Способ определения момента времени схода наблюдаемого с космического аппарата ледника - RU2605528C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при определении с космического аппарата момента времени катастрофического схода ледника.

Ледники играют важную роль в жизни нашей планеты. Движение - основной процесс, управляющий жизнедеятельностью ледника. Оно служит источником энергии для изменений структуры ледникового льда, влияет на его тепловое состояние, разгружает области аккумуляции от льда [1] (С.В. Калесник. Очерки гляциологии. Государственное издательство географической литературы, Москва, 1963, с. 188).

Бесконтрольное движение ледника может привести к катастрофическим последствиям [2] (Л.В. Десинов. Снежный покров и ледники. М.: Знание, 1988), [3] (Л.В. Десинов. Агрессия горного ледника. «Земля и Вселенная», №1, 2003). Поэтому необходимо определять и контролировать скорость движения ледников и моменты времени катастрофического схода ледников.

Для быстрого определения скорости движения ледника пользуются своеобразными «ледниковыми часами» - криокинеметрами. Криокинеметр, приспособленный для непрерывной записи, называется криокинеграфом.

Сконструированный Швейцарской ледниковой комиссией криокинеметр - это металлическая прямоугольная коробка (7×5×2,5 см), на двух узких сторонах которой два гнезда с нарезкой, отвечающей нарезке штатива обычного фотоаппарата. Одно гнездо помещается на короткой стороне, другое - на длинной, чтобы прибор можно было ставить как удобнее. Из одной крышки коробки выдается главная ось; на нее неподвижно насажен блок (диаметром около 16 мм) с плоским желобом. Вращение этого валика при помощи увеличительного механизма передается стрелкам двойного циферблата, который помещается за целлулоидным окошечком на противоположной стороне аппарата. Главный циферблат диаметром в 35 мм разделен на 100 равных частей, занумерованных через каждый десяток. Легко отсчитывается полделения. Малый циферблат суммирует десять оборотов главного (большого). Одно деление главного циферблата соответствует смещению обода блока на 0,1 мм.

Подставкой криокинеметра служит тренога фотоаппарата, теодолита и т.п. Передаточная нить (проволока) наматывается на один оборот на блок. На одном ее конце - бронзовый грузик весом в 200 г; он поддерживает нить, свисающую совершенно свободно, в натянутом положении. Грузику придана форма катушки, чтобы на нее можно было намотать излишек проволоки (или всю, когда прибор не работает). Другой конец проволоки связан с якорем - полным металлическим цилиндром высотой около 12 см (диаметром 3,5 см), несколько расширяющимся кверху. В этой расширенной части сделан венец из дырочек. Нить закрепляется в одной из них узлом.

Во льду высверливают отверстие (соответствующее диаметру цилиндра) и ставят в него вертикально цилиндр, наполненный охладительной смесью (2 части мелконакрошенного льда и 1 часть поваренной соли), предохраняющей лед от таяния, а яркость - от выпадения из гнезда.

Якорь укрепляют на каком-нибудь выступе конца ледника, а криокинеметр на земле перед концом ледника. Схема действия прибора очень проста: ледник продвигается вперед, проволока, связывающая его с аппаратом, от этого ослабляется, но тотчас же через блок оттягивается грузиком книзу; вращение блока передается валику, а от последнего через механизм стрелкам циферблата. Чувствительность прибора такова, что 1-2-х часов уже достаточно для получения заметного отсчета (Mercanton P. Le cryocinémétre de la Commission helvétigue des glaciers. «Ztschr. F.G.», XXII, 1935).

Определив скорость движения ледника, можно приблизительно оценить момент времени его катастрофического схода.

Криокинеметр (и криокинеграф) этой конструкции может мерить скорость движения ледника только по его краю, так при длине проволоки, превышающей 10 м, получаются крупные ошибки (длина проволоки под влиянием температурных колебаний изменяется).

