КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

НазваниеСистемный анализ динамики геофизических процессов в российской Арктике и их воздействие на развитие и функционирование инфраструктуры железнодорожного транспорта

РуководительПилипенко Вячеслав Анатольевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Геофизический центр Российской академии наук, г Москва

КонкурсКонкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Аннотация
Предлагаемый проект нацелен на решение фундаментальных задач геофизики для Арктического региона Российской Федерации (АЗРФ) по следующим четырем направлениям: 1. Исследование электромагнитных процессов околоземной среды и воздействий космической погоды на технологические системы; 2. Исследование крупных геологических структур и осадочных бассейнов на основе комплексного анализа гравитационного поля и других геофизических данных; 3. Оценка сейсмической и иных геодинамических опасностей в районах перспективного развития инфраструктуры российской Арктики; 4. Исследование климатических процессов, критичных для развития железнодорожной инфраструктуры. Чем шире внедряются передовые технологии, тем чувствительнее становятся их сбои вследствие воздействия негативных факторов космической погоды. Одним из наиболее существенных проявлений космической погоды для наземных технологических систем являются геоиндуцированные токи (ГИТ), возбуждаемые при резких изменениях геомагнитного поля. Наведенные ГИТ могут приводить к сбоям в работе энергетических и транспортных систем, в частности, железнодорожной автоматики. Данный вопрос исследован мало, в то время как в большинстве исследований, связанных с космической погодой, основное внимание уделяется влиянию на электрические сети и спутниковую навигацию. Задача прогноза потенциально опасных геомагнитных возмущений, наиболее интенсивных в высокоширотных областях, является актуальной именно для арктической зоны РФ. В проекте будут исследованы закономерности в проявлении воздействия геомагнитных возмущений на работу автоматики железных дорог и линий электропередач. Для прогноза интенсивности ГИТ и, соответственно, снижения угроз и рисков для штатной работы объектов ж/д, будут построены физико-математические модели ГИТ. Актуальность предлагаемых исследований также обусловлена катастрофически недостаточным покрытием стационарных пунктов геомагнитных наблюдений в арктической и субарктической зонах РФ, поэтому в рамках проекта предполагается расширить сеть высокоточных магнитных обсерваторий стандарта ИНТЕРМАГНЕТ. Информация о вариациях плотности в коре и верхней мантии необходима для понимания их структуры и динамики, в частности, для изучения сейсмичности. Сейсмологические методы были и остаются ключевыми методами исследования коры и верхней мантии, однако они не могут дать полного представления обо всех особенностях строения из-за неравномерного и разреженного покрытия исследуемого района. Данные же о гравитационном поле характеризуются равномерным и детальным покрытием благодаря последним космическим исследованиям. Однако использование гравитационных данных без другой информации практически невозможно из-за неоднозначности обратной задачи гравиметрии. Поэтому при построении модели коры и верхней мантии Арктической зоны РФ мы планируем использовать комплексный анализ всех имеющихся геофизических данных вместе с гравитационным полем и его производными. Комплекс методов для такого анализа был разработан авторами, а его эффективность доказана в серии исследований различных континентов. В результате будет получена трехмерная модель литосферы и подстилающей мантии до глубин порядка 300 км. Эти модели будут включать распределение основных границ в литосфере, а также физические параметры отдельных слоев. Особый акцент будет сделан на осадочных бассейнах, которые могут содержать большое количество месторождений полезных ископаемых. Будет проанализировано соотношение параметров этой модели с распределением сейсмичности. Построение тепловой модели литосферы позволит рассчитать вариации теплового потока, которые совместно с климатическими условиями оказывают прямое воздействие на слой вечной мерзлоты. АЗРФ на сегодняшний день является малоизученным регионом с точки зрения оценок геодинамической опасности. Существующие для разных частей этого региона оценки значительно отличаются от реального положения дел. Это связано с существенной нестационарностью геодинамических процессов, вызванных изменением климата, сопровождающегося таянием ледников и деградацией вечной мерзлоты, а также с активной разработкой месторождений углеводородов и других ископаемых. В результате существенно увеличивается опасность возникновения землетрясений и оползней природно-техногенного характера. Флюидо-динамические процессы в осадочном чехле шельфа приводят к возникновению грязевых вулканов и дегазации дна. Определенную опасность представляют и льдотрясения, возникающие в горных районах и районах крупных озер и морских заливов при значительных перепадах температур. В рамках проекта будет создана ГИС-система признаков возможного возникновения геодинамических событий в АЗРФ и методика расчета на ее основе геодинамической опасности и риска. Особое внимание будет уделено методике расчета сейсмической опасности и риска для линейных объектов (железные дороги, линии электропередач, трубопроводы). Для таких объектов из-за невысокой вероятности сейсмических воздействий на единицу длины эффективны экономические оценки сейсмического риска, учитывающие как возможные потери от сейсмических воздействий, так и затраты на антисейсмические мероприятия. В рамках четвертого направления будет вестись разработка геоинформационных методов и технологий сбора, анализа и прогноза на основе спутниковой информации и климатических моделей ключевых климатических параметров, которые непосредственно влияют на состояние инфраструктуры и устойчивое функционирование железнодорожного транспорта. В качестве тестовых будет использован ряд участков сети железных дорог в Мурманской области и Карелии. За основу будут взяты современные зарубежные и отечественные климатические модели. Спутниковая альтиметрия будет использована для изучения скорости подъема уровня и режима волнения Белого и Баренцева морей в районах, непосредственно прилегающих к приморским участкам железных дорог. Будут всесторонне исследоваться влияние арктических атмосферных аэрозолей на состояние и скорость разрушения объектов антропогенной деятельности, проблемы возникновения аэрозолей и их переноса, скорости осаждения, дисперсный и химический состав частиц, и их эволюция в течение жизненного цикла. Специальное внимание будет уделено коллективным эффектам в аэродисперсных системах, ведущим к заметным эволюционным сдвигам в функции распределения частиц по размерам и составу. Одновременно будут исследованы эффекты взаимодействия частиц с молекулами газа-носителя и химические превращения внутри и на поверхности аэрозольных частиц. Окончательные заключения будут сделаны относительно вкладов рассмотренных эффектов в скорости разрушения объектов, связанных с антропогенной активностью, и скорости загрязнения арктической атмосферы продуктами антропогенной деятельности. Полученные в рамках указанных направлений новые данные будут впервые сведены в единую геоинформационную систему (ГИС) для возможности их комплексного анализа и комбинированной визуализации. При этом будет обеспечено высокоуровневое хранение географических объектов с использованием объектно-реляционной системы управления базами данных. Применение современных технологий геопорталов позволит обеспечить интерактивный онлайн-доступ к результатам проекта широкому кругу исследователей. Качественная визуализация представляет собой мощный инструмент в области моделирования и системного анализа и, как следствие, становится значимой частью обработки и менеджмента больших объемов данных. Значимую роль в подобных визуализациях играет интерактивность, позволяющая с помощью аппаратно-программных устройств управлять контентом. Впервые будут расширены возможности визуализации геопространственных 3D данных, полученных в ходе проекта, за счет внедрения технологий сферических визуализаций и дополненной реальности. Будут исследованы возможности развития базы данных ГИС по АЗРФ до уровня Больших Данных (Big Data).

