Космос океана – вихри акустической энергии

 К 300-летию РАН

Лауреат премии ДВО РАН имени выдающихся учёных Дальнего Востока России

Известно выражение: «Человечество знает больше о глубинах космоса, нежели о глубинах океана». Природа едина: космические скопления вихрей повторяются и в глубинах океана.

В лаборатории акустических шумов океана ТОИ ДВО РАН обнаружено и исследовано уникальное физическое явление – вихревой перенос акустической энергии в мелком море (вихри). Теоретически доказан механизм устойчивости вихря.

Комбинированная донная низкочастотная четырёхкомпонентная акустическая приёмная система МГУ-ТОИ на борту НИС «Каллисто». Остров Итуруп. Бухта Бархатная. На фото: в центре В. ЩУРОВ (ТОИ) и сотрудники кафедры акустики физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Слева направо: А. СЛУЦКОВ, С. ИЛЬИН, Ф. ТОПОРОВСКИЙ. 1978 год

    

     Продолжаем знакомить наших уважаемых читателей с лауреатами премии ДВО РАН имени выдающихся учёных Дальнего Востока России. Доктор физико-математических наук, профессор Владимир Александрович Щуров – ныне советник, ранее был заведующим лаборатории акустических шумов океана Тихоокеанского океанологического института имени В.И. Ильичёва. Он дважды лауреат премии имени академика В.И. Ильичёва: «За разработку векторно-фазовых методов и их применение при исследовании океанической среды» в 1995 году и «Амплитудно-фазовая структура вихрей акустической интенсивности в волноводе мелкого моря, механизм устойчивости вихревого переноса энергии в области низких частот» в 2023 году.

Владимир Александрович Щуров в 1964-м окончил физико-математический факультет Дальневосточного государственного университета. В 1969 году на физическом факультете Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова защитил диссертацию на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук, в 2006 году стал доктором физико-математических наук.

С 1978 года в Тихоокеанском океанологическом институте ДВО РАН разрабатывает новейшие образцы подводных акустических систем, проводил экспериментальные исследования в Тихом и Индийском океанах, опубликовал пять научных монографий на русском, китайском и английском языках. Сформулировал и разработал новое научное направление «Векторная акустика океана», признанное мировой наукой.

Сделано в СССР. Образец 1980 года. Электродинамический низкочастотный трёхкомпонентный векторный приёмник. Максимальная глубина погружения 1000 м. Рабочий диапазон 1-100 Гц

Время требовало внедрения новых методов

– С середины прошлого века научное направление «Подводная акустика» или как принято говорить «Гидроакустика» получило мощный импульс к развитию, – рассказывает об истории своих исследований Владимир Александрович. – Это, в первую очередь, было связано с развитием подводного флота СССР и США. Время требовало создания новых методов зондирования морской среды с высокой помехоустойчивостью для обнаружения малошумных подводных объектов. Теоретические и экспериментальные разработки нового научного направления проводились на кафедре акустики физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова профессором Сергеем Николаевичем Ржевкиным в 1960-1980 годы. Этот метод он определил как «Векторно-фазовый метод». Директор ТОИ Виктор Иванович Ильичёв (тогда ещё не академик) поручил мне в 1976 году заняться этой проблемой по совместительству. Дело в том, что в это время я занимал должность заведующего кафедрой высшей математики в Дальневосточном институте советской торговли. Встал вопрос о получении допуска меня к закрытым работам по данной тематике, но Виктор Иванович все организационные проблемы решал мгновенно. Я считаю, что оправдал доверие Виктора Ивановича своей последующей деятельностью.

В.И. ИЛЬИЧЁВ и В.А. ЩУРОВ при обсуждении экспериментальных результатов, б. Витязь. 1986 год

В лаборатории акустических шумов океана на основе векторно-фазового метода были созданы приёмные акустические системы с уникальными техническими характеристиками и методология исследований в условиях глубокого океана и мелкого моря. Показана теоретически и в натурных экспериментах высокая помехоустойчивость приёмных систем; обнаружено явление компенсации встречных потоков энергии; исследованы свойства подводного окружающего шума и движение акустической энергии в океане.

Коллектив лаборатории акустических шумов океана. Слева направо: А.С. ЛЯШКОВ, С.Г. ЩЕГЛОВ, Л.Ф. ШИКОВ, В.А. ЩУРОВ, Е.С. ТКАЧЕНКО, В.П. КУЛЕШОВ. 2012 год

Уникальное физическое явление природы

– В 1978 году учёные ТОИ первыми провели в Северо-Западной части Тихого океана акустические эксперименты в диапазоне низких частот с новыми средствами, недоступными специалистам других стран. Наши результаты были высоко оценены заказчиком, – продолжает свой рассказ В.А. Щуров. – Развитие и совершенствование техники векторно-фазового метода позволили нам достичь успехов в исследовании в реальных условиях океана.

