Введение
Исследовательская и инженерная лаборатория холодных регионов (CRREL) — это исследовательское учреждение Инженерного исследовательского и опытно-конструкторского центра Корпуса инженеров армии США, расположенное в Ганновере, штат Нью-Гэмпшир, которое оказывает научно-техническую поддержку правительству США и его вооруженным силам, уделяя особое внимание холодным регионам. CRREL также предоставляет техническую поддержку негосударственным заказчикам. Лаборатория CRREL была создана в результате объединения трех предшествующих организаций, целью которых было изучение мерзлой почвы, вечной мерзлоты, снега и льда как факторов, имевших стратегическое значение в северных районах во время холодной войны. В первые 25 лет своего существования исследователи CRREL внесли вклад в изучение полярных ледяных шапок, вечной мерзлоты и разработку инженерных технологий для освоения природных ресурсов в холодных климатических условиях, таких как Аляска. В последнее время исследования ученых CRREL способствовали развитию науки об изменении климата, пониманию распространения волн для сенсорных систем, контролю за снегом на сооружениях и льдом на судоходных путях, а также восстановлению окружающей среды на военных объектах.
The Cold Regions Research and Engineering Laboratory (CRREL) is a United States Army Corps of Engineers, Engineer Research and Development Center research facility headquartered in Hanover, New Hampshire, that provides scientific and engineering support to the U. S. government and its military with a core emphasis on cold environments. CRREL also provides technical support to non government customers. CRREL arose from a consolidation of three antecedent organizations whose purpose was to understand frozen ground, permafrost, snow and ice as factors which were important in strategic northern areas during the Cold War. In its first 25 years CRREL researchers contributed to the understanding of polar ice caps, permafrost, and the engineering technology for developing natural resources in cold climates, such as Alaska. More recently, CRREL researchers have made contributions to science in climate change, the understanding of wave propagation for sensor systems, the control of snow on structures and ice in navigable waterways, and the environmental remediation of military installations.
Предыстория и создание
История и создание CRREL были описаны в официальной истории. В 1944 году Инженерный корпус армии США учредил три независимые организации, ставшие предшественниками CRREL. В рамках своего Новой Английского управления Корпус инженеров основал Лабораторию изучения влияния мороза для «координации исследований воздействия мороза на проектирование и строительство дорог, аэродромов и сооружений в районах, подверженных воздействию мороза», расположенную в Бостоне, штат Массачусетс, в 1944 году. Округ Инженерного корпуса Сент-Пол (Миннесота) создал Отдел вечной мерзлоты в 1944 году для разработки методов проектирования и строительных процедур для строительства аэродромов на вечной мерзлоте. В 1949 году Корпус основал SIPRE (Исследовательское учреждение по изучению снега, льда и вечной мерзлоты), которое в 1951 году переехало в Уилметт, штат Иллинойс. Его целью было «проведение фундаментальных и прикладных исследований в области снега, льда и мерзлых грунтов». В 1953 году Корпус объединил Лабораторию изучения влияния мороза и Отдел вечной мерзлоты округа Сент-Пол для создания ACFEL (Лаборатории арктического строительства и изучения влияния мороза) в Бостоне. В 1959 году исследователи SIPRE участвовали в создании лагеря «Сенчури» в Гренландии для изучения технических и научных проблем, связанных с объектом, расположенным на ледяном щите Гренландии. После строительства нового здания для объединенных организаций SIPRE и AFCEL, Корпус учредил CRREL 1 февраля 1961 года в Ганновере, штат Нью-Гемпшир.
1961 - 1986 годы
В течение первых двадцати пяти лет исследователи и сотрудники CRREL активно работали в Арктике, Антарктиде, на Аляске и в районе Великих озёр, предоставляя данные по истории климата, решая вопросы, связанные с добычей ресурсов, и продлевая период зимней навигации.
