ANTARCTICA_FINAL2013. Модернизация полярной станции "Восток" в Антарктике

Концепция_2013 > | Ещё подробнее > | Разработка 2013 >

Ранее на сайте публиковалась концепция "ANTARCTICA"2012"

Актуальность темы

   Одно из крупнейших географических открытий второй половины 20-го века - озеро  Восток, расположенное под одноименной российской антарктической станцией. Озеро располагается под ледяным щитом толщиной около 4000 м и имеет размеры приблизительно 250×50 км. Предполагаемая площадь 15,5 тыс. км². Глубина более 1200 м.

     В феврале 2012 года специалисты Российской антарктической экспедиции после десятков лет бурения впервые проникли в озеро Восток — крупнейшее в Антарктиде подледниковое озеро, которое миллионы лет было изолировано от внешнего мира.

Но, к сожалению, ужасное состояние существующей станции не позволяет в полной мере осуществлять работу по всем категориям.

Цели проекта

     Главной целью проектирования новой станции является создание комфортных условий для работы и проживания сотрудников антарктической базы, а также создание лабораторий с внедрением новейших технологий, при которых необходимые исследования могут проводиться на месте, а не посредством транспортировки пробных образцов в исследовательские институты на других материках.

Задачи проекта

1.Выявить основные пути подхода к станции, которые будут иметь непосредственное отношение к расположению всего комплекса.

2. Объединить в единую систему все элементы станции.

3. Минимизировать общую площадь занимаемую станцией на льду.

4. Разработать готовые, легко транспортируемые элементы, из которых будет собрана вся станция.

5. Снизить/отказаться от потребления дизельного топлива.

6. Включить в станцию комплексную программу по переработке отходов.

7. Учитывать все требования международного договора об Антарктике и его приложения - протокола по охране окружающей среды.

Предпроектный анализ

Расположение станции

     Научно-исследовательская станция «Восток» расположена в 1253 км от Южного полюса, в 1410 км от станции «Мирный» и в 1260 км от ближайшего побережья моря. (Рисунок 3) Добраться до станции зимой практически невозможно, а значит, полярники не могут рассчитывать на помощь извне. Доставка грузов на станцию осуществляется самолётами (в летний, относительно тёплый период) и санно-гусеничным поездом (в остальное время) от станции «Прогресс».

     «Восток» расположен вблизи от Южного магнитного полюса Земли и является одним из наиболее подходящих мест для исследования изменений в магнитном поле Земли. Обычно на станции летом находятся 25 человек — учёных и инженеров. Зимой их количество сокращается до 13.

Анализ климата и рельефа территории

     Климатические условия в районе станции — одни из тяжелейших на Земле.

     Сильнейшие морозы. Район станции отличается очень низкими температурами в течение всего года. Здесь зарегистрирована самая низкая температура на планете: −89,6 °C (21 июля 1983). Самым тёплым летним днём на станции Восток за всё время её существования остаётся день 16 декабря 1957 г. Тогда термометр зафиксировал 13,6 мороза. Район получил название Полюс холода Земли.

     Почти нулевая влажность воздуха.

     Среднегодовая скорость ветра около 5 м/сек, максимальная 27 м/сек, или 97,2 км/час.

     Высота расположения станции — 3488 метров над уровнем моря, что вызывает острую нехватку кислорода. Из-за низкой температуры воздуха в районе станции его давление с высотой падает быстрее, чем в средних широтах, и подсчитано, что содержание кислорода в атмосфере в районе Востока эквивалентно высоте пяти тысяч метров.

     Повышенная ионизация воздуха.

     Парциальное давление газов в воздухе там отличается от состава привычного для нас воздуха.

     Нехватка углекислого газа в воздухе, которая предположительно приводит к сбоям в механизме регуляции дыхания.

     Полярная ночь длится с 23 апреля по 20 августа,120 дней в году, что составляет чуть менее 4 месяцев, или трети всего года.

     Акклиматизация к таким условиям продолжается от одной недели до одного-двух месяцев и сопровождается головокружением и мельканием в глазах, болью в ушах и носовыми кровотечениями, чувством удушья и резким повышением давления, потерей сна и понижением аппетита, тошнотой, рвотой, болью в суставах и мышцах, потерей веса от трёх до пяти (известны случаи до 12) килограммов. Климатическая зима на станции Восток и некоторых других антарктических станциях в Южном полушарии длится весь год, но самые низкие температуры наблюдаются шесть месяцев с апреля по сентябрь. Во все эти и только в эти месяцы среднемесячная температура ниже −70 градусов, а месячный минимум температуры ниже −80 градусов. При этом почти до середины апреля и с третьей декады сентября средняя по наблюдениям температура выше −70 градусов.