Ожидаемые результаты
В рамках первого направления будут проведены эксперименты по регистрации ГИТ в линии электропередач «Северный Транзит» и железнодорожных магистралях. Будет создана база данных и геоинформационная система для статистических моделей планетарного распределения вариабельности (производной) магнитного поля, продольных токов между ионосферой и магнитосферой, и аврорального овала, позволяющая проводить оперативный прогноз основных характеристик космической погоды на высоких широтах. Будет развернута новая полномасштабная магнитная обсерватория стандарта ИНТЕРМАГНЕТ в субарктической зоне РФ. В рамках второго направления будет создана новая модель коры и верхней мантии, включающая распределение основных параметров: 1. Мощность коры (положение границы Мохоровичича); 2. Мощность осадочного чехла; 3. Плотностные неоднородности осадочного чехла и зоны, которые могут представлять интерес для последующего детального изучения на предмет полезных ископаемых; 4. Плотностные неоднородности и основные границы внутри консолидированной коры; 5. Распределение вариаций температуры верхней мантии до глубины порядка 300 км; 6. 3D плотностная модель до глубины 300 км; 7. Распределение вариаций состава верхней мантии до глубины 300 км; 8. Распределение глубин до точки Кюри; 9. Распределение теплового потока. Данная модель может стать основой для региональных исследований и их планирования в Арктическом регионе. Данные о строении осадочного чехла представляют непосредственный интерес для разведочной геофизики. В рамках третьего направления будет создана ГИС-ориентированная база данных для оценки опасности возможного возникновения разрушительных геодинамических явлений (тектонических и природно-техногенных землетрясений, оползней и крупных провалов грунта, льдотрясений) в Арктической зоне РФ и разработаны методики расчета геодинамической опасности и риска. Предполагается основное внимание сосредоточить на регионах перспективного развития инфраструктуры АЗРФ, в которых, по предварительным оценкам, наиболее вероятны опасные геодинамические явления – Восток Балтийского щита, Ямал, Таймыр, север Якутии и море Лаптевых, Чукотка. Будут рассчитаны и картированы вероятностные оценки геодинамической опасности, что позволит выполнить оценки геодинамического риска, учитывающие как возможные экономические потери от опасных воздействий, так и затраты на мероприятия по их предотвращению. Создаваемые ГИС-ориентированная база данных и комплекс методов позволят произвести детальные вероятностные оценки рисков при строительстве и эксплуатации протяженных объектов. Математическими методами системного анализа будет реализован единый подход к генерации, для любого отрезка времени, каталогов синтетических землетрясений, включающих в себя и будущие события. В рамках четвертого направления будут получены следующие научные результаты: 1. Создана база данных о температуре воздуха и почвы и уровне моря за 1950-2020 гг. на основе 8 ре-анализов и климатических моделей для выбранных участков сети железных дорог. 2. Получены характеристики сезонной и межгодовой изменчивости (включая частотный анализ и анализ аномалий) исследуемых параметров за 1950-2020 гг. 3. Созданы две базы данных спутниковой альтиметрии для Белого и Баренцева морей за 1992-2020 гг. для исследования скорости подъема уровня моря вблизи приморских участков железных дорог. 4. Получены основные характеристики межгодовой изменчивости экстремальных климатических событий на основе статистического анализа исследуемых параметров за 1950-2020 гг. 5. Установлены особенности прогнозируемых изменений регионального климата на выбранных участках сети железных дорог. Такие работы будут сделаны впервые в РФ для тестовых участков сети железных дорог в Мурманской области и Карелии. Будет создан новый подход к исследованию кинетических явлений в аэродисперсных системах, и получены новые выражения для скоростей химических реакций молекул газовой фазы с частицами. Будут исследованы процессы спонтанного зарождения вторичных аэрозольных частиц в атмосфере Арктики и изучен их дисперсный и химический состав. Предполагается проведение численного моделирования процессов воздействия аэрозольных выбросов на состояние атмосферы. Процессы зарядки аэрозолей и воздействие заряженных частиц на окружающую среду представляет особый интерес в связи с воздействием на линии электропередач и распространение радиоволн в арктической атмосфере. Аэрозоли оказывают заметное влияние на процессы в нижней ионосфере в связи с их влиянием на химический состав нижней ионосферы. Это направление исследований важно для коррекции приборов наблюдения за состоянием арктической зоны из космоса, и работы спутниковых навигационных систем. Все новые данные, полученные для арктического региона в ходе реализации проекта, будут интегрированы в единую геоинформационную систему. Создаваемая ГИС будет включать в себя доступную информацию о геологическом строении регионов, сейсмические, морфоструктурные, геодезические, гравиметрические и геомагнитные данные, модельные данные о состоянии околоземного пространства, климатические параметры, а также различные модели строения литосферы, в т.ч. построенные в рамках проекта. Применение современных технологий геопорталов наряду с широким функционалом по взаимодействию с данными позволят обеспечить интерактивный онлайн-доступ к результатам проекта широкому кругу исследователей. Модифицированный в ходе проекта АПК ORBUS ГЦ РАН, предназначенный для сферических визуализаций геоданных, впервые обеспечит работу с устройствами дополненной реальности и станет универсальным инструментом для презентации результатов исследований. Коллекция трехмерных данных будет значительно расширена и большая часть открыта для публичного многопользовательского доступа. Соответствие предполагаемых исследований мировому уровню обеспечивается, в частности, большим объемом научных работ по тематике проекта, опубликованных членами научного коллектива в ведущих международных журналах – с 2016 г. всего было опубликовано 317 статей в журналах, индексируемых в системах Web of Science / Scopus, из которых около 40 статей опубликованы в журналах, входящих в Q1. Участники проекта на протяжении многих лет регулярно принимают участие в ведущих международных конференциях по геофизике, включая научные ассамблеи EGU, AGU, IUGG и другие.