Чтобы избежать подобного недостатка, Р. Гэлловей (Galloway R.W. Mechanical measurement of glacier motion. «Journ. Of Glaciology», No. 19, 1956) предложил несколько видоизменить схему криокинеграфа. Аппарат устанавливают на трубках, глубоко погруженных в лед и заполненных замораживающей смесью льда и соли. От горизонтального блока В прибора к двум точкам А и С склона долины протягивается длинная упругая проволока (например, струна длиною 500 м). Длины АВ и ВС равны, высоты точек А и С над В одинаковы - это обеспечивает одинаковое натяжение обеих половин проволоки, свободно висящей над поверхностью льда. Движение ледника увлекает аппарат с блоком В и заставляет блок вращаться в соответствии со скоростью движения ледника; блок (диаметр его 8 см) соединен с барабаном (диаметром 20 см), обернутым бумагой, на которой перо, связанное с часовым механизмом, чертит линию.

Если температура воздуха повышается, проволока просто больше провисает, и это никак не влияет на отсчеты. Искажения могут получиться лишь тогда, когда вдоль АВ температура меняется иначе, чем вдоль ВС. Во избежание этого АВ и ВС располагаются как можно ближе друг к другу (однако так, чтобы угол между ними был не меньше 60°), а прибор помещают на затененной стороне ледника.

По мере движения ледника сторона АВ укорачивается, ВС удлиняется, и тогда при данном повышении температуры ВС расширяется больше, чем АВ, что может внести ошибку в запись, если разница в длине АВ и ВС превысит 10 м. Чтобы избежать этого, блок В надо переставить (либо с самого начала сделать АВ на 10 м длиннее, чем ВС).

Причиной ошибок в показаниях прибора может быть и ветер, так как он меняет натяжение проволоки. Прибор успешно работает в тихую погоду или когда ветер дует параллельно оси ледника. Аппарат, конечно, не может учитывать движение льда вбок или вверх по течению ледника (это отразится только на регистрации им скорости движения вниз по течению: запись покажет уменьшенное значение скорости). Но этот недостаток пока непреодолим. С помощью данного способа можно получить лишь качественную оценку момента времени катастрофического схода продвигающего ледника. Кроме того, использование приведенных способов - аналогов предполагает работу специалистов на ледниках.

Для определения момента времени катастрофического схода ледника может использоваться другой способ - прототип, основанный на определении перемещения ледника за заданный промежуток времени [1] (С.В. Калесник. Очерки гляциологии. Государственное издательство географической литературы, Москва, 1963, с. 189-192). В данном способе ставят две вехи, одну на языке ледника, другую - на склоне ледника, и с помощью угломерного прибора, размещаемого с наблюдателем на склоне ледника, измеряют перемещение ледника за заданный промежуток времени и определяют скорость движения ледника. Для установки вех в леднике и его склоне бурят отверстия, в которые помещают, например, алюминиевые трубы. С помощью данного способа можно получить лишь качественную оценку момента времени катастрофического схода ледника. Данный способ также предполагает работу специалистов на леднике и его склоне, что не всегда выполнимо. При необходимости контроля движения нескольких ледников эта задача становится просто не выполнимой.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является определение с космического аппарата момента времени катастрофического схода ледника.

Технический результат предлагаемого изобретений заключается в определении момента времени катастрофического схода ледника дистанционно с КА, т.е. без присутствия специалистов на леднике и его склоне, и в повышении точности определения момента времени катастрофического схода ледника.