     Средняя температура самых тёплых месяцев — декабря и января — −35,1 и −35,5 °C соответственно, что эквивалентно холодной сибирской зиме.  
Средняя температура самого холодного месяца — августа — составляет −75,4 °C, иногда опускается в этом месяце ниже −85,3 °C. Заметное потепление начинается только с 21 августа, Для сравнения: январь 1892 года в Верхоянске (самый холодный когда-либо наблюдавшийся месяц по средней температуре в России) имел среднюю температуру −57,1 °C. Осадков практически не выпадает. Среднегодовой уровень осадков — всего около 4,5 мм, что эквивалентно полному их отсутствию. В декабре и феврале осадков на станции не наблюдалось за всё время её существования.

     В связи с глобальным потеплением несколько лет назад, 11 января 2002 года, на станции был отмечен новый абсолютный максимум температуры, на 1,4 °C выше прежнего. Он равен −12,2°, но и это примерно равно средней суточной температуре самого холодного дня в году в Москве по многолетним данным.Интересно, что прежний максимум все же на 0,2 °C ниже, чем абсолютный минимум в самом теплом месте России зимой — в Сочи, равный −13,4 градусам. По другим данным, температура на станции никогда не поднималась выше −14 градусов. Интересно, что самая высокая температура на станции за более чем 51 год метеорологических наблюдений за ней наблюдалась в первый день её основания. Поэтому есть очень большая вероятность, что максимальная температура на месте станции наблюдалась до её основания. Минимальная среднегодовая температура на станции равна −57,3 градусам и была отмечена в 1960 году, максимальная среднегодовая равна −53,2 градусам и наблюдалась в 1980 и 2007 годах, средняя среднегодовая составляет на сегодняшний день −55,6 градусов, что делает это место самым холодным на Земле в межсезонье. Самая низкая  Среднегодовая температура на Земле наблюдалась 7 лет возле полюса недоступности (78 ю.ш.96 в.д), что немного севернее и западнее станции Восток, примерно на одной широте с ней, равная −57,8 градусам, что всего на 0,5 градуса ниже, чем на станции Восток. Третье место по показателю самой низкой средней температуры после станции занимает один ледник на Советском плато, что тоже недалеко от станции, на котором она составляет −56,3 градусов. Годовые колебания температуры достигают 40,3 градуса между средней температурой декабря и августа (самый тёплый и самый холодный месяц соответственно), 4,1 градуса в разные годы, по средней в году температуре, 66 градусов в среднем между наивысшей и наиболее низкой за год температуре, амплитуда температур за время метеонаблюдений составляет 77,4 градуса, от −12,2 до −89,6 градусов.

     Станция является самым холодным постоянным населённым пунктом на поверхности земного шара и одним из пяти мест, обжитых людьми, в которых температура может опускаться ниже −80 градусов, и единственным, где она опускалась ниже −87 градусов (по некоторым данным, в Верхоянске, в России, всё же наблюдалась температура −87, но данные не официальные). При этом на втором из самых холодных населённых пунктов-станции Плато-абсолютный минимум температуры равен −86.2 градусам, что на 3.4 выше, чем на станции, на третьем из самых холодных станций-Амундсен-Скотт составляет −82.8 градусам, что на 6.8 выше, чем на станции. При этом во всех месяцах года минимум температуры на станции Восток ниже, чем на южном полюсе, даже в июне, когда на станции Амундсен-Скотт был абсолютный минимум температуры для станции −82.8,на станции Восток минимум этого месяца на градус ниже,-83.8 градусов. С марта по октябрь минимальная среднемесячная температура среди тех мест, где проводятся метеорологические наблюдения, отмечается именно на станции, а с марта по ноябрь самая низкая температура в мире на настоящее время была отмечена тоже на станции, хотя в Оймяконе в ноябре в Северном полушарии средняя температура на 0.2 градуса ниже.

