Các nhà nghiên cứu Nga đã "huấn luyện" sóng siêu âm để "nhìn xuyên" qua các gờ băng khổng lồ ở Bắc Cực - những dải băng lớn đe dọa tàu thuyền và giàn khoan dầu. Phương pháp này sẽ cho phép xác định từ xa cấu trúc bên trong của các dải băng đóng băng này để xác định và phân loại các khoang ẩn, tăng cường an toàn cho hoạt động hàng hải và xây dựng ở Bắc Cực. Nó cũng sẽ phù hợp để đánh giá những thay đổi môi trường và giám sát lâu dài tình trạng băng ở khu vực này.
Một phương pháp mới để nghiên cứu các sống núi băng
Các nhà nghiên cứu từ Đại học Vật lý Kỹ thuật Moskva (MIPT) đã phát triển một phương pháp máy tính cho phép "thăm dò" các gò băng ở Bắc Cực, tức là các đống mảnh băng, bằng sóng siêu âm. Mô hình số đã chỉ ra rằng, nhờ bản chất của sóng âm phản xạ, không chỉ có thể phát hiện các khoang ẩn bên trong những khối băng này mà còn có thể xác định chúng chứa gì: không khí hay nước.
Các nhà khoa học nhận định Bắc Cực đang thay đổi nhanh hơn tốc độ nhân loại có thể hiểu được các quá trình đang diễn ra ở đó. Trong những thập kỷ qua, diện tích băng biển trong khu vực đã giảm đáng kể, đồng thời, bản chất của các khối băng cũng thay đổi, chủ yếu là các gò băng.
Để đặt đường đi và xây dựng cơ sở hạ tầng dưới nước một cách an toàn, các kỹ sư không chỉ cần biết hình dạng của gò băng từ bên ngoài mà còn cần biết những gì ẩn bên trong. Băng không phải là một vật liệu nguyên khối . Bên trong nó có thể ẩn chứa các khoang rỗng chứa không khí hoặc nước. Việc phát hiện ra những cấu trúc ẩn này chỉ bằng cách nhìn vào bề mặt của các tảng đá là gần như không thể. Siêu âm có thể giúp ích trong trường hợp này.
Nguồn phát ra xung âm thanh, sóng lan truyền qua môi trường, phản xạ tại giao diện của các vật liệu có tính chất vật lý khác nhau, và quay trở lại bộ thu. Dựa vào bản chất của tín hiệu phản xạ, người ta có thể đánh giá cấu trúc bên trong của vật thể. Sóng siêu âm khi đi vào môi trường băng giá sẽ có hành vi khác hẳn so với trong nước: băng là một vật thể đàn hồi có khả năng truyền không chỉ sóng dọc (nén) mà còn cả sóng ngang (cắt) Việc mô tả chính xác hệ thống như vậy đòi hỏi các công cụ toán học hoàn toàn khác so với những công cụ được sử dụng trong âm học thông thường.
Các nhà khoa học đã áp dụng phương pháp đặc trưng lưới. Ưu điểm chính của phương pháp này là nó dựa trên các thuộc tính vật lý của phương trình hyperbol mô tả sự lan truyền sóng trong các vật thể đàn hồi. Phương pháp này "biết" cách sóng hoạt động tại giao diện giữa các môi trường và tái tạo chính xác các quá trình chuyển tiếp này .
Công nghệ mới sẽ được sử dụng ở đâu?
Các nhà khoa học đã chứng minh rằng phương pháp của họ cho phép xây dựng các bản sao kỹ thuật số của các gò băng. Bên cạnh đó, họ còn có thể ra các mẫu huấn luyện cho mạng nơ-ron giải quyết vấn đề ngược lại: khôi phục cấu trúc bên trong của một cấu trúc băng dựa trên một tập hợp các địa chấn đồ. MIPT lưu ý rằng, bằng cách sử dụng dữ liệu như vậy, có thể huấn luyện một mạng nơ-ron để nhận dạng một cấu trúc dựa trên tín hiệu, và sau đó áp dụng nó vào các phép đo thực địa.
Giá trị của phương pháp đề xuất nằm ở khả năng phân biệt bản chất của vật liệu lấp đầy khoang rỗng bằng phản ứng sóng: khí, lỏng, rắn. Điều này mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi hơn cho các nhiệm vụ kiểm tra không phá hủy. Ví dụ, vật liệu composite được sử dụng trong hàng không, chẩn đoán y tế, mô phỏng tổn thương trong cấu trúc xương và địa kỹ thuật để đánh giá tình trạng đất đóng băng.
Khi xây dựng các hệ thống giám sát băng thực tế, các phương pháp này có thể được kết hợp với việc quan trắc từ xa các vùng băng để xác định các khu vực tiềm ẩn nguy hiểm.
Ý tưởng này hoàn toàn hợp lý về mặt vật lý: âm học thực sự cho phép bạn "nhìn thấy" cấu trúc bên trong của băng và phân biệt được các khoang rỗng chứa gì.
Về tính khả thi vật lý, các đề xuất của các chuyên gia MIPT được đánh giá cao. Tuy nhiên, để thực hiện đề xuất này trên thực tế, cần phải giải quyết các vấn đề về cách kích thích và thu nhận sóng siêu âm trong một vùng băng. Ngoài ra, bên cạnh băng ở Bắc Cực, còn có các tảng băng trôi ở Nam Cực với đặc điểm hình học hoàn toàn khác biệt.
Thùy Anh
Theo Izvestia