Заключение контракта между ТОИ и Харбинским инженерным университетом.
На снимке: академик Янг Ши-е и В.А. ЩУРОВ, г. Харбин, 1996 год

Одна из новых областей подводной акустики, которой мы занимаемся, начиная с 2008 года, – изучение вихрей вектора акустической интенсивности (далее вихри). В 2008 году вихри впервые были нами обнаружены (В.А. Щуров, Е.С. Ткаченко, В.П. Кулешов) в заливе Петра Великого Японского моря. Вихрь – уникальное физическое явление природы, возникающее в вечно изменяющейся океанической среде. Наглядно вихрь можно представить, как вращение потока энергии относительно особой точки (центра), связанное с обращением волнового фронта. В некоторой области вихря поток энергии направлен в обратную сторону, то есть на источник энергии.

Явление вихреобразования давно известно в гидродинамике, механизм которого обусловлен вязкостью среды. Гидродинамические вихри со временем распадаются, образуя турбулентную среду. Акустические вихри устойчивы и существуют, пока работает источник излучения. Механизм образования и устойчивости вихрей исследован и опубликован в наших работах.

Где возникают вихри?

Образование вихрей – фундаментальное свойство периодических структур, независимо от того, какова среда – периодическая решётка кристалла, электромагнитное поле оптического диапазона, акустическое поле в ограниченной воздушной или морской среде. В шестидесятых годах прошлого века в когерентном лазерном излучении обнаружены дефекты фазового поля («нули поля»), в которых энергия электромагнитного поля обращалась в нуль. Это явление получило название «дислокаций», по аналогии с дислокациями в кристаллах. Дислокации в кристаллах обладают знаком плюс или минус и являются дефектами, вызванными смещениями атомов кристаллической решетки на целое число её периодов внутри кристалла. В оптическом когерентном поле в точках «нуля поля» наблюдается обращения волнового фронта, то есть вихри энергии электромагнитного поля со знаком плюс или минус.

В 1993 году российскими учёными (Кравцов и др.) теоретически показано, что такие же дислокации, вызывающие вихри, могут возникать в мелком море. Через пятнадцать лет в 2008 году вихри обнаружены лабораторией акустических шумов океана ТОИ в заливе Петра Великого Японского моря. С этого времени данное явление интенсивно исследуется в России, Китае, США.

Первая международная конференция по глобальному акустическому мониторингу океана.
Институт Скриппса. США, 1992 год. Фото В.А. АКУЛИЧЕВА

Инструмент исследования мелкого моря

– С момента обнаружения вихрей в реальном волноводе прошло пятнадцать лет. Нами исследованы различные типы вихрей при различных глубинах волновода, различных гидродинамических условиях поверхности моря. Показано: вихрь представляет собой топологически устойчивую осесимметричную систему, то есть является самостоятельным изолированным физическим объектом, существующим, пока работает источник звука. Отсюда следует, что вихрь может быть использован как инструмент исследования свойств волновода мелкого моря, то есть его можно использовать как физический инструментарий, созданный самой природой. Например, в задачах обнаружения подводных объектов, внутренних волн, приливных течений. Для развития современного уровня экспериментальных работ необходимо совершенствовать технику и методологию исследования реального океана, – подвёл итог своим исследованиям на сегодняшний день профессор Щуров.

Сделано в России. Восьмиканальный комбинированный приёмный модуль нейтральной плавучести. Конструкция ведущего инженера лаборатории С. ЩЕГЛОВА. 2013 год

Фото из личного архива Владимира ЩУРОВА

Модели, прогнозирующие движения Земли

 

В научных подразделениях ДВО РАН

Учёный-сейсмолог раскрывает секрет точности прогнозирования сейсмических воздействий

Алексей Валерьевич КОНОВАЛОВ

Наша справка:

Алексей Валерьевич Коновалов – ведущий научный сотрудник Сахалинского филиала Дальневосточного геологического института ДВО РАН, кандидат физико-математических наук. Лауреат премии имени академика С.Л. Соловьёва за серию работ «Развитие цифровых систем сейсмологических наблюдений и изучение сейсмических процессов природного и техногенного характера на юге Дальнего Востока России».

Научные интересы: сейсмология, физика очага землетрясения и сейсмического процесса, техногенная сейсмичность, сейсмический мониторинг, автоматизированные системы обработки данных, детальное сейсмическое районирование, сейсмическое микрорайонирование, сильные движения грунта.