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Проект посвящен комплексным геолого-геофизическим и климатическим исследованиям Арктической зоны Российской Федерации (АЗРФ), включающим оценку влияния космической погоды, изучение структуры земной коры и осадочных бассейнов, исследование сейсмичности и оценку целого ряда климатических факторов. Объединяющим звеном проекта служит единая геоинформационная система (ГИС), предназначенная для комплексного анализа и визуализации новых данных, полученных по каждому из упомянутых направлений. Одним из наиболее значимых факторов космической погоды для наземных технологических систем в высоких широтах являются геоиндуцированные токи (ГИТ), вызванные резкими изменениями магнитного поля Земли (МПЗ). Мелкомасштабные ионосферные токовые структуры могут вносить значительный вклад в быстрые вариации МПЗ, ответственные за генерацию ГИТ. Статистический анализ данных наблюдений ГИТ в ЛЭП «Северный транзит» (Мурманская обл.) показал, что амплитуды ГИТ, вызванные широкополосными геомагнитными пульсациями типа Pi3, могут быть сравнимы с ГИТ во время главной фазы магнитной бури. Для оценки механизмов антропогенного «загрязнения» околоземного пространства излучением промышленных ЛЭП на частоте 50/60 Гц разработана численная модель, которая позволяет рассчитать пространственную структуру электромагнитного возмущения в атмосфере и ионосфере для любых широт с произвольным наклоном геомагнитного поля. Величина электромагнитного отклика ионосферы на излучение ЛЭП лишь слабо спадает с уменьшением широты. Амплитуда электрической составляющей в верхней ионосфере, генерируемая несбалансированным током в ЛЭП с амплитудой 10 А, может достигать величин ~1 мВ/м, что достаточно для обнаружения спутником на околоземной орбите. Полученные результаты показывают, что в диапазоне 50–150 Гц наша планета находится в электромагнитном окружении в большей степени создаваемым промышленной деятельностью, чем природными процессами. Предложен метод, позволяющий значительно повысить скорость расчета пространственно-временного распределения электротеллурического поля с использованием 3D-модели проводимости Земли. Апробация методики проведена для расчета теллурических полей во время магнитной бури 7–8 сентября 2017 г. для 3D-модели проводимости Фенноскандии и источника, построенного с использованием метода сферических элементарных токовых систем (SECS). При таком подходе время на вычисление теллурических полей для сетки 512*512 не превышает 25 мс, что позволяет вести расчет возбуждаемых теллурических полей в квазиреальном времени. Разработаны средства визуализации аврорального овала и планетарного распределения возмущений и производных по времени геомагнитного поля. Предложена методология повышения эффективности регистрации вариаций геомагнитного поля с помощью интеграции в предварительную обработку данных цифровых двойников магнитных станций, которая способна обеспечить замещение отсутствующих или нефизичных значений, повышая отказоустойчивость мониторинга. Предложен общедоступный веб-сервис (http://aurora-forecast.ru), обеспечивающий пользователя интерактивным инструментом прогноза вероятности наблюдений полярных сияний. Также сформированы архитектура и методы динамической многопараметрической 2D/3D-визуализации возмущений МПЗ (https://geomagnetic.ru). Разработана онлайн-система для визуализации и анализа данных измерений продольных токов на спутниках SWARM. Подготовлен первый в отечественной литературе аналитический обзор возможных прямых и косвенных воздействий космической погоды на функционирование ж/д автоматики и средств связи и навигации в соавторстве ГЦ РАН и АО НИИАС. Особое внимание обращено на анализ модели работы рельсовых реле систем железнодорожной сигнализации во внешних теллурических полях. Задачей литосферного направления является построение комплексной модели коры и верхней мантии и изучение структуры осадочных бассейнов АЗРФ. Одним из важных результатов должно стать построение карты теплового потока для всей изучаемой территории и оценка его влияния на динамику вечной мерзлоты. Главной задачей первого года работ был сбор исходных геолого-геофизических данных и представление этих данных на унифицированных сетках для последующего построения комплексных моделей литосферы. В результате была построена исходная модель коры, которая включает положение основных границ (в первую очередь, положение кристаллического фундамента и границы Мохоровичича), а также распределение сейсмических скоростей и плотности. Для восточной части АЗРФ сейсмические данные практически отсутствуют, поэтому для этого района структура осадочного чехла и мощность коры были определены на основании анализа гравитационного поля и его градиентов в сочетании с другой доступной информацией. На основании данных сейсмической томографии с использованием соотношений физики минералов были рассчитаны распределения температуры и плотности в верхней мантии до глубины 325 км. Были собраны и проанализированы данные измерений теплового потока. В рамках сейсмологических изысканий был разработан алгоритм автоматизированного объединения каталогов землетрясений. Он позволяет идентифицировать и удалять дубли событий, образующиеся при соединении каталогов, и базируется на авторской модификации метода ближайшего соседа для выделения афтершоков. Алгоритм применен для создания наиболее полного объединенного каталога землетрясений восточного сектора АЗРФ, интегрирующего в себе все доступные данные российских и международных сейсмологических агентств. Объединенный каталог содержит 21 403 события (1962–2021 гг.) и приведен к однородной магнитудной шкале. С использованием каталога рассчитаны параметры общего закона подобия и закона продуктивности землетрясений, а также локальные оценки коэффициентов закона повторяемости землетрясений. Впервые проведено численное сравнение карт Общего сейсмического районирования (ОСР) с воздействием от землетрясений, фактически состоявшихся после публикации карт. Выполнено сравнение площади зон ожидаемой балльности на карте ОСР-97А с площадью изосейст от фактически произошедших землетрясений. Показано, что площадь изосейст в среднем на порядок меньше, чем ожидается согласно карте ОСР-97А. Таким образом, в большинстве регионов России оценка сейсмической опасности в среднем завышена как минимум в 10 раз. Особенно это касается АЗРФ. Предложены пути совершенствования оценок сейсмической опасности. По данным о среднемесячной завихренности скорости ветра на уровне моря из данных реанализа NCEP/NCAR за период 1950–2020 гг. выделено три периода ее роста (1950–1976 гг. и 1999–2020 гг.) и падения (1977–1998 гг.) над акваторией Белого моря и территориями Мурманской и Архангельской областей и Республики Карелия, которые связаны с ослаблением или усилением циклонической циркуляции. Данные периоды характеризуются различными скоростями роста температур воздуха у поверхности (ТВП). Максимальные скорости от +0.4 до +1.0 С за 10 лет наблюдаются в последний период. Показано продвижение тепла с юга на север (например, изотерма 2 С на долготе 38 в.