aariПроблемы Арктики и АнтарктикиArctic and Antarctic Research0555-26482618-6713Государственный научный центр Российской Федерации Арктический и антарктический научно-исследовательский институт10.30758/0555-2648-2024-70-3-295-309aari-636Research ArticleОКЕАНОЛОГИЯOCEANOLOGYАпробация сейсмоакустического метода мониторинга параметров ледяного покрова на архипелаге Земля Франца-ИосифаField trial of a seismoacoustic method for ice cover parameters monitoring on the Franz Josef Land archipelagohttps://orcid.org/0000-0002-1856-7131ПресновД. А.PresnovD. A.

Москва

Dmitriy A. Presnov

Moscow

presnov@physics.msu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0566-6149ТимофееваА. Б.TimofeevaA. B.

Санкт-Петербург

Anna B. Timofeeva

St. Petersburg

ФГБУН Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наукРоссияSchmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of SciencesRussian FederationГНЦ РФ Арктический и антарктический научно-исследовательский институтРоссияState Scientific Center of the Russian Federation Arctic and Antarctic Research InstituteRussian Federation202427092024703295309Copyright © Преснов Д.А., Тимофеева А.Б., 20242024Преснов Д.А., Тимофеева А.Б.Presnov D.A., Timofeeva A.B.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.aaresearch.science/jour/article/view/636

В работе проанализированы данные натурного сейсмоакустического эксперимента с многоканальной группой геофонов, размещенных на припайном льду острова Александры архипелага Земля Франца-Иосифа, в рамках комплексной экспедиции Русского географического общества. Продемонстрирована принципиальная возможность использования изгибно-гравитационных волн, распространяющихся в плавучем ледяном покрове, для оценки его характеристик, как в активном режиме, так и путем анализа естественных шумов. Результаты восстановления параметров льда, полученные неразрушающим образом с использованием сейсмоакустических волн и усредненные вдоль протяженных профилей, сопоставлены с данными прямых контактных измерений.

Among the physical parameters of the freezing seas ice cover, ice thickness is of key importance, and its measurement is one of the most important tasks. The increased interest in the state of the sea ice cover as an indicator of global climatic changes, as well as the growth of comprehensive development of the Arctic shelf has caused intensive development of technical and methodological bases for ice observations. Despite the great variety of approaches to ice thickness estimation, all of them are not without weaknesses. Thus, most contact methods imply direct human presence, which significantly complicates the procedure, taking into account, among other factors, the rough weather conditions of the Arctic. Remote methods depend on weather conditions and cannot always provide high spatial resolution. In this connection, it is promising to use satellite observations coupled with the results of autonomous “ground” measurements, which can be seismoacoustic data containing information on the characteristics of elastic waves propagating in the ice-covered sea, is promising. The purpose of this work is to experimentally test a new passive method for monitoring ice cover parameters along long profiles based on the analysis of natural seismoacoustic fields. The article analyzes the data of a full-scale seismoacoustic experiment with a multichannel group of geophones placed on the floating ice of Alexandra Island in the Franz Josef Land archipelago within the framework of a complex expedition of the Russian Geographical Society. The demonstrates that it is in principle possible to use flexural-gravity waves propagating in the floating ice to estimate its characteristics, both in the active mode and by analyzing the ambient noise, is demonstrated. The results of ice parameter reconstruction obtained in a nondestructive manner using seismoacoustic waves and averaged over long profiles are compared with the data of direct contact measurements. This can be further used for monitoring seasonal and multiyear variability of sea ice thickness of freezing seas, including shelf zones.