Научные достижения. Исследованы очаговые зоны сильных сахалинских землетрясений. Разработана сейсмогеологическая модель региона в приложении к оценке сейсмической опасности. Создана уникальная комплексная автоматизированная система мониторинга естественной и техногенной сейсмичности на о. Сахалин и прилегающем шельфе. Разработаны программно-технические решения в области обработки и интерпретации данных сейсмологических наблюдений. Впервые на Сахалине разработан интернет-сайт сейсмологического сервиса https://eqalert.ru/. Получены три патента.

Каждый человек, ставший свидетелем землетрясения, никогда не забудет ощущение беспомощности перед могучими и неуправляемыми силами природы. Предотвратить природные катастрофы не в наших силах, но существуют ли возможности их предупредить? Мы обратились к Алексею Валерьевичу Коновалову, разработавшему математическую модель, которая позволит создавать более точные карты сейсмической опасности, этот проект был поддержан грантом РНФ.

– Алексей Валерьевич, расскажите немного о моделировании сейсмических воздействий.

– Модели сейсмических воздействий используются при оценках сейсмической опасности на глобальном, региональном, локальном уровнях и показывают, как затухает сейсмическое воздействие в зависимости от расстояния, магнитуды, типа грунта и многих других характеристик геосреды и очага землетрясения.

Модели, как правило, разрабатываются на основе эмпирических данных, поэтому полученные для Сахалина модели применимы только там и не подойдут, например, для острова Врангеля, где нужные измерения пока что не произведены.

– А как производить оценку сейсмических воздействий в районах, где ещё не собраны необходимые данные?

– На помощь приходит так называемый эргодический принцип, согласно которому, если два региона схожи по геологическим, тектоническим параметрам, то можно считать, что это два однотипных региона. Тогда разработанную для одного региона модель с некоторыми ограничениями можно применять в другом.

– Что лежит в основе вашей модели?

– Модель наша основана на современных знаниях об очаге землетрясения в рамках его фрагментарного представления, а также теории распространения и поглощения сейсмических волн. Мы скомбинировали эти данные и впервые предложили универсальную модель, в которой количественная метрика сильного движения грунта определяется физическими характеристиками сейсмического источника и геосреды. Эти физические константы можно оценивать по эргодическому принципу, о котором я рассказал. Если какой-то схожий регион хорошо изучен, то можно импортировать известные для него константы и подставить в нашу модель, которая задаёт характеристики сейсмических воздействий в целевом регионе. Физические параметры можно варьировать в разумных пределах для того, чтобы посмотреть изменчивость модельных характеристик сильных движений грунта.

Принято считать, что в тектоническом плане регионы можно группировать по активности земной коры. Например, Сахалин относят к региону с активными тектоническими процессами, в то время как Владивосток – регион со стабильной земной корой. Соответственно, модели затухания, пригодные для Сахалина, не подойдут для Владивостока и наоборот. Поэтому для Владивостока нужно подобрать аналогичный по показателям регион, импортировать соответствующие константы и, используя их, подобрать адекватную модель.

Этот подход я продемонстрировал на недавней XV Российской конференции по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию (с международным участием) в Сочи, где смоделировал некоторые крупные землетрясения; реконструировал их сейсмические воздействия в эпицентральной зоне. Показал, как работает наша математическая модель, и что её целесообразно применять в расчёте национальных карт опасности.

– Известно, что Приморье, Владивосток также находятся в сейсмичной зоне. Какой максимальной балльности здесь бывали землетрясения?

– Судя по всему во Владивостоке за всю инструментальную историю наблюдений не было таких разрушительных землетрясений, происходящих в верхней коре, как на Сахалине, в Нефтегорске в 1995 году или в Невельске в 2007 году.

Реконструкция поля сейсмических воздействий в эпицентральной зоне катастрофического Нефтегорского землетрясения 1995 года. Поле моделируется в терминах инструментальной интенсивности ШСИ-2017

По разным оценкам максимальная интенсивность во Владивостоке достигала примерно четырёх баллов и не вызывала даже минимальных разрушений зданий и сооружений. Жители города редко ощущают подобные воздействия, но некоторых и они могут напугать.

Если обратиться к тематике высокоэтажной застройки для Владивостока, то, скорее, опасность представляют не землетрясения, которые произойдут непосредственно под городом, а на некотором отдалении, в зоне разломов, на расстоянии 100-150 километров. В этой транзитной зоне происходит усиление колебаний определённого частотного диапазона. Такие разломы неподалёку от Владивостока считаются условно активными, но за современную историю наблюдений там не было зафиксировано значительных подвижек. Вероятность разрушительных сценариев всё же закладывается при расчётах, но она невысока.