Прорыв ледяных шапок
В 1966 году исследователи CRREL успешно пробурили ледяной щит Гренландии на глубину 4550 футов (1387 м). Эта работа заняла три года, но позволила получить сплошной ледяной керн, представляющий более чем 120 000 лет истории. Это расширило возможности ученых в интерпретации климатической истории и стало одним из первых источников информации об изменении глобального климата. В 1968 году та же команда CRREL впервые проникла в ледяной щит Антарктиды, пробурив более 7100 футов (2164 м) льда и получив климатические данные из второй точки на Земле.
Содействие разработке нефти в Северном склоне Аляски
Открытие нефти к северу от хребта Брукс на Аляске в 1967 году поставило два основных вопроса, на которые CRREL должен был ответить как консультант для участвующих нефтяных компаний: как извлекать нефть из замерзлых грунтов, вечной мерзлоты или из-под постоянно замерзающего моря Бофорта, и как наиболее эффективно транспортировать сырую нефть в континентальную часть США для переработки и потребления. Сотрудники CRREL участвовали в изучении двух вариантов транспортировки: использование ледокольного нефтяного танкера и строительство наземного трубопровода, который должен был пересечь большую часть Аляски, проходя через районы вечной мерзлоты. Что касается моря Бофорта, исследователи CRREL провели исследования свойств и поведения арктического морского льда, что представляло бы проблему для морского бурения. Исследователи CRREL принимали активное участие в обеих экспедициях ледокольного нефтяного танкера SS Manhattan для оценки возможности морской транспортировки. Одновременно инженеры CRREL рассматривали и консультировали федерального инспектора по строительству Трансаляскинского нефтепровода. В ходе строительства нефтепровода исследователи CRREL изучали инженерные аспекты, связанные с фундаментом и дорогами, проложенными через вечную мерзлоту и лед.
Площадь
В 1970-х годах CRREL поддержал инициативу Инженерного корпуса армейских США по продлению навигации через Великие озера и судоходный канал Святого Лаврентия на протяжении зимы. Были разработаны методы решения проблем обледенения шлюзов и засорения водных путей плавающим льдом, включающие использование боновых заграждений, аэрации и покрытий для шлюзов.
Роль в холодной войне
CRREL сыграл роль в оказании помощи ВВС США в создании и поддержании системы объектов «Дистанционное раннее предупреждение» (DEW Line) в период холодной войны. В 1976 году исследователь CRREL сыграл ключевую роль в перемещении 10-этажного сооружения DEW Line весом 3300 тонн, расположенного на ледниковом щите Гренландии, с фундамента, поврежденного движением льда, на новый фундамент. В 1984 году сотрудники CRREL завершили составление отчетов об обследовании 31 площадки новой системы «Северное предупреждение», которая пришла на смену DEW Line. В 1972 году начался непрерывный научный обмен между CRREL и советскими научно-исследовательскими институтами, занимающимися изучением холодных регионов, включая Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт в Ленинграде и Институт мерзлотоведения в Якутске. Финансирование исследований CRREL осуществлялось различными подразделениями армии, военно-воздушных сил и военно-морского флота США. Кроме того, к CRREL за результатами исследований обращались и гражданские ведомства, такие как Национальный научный фонд, Агентство по охране окружающей среды и НАСА. Помимо этого, ряд частных организаций финансировали исследования CRREL для решения возникающих у них проблем. В списке технических отчетов CRREL представлено 27 тематических категорий, охватывающих науку и инженерию.
Военные исследования
CRREL продолжал расширять свои возможности по поддержке вооруженных сил США программами по распространению сигналов, обеспечивающими обнаружение перемещений противника с использованием инфракрасной съемки, радиолокации, акустики или сейсмических датчиков в любых метеорологических условиях. Центр удовлетворял экологические потребности армии США, способствуя выявлению и очистке загрязнений на полигонах, главным образом из-за частично детонировавших взрывчатых веществ или неразорвавшихся боеприпасов (UXO). Другие исследователи занимались вопросами проходимости техники по снегу и бездорожью. Сотрудники CRREL принимали участие в определении тактических требований к взлетно-посадочной полосе для военно-транспортного самолета C-17.
