ИСТИНА

https://www.poi.dvo.ru/node/648 Метрология морских измерений: проблема полноты Ю.Д.Чашечкин Проблема согласования расчетов и измерений процессов в океане представляет и самостоятельный интерес и общенаучный в рамках решения задач прогноза погоды и изменчивости климата. К числу наиболее пктуальных относятся оценки изменчивости уровня и температуры океана, био-продуктивности и общей экологии с учетом роста численности населения Земли и Мировой экономики. К исторически традиционным данным измерений глубины океана, свободной поверхности, температуры, распреде-ления плотности, скорости морских течений, волнения, каждый год добавляются но-вые, получаемый с помощью кораблей, катеров, береговых станций, самолетов и спут-ников. Широкое распространение получили свободно дрейфующие морские буи, как пассивные, так и активные. Получаемые данные используются для разработки новых численных моделей глобальной циркуляции, отдельных течений и более мелкомас-штабных процессов – вихрей и волн различных типов. Однако, большие усилия по совершенствованию инструментов и методик мор-ских измерений и лабораторного моделирования процессов в океане все еще не приве-ли к созданию достаточно обширного банк надежных данных, необходимого для со-вершенствования численного и аналитического моделирования. Среди совокупности причин, которые оказали влияние на формирование сложившейся ситуации, можно выделить несколько групп, связанных с неоднозначностью выбора теоретического ба-зиса разработки методики исследований океана, сложности выполнения морских ис-следований, трудности контроля метрологии измерений Ряд сегодняшних проблем морских измерений обусловлен неполнотой теорети-ческого анализа. Хотя выбор системы фундаментальных уравнений в качестве основы описания процессов не оспаривается, на практике ее использовать трудно вследствие недоста-точности развития анализа таких сложных систем алгебро - дифференциальных урав-нений в частных производных. Отсутствие точных полных решений оставляет возмож-ность использования данных изучения отдельных процессов (течений, вихрей, волн) для описания динамического состояния. Наряду с фундаментальной на практике используется много других систем урав-нений, как редуцированных, для описания отдельных процессов (наибольшее распро-странение получили теории отдельных типов волн – поверхностных, внутренних, инерционных или акустических, и вихрей, так и конститутивные – различные версии теорий турбулентности. По теореме Нетер инфинитезимальные преобразования системы определяют за-коны сохранения. В основания метрологии положены стандарты измерения инвариан-тов пространства (длины), интервала времени (частота, массы, температуры и приво-димых к ним величин. Введение новых систем уравнений с собственными симметрия-ми означает введение новых физических величин, которые должны обозначаться соб-ственными символами и измеряться по адаптированным методикам. Без проведения таких работ теоретические модели содержат не определяемые в эксперименте пара-метры, что затрудняет их интерпретацию и сравнение с другими данными с их объ-единение в единые базы данных. Но даже и с измерениями классических величин есть трудности. Фундаменталь-ная система записывается для сохраняющихся величин – массы среды в целом и от-дельных компонентов, импульса, энергии. На практике среда характеризуется скоростью течений, которая непосредственно не определяется в силу отсутствия принципов идентификации "жидкой частицы". Ско-рость не является сохраняющейся величиной в системе уравнений механики жидко-стей, что не позволяет давать априорную объективную оценку погрешности ее опреде-ления в условиях конкретного опыта. Величина скорости оценивается косвенными ме-тодами (измерениями частот рассеянных звуковых или световых волн LDA – инстру-менты, положения маркеров – тел в потоке, PIV –инструменты; параметров тепломас-сопереноса (термоанемометры, электродиффузионные инструменты), не позволяющи-ми одновременно оценить погрешность данных, которая, в частности, зависит от взаи-модействия конкретного сенсора с окружающей средой. Метрология морских измере-ний скорости не разработана. Сохраняющаяся величина – импульс – определялась в ряде классических опытов по гидродинамике (в частности, Гагена, Пуазейля и Рей-нольдса по расходу жидкости), но это определение было нелокальным, измерялся пол-ный расход в данном капилляре или трубке. Практически важными характеристиками океана являются термодинамические – плотность, температура, давление, концентрация растворенных веществ, для измере-ния которых разработано большое число датчиков. Однако неполнота оборудования реальных инструментов не позволяет и здесь одновременно оценки величины и по-грешности ее определения. Для реализации принципа избыточности, позволяющего реализовать различные методики измерения одной и той же величины (например, для определения плотности в дополнение к измерениям температуры, давления, удельной электропроводности морской воды и