– В советское время Владивосток застраивался домами в пять, затем в девять и, наконец, в шестнадцать этажей. Сейчас в городе активно растут высотные здания. Самым высоким в Сибири и на Дальнем Востоке стал 44-этажный небоскрёб ЖК «Аквамарин» во Владивостоке. Такая высокая этажность отвечает требованиям сейсмической безопасности застройки?

– Известно, что устойчивость к сейсмическим воздействиям уменьшается с ростом этажности и массы здания. Для высотных зданий добавляется ещё третий критерий: пластичность – чтобы при значительных подвижках грунта само здание, раскачиваясь, не разрушалось, а деформировалось. Но чтобы смоделировать поведение здания, нужно знать, какие в этом месте возможны сейсмические воздействия. На этот вопрос отвечают сейсмологи.

Есть методология, которая называется вероятностный анализ. На основе вероятностного подхода подбираются сценарные воздействия, в том числе с использованием той математической модели, о которой я упомянул выше. Смоделировали, подобрали конструктивные элементы, спроектировали здание так, чтобы оно выдерживало прогнозируемые воздействия даже при высокой этажности, и можно жить спокойно.

– Каковы ваши ближайшие научные планы?

– В ближайшие месяцы в рамках гранта Российского научного фонда планируем модифицировать нашу математическую модель, чтобы откалибровать новую магнитудную шкалу, которая позволит точнее и оперативнее оценивать магнитуду сильного землетрясения.

Корректное определение магнитуды сильного землетрясения по первоначальному движению грунта в ближней зоне очага землетрясения является ключевой, пока что до конца нерешённой проблемой раннего предупреждения о землетрясениях. Мы показали, что по результатам цифровой обработки сейсмограммы можно получить некоторую характеристику, пригодную для использования в целях оперативной оценки магнитуды.

Эту методику мы уже апробировали на сейсмических записях мега-землетрясения в Тохоку (Япония) 2011 года и недавних катастрофических землетрясениях в Турции. Также мы её апробировали на более слабых землетрясениях на Сахалине, показали, что с её помощью можно определить магнитуду быстро и достоверно. На основании этих результатов подготовим статью и опубликуем её в одном из ведущих журналов.

И, конечно, продолжим развивать направление, связанное с прогнозированием сейсмических воздействий.

Фото из личного архива Алексея КОНОВАЛОВА

Кто выживает вопреки непогоде?

 Учёные ФНЦ агробиотехнологий Дальнего Востока им. А.К. Чайки рассказывают о влиянии тайфунов сезона-2023 на устойчивость, урожайность популярных сельскохозяйственных культур

Семеноводческий питомник картофеля

Всем дальневосточникам известно непостоянство, трудности прогнозирования приморского климата. Каждый год мы надеемся на приход тёплого солнечного лета, а получаем сначала прохладные мороси, затем тёплые дожди, переходящие в мощные циклоны и неукротимые тайфуны. Морально тяжело жителям городов, а каково аграриям? Об итогах прошедшего тайфуна в последний месяц лета мы спросили научных сотрудников ФНЦ агробиотехнологий Дальнего Востока им. А.К. Чайки. Какую устойчивость проявили сорта разных культур на залитых водой полях? Все ли сорта выстояли? Как чувствуют себя растения? Какие потери? Довольны ли учёные результатами своих исследований или озаботились культивированием каких-то новых, более устойчивых сортов? На эти вопросы нам ответили Екатерина Сергеевна Бутовец, ведущий научный сотрудник лаборатории селекции сои, кандидат сельскохозяйственных наук и Дмитрий Игоревич Волков, заведующий отделом картофелеводства и овощеводства ФНЦ агробиотехнологий Дальнего Востока им. А.К. Чайки.

Соя

– Лаборатория селекции сои в течение длительного времени занимается выведением различных сортов, и одним из важных направлений работы нашей лаборатории является создание сортов устойчивых к абиотическим и биотическим стрессорам, – сообщила Екатерина Сергеевна Бутовец. – Одним из стрессоров для сои в нашем регионе является избыточное увлажнение почвы, которое носит как кратковременный, так и продолжительный характер. Как правило, сорта сои проявляют различную реакцию на данное явление, что позволяет выявить их резистентность к создавшимся условиям. Следует отметить, что сорта сои селекции нашего центра крайне устойчивые к переувлажнению.