д. поднялась с 60 с.ш. практически до 65 с.ш.), что привело не к смещению холодных областей к северу, а к их выжиманию на запад и восток, соответственно. С 1992 по 2018 гг. по данным спутниковых альтиметрических измерений уровень Белого моря рос со скоростью +3.32 +/- 0.61 мм/год. Для сезона, когда ледяной покров на акватории моря не наблюдается (июнь-сентябрь), скорость роста уровня моря изменяется от +2.85 +/- 0.19 мм/год в августе и до +5.42 +/- 0.30 мм/год в сентябре. Значимые высоты волн для этого сезона показали общую тенденцию на снижение. Максимальный линейный тренд -1.29 +/- 0.64 см/год наблюдается в сентябре, минимальный 1.10 +/- 0.53 см/год – в августе. Межгодовая изменчивость уровней Ладожского и Онежского озер по данным спутниковых альтиметрических измерений за 28 лет (1993–2020 гг.) составила +6.9 мм/год и +4.59 мм/год соответственно, а размах межгодовых колебаний – 2.28 м и 1.49 м, соответственно. По результатам вейвлет-анализа подтверждено наличие в данных об уровне Ладожского и Онежского озер волн с периодом 4–5 лет и 15 лет, соответственно. Обнаружено, что в АЗРФ в периоды положительной фазы Глобальной атмосферной осцилляции (события Эль-Ниньо) наблюдаются отрицательные аномалии ТВП, положительные аномалии атмосферного давления, усиление северо-восточного ветра, сокращение количества осадков и общей облачности. В периоды отрицательной фазы осцилляции (события Ла-Нинья) в российской Арктике наблюдаются противоположные аномалии указанных климатических характеристик. Проанализированы возможные механизмы возникновения полярных аэрозолей. Среди наиболее перспективных для изучаемой АЗРФ – механизмы возникновения и транспорта вещества микрометеоритов. Построена кинетическая модель полимеризации в аэрозольных частицах. В основе модели лежит кинетическое уравнение, описывающее временную эволюцию функции распределения полимерных кластеров по массам и функциональностям. Найдено его аналитическое решение, которое позволило найти целый ряд макрохарактеристик полимеризующихся частиц и решить задачу о спектре их масс. Для обобщения результатов многодисциплинарных исследований и организации эффективного взаимодействия и визуализации собранной пространственной геолого-геофизической информации был разработан прототип единой ГИС, а также система и база данных (БД) интерактивных сферических визуализаций (ИСВ). Единая ГИС реализована в виде тематического геопортала, предоставляющего доступ к пространственным данным, оформленным в виде интерактивных цифровых карт. Разработан прототип клиент-серверной аппаратно-программной архитектуры системы ИСВ. Сетевой клиент ИСВ представляет собой аппаратно-программный комплекс со сферическим экраном либо программное приложение типа «виртуальный глобус». Веб-сервер обрабатывает запросы, опираясь на функции системы управления данными сферических слайдов. С 20 по 21 сентября 2021 г. на базе Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова (САФУ) в городе Архангельске прошла Всероссийская школа молодых учёных «Системный анализ динамики природных процессов в российской Арктике» (https://school2021.gcras.ru/). Школа собрала талантливых студентов, аспирантов и молодых учёных из Архангельска, Екатеринбурга, Ижевска, Москвы, Санкт-Петербурга и Ташкента. Программа школы включала лекции, представленные ведущими российскими учёными, которые были посвящены актуальным вопросам комплексного изучения и освоения Севера России. Всего по результатам проекта в 2021 г. опубликовано 8 работ в журналах WoS/Scopus. Из них 2 входят в Q1. Ссылки на Интернет-ресурсы по проекту: 1. Поиск: «В авроральном режиме. Как уберечь технику в Арктике» (https://poisknews.ru/news/v-avroralnom-rezhime/). 2. Новости САФУ: «В САФУ начала свою работу школа «Системный анализ динамики природных процессов в Российской Арктике» (https://narfu.ru/life/news/university/357354/?sphrase_id=353765). 3. Арктик-Фонд: «В САФУ начала свою работу Школа «Системный анализ динамики природных процессов в российской Арктике» (https://arctic.narfu.ru/main/news/1890-v-safu-nachala-svoyu-rabotu-shkola-sistemnyj-analiz-dinamiki-prirodnykh-protsessov-v-rossijskoj-arktike). 4. Arhangel-онлайн: «В САФУ начала свою работу школа «Системный анализ динамики природных процессов в Российской Арктике» (https://arhangel.online/news/news-36044). 5. Без Формата: «В САФУ начала свою работу школа «Системный анализ динамики природных процессов в Российской Арктике» (https://arhangelsk.bezformata.com/listnews/prirodnih-protcessov-v-rossiyskoy-arktike/97750614/). 6. Северная Двина онлайн: «В САФУ исследователи обсуждают динамику природных процессов в Арктике» (https://sevdvina.online/2021/09/20/в-сафу-исследователи-обсуждают-динам/). 7. Вестник ОНЗ РАН: «Завершилась Всероссийская школа молодых учёных «Системный анализ динамики природных процессов в российской Арктике» (https://onznews.wdcb.ru/oct21/zavershilas-vserossijskaya-shkola-molodykh-uchjonykh-sistemnyj-analiz-dinamiki-prirodnykh-protsessov-v-rossijskoj-arktike.html). 8. Поиск: «На сияющих просторах. Будущим исследователям Арктики есть где развернуться» (https://poisknews.ru/geofizika/на-сияющих-просторах-будущим-исследо/). 9. Сайт Школы 2021 (https://school2021.gcras.ru/). 10. МЦД по физике твердой Земли: Данные результатов исследования структуры осадочных бассейнов (http://www.wdcb.ru/arctic_antarctic/arctic_grav_1.ru.html). 11. Прогноз вероятности наблюдений полярных сияний (http://aurora-forecast.ru). 12. Многопараметрическая 2D/3D-визуализация возмущений геомагнитного поля (https://geomagnetic.ru).