денситометрии, можно использовать данные определения оптических коэффициентов преломления морской воды в различных участках спектра и скорости звука в различных диапазонах длин волн). Оценки эффективности методологии избы-точности морских измерений могут быть проверены по результатам моделирования измерительных систем в лабораторных условиях и, в частности, проведения сравни-тельных измерений параметров одного и того же физического явления, на начально этапе самого простого, например, поверхностной или внутренней волны, системами различного типа. В последние годы большое развитие получили методы дистанционного зондиро-вания морских акваторий с помощью активных и пассивных регистрирующих систем наземного, авиационного и космического базирования. Интерпретация данных таких измерений затрудняется помехами, вносимыми средой распространения зондирующей волны и сложностью процесса ее взаимодействия с изучаемой средой. Большинство данных таких измерений приводится в относительных единицах, не позволяющих определять реальные вариации физических полей параметров, входящих в фундамен-тальные уравнения. Представляется целесообразным проводить лабораторное тестирование таких ин-струментов дистанционного зондирования одновременно с моделирование изучаемых физических процессов. В практике морских измерений остается важным вопрос оценки влияния измен-чивой тонкой структуры среды на качество полученных данных, который осложняется возможным возмущающим действием самого измерительного инструмента или зонди-рующего поля на изучаемое явление. Наблюдения стратифицированных течений с по-мощью высокочувствительных высокоразрешающих инструментов показали, что тон-кая структура – неотделимая часть всех видов течений в морской среде, начиная с са-мых маленьких, ползучих, например индуцированных диффузий на топографии, ско-рость которых порядка см/с, и до самых быстрых техногенного происхожде-ния. Для решения данной задачи также полезно провести согласованное лабораторное моделирование и самих явлений, и методов их наблюдений в природных условиях с учетом тонкой структуры среды. В качестве базового процесса может быть рассмотре-на методика измерений параметров внутренних волн, играющих важную роль в дина-мике атмосферы и океана. К основным характеристикам периодических течений относятся частоты процес-сов, выделенные пространственным масштабы (длины волн), направления распростра-нения фазы волны и энергии, амплитуды волн. Одна часть необходимых параметров волновых процессов может быть получены по данным точечных измерений (например, частота), другие – пространственная структура для определения длины и направления распространения – требует полевых измерений. Для нахождения амплитуды требуется знание и самой величины, и ее градиента. Ответ на вопрос о выборе соотношений длин чувствительных элементов сенсоров также может быть получен в ходе согласованного лабораторного моделирования физического процесса и инструмента определения его параметра. Подводя итоги, можно заметить, что только система фундаментальных уравне-ний обеспечивает возможность проведения согласованных теоретических (аналитиче-ских и численных и экспериментальных (лабораторных и натурных) исследований ди-намики и структуры течений. Для проведения сравнений необходимо реализовывать требования условия пол-ноты теоретического описания (решение должно удовлетворять системе уравнений и физически обоснованным граничным условиям) и методики измерения (регистрации всех фундаментальных физических величин, входящих в теорию явления), определять крупномасштабные компоненты и разрешать тонкоструктурные компоненты изучае-мого явления. ACKNOWLEDGMENTS The work was partially supported by Presidium RAS Program I.2.49 "Interaction of physical, chemical and biological processes in the World Ocean" (project А17-117121120015-8 "Mathematical and laboratory modeling of mechanisms of transport and structuring of impurity distribution in the ocean") and FFBR (grant 18-95-00870 " Consistent laboratory and mathematical modeling of periodic flows - vortices and waves - in stratified media") References 1. Chashechkin Yu. D. Differential fluid mechanics – harmonization of analytical, numeri-cal and laboratory models of flows // Mathematical Modeling and Optimization of Complex Structure. 2016. V.40. P. 61-91. DOI: 10.1007/978-3-319-23564-6-5 2. Zagumennyi I.V., Chashechkin Yu.D. Unsteady vortex pattern in a flow over a flat plate at zero angle of attack (2D problem) // Fluid Dyn. 2016. V. 51(3). P. 343-359. https://doi.org/10.1134/S0015462816030066 3. Chashechkin Yu. D., Zagumennyi I. V., Dimitrieva N. F. Unsteady Vortex Dynamics Past a Uniformly Moving Tilted Plate // Topical Problems of Fluid Mechanics - 2018, Pra-gue. February 21 – 23, 2018. Proceedings. 2018. P. 47 – 56. DOI: /10.14311/TPFM.2018.007 4. Chashechkin Yu.D. Waves, vortices and ligaments in fluid flows of different scales // Phys. Astron. Int. J. 2018. V. 2(2). P.105-108. DOI: /10.15406/paij.2018.02.0007