aariПроблемы Арктики и АнтарктикиArctic and Antarctic Research0555-26482618-6713Государственный научный центр Российской Федерации Арктический и антарктический научно-исследовательский институт10.30758/0555-2648-2022-68-1-26-47aari-419Research ArticleОКЕАНОЛОГИЯOCEANOLOGYВолновые процессы в дрейфующем льду Cеверного Ледовитого океана в экспедиции MOSAiC. Зимний периодWave processes in the drifting ice of the Arctic Ocean in the MOSAiC expedition. Winter periodСмирновВ. Н.SmirnovV. N.

Санкт-Петербург

St. Petersburg

smirnov@aari.ruЗнаменскийМ. С.ZnamenskyM. S.

Санкт-Петербург

St. Petersburg

ШейкинИ. Б.SheykinI. B.

Санкт-Петербург

St. Petersburg

ГНЦ РФ Арктический и антарктический научно-исследовательский институтРоссияState Scientific Center of the Russian Federation Arctic and Antarctic Research InstituteRussian Federation2022160420226812647Copyright © Смирнов В.Н., Знаменский М.С., Шейкин И.Б., 20222022Смирнов В.Н., Знаменский М.С., Шейкин И.Б.Smirnov V.N., Znamensky M.S., Sheykin I.B.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.aaresearch.science/jour/article/view/419

Одной из основных научных и прикладных проблем в Арктике являются исследования физико-механических процессов в системе атмосфера — лед — океан. С этой целью решаются теоретические и экспериментальные задачи. В настоящей работе использовался метод мониторинга состояния дрейфующего льда с помощью автономных сейсмических станций в международной экспедиции MOSAiC в 2019–2020 гг. Метод дистанционной регистрации ледовой информации с дискретностью100 Гц позволил получить данные о процессах сжатия и торошения льдов различного временного и пространственного масштаба. В работе представлены первые результаты о развитии физико-механических процессов в ледяном покрове при воздействии ветра, океанических гравитационных волн, явлениях сжатия и торошения при крупномасштабных деформациях в дрейфующем льду. Полученные в работе амплитудно-частотные спектры поверхностных гравитационных волн являются основанием относить описанные явления к волнам зыби и инфрагравитационным волнам, возникающим в штормовых районах океанов. Получены новые данные о низкочастотных горизонтально-поляризованных волнах, обусловленных сжатием льдов и подвижками по разрывам в сплоченном ледяном покрове. Рассмотрены возможности использования инструментального мониторинга возникновения и развития приливного сжатия и торошения в дрейфующих льдах Северного Ледовитого океана. Полученные результаты могут быть использованы для разработки методов прогнозирования состояния льдов в режиме реального времени как в инженерных задачах, так и для совершенствования моделей прогноза погоды и климата.

One of the main directions of theoretical and applied research in the Arctic is the study of physical and mechanical processes in the atmosphere — ice — ocean system. For this purpose, theoretical and experimental problems are solved. The paper employs the method of monitoring the state of drifting ice by means of autonomous seismic stations in the MOSAiC international expedition in 2019–2020. The method of remote registration of ice information with a discreteness of 100 Hz made it possible to obtain data on the processes of compression and crushing of ice of various temporal and spatial scales. The paper presents early findings on the development of physico-mechanical processes in the ice cover under the influence of wind, oceanic gravitational waves, compression and crushing phenomena during large-scale deformations in drifting ice. The amplitude-frequency spectra of surface gravitational waves obtained in this work provide sufficient reason for attributing the phenomena described to swell waves and infra-gravity waves that occur in the stormy areas of the oceans. New data have been obtained on low-frequency horizontally polarized waves caused by the compression of ice and movements along breaks in the cohesive ice cover. The article considers the possibilities of using instrumental monitoring of the occurrence and development of tidal compression and crushing in the drifting ice of the Arctic Ocean. The results obtained can be used to develop methods for predicting the state of ice in real time both in engineering tasks and for improving weather and climate forecasting models.