Публикации

1. Воробьев А.В. Концепция информационного пакетного взаимодействия в многоуровневой системе цифровых двойников Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика, Т. 21, вып. 4. С. 532–543 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.18500/1816-9791-2021-21-4-532-543

2. Воробьев А.В., Пилипенко В.А. Geomagnetic data recovery approach based on the concept of digital twins Solar-Terrestrial Physics, Vol. 7. Is. 2. P. 48–56. (год публикации - 2021) https://doi.org/10.12737/stp-72202105

3. Воробьев А.В., Пилипенко В.А., Еникеев Т.А., Воробьева Г.Р., Христодуло О.И, System for dynamic visualization of geomagnetic disturbances according to the data of ground magnetic stations Scientific Visualization, Vol. 13. Is. 1. P. 162–176. (год публикации - 2021) https://doi.org/10.26583/sv.13.1.11

4. Кабан М.К., Сидоров Р.В., Соловьев А.А., Гвишиани А.Д., Петрунин А.Г., Петров О.В., Кашубин С.Н., Андросов Е.А., Мильштейн Е.Д. A new Moho map for north-eastern Eurasia based on the analysis of various geophysical data Pure and Applied Geophysics, - (год публикации - 2021)

5. Серых И.В., Костяной А.Г., Лебедев С.А., Костяная Е.А. О переходе температурного режима региона Белого моря в новое фазовое состояние Фундаментальная и прикладная гидрофизика, - (год публикации - 2022)

6. Серых И.В., Сонечкин Д.М. El Niño–Global Atmospheric Oscillation as the Main Mode of Interannual Climate Variability Atmosphere, Vol. 12. Is. 11. 1443 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/atmos12111443

7. Сидоров Р.В., Кабан М.К., Соловьев А.А., Петрунин А.Г., Гвишиани А.Д., Ощенко А.А., Попов А.Б., Красноперов Р.И. Sedimentary basins of the Eastern Asia Arctic zone: new details on their structure revealed by decompensative gravity anomalies Solid Earth, - (год публикации - 2021)

8. Федоров Е.Н., Мазур Н.Г., Пилипенко В.А. Electromagnetic response of the mid-latitude ionosphere to power transmission lines Journal of Geophysical Research: Space Physics, Volume126, Issue10, e2021JA029659 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1029/2021JA029659

9. Соловьев А.А., Белов И.О. Веб-сервис динамической визуализации параметров геомагнитного поля вдоль пролета спутников SWARM -, 2021661564 (год публикации - )

10. Соловьев А.А., Белов И.О. Веб-сервис визуализации модельных электромагнитных параметров приполярной ионосферы -, 2021661565 (год публикации - )

11. - На сияющих просторах. Будущим исследователям Арктики есть где развернуться Поиск, - (год публикации - )

12. - В авроральном режиме. Как уберечь технику в Арктике Поиск, - (год публикации - )

13. - В САФУ начала свою работу школа «Системный анализ динамики природных процессов в Российской Арктике Новости САФУ, - (год публикации - )

14. - В САФУ начала свою работу Школа «Системный анализ динамики природных процессов в российской Арктике Арктик-Фонд, - (год публикации - )

15. - В САФУ начала свою работу школа «Системный анализ динамики природных процессов в Российской Арктике Arhangel-онлайн, - (год публикации - )

16. - В САФУ начала свою работу школа «Системный анализ динамики природных процессов в Российской Арктике Без Формата, - (год публикации - )

17. - В САФУ исследователи обсуждают динамику природных процессов в Арктике Северная Двина онлайн, - (год публикации - )

18. - Завершилась Всероссийская школа молодых учёных «Системный анализ динамики природных процессов в российской Арктике Вестник ОНЗ РАН, - (год публикации - )