     8 первых рекордов мира по минимальным температурам принадлежит станции «Восток». Самая низкая температура в XXI веке равнялась −85,1 градусам (7 августа 2005 года). Тогда на станции был установлен абсолютный для августа и числа минимум температуры. В мае максимальная температура за все время существования станции не поднималась выше −41,6 градусов, что лишь на 0,6 градусов выше абсолютного минимума в Москве за 141 год метеорологических наблюдений. На станции Восток известно 12 дат, когда температура опускалась ниже −85 градусов. В августе 1960 года температура на станции Восток опустилась до −88.3 градусов.С 13 апреля по 16 сентября температура на станции может опускаться ниже −80 градусов. 15 августа температура за все годы ни разу не поднялась выше −52 °C, достигнув этого значения как абсолютного максимума за этот день только в 2009 году. С 19 июля температура на станции может опуститься ниже −87 °C и до 10 сентября оставаться ниже −85 °C. С 14 августа по 16 сентября, 34 дня подряд, минимальная температура была ниже −80 градусов.

     Метеорологические и погодные наблюдения на станции начались с 1973 года, но постоянно велись только с 1978 года. Относительно тёплыми на станции были 1973, 1980,1985, 1988, 1992, 1994, 1996, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003, 2006, 2011 годы; относительно холодными 1960,1979, 1982, 1983, 1984, 1986, 1987, 1989, 1993, 1997, 1998, 2005, 2008, 2010 годы; 1990, 1991, 1995, 2004, 2007, 2009 годы были примерно средними по температуре. В недавнем прошлом, с 21 ноября по 7 декабря 2010 года, температура на станции резко падала до −52 °C в последних числах ноября, до −50 °C 1 декабря, обычная температура для конца весны и начала антарктического лета составляет на станции от −38 до −42 градусов, и максимальное суточное отклонение температуры от нормы в сторону холода составило 7,9 °C 30 ноября. Необычно низкая для этих чисел температура продержалась 17 суток, за это время было установлено 15 новых суточных рекордов минимальной температуры, из них с 21 по 27 ноября (7 суток) и с 29 ноября по 4 декабря (6 суток) шли подряд. Два числа по минимумам температуры во время периода — 28 ноября и 5 декабря — уступали только 1983 году, который не только в эти месяцы, но и в целом был очень холодным (именно в 1983 году было установлено больше, чем в каждый другой год, рекордов минимальной температуры, а 21 июля 1983 года температура упала до −89,6 градусов. 13 апреля 1998 года температура на станции опустилась до −86 градусов, что очень низко для середины апреля (норма −70 градусов), был установлен рекорд апреля и пятый на станции рекорд из абсолютных минимумов, что стало самым низким значением температуры после 1983 и 1960 годов. В настоящее время 252 дня в году минимальная температура на Земле за сутки наблюдалась именно на станции Восток (24-28 февраля, 1-14 марта, 16-17 марта, 19 марта-17 июня, 19-21 июня, 24 июня-23 июля, 26 июля-21 сентября, 26 сентября-13 ноября). Если бы скорость ветра на станции 21 июля 1983 года была бы максимальной из наблюдаемых (97,2 км/час) то эффективная (ощущаемая) температура равнялась бы −143,6 градусам (при температуре −89,2 и скорости ветра 27 м/сек). Но если бы станция находилась на уровне моря, при том же климате минимальная эффективная температура в ней составила бы только −68,6 или −67,3 градусов, а максимальная поднялась бы до +7 градусов. Есть неподтвержденные данные, что зимой 1997 года температура на станции Восток достигла −91 ° C (-132 ° F). Абсолютный максимум температуры на станции восток не самый холодный в мире (второе место по этому показателю), на станции Восток-1,расположенной северо-западнее, на 72 ю.ш. 96 в.д.температура не поднималась ни разу выше −24,4 градусов, но абсолютный минимум на Востоке-1, равный −73,3 градусам, и среднегодовая температура (-48,9) гораздо выше, чем на станции Восток, так как метеорологические наблюдения на этой станции не велись даже года.