колебания и волнымониторинг состояния льдаразломы льдасжатие и торошениеcompression and torsionice condition monitoringice fracturesvibrations and wavesРабота выполнена в рамках темы 5.1.5 ЦНТП Росгидромета «Исследование крупномасштабной динамики, физических процессов, механики деформирования и разрушения морских льдов с целью совершенствования методов краткосрочного прогнозирования сжатия и торошения».Данные, использованные в этой статье, были получены в рамках международ-ной многопрофильной дрейфующей обсерватории по изучению арктического климата (MOSAiC) с пометкой MOSAiC20192020. Идентификатор экспедиции AWI_ PS122 00. Стандартные данные метеостанции судна «Поларштерн» были успешно использованы при обработке материалов сейсмических наблюдений. Статья написана на основе данных инструментальных измерений, проведенных сотрудника-ми Лаборатории физики льда ААНИИ Николаем Колабутиным, Егором Шеманчуком, Игорем Шейкиным и Алексеем Нюбом.The work was carried out within the framework of the topic 5.1.5 of the Central Research Institute of Roshydromet “Research of large-scale dynamics, physical processes, mechanics of deformation and destruction of sea ice in order to improve methods of short-term forecasting of compression and ridging”.The data used in this manuscript was produced as part of the international Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of the Arctic Climate (MOSAiC) with the tag MOSAiC20192020. Project_ ID given for this specific Polarstern expedition is AWI_ PS122 00. The standard data of the Polarstern weather station was successfully used in the processing of seismic observation materials. The article is based on the data of instrumental measurements carried out by employees of the AARI Laboratory of Ice Physics Nikolai Kolabutin, Egor Shemanchuk, Igor Sheikin and Alexey Nyubom.ReferencesЛегеньков А.П. Подвижки и приливные деформации дрейфующего льда. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 104 с.Legen’kov A.P. Podvizhki i prilivnye deformatsii dreifuiushchego l’da. Shearings and tidal deformations of drifting ice. Leningrad: Hydrometeoizdat, 1988: 104 p. [In Russian].Tucker III W.B., Perovich D.K. Stress measurements in drifting Pack Ice // Cold regions science and technology. 1992. V. 20. № 2. P. 119–139. doi:10.1016/0165-232X(92)90012-J.Tucker III W.B., Perovich D.K. Stress measurements in drifting pack ice. Cold regions science and technology. 1992, 20 (2): 119–139. doi:10.1016/0165-232X(92)90012-J.Смирнов В.Н. Динамические процессы в морских льдах. СПб.: Гидрометеоиздат, 1996. 162 с.Smirnov V.N. Dinamicheskie protsessy v morskikh l’dakh. Dynamical processes in sea ice. St. Petersburg: Hydrometeoizdat, 1996: 162 p. [In Russian].Aksenov Ye. Local scale deformations and stresses, and their relationship to the mesoscale ice internal stress field // Ice State final report. Helsinki Univ. of Technology. HUT, 1999. Р. 100–148.Aksenov Ye. Local scale deformations and stresses, and their relationship to the mesoscale ice internal stress field. Ice State final report. Helsinki Univ. of Technology., HUT, 1999: 100–148.Hutchings J.K., Roberts A., Geiger C.A., Richter-Menge J. Spatial and temporal characterization of sea-ice deformation // Ann. Glaciol. 2011. V. 52. P. 360–368. doi:10.3189/172756411795931769.Hutchings J.K., Roberts A., Geiger C.A., Richter-Menge J. Spatial and temporal characterization of sea-ice deformation. Ann. Glaciol. 2011, 52: 360–368. doi:10.3189/172756411795931769.Смирнов В.Н., Чмель А.Е. Самоподобие и самоорганизация в дрейфующем ледяном покрове Арктического бассейна // Доклады Академии наук. 2006. Т. 5. С. 684–687. doi:10.1134/S1028334X06080204.Smirnov V.N., Chmel’ A.E. Self-similarity and self-organization in drifting ice cover of the Arctic basin. Doklady Akademii nauk. Proc. of the Academy of Sciences. 2006, 5: 684–687. doi:10.1134/S1028334X06080204. [In Russian].Marchenko A., Morozov E., Muzylev S. Measurements of sea-ice flexural stiffness by pressure characteristics of flexural-gravity waves // Ann. Glaciol. 2013. V. 54 (64). P. 51–60. doi:10.3189/2013AoG64A075.Marchenko A., Morozov E., Muzylev S. Measurements of sea-ice flexural stiffness by pressure characteristics of flexural-gravity waves. Ann. Glaciol. 2013, 54 (64): 51–60. doi:10.3189/2013AoG64A075.Wadhams P., Doble M.J. Sea ice thickness measurement using episodic infragravity waves from distant storms // Cold Reg. Sci. Technol. 2009. V. 56. P. 98–101. doi:10.1016/j.coldregions.2008.12.002.Wadhams P., Doble M.J. Sea ice thickness measurement using episodic infragravity waves from distant storms. Cold Reg. Sci. Technol. 2009, 56: 98–101. doi:10.1016/j.coldregions.2008.12.002.Marsan D., Weiss J., Moreau L., Gimbert F., Doble M., Larose E., Grangeon J. Characterizing horizontallypolarized shear and infragravity vibrational modes in the Arctic sea ice cover using correlation methods // J. Acoust. Soc. Am. 2019. V. 145 (3). Р. 1600–1608. doi:10.1121/1.5094343. doi:10.1121/1.5094343.Marsan D., Weiss J., Moreau L., Gimbert F., Doble M., Larose E., Grangeon J. Characterizing horizontally-polarized shear and infragravity vibrational modes in the Arctic sea ice cover using correlation methods. J. Acoust. Soc. Am. 2019, 145 (3): 1600–1608. doi:10.1121/1.5094343.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. doi:10.29006/1564–2291.JOR–2019.47(3).11.Smirnov V.N., Kovalev S.M., Niubom A.A. Self-excited oscillations in the drifting ice cover of the Arctic Ocean. Okeanologicheskie issledovaniia. Oceanological Research. 2019, 47 (3): 122–138. doi:10.29006/1564–2291.JOR–2019.47(3).11. [In Russian].Смирнов В.Н., Ковалев С.М., Нюбом А.А., Знаменский М.С. Механика колебаний и волн во льдах Северного Ледовитого океана при явлениях сжатия и торошения // Проблемы Арктики и Антарктики. 2020. Т. 66. № 3. С. 321–336. doi:10.30758/0555-2648-2020-66-3-321-336.Smirnov V.N., Kovalev S.M., Nubом A.A., Znamenskiy M.S. Mechanics of oscillations and waves in the ice of the Аrctic ocean during compression and ridging. Problemy Arktiki i Antarktiki. Arctic and Antarctic Research. 2020, 66 (3): 321–336. doi:10.30758/0555-2648-2020-66-3-321-336. [In Russian].Schmithüsen H. Continuous meteorological surface measurement during POLARSTERN cruise PS122/4. 2021. URL: https://doi.org/10.1594/PANGAEA.935224 (дата обращения 04.04.2022).Schmithüsen H. Continuous meteorological surface measurement during POLARSTERN cruise PS122/4. 2021. Available at: https://doi.org/10.1594/PANGAEA.935224 (accessed 04.04.2022).

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