19. - Ведущие специалисты РАН и Северного федерального университета обсудили перспективы исследования Арктики Поиск, - (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В 2022 г. были продолжены работы по изучению геофизических и климатических процессов в Арктической зоне Российской Федерации (АЗРФ). Исследовались (1) электромагнитные процессы околоземной среды и воздействие космической погоды на технологические системы; (2) физическая структура земной коры и верхней мантии на основе комплексного анализа геофизических данных наземных и спутниковых наблюдений; (3) сейсмическая активность на базе разных подходов для оценки геодинамической опасности в районах перспективного развития инфраструктуры; (4) климатические процессы, критичные для развития железнодорожной инфраструктуры. Объединяющим звеном проекта служит единая геоинформационная система (ГИС), предназначенная для накопления, визуализации и комплексного анализа новых данных, полученных по каждому из упомянутых направлений. В рамках направления (1) получены следующие результаты: • Разработана интерактивная компьютерная модель краткосрочного (с горизонтом 30–70 мин) прогноза интенсивности полярных сияний в виде веб-ориентированной геоинформационной системы. На ее базе построена система, моделирующая пространственное планетарное распределение вероятности наблюдения полярных сияний и ряда сопутствующих величин. • По результатам статистического и корреляционного анализа целевой функции (уровень геоиндуцированных токов (ГИТ), зарегистрированный на трансформаторной подстанции) и геомагнитных данных близлежащих магнитометров IMAGE выделены признаки, которые лучше всего характеризуют целевую переменную. С использованием машинных методов обучения выделенные признаковые объекты используются для расчета соотношений для диагностики ГИТ. • Показано, что предсказанная моделированием изменчивость магнитного поля dB/dt в Восточной Скандинавии оказалась более чем на порядок меньше наблюдаемой. Таким образом, установлено, что версия МГД-модели SWMF, используемая NOAA, не может адекватно предсказать тонкую структуру бури/суббури – геомагнитных возмущений Pi3 и, следовательно, величины ГИТ, которые они вызывают. • Рассмотрены статистические соотношения между амплитудами ГИТ и вариабельностью магнитного поля для выяснения, как спектральное содержание Pc5–6/Pi3 (периоды 3–15 мин) геомагнитных пульсаций влияет на эффективность генерации ГИТ. • Выполнен статистический анализ сбоев на Северном участке Октябрьской железной дороги в максимуме и на спаде 23 солнечного цикла. С помощью статистических тестов показано, что существуют значимые отличия в уровне геомагнитной и авроральной активности для аварийных и безаварийных дней. • На базе обсерватории стандарта ИНТЕРМАГНЕТ «Климовская» прошел предварительные испытания прототип автономной градиентной установки для дистанционной регистрации ГИТ на основе сборок датчиков слабых магнитных полей. В рамках направления (2) построена региональная модель литосферы и части верхней мантии для АЗРФ. Эта модель включает следующие параметры, представленные на сетках 1°×1°: 1. Карты распределения изгибной жесткости литосферы и её эффективной «упругой» мощности. 2. Гравитационный эффект коры. 3. Гравитационный эффект верхней мантии. 4. Остаточные «мантийные» аномалии силы тяжести, аналогичные аномалии вертикальных градиентов и остаточная топография, которая представляет часть топографической нагрузки, которая не скомпенсирована неоднородностями коры. 5. Скорректированная плотностная модель консолидированной коры. 6. Скорректированная модель верхней мантии: значения средней плотности для слоёв Мохо–75 км, 75–125, 125–175, 175–225, 225–275 и 275–325 км. 6.1. Изменения плотности, обусловленные вариациями температуры. 6.2. Аномалии плотности, обусловленные вариациями состава мантии. 7. Скорректированная тепловая модель верхней мантии для глубин 50, 100, 150, 200, 250 и 300 км. 8. Глубины до подошвы литосферы, определенные как положение изотермы 1300°С. 9. Предварительная карта геотермального теплового потока. 