Акустика в Океане

Квант 1987, №3 с. 9-13 Тег B2VF

АКУСТИКА В ОКЕАНЕ

Академик Л. М. БРЕХОВСКИХ,
кандидат физико-математических наук В. М. КУРТЕПОВ

Источник пишевых ресурсов, классовая полезных ископаемых, «кухня» погоды, главная дорога Земли… Такими словами можно в обшем охарактеризовать роль Мирового океана в нашей жизни. И с каждым годом все яснее становится, как влика эта роль, как огромно влияние Океана на все сферы деятельности человека, как важны исследовательская работа в Океане и разработка технических средств освоения его ресурсов.

Человек остро заинтересован в том, чтобы как можно больше знать о состоянии Океана, о движении его вод, о строении океанческого дня. Это нужно для надводной и подводной навигации, для определения области с наиболее биологической продуктивностью, для учета влияния Океана на погоду и климат нашей планеты и для многих других целей.

Многочисленные исследовательские корабили разных стран нахождения все время в Океане и в приложениях к континентам морях. Они регистрации состояния воды масс на разных глубин, состояние атмосферы над Океаном, изучают характеристики дня. Результаты исследования стекаются в Мировые центры данных, главные из которых расположены в Москве и Вашингтоне. Эта информация очень ценна. Однако по своему объему она слищком мала, чтобы сколь-нибудь полно описать текущее состояние всего Мирового океана и приложющих к нему морей. Для этой целей поток информации должен быть увеличен в тысячи раз. Здесь на помощь приходит средства исследования Океана из космоса. Приборы, установленные на искусственных спутников Земли и на космических станциях, быстро и сразу с большой площади «собирают» данные о многих характеристиках Океана. Измерения собственного изучения Океана в информационном или сантиметровом диапазоне позволяет регистрации его поверхности. По рассеянию электромагнитных волн сентиметрового диапазона на поверхности Океана можно определить характеристику

стики поверхностных волн, скорости поверхностного текения и приверхностного ветра. По времени пробега электромагнитного имплуса от космической станции до поверхности Океана и обратно можно определить перепады уровня Океана на больших расстояниях. Именно так впервые была обнаружена «ложбина» на поверхности Океана глубиной около 23 метров над Пуэрториканской платиной на дне океана.

Однако все эти данные, полученные из космоса, относятся к поверхности Океана. И понятно почему — электромагнитные волны не могут сколь-нибудь значительно проникать в глубь морской воды. В толще вод свет затухает на расстоянии нескольких десятков метров; даже для мощнейшего луча лазера предел — несколько сотен метров.

Инструмент для «просвещения» глубин Океана дает акстика. Только звуковые волны могут распространяться в воде на значительное расстояние. Так, звук сравнительно небольшого исследовательского взрыва в морских экпериментах учены регистрации на расстоянии 22 000 километров.

Здесь нам надо обратиться к открытым сорокалетней давности. В 1946 году советские учены обнаружили в Японском море очень интересное явление. Звуки взрывов (подрывались противолодочные бомбы на глубине 100 метров) распространялись без заметного ослабления на очень большие расстояния — многое сотни километров. Детальная обработка и анализ экспериментальных материалов показали, что это происходит из-за свободизной зависимости скорости звука в Океане от глубины. Скорость звука в морской воде, вообще говоря, меняется с изменением температуры, солености и гидростатического давления. Во время работы в Японском море соленость изменяется с глубиной незначительно, и ее влияние не сказывается. При удалении от поверхности до глубины примерно 300 метров скорость звука

Уменьшалась из-за padения температуры. При дальнейшем углублении температура изменяла мало и составляла 0,3—0,5 °C. Однако по мере увеличения глубины (максимальная глубина в Японском море 3700 м) существенноросло гидростатическое давление. Это приводило к возрастанию скорости звука. В результате формировалась своеобразная зависимость скорости звука от глубины. Пример такой зависимости (профиль скорости звука) приведен на рисунке 1. Минимут скорости звука расположен на глубине 300 м. Выше и ниже этого уровня скорость возрастает. К чему приводит такой профиль скорости звука?