30 самых низких значений температур на станции Восток

Дата                            Температура, °C
21 июля 1983 года      -89,6
Август 1960 года        -88.3
20 июля 1983 года      -87,7
22 июля 1983 года      -87,1
19 июля 1983 года      -87,0
13 апреля 1998 года   -86,0
2 сентября 1987 года  -85,9
9 сентября 1998 года  -85,6
10 сентября 1998 года            -85,1
7 августа 2005 года    -85,1
27 июля 1986 года      -84,8
1 сентября 1987 года  -84,8
1997 года                     -84,6
21 августа 1987 года  -84,4
15-16 июля 1993 года -84,2
14 сентября 1982 года            -84,2
27 августа 2008 года  -84,1
20 августа 1987 года  -84,1
26 августа 1979 года  -84,0
27 июня 1984 года      -83,8
14 июля 1993 года      -83,8
26 июля 1986 года      -83,7
8 сентября 1998 года  -83,7
28 июня 1984 года      -83,3
16 сентября 1982 года            -83,1
15 сентября 1982 года            -83,0
16 июня 1989 года      -83,0
28 августа 1982 года  -83,0
2 августа 1997 года    -82,9
18 июля 1983 года      -82,8
13 сентября 1982 года            -82,8
18 августа 1987 года  -82,8

     На станции известна 1 дата, когда температура была ниже −89 градусов,2 даты, когда она была не выше −88 градусов,4 даты, когда она была ниже −87 градусов,6 дат, когда она была ниже −86 градусов,10 дат, когда она понижалась менее чем до −85 градусов,18 дат, когда она не превышала −84 градуса и 28 дат, когда она опускалась ниже чем до −83 градусов

     На настоящее время с 1979 года годовой минимум температуры был отмечен в апреле 3 раза, в мае 2 раза, в июне 3 раза, в июле 6 раз, в августе 8 раз, в сентябре 6 раз. Таким образом, вторая половина зимы на станции обычно холоднее первой, хотя в конце зимы потепление происходит быстро. Декабрь на станции теплее января, ноябрь теплее февраля, октябрь и март схожи по температуре, сентябрь и апрель схожи по температуре, август холоднее мая, июль холоднее июня. Понижение температуры длится дольше, чем повышение, в среднем на 2 месяца. За последние 28 лет, учитывая данные 1960 года, самая низкая за год температура в 16 случаях составила от −80 до −85 градусов, в 7 случаях от −75 до −80 градусов, в 5 случаях ниже −85 градусов и в 1 случае (1992 год)выше −75 градусов. В среднем минимальная за год температура выше −82.5,но ниже −80 градусов, она равна в среднем −82.1 градусу, а средняя между самой высокой и самой низкой минимальной за год температуре равна −80.7 градусам.

     Восточно-Антарктический ледниковый щит является обширным, высоким и мощным целостным массивом, в нем заключается более 4/5 объема всего антарктического льда. Высокогорная часть щита с отметками более 2000-3000 м относится к климатической области Центральной Антарктиды.
Ландшафты этого района отличаются большим однообразием, а природные элементы однородностью.

Функциональный анализ территории

На основе анализа территории было выявлено, что на территории имеются постройки общественного, жилого, научно-исследовательского и промышленного типа. Некоторые из них утратили свою основную функцию, из-за непроизведенного во время ремонта.

Проектное решение

Концепция формирования ген.плана станции

Два фактора формирования ген.плана:

1. Два основных подхода к станции :

1. самолетом (в летнее время)
2. санно-гусеничным поездом от ст. Прогресс (2 раза в год)
образуют некий угол, отталкиваясь от которого, учитываем второй фактор:

2. Направление ветра:
Преобладающее и постоянное направление ветра в данной местности ю-ю-в.

Станция расположена таким образом, чтобы огородить безветренный участок, где располагаются амбары. Мобильные модули соединены с основным модулем, образуя единый комплекс. Ветровые генераторы энергии установлены перед станцией по направлению ветра.

На схеме функционального зонирования преобладают 4 основных функции:

1. Научно-исследовательская
2. Жилая
3. Общественная
4. Промышленная

Описание объектов станции

Общие положения станции “Восток”:

1. Персонал станции
60 - 80 чел. в период антарктического лета
20 - 30 чел. в период антарктической зимы
2. Срок эксплуатации станции - не менее 30 лет.
3. Методы строительства, эксплуатации и вывода из эксплуатации будут соответствовать требованиям протокола по окружающей среде.
4. Использование ископаемых видов топлива будет сведена к минимуму.
Использование возобновляемых источников энергии практически максимально.
5. Комплексная система по переработке отходов будет включена в саму станцию.
6. Использование модульно-блочной системы. Модульная конструкция позволяет заменять отдельные объекты без помех для всей станции. Все блоки для станции изготовлены на материке, на месте остается собрать всю станцию по типу "конструктора", что заметно упростит возведение базы в суровых условиях Антарктиды. Применяем 3 типа блоков, одинаковых по длине и ширине 3,6Х12м,(для удобства транспортировки - самолетом или санно-гусеничным поездом от ст.Прогресс на расстоянии 1350 км в одну только сторону)но различные в конфигурации. По типу сборки применяем 2 типа блоков (Рисунок 7):