Екатерина Сергеевна БУТОВЕЦ в момент учёта наблюдений селекционных посевов сои

Влияние тайфуна на посевы сои

– В отношении нашей лаборатории можно сказать, что тайфуны повлияли на растения не в той сильной мере, как в некоторых других пострадавших районах, где вода рекой текла по полям и смывала посевы. Поблизости от нас нет таких рек, которые, выйдя из берегов, могли бы в такой же степени навредить нам, именно полям нашей лаборатории. Но для нас всегда создаётся депрессивная обстановка, если дожди очень продолжительные, поскольку за счёт длительного нахождения влаги на участке происходит уплотнение почвы, замывание её. Соя очень устойчива к переувлажнению почвы, но длительное нахождение её в таких условиях приводит к отставанию растений в развитии и росте, а порой и к гибели.

Условия климата Приморского края из года год формируются так, что в летний период выпадает большое количество осадков, и соя просто вынуждена приспосабливаться к таким стрессовым ситуациям – констатировала Екатерина Сергеевна, и мы согласились с ней.

Создаются ли сорта, устойчивые к переувлажнению?

Специальной селекции, ориентированной на создание устойчивых сортов сои к переувлажнению, сотрудники ФНЦ не ведут. В этом плане наша приморская погода создает все условия для естественного отбора и испытания на жизнеспособность. Образцы, не выдерживающие наши погодные условия, исследователи, как правило, выбраковывают.

Картофель

Дмитрий Игоревич Волков отметил, что нынешний 2023 год для аграриев Приморского края – крайне тяжёлый год, в августе осадков выпало более чем в три раза больше по отношению к среднемноголетним значениям. Для картофелеводов такой период даже представить сложно было.

– Все поля, которые у нас находятся в селе Пуциловка, конечно, затопило очень сильно. Мы потеряли значительную часть урожая от запланируемых объёмов. Все сорта достаточно сильно пострадали, но сорта нашей селекции, особенно новые «Орион», «Посейдон» и совсем «свежие» разработки, созданные в этом году, это два сорта «Лотос» и «Аскольд» достойно перенесли затопление полей. Картофель был убран, семена мы получили, – уточнил Дмитрий Игоревич.

Селекционный питомник картофеля

Все сорта показали себя по-разному

– Если говорить про коллекцию сортов, которая насчитывала более 350 образцов, то следует признать, что 70 сортов потеряны полностью, в селекционном питомнике также утрачено много ценных, перспективных гибридов. Назвать какой-либо сорт наиболее устойчивым можно было бы попытаться, но, когда уровень воды, залившей поле, поднялся выше метра, приходится констатировать, что настолько устойчивых сортов просто не существует.

Но, тем не менее, семенной материал мы убрали, правда, в меньшем, чем ожидали, количестве. Убранный материал хорошего качества, на следующий год семенной материал есть, он подготовлен к хранению, также определённое количество мы можем предложить на реализацию уже в этом году, – добавил оптимизма заведующий отделом картофелеводства и овощеводства. А оптимизм, как известно, (от лат. optimus – «наилучший») – взгляд на жизнь с позитивной точки зрения, уверенность в лучшем будущем. Благодаря чему живём и не отчаиваемся.

Фото предоставлены ФНЦ агробиотехнологий Дальнего Востока им. А.К. Чайки

Владимир АЛЕКСЕЕВ: «Увеличение полноты извлечения золота из песков россыпных месторождений – наша главная цель»

Лауреат премии ДВО РАН имени выдающихся учёных Дальнего Востока России

Учёный Института горного дела ДВО РАН успешно занимается совершенствованием технологий россыпной золотодобычи – актуальным и важным для социально-экономического развития Дальнего Востока направлением исследований

Владимир Сергеевич АЛЕКСЕЕВ на россыпном месторождении золота р. Соболинка (Хабаровский край)

      – Коллектив Института горного дела ДВО РАН давно и успешно работает на благо горнодобывающей отрасли как Хабаровского края и Дальнего Востока, так и России, а, в частности, мы с коллегами из лаборатории разработки россыпных месторождений – занимаемся развитием технологий россыпной золотодобычи. В настоящее время легкодоступные и богатые россыпи в большей степени уже отработаны, поэтому в дело вовлекаются месторождения, находящиеся в сложных горно-геологических условиях, а также содержащие в больших количествах трудноизвлекаемое из-за мелкодисперсности «тонкое» золото (с размером частиц менее 0,25 мм). Принимая во внимание тот факт, что для многих районов Дальнего Востока золотодобыча – традиционный вид деятельности, могу утверждать, что направление наших исследований является актуальным и важным для социально-экономического развития Дальнего Востока. Объекты наших исследований – россыпные месторождения благородных металлов, содержащие значительное количество трудноизвлекаемых форм ценных компонентов, – рассказывает Владимир Сергеевич Алексеев, ведущий научный сотрудник Института горного дела ДВО РАН (ИГД ДВО РАН) – подразделения Хабаровского Федерального исследовательского центра Дальневосточного отделения РАН (ХФИЦ ДВО РАН), кандидат технических наук. В этом году ему присуждена премия ДВО РАН имени члена-корреспондента АН СССР Е.И. Богданова за серию работ «Разработка и обоснование эффективных технологий извлечения мелкого и тонкого золота из песков россыпных месторождений». Мы попросили Владимира Сергеевича ответить на несколько вопросов, и он любезно согласился.