10. Систематизированная база данных основных геофизических полей. Результаты в рамках направления (3): • Для регионов восточного сектора АЗРФ построены карты региональных коэффициентов закона повторяемости и параметра закона продуктивности землетрясений. • Разработан метод построения синтетического каталога землетрясений, в котором используются результаты распознавания мест возможного возникновения сильных землетрясений по методике FCAZ. • По указанной методике подготовлен синтетический каталог землетрясений на условный период 1 000 лет для Черского–Хараулахской зоны. • На базе системного метода FCAZ в восточном секторе АЗРФ распознаны зоны, в пределах которых могут возникать землетрясения с M ≥ 5.5. Результаты в рамках направления (4): • Исследования климатических изменений среднемесячной температуры приземного воздуха (ТПВ) и температуры почвы (ТП) на территориях Мурманской и Архангельской областей и Республики Карелия по данным реанализа 20thC_ReanV3 за период 1948–2015 гг. показали климатический тренд ТПВ +0.028°С/год, а ТП +0.0137°С/год на поверхности (0 см), +0.0136°С/год на глубине 10 см, +0.0142°С/год на глубине 40 см и +0.0133°С/год на глубине 100 см. Максимум соотношения линейного тренда ТП на глубине 100 см к линейному тренду ТПВ показал значения более 0.6. Анализ диаграмм рассеяния между ТП на разных последовательных горизонтах показал, что петля температурного гистерезиса постепенно сжимается, т.е. уменьшается площадь внутренней области. Это свидетельствует, что тепловой поток от центра Земли по всему району постепенно увеличивается. • По данным спутниковой альтиметрии уровень Баренцева моря за период 1993–2021 гг. рос со скоростью +4.31±0.49 мм/год, что сопоставимо со скоростью подъема уровня Мирового океана и выше, чем в Белом море. Обнаружены значительные сезонные вариации трендов изменения уровня Баренцева моря. Анализ его межгодовой изменчивости значимых высот волн показал незначительный тренд – 0.1±0.05 см/год. • По данным альтиметрических измерений межгодовая изменчивость значимых высот волн Ладожского и Онежского озер за 1993–2020 гг. составила – 2.3±1.3 см/год и –3.1±1.8 см/год, соответственно. Анализ их климатической изменчивости ледового режима показал, что время становления ледяного покрова на акватории этих озер имеет небольшой, но заметный тренд. • Подготовлен литературный обзор по вопросам адаптации железнодорожного транспорта и инфраструктуры в Канаде, Швеции и Китае, где проблемы потепления климата схожи с субарктическими регионами северо-запада России. • Проведена оценка роли аэрозолей в формировании электродинамического отклика ионосферного слоя, и, в особенности, нижних слоев ионосферы, ответственных за перенос и деградацию радиосигналов со спутников. Изучена специфика аэрозольных процессов в ионосфере. Единая, унифицированная ГИС проекта пополнена новыми геопространственными данными, полученными в ходе исследований в 2022 г., и соответствующими метаданными. В базу включено 150 новых слоев по 17 различным тематическим категориям. Их объем составил 2.87 ГБ. На данный момент всего в базу включено более 200 слоев геоданных по 46 категориям, а общий базы – 3.67 ГБ. Обновлен и расширен пользовательский интерфейс геопортала «Арктика» (https://arctic-gis.gcras.ru/), добавлены дополнительные инструменты взаимодействия с пространственными данными. Создан и апробирован прототип единой геоинформационной системы интерактивных сферических визуализаций (https://data.sph.gcras.ru/). Проведена II Всероссийская школа молодых учёных «Системный анализ динамики природных процессов в российской Арктике» (6–9 июня 2022 г.). Школа собрала 77 участников, из них 24 российских ученых-лекторов, а также 47 слушателей – российских молодых ученых в возрасте до 35 лет включительно со всей России. На лекциях и семинарах Школы широко освещались вопросы геомагнетизма, литологии, сейсмологии, океанологии, климатологии, а также науки о данных применительно к арктическому региону. Для более эффективного общения со слушателями был запущен Telegram-канал Школы: https://t.me/geoarctic.