Гражданские исследования
Сотрудники CRREL продолжали вносить значительный вклад в полярные исследования как в Арктике, так и в Антарктике. В Арктике исследователи CRREL занимались моделированием судоходства по Северному морскому пути и участвовали в эксперименте SHEBA (Surface Heat Budget of the Arctic Ocean) по оценке теплового баланса поверхности Северного Ледовитого океана, проводившемся в Арктическом океане с октября 1997 года по октябрь 1998 года с целью получения данных для полярных моделей глобального климата. Другие исследователи совершали траверсы по Антарктиде и Гренландии для сбора данных, имеющих отношение к глобальным изменениям климата. В 2010 году исследователь CRREL был соруководителем еще одной научной миссии на ледоколе под названием "Влияние изменения климата на экосистемы и химию арктико-тихоокеанской среды" (ICESCAPE), целью которой было определение "влияния изменения климата на биогеохимию и экологию Чукотского и Бофортового морей". Другие исследователи CRREL разработали способы модернизации и обслуживания исследовательских объектов Национального научного фонда США в Антарктике, включая проектирование и строительство новой станции Южного полюса и разработку критериев, позволяющих современным самолетам совершать посадку на снежные взлетно-посадочные полосы. Сотрудники CRREL исследовали и способствовали разработке нового сухопутного маршрута снабжения через шельф Росса, через Антарктические горы и антарктическую ледяную шапку, для снижения стоимости снабжения станции Южного полюса. В 2016 году специалисты-инженеры CRREL спроектировали, построили и испытали новую снежную взлетно-посадочную полосу для станции МакМердо под названием "Феникс". Она рассчитана на прием приблизительно 60 ежегодных вылетов тяжелых транспортных самолетов на колесном шасси. В рамках своей миссии в Корпусе инженеров по гражданским работам исследователи CRREL разработали инновационные методы предотвращения образования ледяных заторов и создали базы данных для решения этой широко распространенной проблемы. Для моделирования этих проблем было построено крупное ледоинженерное сооружение. Была создана организация и средства для дистанционного зондирования и ГИС (географической информационной системы) для более эффективного использования ресурсов спутниковых снимков и картографической информации при решении проблем во всем мире. Еще одним крупным объектом стала Исследовательская лаборатория влияния мороза, построенная для изучения проблем, связанных с аэродромами и дорогами, подверженными циклам замораживания-оттаивания. Была приобретена автоматическая машина для создания нагрузки, имитирующая прохождение шин транспортных средств и самолетов по дорожному покрытию. В области строительных технологий исследователи помогли разработать статистические методы для определения снеговых и обледенелых нагрузок на всей территории Соединенных Штатов, а также стандарты для измерения теплопотерь, обнаружения влаги в крышах и устройства малозаглубленных фундаментов, защищенных от промерзания.
Перестройка
В октябре 1999 года CRREL вошел в состав зонтичной организации лабораторий Инженерного корпуса армии США, известной как Центр инженерных исследований и разработок (ERDC). Объединение семи лабораторий – Прибрежных и гидравлических, Экологических, Геотехнических и строительных, Информационных технологий, расположенных в Виксбурге, штат Миссисипи; Исследовательской лаборатории строительной инженерии в Шампейне, штат Иллинойс; CRREL в Нью-Гэмпшире; и Топографического инженерного центра в Александрии, штат Вирджиния, – привело к созданию ERDC с четырьмя площадками по всей стране.
Ремонт трихлороэтиленовых разливов
Первоначально в холодных камерах CRREL использовался трихлорэтилен (ТЦЭ) в качестве хладагента. В то время было известно лишь немного об опасностях ТЦЭ для окружающей среды. Впоследствии ТЦЭ был признан канцерогеном. В 1970 году в результате промышленной аварии произошло разлитие около 3000 галлонов ТЦЭ. В 1978 году ТЦЭ был введен в грунт через экспериментальную скважину. После обнаружения ТЦЭ в грунтовых водах в 1990 году, CRREL разработал план рекультивации, утвержденный Департаментом охраны окружающей среды штата Нью-Гемпшир (NHDES) при содействии Агентства армии США по токсичным и опасным материалам и Инженерного корпуса армии, Отделение Новой Англии. NHDES сообщает, что CRREL больше не хранит ТЦЭ на территории, а рекультивация грунтовых вод от ТЦЭ осуществляется под контролем в контрольных скважинах. Согласно пресс-релизу армии, опубликованному в местной газете, армия расширила мониторинг ТЦЭ на других участках территории CRREL и в 2011 году обнаружила некоторые повышенные концентрации. Впоследствии была начата программа мониторинга скважин и отбора проб почвы для картирования концентраций вещества на территории. Согласно отчету за 2012 год, полученная информация должна привести к разработке новой стратегии очистки территории. Специалисты армии по охране окружающей среды обнаружили ТЦЭ на соседних жилых и школьных участках.