Владимир Сергеевич АЛЕКСЕЕВ

Наша справка: Владимир Сергеевич Алексеев родился 27 февраля 1983 года в г. Зея Амурской области. С 2000 по 2005 годы – студент Хабаровского государственного технического университета (ныне ТОГУ), обучавшийся по специальности «Открытые горные работы». С 2004-го по настоящее время – сотрудник Института горного дела ДВО РАН, г. Хабаровск. С 2012 года – кандидат технических наук. С 2019-го по настоящее время – ведущий научный сотрудник ИГД ДВО РАН.

– Владимир Сергеевич, расскажите о целях и задачах цикла работ, за которые вы стали лауреатом премии ДВО РАН имени члена-корреспондента АН СССР Е.И. Богданова.

– Главная цель цикла работ – увеличение полноты извлечения золота из песков россыпных месторождений, то есть снижение потерь, и тем самым увеличение рентабельности отработки месторождения. Для этого, в первую очередь, необходимо определить причины этих потерь и разработать рекомендации по их устранению, а затем – реализовать их на месторождении.

Причины технологических потерь устанавливаются после проведения комплекса исследований, направленных на изучение технических и технологических параметров обогатительного оборудования, морфологических, структурных и химических особенностей извлекаемого золота. Бóльшая часть работы проходит в лаборатории, где проводятся минералогический анализ, изучение поверхности частиц золота методами электронной микроскопии, определение содержания гравитационно извлекаемого золота, исследование морфологических характеристик частиц золота, установление минералов-спутников и так далее. Результаты исследований ложатся в основу определения оптимальных технических и технологических параметров технологии.

В.С. АЛЕКСЕЕВ на россыпном месторождении золота р. Керби (Хабаровский край)

– Разработанные вами методы применимы уже сегодня или позволят получать ощутимые результаты только в будущем?

– Разработанные нами технологии, в том числе комплексный подход к исследованию эффективности работы шлюзовых промывочных приборов, уже применяются, не только нами при реализации хоздоговорных работ, но и самими недропользователями, на ряде россыпных месторождений Дальнего Востока.

– Насколько эффективны эти технологии? Какой процент золота можно извлечь?

– Эффективность внедряемых нами технических и технологических решений доказана на многих объектах россыпной золотодобычи. Благодаря их применению удалось снизить потери золота при обогащении песков более чем в два раза, а при переработке концентратов – почти в восемь раз.

– С какими трудностями столкнулись вы в процессе поиска новых технологических решений?

– Поначалу отсутствие необходимого технологического оборудования не позволяло проводить некоторые исследования. Но сегодня лаборатории Института горного дела ДВО РАН в достаточной степени оснащены современным технологическим, обогатительным и аналитическим оборудованием для детального изучения минерального сырья.

Коллектив лаборатории разработки россыпных месторождений ИГД ДВО РАН

– Можно ли с помощью разработанных технологий извлекать золото из россыпей (или отвалов), в которых золото находится в виде тонких фракций, не улавливаемых с помощью распространённых (рядовых) технологий?

– Можно. Даже в случае отработки техногенных россыпей, в которых содержащееся золото находится преимущественно (до 90 %) в тонкодисперсном состоянии.

– Предприятиями уже востребованы разработанные вами технологии?

– Количество недропользователей, вовлекающих в отработку месторождения с трудноизвлекаемым золотом, с каждым годом всё больше, поэтому предлагаемые нами способы извлечения такого золота востребованы уже сегодня и будут востребованы в будущем.

– Владимир Сергеевич, какие у вас планы на ближайшие годы?

– На основе многолетнего опыта в лаборатории разработки россыпных месторождений разработан, изготовлен и запущен в эксплуатацию на нескольких россыпях Хабаровского края и Амурской области промывочный прибор ПБШ-100, выгодно отличающийся от аналогов по ряду ключевых показателей. Будем развивать это направление, а также планируем внедрять физико-химические методы извлечения россыпного золота.

Промывочный прибор ПБШ-100

– Удачи и успехов вам в освоении богатств на благо Родины!

– Спасибо! Пусть так и будет.

