Các nhà vật lý nghiên cứu thủy không gian

4

Nautilus của thuyền trưởng Nemo - “Có thể di chuyển được”? Chính xác hơn nó sẽ là “Có thể di chuyển trong cái có thể thay đổi”.

Bức tranh về các lớp nằm ngang song song được chúng ta vẽ rất đẹp thực tế đã bị biến dạng trong không gian bởi sự tồn tại của các sóng sâu, gọi là sóng “bên trong” gây ra bởi sự dao động của các lớp nước có mật độ khác nhau. Dao động thẳng đứng có thể có chu kỳ cỡ một ngày và đạt phạm vi 100 m. Độ dày của nước biển có thể bị ảnh hưởng bởi sóng do động đất dưới nước—sóng thần.

Bức tranh phức tạp của trường âm thanh trong đại dương cũng gắn liền với sự hiện diện của các ranh giới không đồng đều - hư hỏng và đáy, phản xạ và phân tán năng lượng âm thanh rơi vào chúng. Trong trường hợp này, ranh giới trên (nước - không khí) thực tế mờ đục đối với âm thanh và hình dạng của nó thay đổi theo thời gian; giới hạn dưới - đến - không đổi theo thời gian, nhưng một phần thiết thực đối với sóng âm truyền vào đại dương.

Tán xạ sóng âm bằng các lớp liên kết âm thanh.

Việc thu tín hiệu yếu rất phức tạp do có tiếng ồn xung quanh. Nền này bao gồm tiếng ồn do các quá trình động gây ra, chủ yếu là sóng gió, tiếng ồn sinh học (được biết là động vật biển sử dụng rộng rãi sóng âm), nền địa chấn, tiếng ồn của tàu thuyền đi qua, v.v..

Hơn nữa, từ danh sách ngắn gọn về các yếu tố ảnh hưởng đến việc truyền âm thanh trong đại dương, có thể thấy được sự phức tạp của quá trình truyền và nhận tín hiệu âm thanh trong đại dương. Người ta có thể tưởng tượng những khó khăn gặp phải khi nghiên cứu quy luật truyền âm trong đại dương. Nhưng các thí nghiệm được thực hiện ở dải tần số rất rộng và ở khoảng cách từ hàng trăm mét đến hàng nghìn km.

Việc nghiên cứu trường âm thanh trong đại dương chỉ là một phần của những vấn đề mà âm học đại dương nghiên cứu. Có bài toán, thường được gọi là đã xử lý. Bản chất lan truyền, phản xạ và tán xạ của sóng âm cung cấp thông tin về tính chất của môi trường, về các vật thể phản xạ và tán xạ âm thanh. Xác định các đặc điểm của đại dương từ những thông tin đó là mục tiêu cuối cùng của nghiên cứu. Ví dụ: thời gian truyền của xung máy đo tiếng vang xuống đáy và ngược lại cho phép bạn thay đổi độ sâu của đại dương. Các phương pháp nghiên cứu đại dương bằng âm thanh thay thế các phương pháp “tiếp xúc” truyền thống bằng các phương pháp “không tiếp xúc” rõ ràng.

Bây giờ tôi muốn nói chi tiết hơn về một số vấn đề. Tôi đã nói rằng tiếng ồn xung quanh cản trở việc thu các tín hiệu âm thanh hữu ích. Tôi có thể nói thêm rằng tán xạ ngược thường cản trở việc thu tín hiệu, chẳng hạn như tín hiệu liên lạc. Tuy nhiên, mặt khác, tiếng ồn cũng mang thông tin về nguồn của nó, chẳng hạn như về các quá trình động trong đại dương và các tín hiệu tán xạ cung cấp cho chúng ta thông tin về sự phân tán, trong trường hợp của chúng ta - về tin tức về đại dương.

5

trên và dưới, cũng như về các tổ chức hàng hải.

Không thể kể chi tiết về tất cả các nghiên cứu được thực hiện trên đại dương trong khuôn khổ một bài báo. Dưới đây là các nghiên cứu về lời giải và nghiên cứu cấu trúc của nó; nghiên cứu quy luật tích tụ trầm tích và nghiên cứu dòng nhiệt từ đáy; xác định thành phần hóa học của nước biển và nghiên cứu các dòng xoáy trong nước biển, v.v. Vì vậy, tôi sẽ cố gắng chỉ kể chi tiết hơn về các nghiên cứu liên quan đến nghiên cứu khả năng phân tán âm thanh của các tổ chức hàng hải.

Cách đây vài thập kỷ, người ta phát hiện ra rằng ở hầu hết các khu vực của Đại dương Thế giới, ngoại trừ các vùng cực, đều có các cụm tổ chức biển nhỏ được định vị theo chiều dọc. Những tập hợp này thường bao gồm những con cá nhỏ có kích thước vài cm. Chúng tạo thành một hoặc nhiều lớp dày hàng chục mét. Vào ban ngày, các lớp này nằm ở độ sâu 200-1000 m, và vào ban đêm, chúng nổi lên hoặc, như các nhà sinh vật học nói, lắng xuống bề mặt. Các cụm này tiêu tan khỏi chúng nhiều hơn so với độ dày không chứa các tổ chức biển (nghĩa là phần năng lượng âm thanh bị phân tán khi tín hiệu truyền qua một cụm cá lớn hơn nhiều so với trường hợp nước “sạch”). Các cụm như vậy được phát hiện chính xác bằng phương pháp tán xạ âm thanh, được coi là “đáy giả” về mặt sinh thái. Chúng được gọi là lớp chịu âm (viết tắt 3RS). Số lượng các tổ chức và thành phần của chúng rất khác nhau tùy theo khu vực và vì những loài cá nhỏ này đóng vai trò thay thế cho các loài cá thương mại lớn hơn nên thông tin về 3RS cho phép chúng ta đánh giá sự phân bố của cá thương mại. Thông tin này có được bằng cách sử dụng sóng hành động.

