4
«Наутилуса» капитана Немо — «Подвижный в подвижном»? Точнее было бы — «Подвижный в изменчивом».
Так красиво нарисованная нами картина параллельных горизонтальных слоев на самом деле искажена в пространстве существованием глубинных, так называемых «внутренних» волн, обусловленных колбаниями слоев воды различной плотности. Вертикальные колбания могут иметь перiodы порядка суток и достигать размах в 100 м. Толщу океанских вод могут произвольать волны, вызванные подводными землетрясениями,— цунами.
Сложная картина акустических полей в океане связывана и с наличием неровных границ — повреждности и дна, которые отражают и рассеивают падающий на них звуковую энергию. При этом верхняя граница (вода — воздуха) практически непрозрачна для звука, а форма ее меняется во времени; нижняя граница — до — неизменна во времени, но частично практическая для акустических волн, которые проникают в до океана.
Рассеяние акустических волн звуковосвязывающих слоями.
Прием слабых сигналов осложняется наличие окружающего шумового фона. Этот фон складывает из шумов, обусловленных динамическими процессами, в основном — ветровым волнением, из биологических шумов (известно, что морские животные весма широко используют акустические волны), из сейсмического фона, шума прохождения судов и т. д.
Далее из такого краткого перечисления факторов, влияющих на распространение звука в океане, видна вся сложность процесса передачи и приема акустических сигналов в океане. Можно себе представить те трудности, которые встречаются при исследовании законов распространения звука в океане. А ведь эксперименты проводятся в очень широком диапазоне частот и на дистанциях от сотен метров до тысячи kilометров.
Изучение акустических полей в океане — только часть проблем, которые изучает акустика океана. Есть задачи, которые принято назвать обработными. Характер распространения, отражения, рассеяния акустических волн дает информацию о свойств среды, об объектах, отражающих и рассеяющих звук. Определение характеристик океана по такой информации — вот конечная цель исследования. Например, время распространения эхолотного импульса до дна и обратно позвольяет изменять глубину океана. Акустические методы исследования океана заменяют традиционные «kontактические» методы на экспрессные «неконтактические».
Теперь хотелось бы подробнее остановиться на некоторых вопросах. Я уже говорил о том, что окружаюший шум мешает приему полезных акустических сигналов. Могу добавить, что рассеяние в обратном направлении также, вообще говоря, мешает приему сигналов, например сигналов связи. Но, с другой стороны, шум несет и информацию о его источниках, например о диамическах процессах в океане, а рассеяние сигналы дает нам информацию о рассеивалении, в нашем случае — о/herновости по-
5
верхности и дна, а также о морских организациях.
В рамках журналной статьи невозможно расскаать подробно об всех исследований, проводящих по океане. Здесь и исследования решения и изучение его строения; исследование законов накопления осадков и изучение тепловых потоков, иуших со дна; определение химического состав океанических вод и исследование вихрей в водах океана, и многое, многое другое. Поэтому я попытаюсь расскаать более подробно только об исследовании, связанных с изучением рассеяния звука морских организаций.
Несколько десятилетий назад было обнаружено, что практические во всех районах Мирового океана, кроме его полярных области, существуют скопления мелких морских организаций, локализованных по вертикали. Эти скопления состояят, как правило, из мелких рыбок размером в несколько сантиметров. Они формируют один или несколько слоев толщиной в десятилетий метров. Днем эти слои находятся на глубинах 200—1000 м, а ночь они поднимаются, или, как говоря биологи, мирируют, к поверхности. Эти скопления рассеяние от них намного больше, чем от толщины, не содержащей морских организаций (то есть доля звуковой энергии, рассеивающейся при прохождения сигнала через скопление рыбок, горячдо большие, чем в случае «чистой» воды). Такие скопления как раз и были обнаружены по рассеянию звука, что было зарегистировано экологически как «ложное дно». Они были названы звуковосявшими слоями (сокращенно 3РС). Количество организаций и их видов состав меняется в сложх от района к району, а поскольку эти мелкие рыбки служат пшейдля более крупных промысловых рыб, то информация о 3РС позволяет судить о распределении промысловых рыб. Эти информации получают с помощью актических волн.