изгибно-гравитационные волныЗемля Франца-Иосифасейсмоакустикатолщина морского льдафоновый шумambient noiseflexural-gravityFranz Josef Landsea ice thicknessseismoacousticsДанная работа была поддержана Российским научным фондом, грант № 22-77-00067This research was funded by Russian Science Foundation, grant number 22-77-00067ReferencesАлексеева Т.А., Фролов С.В., Сероветников С.С. Обзор методов и основных результатов измерения толщины морского льда в Арктике. Российская Арктика. 2021;1(12):33–49. https://doi.org/10.24412/2658-4255-2021-1-33-49Alekseeva T.A., Frolov S.V., Serovetnikov S.S. Review of methods and main results of sea ice thickness measurements in the Arctic. Russian Arctic. 2021;1(12):33–49. (In Russ.). https://doi.org/10.24412/2658-4255-2021-1-33-49Собисевич А.Л., Преснов Д.А., Собисевич Л.Е., Шуруп А.С. О локализации геологических отдельностей арктического шельфа на основе анализа модовой структуры сейсмоакустических полей. Доклады Академии наук. 2018;479(1):80–83. https://doi.org/10.7868/S0869565218070198Sobisevich A.L., Presnov D.A., Sobisevich L.E., Shurup A.S. Localization of geological inhomogeneities on the arctic shelf by analysis of the seismoacoustic wave field mode structure. Doklady Earth Sciences. 2018;479:355–357. https://doi.org/10.1134/S1028334X18030108Stein P.J., Euerle S.E., Parinella J.C. Inversion of pack ice elastic wave data to obtain ice physical properties. J. Geophys. Res. 1998;103(C10):21783–21793. https://doi.org/10.1029/98JC01269Stein P.J., Euerle S.E., Parinella J.C. Inversion of pack ice elastic wave data to obtain ice physical properties. J. Geophys. Res. 1998;103(C10):21783–21793. https://doi.org/10.1029/98JC01269Тихоцкий С.А., Преснов Д.А., Собисевич А.Л., Шуруп А.С. Использование низкочастотных шумов в пассивной сейсмоакустической томографии дна океана. Акустический журнал. 2021;67(1):107–116. https://doi.org/10.31857/S0320791921010056Tikhotskii S.A., Presnov D.A., Sobisevich A.L., Shurup A.S. The use of low-frequency noise in passive seismoacoustic tomography of the ocean floor. Acoust. Phys. 2021;67:91–99. https://doi.org/10.1134/S106377102101005XСобисевич А.Л., Преснов Д.А., Агафонов В.М., Собисевич Л.Е. Вмораживаемый автономный геогидроакустический буй нового поколения. Наука и технологические разработки. 2018; 97(1):25–34. https://static.ifz.ru/10.21455/std2018.1-3Собисевич А.Л., Преснов Д.А., Агафонов В.М., Собисевич Л.Е. Вмораживаемый автономный геогидроакустический буй нового поколения. Наука и технологические разработки. 2018; 97(1):25–34. https://static.ifz.ru/10.21455/std2018.1-3Krylov A.A., Novikov M.A., Kovachev S.A., Roginskiy K.A., Ilinsky D.A., Ganzha O.Y., Ivanov V.N., Timashkevich G.K., Samylina O.S., Lobkovsky L.I., Semiletov I.P. Features of seismological observations in the Arctic Seas. Journal of Marine Science and Engineering. 2023; 11(12):2221. https://doi.org/10.3390/jmse11122221Krylov A.A., Novikov M.A., Kovachev S.A., Roginskiy K.A., Ilinsky D.A., Ganzha O.Y., Ivanov V.N., Timashkevich G.K., Samylina O.S., Lobkovsky L.I., Semiletov I.P. Features of seismological observations in the Arctic Seas. Journal of Marine Science and Engineering. 2023; 11(12):2221. https://doi.org/10.3390/jmse11122221Музылев С.В. Волны в океане под ледяным покровом: основы теории и модельные задачи. В: А.В. Фролов, Ю.Д. Реснянский (ред.) Современные проблемы динамики океана и атмосферы: Сборник статей, посвященный 100-летию со дня рождения проф. П.С. Линейкина. Гидрометцентр России. М.: ТРИАДА ЛТД; 2010. С. 315–346.Музылев С.В. Волны в океане под ледяным покровом: основы теории и модельные задачи. В: А.В. Фролов, Ю.Д. Реснянский (ред.) Современные проблемы динамики океана и атмосферы: Сборник статей, посвященный 100-летию со дня рождения проф. П.С. Линейкина. Гидрометцентр России. М.: ТРИАДА ЛТД; 2010. С. 315–346.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;66(3):321–336. https://doi.org/10.30758/0555-2648-2020-66-3-321-336Smirnov 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. Arctic and Antarctic Research. 2020;66(3):321–336. (In Russ.). https://doi.org/10.30758/0555-2648-2020-66-3-321-336Смирнов В.Н., Ковалев С.М., Шушлебин А.И., Колабутин Н.В., Знаменский М.