-indentor // J. OMAE. 1987. V. 109. P. 391–397.Sinha N. Borehole-indentor. J. OMAE. 1987, 109: 391–397.Смирнов В.Н., Ковалев С.М., Нюбом А.А. Автоколебания в дрейфующем ледяном покрове Северного Ледовитого океана // Океанологические исследования. 2019. Т. 47. № 3. С. 122–138.Smirnov V.N., Kovalev S.M., Njubom A.A. Self-oscillations in the drifting ice cover of the Arctic Ocean. Okeanologicheskie issledovanija. Oceanological studies. 2019, 47, 3: 122–138. [In Russian].Смирнов В.Н., Шушлебин А.И., Ковалев С.М., Шейкин И.Б. Методическое пособие по изучению физико-механических характеристик ледяных образований как исходных данных для расчета ледовых нагрузок на берега, дно и морские сооружения. СПб: ААНИИ, 2011. 178 с.Smirnov V.N., Shushlebin А.I., Kovalev S.M., Sheikin I.B. Metodicheskoe posobie po izucheniju fiziko-mehanicheskih harakteristik ledjanyh obrazovanij kak ishodnyh dannyh dlja rascheta ledovyh nagruzok na berega, dno i morskie sooruzhenija. Methodological aid for study of physical-mechanical characteristics of ice features as initial data for calculation of ice loads on shores, seabed and offshore structures. St. Petersburg: AARI, 2011: 178 p. [In Russian].Смирнов В.Н., Знаменский М.С., Ковалев С.М., Шушлебин А.И. Универсальная модульноблочная система мониторинга состояния ледяного покрова. Патент на изобретение № 2683806 от 02.04.2019.Smirnov V.N., Znamensky М.S., Kovalev S.M., Shushlebin А.I. Universal’naja modul’no-blochnaja sistema monitoringa sostojanija ledjanogo pokrova. Universal module-block system of monitoring of the ice cover state. Patent RF, no. 2683806, 02.04.2019.Ковалев С.М., Смирнов В.Н., Шушлебин А.И., Павлов В.А., Корнишин К.А., Ефимов Я.О. Крупномасштабные испытания прочности дрейфующих и припайных льдов арктического шельфа // Тр. 12-й межд. конф. и выставки по освоению ресурсов нефти и газа Российской Арктики и континентального шельфа стран СНГ (RAO/CISOffshore 2015). 15–18 сентября 2015 г, Санкт-Петербург. СПб.: Химиздат, 2015. С. 246–250.Kovalev S.M., Smirnov V.N., Shushlebin А.I., Pavlov V.А., Kornishin K.А., Efimov Ya.О. Large-scake trials of the strength of drifting and landfast ice of the Arctic shelf. Trudy 12-i mezhd. konf. i vystavki po osvoeniiu resursov nefti i gaza Rossiiskoi Arktiki i kontinental’nogo shel’fa stran SNG (RAO/CISOffshore 2015). 15–18 sentiabria. Proc. 12th International Conference and exhibition on the development of oil and gas resources of the Russian Arctic and the continental shelf of the CIS countries (RAO/CIS Offshore 2015). 15–18 September of 2015, St. Petersburg. St. Petersburg: Khimizdat, 2015: 246–250. [In Russian].Смирнов В.Н., Знаменский М.С., Шушлебин А.И., Ковалев С.М. Способ мониторинга состояния дрейфующего ледяного поля или припая и прогноза его разлома при сжатии льдов и воздействия волн зыби. Патент на изобретение № 2621276. 02.06.2017.Smirnov V.N., Znamensky М.S., Shushlebin А.I., Kovalev S.M. Sposob monitoringa sostojanija drejfujushhego ledjanogo polja ili pripaja i prognoza ego razloma pri szhatii l’dov i vozdejstvija voln zybi. Method of monitoring of the state of the drifting ice floe or landfast ice and prediction of its breakup at ice compression and impact of swell waves. Patent RF, no. 2621276, 02.06.2017.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.