В.С. АЛЕКСЕЕВ на россыпном месторождении золота р. Керби (Хабаровский край)

Фото из личного архива Владимира АЛЕКСЕЕВА

Сначала был звук. И он слышен до сих пор

 Лауреат премии ДВО РАН имени выдающихся учёных Дальнего Востока России

Метод амплитудных уравнений позволяет прогнозировать изменения параметров океана и, возможно, построить математическую модель Гигантского Гексагона на Сатурне

Сергей Борисович КОЗИЦКИЙ

   Нам посчастливилось пообщаться с Сергеем Борисовичем Козицким, старшим научным сотрудником лаборатории 3/2 «Геофизической гидродинамики» Тихоокеанского океанологического института им. В.И. Ильичева ДВО РАН (ТОИ ДВО РАН), кандидатом физико-математических наук.

Сергей Борисович стал лауреатом премии ДВО РАН имени выдающихся учёных Дальнего Востока России в 2023 году: ему присуждена премия ДВО РАН имени профессора У.Х. Копвиллема за цикл работ «Метод амплитудных уравнений в задачах гидродинамики и акустики океана».

Маленькая ветка древа математики

– Сергей Борисович, расскажите немного о цикле работ, за который вам присуждена премия ДВО РАН.

– Следует отметить, что эта премия отмечает не только мою работу, но и деятельность всего нашего небольшого коллектива. Ведь многие статьи, перечисленные в заявке на премию, были написаны в соавторстве с коллегами. Прежде всего следует упомянуть моего научного руководителя доктора физико-математических наук  Михаила Юрьевича Трофимова, без которого я бы не состоялся как учёный. Более того, несколько лет назад больше ради любопытства мы обратили внимание, что научный руководитель М.Ю. Трофимова академик Ю.Л. Ершов был учеником академика А.И. Мальцева, который был учеником знаменитого математика XX века академика А.Н. Колмогорова. Если проследить эту цепочку дальше, то появляются такие имена как К.Ф. Гаусс, Л.Эйлер и Г.В. Лейбниц. Так что нашу группу, может, в шутку, но можно назвать маленькой веткой древа школы Лейбница-Эйлера-Гаусса-Колмогорова. Так или иначе, но М.Ю. Трофимов всегда старался сохранять высокий научный потенциал нашей исследовательской группы и требовал от работ своих учеников максимальной математической строгости. Именно он обратил наше внимание на метод амплитудных уравнений, сопутствующие ему асимптотические и численные методы, и решил, что мы будем ими заниматься применительно к задачам гидродинамики и акустики. В особенности, к таким задачам, которые актуальны для океанологии. Это распространение звука в трёхмерных неоднородных волноводах, например, в шельфовых зонах океана, которые в последнее время пользуются повышенным вниманием, поскольку там находят месторождения нефти и газа. Это распространение внутренних и поверхностных волн в океане, различные виды конвективных явлений и многое другое.

Конференция PRUAC 2015, ДВФУ

Можно ли «портить» уравнения?

– Чем интересен метод амплитудных уравнений? Почему вы выбрали именно этот метод для решения своих задач?

– Внимание к методу амплитудных уравнений, на мой взгляд, выросло на фоне стремительного развития вычислительной техники, что привело к популярности компьютерного моделирования различных физических (и не только) процессов. Сейчас, чтобы твою статью опубликовали, а то и просто заметили в ведущих научных изданиях, нужно представить результаты компьютерного моделирования, иллюстрирующие твои идеи.

Исходные уравнения в частных производных, описывающие различные физические явления, давно и хорошо известны. Например, волновое уравнение, уравнения Эйлера, Навье-Стокса и т.д. Но они далеко не всегда подходят для эффективного численного моделирования. Получается или слишком медленный код, или неустойчивый, или программа просто не вмещается в память. Поэтому возник вопрос: а можно ли исходные уравнения (например, гидродинамики) преобразовать так, несильно их при этом «испортив», чтобы получились более удобные уравнения типа эволюционных, которые проще исходных, и для которых имеются высокоэффективные численные методы, позволяющие выполнять численное моделирование и рисовать красивые картинки в статьях?

В великом множестве случаев, когда мы рассматриваем различные физические задачи, у нас имеется тот или иной малый или большой параметр. Или это будет характерный размер неоднородностей среды, много больше длины звуковой волны, или размер конвективных ячеек оказывается много меньше характерных размеров области конвекции и т.д. Тогда мы можем, используя различные асимптотические методы, например, метод многомасштабных разложений, получить из исходной системы уравнений те самые амплитудные уравнения, которые и дают название методу амплитудных уравнений. Буквально, решение исходных уравнений представляется в виде произведения быстрой фазы колебаний на медленную (по пространству или времени) амплитуду. Решения для фазы получаются либо аналитически, либо как-то не слишком сложно, и всё сводится к уравнениям на амплитуду колебаний. Такие амплитудные уравнения обычно представляют из себя системы уравнений эволюционного типа, которые мы умеем эффективно моделировать численно.