Армейские исследования и разработки
Армейская награда за достижения в области исследований и разработок предоставляется выдающимся исследователям, работающим в армейской лабораторной системе. Некоторые известные лауреаты CRREL:
1970 – Гюнтер Франкенштейн за работу над проектом SS Manhattan и помощь в подъеме затонувшего B-52.
1971 – Джеймс Хикс за методы рассеивания тумана для аэродромов.
1976 – Питер Хоекстра, Пол Селлманн, Стивен Арконе и Аллан Делани за разработку методов геофизической разведки недр, связанных с Трансаляскинским нефтепроводом. Малкольм Меллор за исследования в области разработки и взрывных работ в снегу, льду и мерзлых грунтах, обеспечивающих быстрое вскрытие мерзлых грунтов, резку льда со стен шлюзов, а также контролируемый взрыв большой ледяной стены в Антарктиде для создания причала для судов снабжения.
1977 – Малкольм Меллор за разработку инженерных принципов, имеющих решающее значение для проектирования землеройных машин.
1978 – Уэйн Тобиассон за перемещение 10-этажного, 3300-тонного объекта линии «Раннее предупреждение» (DEW) на ледяном щите Гренландии, что позволило сэкономить около 1,5 миллиона долларов.
1979 – Фредерик Крори за консультации при строительстве Трансаляскинского нефтепровода, касающиеся свайных фундаментов в вечной мерзлоте.
1980 – Уилфорд Уикс за создание научной основы для решения инженерных задач, связанных с плавучим льдом, особенно морским льдом.
1982 – Джордж Эштон за изучение тепловых процессов в речном и озерном льду, позволяющее контролировать образование льда с помощью воздушных пузырьков и сброса нагретой воды.
1983 – Майкл Феррик за помощь NASA в прогнозировании образования льда на сверххолодных топливных баках космического корабля «Колумбия». Ёсисукэ Накано, Джозеф Олифант и Аллан Тайс за использование методов ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для изучения содержания воды и ее транспорта в мерзлых грунтах. Дэвид Дек за проектирование конструкции для борьбы с хрупким льдом, снижающей риск повторных наводнений.
1985 – Ричард Л. Берг, Эдвин Дж. Чемберлен-младший, Дэвид М. Коул и Таддеус С. Джонсон за методы, позволяющие рассчитывать тепло- и влагообмен при замерзании и оттаивании дорожных покрытий.
1986 – Джон Рэнд и Бен Ханамото за разработку системы контроля льда на судоходных шлюзах Инженерного корпуса армии.
1987 – Майкл Г. Феррик за разработку теории гидравлики, описывающей разрушение речного льда. Томас Ф. Дженкинс-младший и Дэниел К. Леггетт за стандартный аналитический метод определения остаточного содержания взрывчатых веществ в сточных водах армейских заводов по производству боеприпасов. Малкольм Меллор, Марк Ф. Уэйт, Даррил Дж. Калкинс, Барри А. Кутермарш и Дэвид А. Л’Хёро за методы развертывания ленточного моста через реки, покрытые льдом. Стивен А. Арконе, Пол В. Селлман и Аллан Делани за использование геофизических методов для характеристики подземных свойств вечной мерзлоты.