Публикации

1. Воробьев А.В., Соловьев А.А., Пилипенко В.А., Воробьева Г.Р. Interactive computer model for aurora forecast and analysis Solar-Terrestrial Physics, Vol.8. Is. 2. P. 84–90 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.12737/stp-82202213

2. Воробьев А.В., Соловьев А.А., Пилипенко В.А., Воробьева Г.Р., Сахаров Я.А. An Approach to Diagnostics of Geomagnetically Induced Currents Based on Ground Magnetometers Data Applied Sciences, 12, 1522 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/app12031522

3. Воробьева И.А., Гвишиани А.Д., Дзебоев Б.А., Дзеранов Б.В., Барыкина Ю.В., Антипова А.О. Nearest Neighbor Method for Discriminating Aftershocks and Duplicates When Merging Earthquake Catalogs Frontiers in Earth Science, 2022. Vol. 10. P. 820277. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3389/feart.2022.820277

4. Гвишиани А.Д., Воробьева И.А., Шебалин П.Н., Дзебоев Б.А., Дзеранов Б.В., Скоркина А.А. Integrated Earthquake Catalog of the Eastern Sector of the Russian Arctic Applied Sciences, 2022, 12(10), 5010 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/app12105010

5. Гвишиани А.Д., Дзебоев Б.А., Дзеранов Б.В., Кедров Е.О., Скоркина А.А., Никитина И.М. Strong Earthquake-Prone Areas in the Eastern Sector of the Arctic Zone of the Russian Federation Applied Sciences, 2022, 12(23), 11990 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/app122311990

6. Козырева О.В., Пилипенко В.А., Маршалко Е.Е., Соколова Е.Ю., Добровольский М.Н. Monitoring of Geomagnetic and Telluric Field Disturbances in the Russian Arctic Applied Sciences, 12, 3755. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/app12083755

7. Костяной А.Г., Лебедев С.А., Костяная Е.А., Прокофьев Я.А. Interannual Variability of Water Level in Two Largest Lakes of Europe Remote Sensing, 14(3), 659 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/rs14030659

8. Кругляков М.С., Кувшинов А.В., Маршалко Е.Е. Real-Time 3-D Modeling of the Ground Electric Field Due To Space Weather Events. A Concept and Its Validation Space Weather, 20, e2021SW002906 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1029/2021SW002906

9. Петрунин А.Г., Соловьев А.А., Сидоров Р.В., Гвишиани А.Д. Inverse-forward method for heat flow estimation: case study for the Arctic region Russian Journal of Earth Sciences, Vol. 22. Is. 6. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.2205/2022ES000809

10. Сахаров Я. А, Ягова Н.В., Пилипенко В.А., Селиванов В.Н. Spectral content of Pc5–6/Pi3 geomagnetic pulsations and their efficiency in generation of geomagnetically induced currents Russian Journal of Earth Sciences, Vol. 22, ES1002 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.2205/2021ES000785

11. Серых И.В., Толстиков А.В. Изменения климата западной части Российской Арктики в 1980–2021 гг. Часть 1. Температура воздуха, осадки, ветер Проблемы Арктики и Антарктики, Т. 68. №. 3. С. 258–277. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.30758/0555-2648-2022-68-3-258-277

12. Шебалин П.Н., Гвишиани А.Д., Дзебоев Б.А., Скоркина А.А. Why Are New Approaches to Seismic Hazard Assessment Required? Doklady Earth Sciences, Vol. 507. Part 1. P. 930–935. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1134/S1028334X22700362

13. Лебедев С.А. ИБДСА Белое море – значимые высоты волн -, 2022620801 (год публикации - )

14. Лебедев С.А. ИБДСА Баренцево море – значимые высоты волн -, 2022623066 (год публикации - )

15. Петрунин А.Г., Кабан М.К., Соловьев А.А. База данных геотермального теплового потока для Арктического региона -, - (год публикации - )

16. Серых И.В. Программный комплекс для корреляционного, спектрального и вейвлетного анализа временных рядов -, 2022617085 (год публикации - )

17. - Открытие II всероссийской школы молодых ученых «Системный анализ динамики природных процессов в российской Арктике» Вестник ОНЗ РАН, - (год публикации - )

18. - Второй день II Всероссийской школы молодых ученых Вестник ОНЗ РАН, - (год публикации - )

19. - Третий день II Всероссийской школы молодых учёных Вестник ОНЗ РАН, - (год публикации - )

20. - Итоги II Всероссийской школы молодых учёных Вестник ОНЗ РАН, - (год публикации - )