Технический результат достигается тем, что в способе определения момента времени схода наблюдаемого с космического аппарата ледника, основанном на определении перемещения ледника за заданный промежуток времени, определяют неподвижные характерные точки на склонах ледника, осуществляют с космического аппарата первую съемку ледника и неподвижных характерных точек и получают изображение, фиксируют контрольный створ в виде линии, проходящей через неподвижные характерные точки, в случае пересечения изображения ледника и контрольного створа, измеряют по полученному изображению расстояние L от контрольного створа до максимально удаленной крайней точки языка ледника, а в случае, если изображение ледника и контрольного створа не пересекаются - расстояние до минимально удаленной крайней точки языка ледника, через промежуток времени ΔT_i больший или равный n_i-3·Δ/0.2, где n_i - количество суток между съемками, Δ геометрическое разрешение съемочной системы космического аппарата, i = 1, 2, дополнительно проводят вторую и третью съемку с космического аппарата при возникновении условий съемки, определяют изменение δL_i измеряемого расстояния от контрольного створа до крайней точки языка ледника, после третьего выполнения съемки ледника определяют расстояние S от фронтальной части ледника до объекта, достижение которого ледником приведет к катастрофическому событию, и определяют время от последнего измерения до катастрофического схода ледника из соотношения

где

Путь y, пройденный ледником, определяют из соотношения

где:

V₀ - скорость в момент последнего измерения;

а - ускорение;

t - время.

Суть предлагаемого изобретения поясняется на фиг. 1.

На фиг. 1 введены обозначения:

А, В - неподвижные характерные точки на склонах ледника;

АВ - контрольный створ;

L, L₁, L₂ - расстояния от контрольного створа до максимально удаленной крайней точки языка ледника в моменты получения изображений, так, что δL₁- L₁ - L, δL₂- L₂ - L₁;

S - определенное при втором повторении съемок расстояние от фронтальной части ледника до объекта, достижение которого ледником приведет к катастрофическому событию.

При нахождении решения уравнения (1) используются результаты трех измерений, соответствующих положениям ледника L, L₁, L₂ (фиг. 1).

Решение квадратного уравнения (1) для случая а>0 имеет одно решение. Для случая а<0 имеет 2 решения, одно из которых по форме совпадает со случаем а>0, а другое соответствует ситуации, когда ледник движется вверх, т.е. оно не имеет физического смысла. В случае а=0 имеем равномерное движение ледника.

Поэтому, подставляя в уравнение (1) у S, δL₁, δL₂, ΔT₁, ΔТ₂, найдем

где

Решая полученное квадратное уравнение, найдем время t.

Таким образом, мы получили время от последнего измерения до катастрофического схода ледника (падение с обрыва, столкновение его с объектом инфраструктуры и т.д.).

За счет выполнения предлагаемых действий определение момента времени катастрофического схода ледника осуществляется дистанционно, без присутствия специалистов на леднике и его склоне. Кроме того, в данном способе возможна не качественная оценка, а точное определение момента времени катастрофического схода ледника.

Неподвижные характерные точки всегда могут быть найдены на склонах ледника. Ими могут являться кучи камней, отдельные крупные валуны и т.д. Фиксация контрольного створа в виде линии, проходящей через неподвижные характерные точки, с помощью современных оптических систем не представляет затруднений. Если контрольный створ пересекает изображение ледника, то определяется расстояние от контрольного створа до максимально удаленной крайней точки языка ледника. В случае отсутствия такого пересечения определяется расстояние от контрольного створа до минимально удаленной точки языка ледника.

Минимальная скорость движения ледников составляет 20 см/сутки. Поэтому для надежного определения перемещения ледника берется соотношение n_i=K·Δ/0.2, где Δ - геометрическое разрешение съемочной системы КА, n_i - количество суток до повторной съемки, K - коэффициент, выбираемый из условия надежности определения перемещения ледника (принимается K=3). Повторная съемка осуществляется через промежуток времени ΔT_i, не меньший n_i, при возникновении условий съемки. Условия съемки определяются известными соотношениями и зависят от взаимного положения трассы КА и объекта съемки на земной поверхности, угла возвышения Солнца и облачности [6]. Условия для съемки с КА типа МКС периодически возникают и съемки могут быть реализованы.