1988 – Эдвин Дж. Чемберлен-младший, Искандер К. Искандер и Джеймс Мартел за методы переработки осадка сточных вод, дноуглубительного материала и отложений, а также за обеззараживание опасных отходов с использованием замораживания. Джордж Л. Блейсделл за исследования колесных транспортных средств, работающих в снегу. Дэвид С. Дек за использование охлаждающей воды электростанции для предотвращения образования ледяных заторов на реках. Фредерик К. Гернхард и Чарльз Дж. Корхонен за устройство для быстрой реставрации пузырей на рулонных кровельных мембранах.
1989 – Рэйчел Джордон за аналитическую модель прогнозирования температуры поверхности снежного покрова.
1990 – Остин Ковач и Рексфорд М. Мори за радиолокационные и электромагнитные индукционные системы, измеряющие толщину морского и пресноводного льда, а также их электромагнитные свойства, и понимание скорости глобального потепления.
1991 – Эдгар Л. Андреас за углубление понимания влияния воздушной турбулентности на оптическую передачу.
1995 – Дэниел Лоусон, Стивен Арконе и Аллан Делани за методы георадиолокации для характеристики подповерхностных опасных и токсичных отходов. Джеймс Уэлш и Джордж Кениг за новаторскую разработку возможностей синтетического создания тепловых инфракрасных сцен.
1996 – Дональд Г. Альберт за теории, описывающие распространение акустических и сейсмических волн в присутствии замерзшей земли или снега.
1998 – Кэтлин Ф. Джонс за новую национальную стандартную карту для проектирования ледовой нагрузки на такие сооружения, как линии электропередач и вышки связи.
2001 – Роберт Э. Дэвис за развитие физических теорий, связанных с моделированием состояния грунта, гидрологией и дистанционным зондированием.
2004 – Д. Кейт Уилсон за теорию и моделирование распространения звука, позволяющие реалистично моделировать атмосферные акустические эффекты с использованием квазиволновых пакетов, описывающих атмосферную турбулентность.
2005 – Д. Кейт Уилсон (совместно с Сандрой Л. Коллиер и Дэвидом Х. Мартином) за теорию и моделирование распространения звука с использованием теории временной области и численных методов для распространения звука в пористых материалах и движущихся, турбулентных жидкостях, а также для учета рассеяния при атмосферной турбулентности при расчете распространения звука. 2008 – Стивен Арконе, Ёхун Ко, и Ланбо Лю за понимание распространения радиоволн над рельефом местности с использованием доплеровского подхода для измерения рассеяния радиоволн под малыми углами к горизонту. Антонио Палаццо и Тимоти Кэри за разработку новых генотипов для использования на армейских полигонах. 2009 – Дэвид Коул и Марк Хопкинс (совместно с Джоном Питерсом) за интеграцию знаний о зернистых материалах посредством дискретного элементного моделирования, подтвержденного экспериментальными результатами.
1970 – Guenther Frankenstein for SS Manhattan work and assistance in recovery of a downed B 52. >
1971 – James Hicks for fog dispersion techniques for airfields. >
1976 – Pieter Hoekstra, Paul Sellmann, Steven Arcone and Allan Delaney for developing subsurface geophysical exploration techniques, related to the Trans Alaska Pipeline. Malcolm Mellor for research in the excavating and blasting of snow, ice and frozen ground, allowing rapid excavation of frozen ground and for cutting ice from lock walls, and the controlled blasting of a large ice wall in Antarctica to provide a pier for the docking of supply ships. >
1977 – Malcolm Mellor for developing engineering principles instrumental to the design of excavating machines. >
1978 – Wayne Tobiasson for the moving of a 10 story high, 3,300 ton Distant Early Warning (DEW) Line facility on the Greenland Ice Cap, saving an estimated $1.5 million. >
1979 – Frederick Crory for advice in the construction of the Trans Alaska Pipeline, related to pile foundations in permafrost. >
1980 – Wilford Weeks for establishing a scientific basis for engineering problems pertaining to floating ice, especially sea ice. >
1982 – George Ashton for study of river and lake ice thermal processes, allowing control of ice formation with air bubblers and heated water discharges. >