С. Мониторинг физико-механического состояния морского льда и краткосрочное прогнозирование экстремальных ледовых явлений. Проблемы Арктики и Антарктики. 2020;66(2):162–179. https://doi.org/10.30758/0555-2648-2020-66-2-162-179Smirnov V.N., Kovalev S.M., Shushlebin A.I., Kolabutin N.V., Znamenskiy M.S. Monitoring of the physical and mechanical state of sea ice and short-term prediction of extreme ice phenomena. Arctic and Antarctic Research. 2020; 66(2):162–179. (In Russ.). https://doi.org/10.30758/0555-2648-2020-66-2-162-179Яковлев А.В., Ковалев С.М., Шиманчук Е.В., Шиманчук Е.В., Нюбом А.А. Сеть сейсмических станций, установленная на дрейфующих льдах: эксперимент на севере Баренцева моря. Доклады Российской академии наук. Науки о Земле. 2021;496(2):158–163. https://doi.org/10.31857/S2686739721020213Jakovlev A.V., Kovalev S.M., Shimanchuk E.V., Nubom A.A. Seismic network on drifted ice floes: a case study in north Barents Sea. Doklady Earth Sciences. 2021;496(2):155–159. https://doi.org/10.1134/S1028334X21020215Федин К.В., Колесников Ю.И., Нгомайезве Л. Определение толщины льда по стоячим волнам. Процессы в геосредах. 2019;22(4):528–533.Федин К.В., Колесников Ю.И., Нгомайезве Л. Определение толщины льда по стоячим волнам. Процессы в геосредах. 2019;22(4):528–533.Богородский В.В., Гаврило В.П. Лед: Физические свойства. Современные методы гляциологии. Л.: Гидрометеоиздат; 1980. 384 с.Богородский В.В., Гаврило В.П. Лед: Физические свойства. Современные методы гляциологии. Л.: Гидрометеоиздат; 1980. 384 с.Хейсин Д.Е. Динамика ледяного покрова. Л.: Гидрометеоиздат; 1967. 216 с.Хейсин Д.Е. Динамика ледяного покрова. Л.: Гидрометеоиздат; 1967. 216 с.Преснов Д.А., Собисевич А.Л., Шуруп А.С. Определение параметров ледового покрова с помощью сейсмоакустического шума. Акустический журнал. 2023;69(5):637–651. https://doi.org/10.31857/S0320791923600385Presnov D.A., Sobisevich, A.L., Shurup A.S. Determination of ice cover parameters using seismoacoustic noise. Acoust. Phys. 2023;69:725–737. https://doi.org/10.1134/S1063771023600341Матишов Г.Г., Жичкин А.П. Современные тенденции изменения ледовитости в районе архипелага Земля Франца-Иосифа. Доклады Академии наук. 2017;472(6):708–711. https://doi.org/10.7868/S0869565217060226Matishov G.G., Zhichkin A.P. Current trends of ice coverage changes in the Franz Josef Land Archipelago area. Doklady Earth Sciences. 2017;472(2):248–251. https://doi.org/10.1134/S1028334X17020283.Шапкин Б.С., Рубченя А.В., Иванов Б.В., Ревина А.Д., Богрянцев М.В. Многолетние изменения ледовитости в районе архипелагов Шпицберген и Земля Франца-Иосифа. Лед и снег. 2021;61(1):128–136. https://doi.org/10.31857/S2076673421010076Shapkin B.S., Rubchenia A.V., Ivanov B.V., Revina A.D., Bogryantsev M.V. Long-term changes in ice coverage in the area of the Svalbard (Spitsbergen) and Franz Josef Land archipelagos. Ice and Snow. 2021;61(1):128–136. (In Russ.). https://doi.org/10.31857/S2076673421010076Стартовала комплексная экспедиция РГО на архипелаг Земля Франца-Иосифа. URL: https://ifz.ru/novosti/ruslan-zhostkov-kompleksnaya-ekspedicziya-rgo-na-arxipelag-zemlya-franczaiosifa (accessed 21.06.2024).Стартовала комплексная экспедиция РГО на архипелаг Земля Франца-Иосифа. URL: https://ifz.ru/novosti/ruslan-zhostkov-kompleksnaya-ekspedicziya-rgo-na-arxipelag-zemlya-franczaiosifa (accessed 21.06.2024).Moreau L., Stehly L., Boué P., Lu Y., Larose E., Campillo M. Improving ambient noise correlation functions with an SVD-based Wiener filter. Geophysical Journal International. 2017;211(1):418– 426. https://doi.org/10.1093/gji/ggx306Moreau L., Stehly L., Boué P., Lu Y., Larose E., Campillo M. Improving ambient noise correlation functions with an SVD-based Wiener filter. Geophysical Journal International. 2017;211(1):418– 426. https://doi.org/10.1093/gji/ggx306Смирнов В.Н., Миронов Е.У. Исследования прочности, морфометрии и динамики льда в инженерных задачах при освоении шельфа в замерзающих морях. Проблемы Арктики и Антарктики. 2010;85(2):5–15.Smirnov V.N., Mironov Ye.U. Investigations of strength, morphometry and dynamics of ice in engineer’s tasks at development of shelf in freezing seas. Problemy Arktiki i Antarktiki = Arctic and Antarctic Reseach. 2010;85(2):5–15. (In Russ.)

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