(рис. 7)

- с 2мя сендвич панелями без воздушной прослойки (32 шт)
- с прослойкой воздуха между 2мя сендвич панелями (6шт. для возведения одного мобильного модуля. 15 шт. для основного модуля)
Всего для строительства станции используется 72 готовых блока.
7. Автоматизация систем отопления, вентиляции, кондиционирования и канализации.
8. Оснащение лабораторий станции новейшим оборудованием.
9. Максимально комфортные условия для работы и проживания на станции, а также риск для здоровья работающего персонала будет сведен к минимуму.

Можно выделить два основных объекта станции:

1. Основной модуль
2.Мобильный модуль

Все они подняты от уровня льда на гидравлические выдвижные опоры, чтобы избежать таяния снега от основания сооружения. Все опоры каждого модуля поочередно поднимаются и находятся какое-то время в поднятом состоянии. Под поднятую опору в течение этого времени попадает снег и когда опора снова опускается на поверхность, ее уровень становится немного выше изначального уровня. Таким образом, постоянно перебирая своими "ногами" вся станция поднимается вверх синхронно с ростом уровня льда.
Вся станция устанавливается перпендикулярно направлению преобладающих ветров, что позволяет ветру беспрепятственно выдувать снег снизу станции.

Основной модуль (ОМ).

(рисунок 8-16) размеры в осях 48х69,6 м 
общая площадь 2510 м2

Основной модуль имеет трех частную структуру:
-1 уровень - подледное пространство для хранения малогабаритной техники, оборудования и инвентаря в одной части, и продуктов питания в другой.
1 уровень - уровень отметки льда - это стальные опоры, на которые крепится платформа из стальных конструкций.
2 уровень - объемные блоки. в 1,2 или 3 этажа

Рисунок 13. Разрез 1-1

Рисунок 14. Разрез 3-3

Рисунок 15.

Рисунок 16. Поуровневая схема основного модуля

В основном модуле применяем блоки с воздушной прослойкой между панелями в продольной части, а в поперечной, как мы видим, под *воздушной оболочкой* применяем блоки со сдвоенными сендвич панелями.
Светопрозрачный фасад состоит из модифицированной стоечно-ригельной конструкции с применением светопрозрачной прочной пленки.  Образованное воздушное пространство дает дополнительный слой теплоизоляции. Аллюминевые рамы оснащены электрическими нагревательными элементами. При падении температуры ниже 80 градусов, в это пространство дополнительно нагнетается теплый воздух, чтобы смягчить разницу температур внутри помещения и снаружи.

Основной модуль является ключевым модулем всей станции. Он включает в себя основные функции: жилую, научно-исследовательскую и общественную. Кают-компания, где имеется зеленый зимний сад, библиотека, компьютерный зал, спортивный зал с тренажерами, сауна и зона отдыха. Нахождение в этой зоне позволит ученым преодолевать психологическое напряжение, вызываемое длительным пребыванием в условиях постоянной темноты при температуре в -80 градусов и при ветре, скоростью 25 километров в час. Подойдя с психологической точки зрения, на станции будут установлены специальные лампы, которые позволяют моделировать восход Солнца.

Мобильный модуль (ММ).

( Рисунок 17) Размеры в осях 12х14,4 м
Общая площадь 267 м2

Мобильный модуль имеет двух частную структуру :

1 уровень - +0.000 у.л.-стальные опоры и платформа
2 уровень - объемные блоки

Каждая опора имеет лыжню, таким образом, мобильный модуль может быть перемещен на определенное расстояния для научных целей. Также каждая лыжня оснащена автоматическим анкером, который крепится во льду во избежание скольжения.
Основной и мобильные модули имеют эксплуатируемую кровлю для запуска зондов.

Схема буксировки мобильного модуля (вверху)


Поуровневая схема мобильного модуля

Срок эксплуатации станции 30-45 лет. По истечении данного срока, станцию можно будет разобрать и переместить на другое место, заменив устаревшие элементы.
Создание новой Антарктической станции дает возможность сотрудникам базы работать в комфортных условиях, влечет увеличение рабочих мест и предполагает быстрый темп развития научной деятельности.

Техника для передвижения по станции

Применяемые альтернативные источники энергии

наверх