Навигация под арктическим льдом
Под обширными ледяными просторами Арктики кипит активная деятельность. Изменение климата радикально изменило ледяной покров Северного Ледовитого океана. Районы, ранее покрытые сплошным паковым льдом, теперь скованы тонким слоем толщиной всего около 1 метра. Подо льдом тёплый слой воды, являющийся частью так называемой линзы Бофорта, изменил структуру водной среды.
Чтобы понять роль этих изменений в глобальном климате, необходимо картировать океан под ледяным покровом. Команда инженеров Массачусетского технологического института (MIT) и офицеров ВМС под руководством профессора Генрика Шмидта изучает, как эти изменения среды влияют на акустическую передачу под водой, а также на навигацию и связь подводных аппаратов.
"По сути, мы хотим понять, как новая арктическая среда, сложившаяся из-за глобального изменения климата, влияет на использование подводного звука для связи, навигации и зондирования", — поясняет Шмидт.
Стратегически важный водный путь
Быстро меняющаяся среда в Арктике имеет широкомасштабные последствия. Помимо предоставления учёным данных о влиянии глобального потепления на морских млекопитающих, таяние льда потенциально может открыть новые судоходные пути в ранее недоступных районах. Понимание изменившейся среды также имеет геополитическое значение для ВМС США.
Шмидт и его коллеги были одними из первых, кто осознал, что тёплые воды линзы Бофорта в сочетании с изменением состава льда влияют на распространение звука. Для успешной навигации необходимо понять, как эти изменения влияют на способность аппаратов общаться и ориентироваться.
В рамках трёхнедельной программы ВМС США ICEX (Ice Exercise) 2020 команда, используя автономный необитаемый подводный аппарат (АНПА) и систему датчиков на буях, продемонстрировала новую интегрированную концепцию акустической связи и навигации. Эта концепция позволит аппаратам перемещаться под водой с точностью GPS, одновременно собирая океанографические данные.
Понимание подводной среды
Исследователи развернули зонды для измерения проводимости, температуры и глубины, чтобы собрать данные о водной среде. Эти данные помогают рассчитать профиль скорости звука и понять, благоприятно ли местоположение АНПА для связи.
"Понимание траекторий распространения звука является ключом к прогнозированию хороших и плохих мест для работы АНПА", — объясняет аспирантка Брэдли Ховард, которая отвечала за мониторинг изменений в водной толще. Она использовала метрику "штрафа за многолучевость" для определения зон с оптимальными акустическими свойствами, где меньше эха.
Параллельно аспирант Дэниел Гудвин изучал, как звук отражается от постоянно меняющегося ледяного покрова. Данные с датчиков движения АНПА и приёмников, установленных на буях, позволили исследователям точно вычислять местоположение аппарата. Эта информация вместе с данными об акустической среде предлагает новую концепцию навигации в Арктике.
Защита Арктики
Несмотря на суровые условия, команде удалось успешно доказать работоспособность своей навигационной концепции. Благодаря этой работе военные и будущие торговые суда смогут безопаснее использовать меняющиеся условия Арктики.
"Наша работа может повысить способность ВМС США безопасно и эффективно эксплуатировать подводные лодки подо льдом в течение длительных периодов", — говорит Ховард. Она отмечает, что меняется не только физический климат, но и геополитическая обстановка, что лишь усиливает потребность в улучшении навигации в Арктике для обеспечения свободы судоходства.