На рисунке 2 изображены звуковые лучи, выходящие из излучателя (И), помещенного на глубине 100 м, и попадающие в приемник (П), который находится на глубине 300 м на расстоянии 184 км от излучателя. Вследствие «преломления» лучи искривляются, и снова и снова они возвращаются к горизонтальной оси, соответствующей минимуму скорости звука. При этом целое семейство лучей (некоторые из них и показаны на рисунке 2) не достигает дна, где звуковые сигналы могут быть поглощаться, и не выходит на поверхности, на неровностях которого они могут быть рассеятся. В результате звук приходит в приемник по чистому водным лучам, или, как говорят, по подводному звуковому каналу —

ПЗК,— почти без затухания. Это позволяет регистрации звуковые сигналы за многое тысячи kilометров от их источника.*)

Наличием ПЗК и объясняется явление «сверхдальнего» распространения звука, наблюдается в 1946 году в Японском море. Оказывается, ПЗК имеет в любом море и любом окане при условии достающий их глубины.

Излученный звуковой сигнал, распространяясь по различным лучам, приходит в точку приема в различные моменты времени. Любые, даже малые изменения профиля скорости звука приводят к смешении момента прихода звукового сигнала по отдельному лучу. Величины этих смешений, или флуктуации,— свои для каждой из лучей. Все последовательность приятных сигналов полностью определяется свойствами среды и является чрезвычайно чувствительным индикатором этих свойств.

В действительности Океан можно считать строго горизонтально-слоистым только в пределах нескольких десятиков kilометров, да и то не всегда. Под воздействием различных процессов, протекающих в Океане, скорость звука изменяется не только по глубине, но и горизонтали. И особен-

*) Об образованнии подводных звуковых каналов, об особенностях распространения звука в ПЗК подробно рассказано в «Кванте» № 2 за 1985 год в стате А. А. Варламова и А. И. Маляровского «Переговорная трубка длиной в экватор?».

но влика в этом роль океанических вихрей, открытых советскими учеными. Это открытие было основным результатом проводившегося в 1970 году полудичного эксперимента, названного «Полигон». Изучая мощное пассатное течение в Атлантике, считавшееся исключительно постояным, ученыые обнаружили, что в зоне течения существуют гигантские водяные вихри размерами в сотни километров, аналогичные атмосферным циклом и антициклом (дальнейшие исследования показали, что подобные вихревы двежения охватывают практические весы Океан). Центр вихря перемещается со скоростью до 300 м/ч, но частички воды, участвуя во врашательном движении вихря, движут раз в 10 быстрее.

Проходение интенсивного вихря приводит иногда к таким изменением среды, которые могут полностью нарушить аккутическую связь и, например, могут подобно миражам в пустые, сделать ранее неслышимое — слышимым.

Несколько лет назад возникла идея воспользоваться высокой чувствительностью звуковых сигналов к изменением водной среды для организации длительных, порядка года, наблюдений за крупномасштабной изменчивостью Океана на акватории площадью до 10⁶ km². Для этого нужно разместить по перimetру акватории на разных глубинах системы заякоренных аккутических излучателей и приемников и изменить флуктуации времени прихода сигналов по весвозможным «чисто водным» лучам. Эти сигналы, как мы уже говорили, несут информацию об всех недорогодостях, встретившихся на пути. Таким образом можно осуществить «просвечивание» всей толщии Океана, сделать как «последний симок» акватории. Никакие флотили научных судов не в состоянии практическими мгновенно произвести изменения в столбьом объема. Впрочем, за такую оперативность приходится расплачивать сложность обработки экспериментальных данных. По временной последовательности приятных сигналов нужно восстановить поле скорости звука — найти значения скорости звука в различных местах акватории; анализ этих результатов дает информацию о выходах. Описанный метод и называют аккутической томографией Океана (от греческого тоцог — слой, ломоты).

Прициплальная схема восстанавливающая поля скорости звука такова. Исследуемый район условия разбивает на N объемных ячеек, размеры которых — десяти километров по

Обитаемый annarat «Пайсис» — незаменимый помещик в изучении океанических глубин.