В настоящее время технически все готово для реализации предложенного способа на КА, например, МКС. Для определения неподвижных характерных точек на склонах ледника и фиксации контрольного створа могут использоваться оптические приборы и визиры, применяемые на орбитальных станциях. Применяемые оптические приборы и визиры дают изображение характерных точек на склонах ледника. Это изображение отображается на компьютере, где может быть осуществлена фиксация контрольного створа. Для съемки и получения изображений ледника, характерных точек и контрольного створа могут использоваться съемочные системы орбитальной станции. Для определения по полученным снимкам измеряемых расстояний L, L₁, L₂, S, определения скорости, ускорения движения фронтальной части ледника и определения момента времени катастрофического схода продвигающегося ледника по приведенной формуле могут использоваться вычислительные средства МКС.

Предлагаемый способ позволяет определять момент времени катастрофического схода продвигающегося ледника дистанционно, без присутствия специалистов на леднике и его склоне. Это является чрезвычайно полезным эффектом. Кроме того, в большом количестве случаев присутствие людей на леднике невозможно, а с учетом большого количества существующих ледников и необходимости контроля их перемещения предлагаемый способ является единственным способом решения данной задачи. Кроме того, в данном случае возможна не качественная оценка, а точное определение момента времени катастрофического схода ледника.

Литература

1. С.В. Калесник. Очерки гляциологии. Государственное издательство географической литературы. Москва, 1963.

2. Л.В. Десинов. Снежный покров и ледники. М.: Знание, 1988.

3. Л.В. Десинов. Агрессия горного ледника. Земля и Вселенная, №1, 2003.

4. Mercanton P. Le cryocinémétre de la Commission helvétigue des glaciers. Ztschr. F.G., XXII, 1935.

5. Galloway R.W. Mechanical measurement of glacier motion. Journ. Of Glaciology, No. 19, 1956.

6. М.Ю. Беляев. Научные эксперименты на космических кораблях и орбитальных станциях. М.: Машиностроение, 1984.

Реферат

Способ определения момента времени схода наблюдаемого с космического аппарата ледника основан на определении перемещения ледника за заданный промежуток времени, определении неподвижных характерных точек на склонах ледника. Осуществляют первую съемку ледника и неподвижных характерных точек с космического аппарата. Определяют момент пересечения изображения ледника контрольного створа, измеряют по полученному изображению расстояние от контрольного створа до максимально удаленной крайней точки языка ледника. В случае если изображения ледника и контрольного створа не пересекаются, проводят дополнительную съемку. Определяют изменение измеряемого расстояния от контрольного створа до крайней точки языка ледника и далее определяют расстояние от фронтальной части ледника до объекта, достижение которого ледником приведет к катастрофическому событию, и определяют время. Технический результат заключается в определении момента времени катастрофического схода ледника дистанционно с космического аппарата и в повышении точности определения момента времени катастрофического схода ледника. 1 ил.

Формула

Способ определения момента времени схода наблюдаемого с космического аппарата ледника, включающий определение перемещения ледника за заданный промежуток времени, отличающийся тем, что определяют неподвижные характерные точки на склонах ледника, осуществляют с космического аппарата первую съемку ледника и неподвижных характерных точек и получают изображение, фиксируют контрольный створ в виде линии, проходящей через неподвижные характерные точки, в случае пересечения изображения ледника и контрольного створа измеряют по полученному изображению расстояние L от контрольного створа до максимально удаленной крайней точки языка ледника, а в случае, если изображение ледника и контрольного створа не пересекаются - расстояние до минимально удаленной крайней точки языка ледника, через промежуток времени ΔT_i, больший или равный n_i=3·Δ/0.2, где n_i - количество суток между съемками, Δ - геометрическое разрешение съемочной системы космического аппарата, i=1, 2, дополнительно проводят вторую и третью съемку с космического аппарата при возникновении условий съемки, определяют изменение δL_i измеряемого расстояния от контрольного створа до крайней точки языка ледника, после третьего выполнения съемки ледника определяют расстояние S от фронтальной части ледника до объекта, достижение которого ледником приведет к катастрофическому событию, и определяют время от последнего измерения до катастрофического схода ледника из соотношения

,
где

.