1983 – Michael Ferrick for assisting NASA in predicting ice formation on the super cooled fuel tanks of the Space Shuttle Columbia. Yoshisuke Nakano, Joseph Oliphant and Allan Tice for use of nuclear magnetic resonance (NMR) techniques to investigate water content and transport in frozen soils. David Deck for the design of a frazil ice control structure to mitigate recurrent flooding. >
1985 – Richard L. Berg, Edwin J. Chamberlain Jr., David M. Cole, and Thaddeus C. Johnson for techniques that allowed the calculation of heat and moisture flux during the freezing and thawing of pavement systems. >
1986 – John H. Rand and Ben Hanamoto for developing a system for controlling ice on Army Corps of Engineers navigation locks. >
1987 – Michael G. Ferrick for developing a theory of hydraulics that described river ice breakup. Thomas F. Jenkins Jr., and Daniel C. Leggett for a standard analytical method that determines residual explosive levels in waste water from Army ammunition plant. Malcolm Mellor, Mark F. Wait, Darryl J. Calkins, Barry A. Coutermarsh, and David A. L'Heureux for techniques to deploy ribbon bridge in rivers with an ice cover. Steven A. Arcone, Paul V. Sellman, and Allan J. Delaney for using geophysical techniques to characterize the subsurface properties of permafrost. >
1988 – Edwin J. Chamberlain Jr., Iskander K. Iskander, and C. James Martel for techniques to process sewage sludge, dredged material, and sediments, and for decontamination of hazardous waste sites, using freezing. George L. Blaisdell for research on wheeled vehicles operating in snow. David S. Deck for using cooling pond water from a power generation plant to prevent formation of ice jams on rivers. Frederick C. Gernhard and Charles J. Korhonen for a device that rapidly repairs blisters on built up roof membranes. >
1989 – Rachel Jordon for an analytical model to predict the surface temperature of a snow cover. >
1990 – Austin Kovacs and Rexford M. Morey for radar and electromagnetic induction systems that measure the thickness of sea ice and fresh water ice and their electromagnetic properties of sea ice, and an understanding of the rate of global warning. >
1991 – Edgar L. Andreas for furthering understanding the effects of air turbulence on optical transmission. >
1995 – Daniel Lawson, Steven Arcone, and Allan Delaney for ground penetrating radar techniques to characterize subsurface hazardous and toxic waste. James Welsh and George Koenig for pioneering synthetic thermal infrared scene generation capability. >
1996 – Donald G. Albert for theories that describe acoustic and seismic propagation in the presence of frozen ground or snow. >
1998 – Kathleen F. Jones for a new national standard map for design ice loading on such structures as power lines and communication towers. >
2001 – Robert E. Davis for advancing physical theories associated with state of the ground modeling, hydrology, and remote sensing. >
2004 – D. Keith Wilson for a sound propagation theory and modeling that allows realistic simulations of atmospheric acoustical effects, using quasi wavelets that describe atmospheric turbulence. >
2005 – D. Keith Wilson (with Sandra L. Collier and David H. Martin) for sound propagation theory and modeling, using time domain theory and numerical methods for sound propagation in porous materials and moving, turbulent fluids, also for incorporation of scattering by atmospheric turbulence calculations of sound propagation. 2008 – Steven Arcone, Yeohoon Koh, and Lanbo Liu for understanding radiowave propagation over terrain, using a Doppler approach to measure forward scattering of radiowaves at near grazing angles. Antonio Palazzo and Timothy Cary for development of new germplasms for use on military training ranges. 2009 – David Cole and Mark Hopkins (with John Peters) for integrating knowledge of granular materials through discrete element modeling as validated by experimental results.
Армейские награды лаборатории
Как лаборатория, CRREL был удостоен наград Армии за выдающиеся достижения в 1975 и 1978 годах. В 1997 году лаборатория завоевала награду «Лаборатория года» Армии. После вхождения в состав ERDC в 1999 году, CRREL постоянно вносил значительный вклад в достижения, благодаря которым ERDC пять раз в течение первых восьми лет становилась победителем в номинации «Лаборатория года» Армии.