Другой область применения акустической томографии является исследование океанского дна. Это не просто, если учет, что исследователь обычно отделен от предмета изучения столбом воды высотой в несколько километров. Имеющиеся в настоящее время способы сейсмофри-

$\Delta t_m = \sum_{n=1}^{N} E_{mn} \Delta c_n.$

Перебирая всевозможные лучи, мы получим систему из $M$ уравнений относительно $\Delta c_n$ ( $n=1, 2, ..., N$ ). Величины коэффициентов $E_{mn}$ вычисляются, если известна траектория $m$ -го опорного луча и геометрическая форма $n$ -ой ячейки. В ячейках, не «затронутых» $m$ -ым лучом, $E_{mn} = 0$ .

Измерив флуктуации времен прихода звуковых сигналов $\Delta t_m$ и решая описанную выше систему линейных уравнений, получим значения $\Delta c_n$ в каждой из ячейки. Именно так и делается на практике, хотя попутно приходит преодолевать немало технических и математических трудностей.

Если распределение скорости звука $c_n(x, y, z, t)$ удалось восстановить, то, пользоваться известными в физике морской воды соответствиями, можно приближенно восстановить температуру, соленость и плотность воды. Знание температуры на большой akватории позволяет определить теплосодержание Океана, что важно для прогноза погоды. Но и этим не ограничивается информация, получаемая акустической томографией. По разности времени распределения сигналов туда и обратно между двумя корреспондирующими точками можно оценить среднюю вдоль луча проекцию скорости океанских течение на направление звуковой трассы. С этим связьвают надежду на изменение крупномасштабной циркуляции Океана, что недоступно традиционным методам. Существуют проекты охват томографической сетью огромных акваторий Мирового океана, что позволяет по-новому подойти к проблемам взаимодействия Океан — атмосфера и формирования климата Земли.

лирования дня Океана в сочетании с глубинным бурением громодки и очень дороги. Между тем существуют и другие подходы.

В.arсенал научной гидроакустической аппаратуры все более уверенно входят так называемые актичические автономные донные станции (АДС). Такая станция, сабженная приемниками звука (гидрофонами), специализированными ЭВМ и магнитофонами, может погружаться на дно Океана и там работать. Если научно-исследовательское судно, установив АДС, будет удаляться от нее, то станция зафиксирует шум судовых двигателей. В соответствии с законами распространения звука в Океане и в толще осадочных пород, сигнал, принимаемый АДС, приходит по водному лучу и допомому лучу, преломляющейся в дне Океана (рисунок 3). Кроме того, наблюдается сравнительно слабый фон из сигналов, рассеяных поверхностью и недорогоностями дна Океана, а также собственные шумы Океана. При движении судна «траектории» водного и допомого луче плавно изменяется. При этом меняется и относительная задержка времени прихода шумового сигнала по этим лучам. Разбив условно осадочные породы Океана, граничшие с водой, на слой с пока неизвестными значениями скорости звука, можно для этих скоростей составить такую же систему уравнения, как это было сделано ранее в задаче томографии океанской толщи. При этом в качестве $\Delta t_m$ будет выступать измененные станцией задержки приходов шумового сигнала для различных дистанций между судном и станцией. Решая система уравнения, мы восстановим профиль скорости звука в осадочных слоях. По окончании изменений станция вызывается на поверхность, и эксперимент может быть повторен в любом другом месте.

Актические методы широкого применения и для исследования мелкомасштабных недорогоностями дна Океана. Так, искажения звукового сигнала, рассеяного домом, несут информацию о/herовности границьвы вода — грунт и о различных недорогоностях в осадочных слоях. В будущеем на этом пути предоплагается, осуществить актичскую визуализацию дна.

Для проведения таких исследований и анализа результатов ведутся теоретические расчеты, разработываются специализированная экспериментальная техника и методы обработки данных, ориентированные на использование самых современных вычислительных средств. Этими и многими другими проблемами занимаются студенты и выпускники кафедры физики гидроокосма МФТИ, в том числе — и в морских экпедициях на исследовательских судах.

Одна из представительниц семейства автономных донных станций. Перед погружением.