Излучатель звука генерирует колебания определяной части. Когда колебания, распространясь в толще воды, встречаются со скоплениями морских организаций, небольшая доля энергии рассеивается во все стороны, в том числе и в обратном направлении. Эта рассеяния энергия улавливается приемником звука, который располагается рядом с излучателем. Зная излученную мощность и измеряя интенсивность рассеяного сигнала, можно определить, какая доля энергии рассеивается в 3РС. Меняя частоту колебаний излучателя, можно «настроить» на частоту собственных колебаний плавающего пузья рыбки. При этом доля рассеяной энергии
6
резонансно возрастает. Частота собственных колебаний плаваательного пузира определяется его размерами, которые, в свою очередь, зависит от размера рыбки.
Таким образом, актическое «зондирование» дает информацию о месте нахождения ЗРС, глубине их «залегания», о количестве рыбок, об их размерах.
Недавно на новом научно-исследовательском судне «Академик Мстислав Келдыш», приналежащем Институту океанологии им. П. П. Ширшова АН СССР, состоялась экспедиция в Атлантику по разработке актических методов исследования океана (в ней принимали участие также студенты кафедры физики гидрокосмosa факультета общеи и прикладной физики МФТИ).
В исследований использовася глубоководный аппаратурный комплекс, представляющий собой термтическую сферу диаметром около полуметра, в котором находились мощный (несколько киловатт) генератор и исполнительное устройство, которое осуществляло управление генератором по команде сверху. Вне сферы находились изучать и применник звука. Этот комплект мог опускаться на кабель-тросе на любую глубину от поверхности до 5000 м. С его помощью было делать подробный «разрез» океана от поверхности до дня.
Объчно читатель интересует перспективы развития новых методов исследования океана. Что ожидает нас в будущем?
Развитие науки проинсходит, как правило, скачкообразно. Какой-то промежуток времени идет количество накопления экпериментального материала, осмысленное и интерпретация наблюдаемый, фактов. Результатом этого является качественный скачок в теории, заметно продвигающий нас по пути приближения к истине. При этом многое, казалось бы, незыбельное и очень представления часть перематриваются. Затем следует очередной этап нахождения результатов исследования. И так далее. На мой взгляд, актическа океана в настоящее время находится в стадии нахопления фак-
тов. Думаю, что этаот будет довольноdlительным, так как океан велик, изменив и многообразен, а фронт исследований еще относительно узок, что в значительной степени связано с недостаточной технической основностью исследований. Будут новые, более совершенные приборы и оборудования — будут новые результаты. Изучение океана требует дорогостоящего, часто весы громодкого основания.
Уже сегодня есть идеи, каким образом можно практически непрерывно получить информацию о характеристике Мирового океана по всей его акватории. Этот метод получил нахвание актической томографии. Суть егозаключается в следующем. По периметру района океана, характерistikи которого необходимо знать, установливаются достагоно жестко несколько применяются систем. Системы почередно изучают актические импульсы и применяют их. Принимаемые сигналы несут информацию о температуре, солености и других параметрах среды, через которого они распространялись, то есть о районе океана, «оконтуреном» применяются системами. В результате можно будет непрерывно получить характерistikи океанской среды. Ценность подобной информации оченьдана.
На пути решения этой задачи, конечно, есть много трудностей. Во-первых, надо решить ее теоретически; во-вторых, надо неподвижно установить по всему Мировому океану множество достагоно мощных излучающих систем и управлять их изменением. В-третьих, надо создать парк мощных ЭВМ, которые могли бы в относительной коротке времени обработать громадный объем информации. И многое, многое другое…
Задча эта, несомненно, междунарного масштаба и пока еще не сегодняшнего дня. Однако у меня нет сомнения, что человекство решит ее.