Часто получаются уравнения, которые имеют имена собственные и уже хорошо исследованы. Например, комплексное уравнение Гинзбурга-Ландау, нелинейное уравнение Шредингера, уравнение Кортевега де Фриза, параболическое уравнение в подводной акустике и так далее. Известные решения таких уравнений, например, в виде уединённых волн, позволяют сразу же делать заключения о поведении исходной физической системы, даже не прибегая к численному моделированию.

– В чём преимущество метода амплитудных уравнений перед другими?

– Этот метод состоит в том, что он позволяет делать модельные исследования «полного цикла»: начиная от исходных систем уравнений, переходя к анализу больших и малых параметров системы, применяя асимптотические методы, получая в итоге систему амплитудных уравнений, применяя к которой ту или иную эффективную численную схему, мы получаем в итоге пакет прикладных программ, который уже можно использовать для анализа натурных данных и планирования экспериментов. Часто метод амплитудных уравнений позволяет сразу же вскрыть саму физическую суть структур и процессов в исследуемой системе.

– Используемые математические модели описывают массивы существующих данных или позволяют получать прогнозы их изменений в будущем?

– Ожидается, что модели позволят прогнозировать изменения интересующих нас данных в будущем. Собственно, в таких прогнозах и содержится основной смысл моделирования.

На международной научной конференции «Дни дифракции». 2019 год, СПбГУ, постерная сессия

Искусство моделирования

– Какие трудности в подборе моделей встречались, как их разрешали?

– Как обычно в исследовательской деятельности при построении моделей различных физических явлений, будь то конвекция или распространение звука в океане, приходится сталкиваться со множеством различных трудностей. Основная из них, – это ответ на вопрос: насколько точным оказывается выведенное амплитудное уравнение? Описывает ли оно адекватно физическую реальность или в качестве результата выдаёт что-то своё, никому не нужное? Самый популярный способ ответить на этот вопрос – метод тестовых задач. То есть мы в качестве объекта моделирования берём упрощённую по максимуму ситуацию, когда задачу можно решить либо аналитически, либо совсем другими методами, и сравниваем эти решения с решениями, полученными методом амплитудных уравнений.

В случае параболических уравнений в акустике океана в качестве тестовой задачи часто выбирается задача распространения волн в волноводе в форме клина, для которой мы можем получить решения методом изображений источника. Сравнение решений показывает, что метод параболических уравнений в данном случае может быть очень точным. Другая трудность, с которой приходиться сталкиваться – это необходимость большого количества аналитических выкладок при выводе амплитудных уравнений. При ручной работе практически невозможно избежать ошибок. Поэтому приходится использовать специальные программы для символьных вычислений, такие как Maple для проверки полученных результатов. Есть и концептуальные трудности, связанные с выбором медленных и быстрых переменных, а также схем асимптотических разложений в разных задачах. Устранение этих трудностей – своего рода искусство использования метода.

Аэродром Угловое, на дне открытых дверей. 2018 год

От мелкого моря до Гигантского Гексагона

– Имеют ли полученные результаты практическое значение сейчас или они пойдут в «копилку» фундаментальных знаний?

– Результаты исследования характеристик структур и процессов в системах с многокомпонентной конвекцией, пойдут в ту самую «копилку». А пакеты прикладных программ, позволяющие моделировать распространение звуковых сигналов в трёхмерных слоистых волноводах уже активно используются при анализе натурных данных и планировании акустических экспериментов в условиях мелкого моря.

– Какие задачи планируете решать в ближайшем будущем?

– Мне интересны две сложные задачи. Первая связана с моделированием Гигантского Гексагона на Сатурне – большого шестиугольного вихря в районе северного полюса Сатурна. В моих статьях описан подход в рамках парадигмы амплитудных уравнений, позволяющий построить математическую модель этого экзотического и красивого явления. В случае успеха это позволит понять физическую суть Гексагона. Понять, почему он такой?

Вторая задача связана с моделированием байкальских Рингов – тёмных кругов, наблюдаемых время от времени из космоса на льду озёр Байкал и Хубсугул. Высказана гипотеза, что такие структуры связаны с нелинейными конвективными процессами подо льдом озёр при учёте различных осложняющих факторов, таких как вращение Земли. Но ответить на этот вопрос, моделировать структуры методом амплитудных уравнений – ещё предстоит.

На полуострове Гамова. 2018 год

Фото из личного архива Сергея КОЗИЦКОГО