Bộ phát âm thanh tạo ra rung động của một bộ phận nhất định. Khi các rung động truyền qua cột nước gặp phải các cụm tổ chức biển, một phần nhỏ năng lượng sẽ bị tiêu tán theo mọi hướng, kể cả hướng ngược lại. Năng lượng phân tán này được thu lại bởi bộ thu âm thanh, nằm cạnh bộ phát. Biết được công suất phát ra và đo cường độ của tín hiệu tán xạ, có thể xác định được phần năng lượng bị tiêu tán trong 3RS. Bằng cách thay đổi tần số dao động của bộ phát, bạn có thể “điều chỉnh” nó theo tần số tự nhiên của bụng cá đang bơi. Trong trường hợp này, phần năng lượng tiêu tán

6

tăng vang dội. Tần số dao động tự nhiên của bàng quang được xác định bởi kích thước của nó, do đó, phụ thuộc vào kích thước của cá.

Do đó, hoạt động “thăm dò” chủ động cung cấp thông tin về vị trí của hệ thống phòng không, độ sâu “sức chứa” của chúng, số lượng cá và kích thước của chúng.

Mới đây, trên tàu nghiên cứu mới “Akademik Mstislav Keldysh”, thuộc sở hữu của Viện Hải dương học được đặt theo tên. P.P. Shirshov của Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô, một chuyến thám hiểm tới Đại Tây Dương để phát triển các phương pháp tích cực nghiên cứu đại dương đã diễn ra (các sinh viên Khoa Vật lý Hydrocosmosa thuộc Khoa Vật lý Đại cương và Ứng dụng của MIPT cũng tham gia).

Nghiên cứu đã sử dụng tổ hợp thiết bị dưới biển sâu, là một quả cầu nhiệt có đường kính khoảng nửa mét, chứa một máy phát điện mạnh (vài kilowatt) và một bộ truyền động điều khiển máy phát điện theo lệnh từ trên cao. Bên ngoài quả cầu là người nghiên cứu và ứng dụng âm thanh. Bộ này có thể được hạ xuống bằng cáp tới bất kỳ độ sâu nào tính từ bề mặt tới 5000 m. Với sự trợ giúp của nó, người ta có thể tạo ra một “phần” chi tiết của đại dương từ bề mặt đến ban ngày.

Nói chung, người đọc quan tâm đến triển vọng phát triển các phương pháp nghiên cứu đại dương mới. Tương lai mang lại điều gì cho chúng ta?

Sự phát triển của khoa học, như một quy luật, diễn ra một cách nhảy vọt. Trong một khoảng thời gian nào đó, có sự tích lũy tài liệu thực nghiệm, cách giải thích có ý nghĩa về các sự kiện được quan sát. Kết quả của việc này là một bước nhảy vọt về mặt lý thuyết, đưa chúng ta đi theo con đường tiếp cận sự thật một cách đáng chú ý. Đồng thời, rất nhiều điều tưởng chừng như không thể lay chuyển và một số ý tưởng đang được hình dung lại. Sau đó đến giai đoạn tiếp theo của việc tìm kiếm kết quả nghiên cứu. Và vân vân. Theo tôi, đại dương đang hoạt động hiện đang trong giai đoạn tích lũy thực tế-

Đồng chí, tôi nghĩ rằng điều này sẽ còn khá lâu, vì đại dương rộng lớn, thay đổi và đa dạng, biên giới nghiên cứu vẫn còn tương đối hẹp, phần lớn là do cơ sở nghiên cứu chưa đầy đủ. Sẽ có những dụng cụ và thiết bị mới, tiên tiến hơn - sẽ có những kết quả mới. Khám phá đại dương đòi hỏi một quy mô đắt tiền và thường cồng kềnh.

Ngày nay đã có những ý tưởng về cách thu thập thông tin gần như liên tục về các đặc điểm của Đại dương Thế giới trên toàn bộ vùng nước của nó. Phương pháp này đã nhận được nhiều lời khen ngợi là chụp cắt lớp tích cực. Bản chất của nó là như sau. Dọc theo chu vi của khu vực đại dương, những đặc điểm cần phải biết, một số hệ thống đã được lắp đặt chắc chắn. Các hệ thống lần lượt nghiên cứu các xung động hành động và áp dụng chúng. Các tín hiệu nhận được mang thông tin về nhiệt độ, độ mặn và các thông số khác của môi trường mà chúng truyền đi, tức là về khu vực đại dương được hệ thống “vạch ra”. Kết quả là có thể liên tục thu được các đặc điểm của môi trường đại dương. Giá trị của thông tin như vậy là rất rõ ràng.

Trên con đường lời giải đến bài toán này tất nhiên có rất nhiều khó khăn. Đầu tiên, chúng ta cần giải nó về mặt lý thuyết; thứ hai, cần phải lắp đặt vĩnh viễn nhiều hệ thống phát xạ khá mạnh trên khắp Đại dương Thế giới và kiểm soát những thay đổi của chúng. Thứ ba, cần tạo ra một đội máy tính mạnh mẽ có thể xử lý một lượng thông tin khổng lồ trong thời gian tương đối ngắn. Và nhiều, nhiều hơn nữa…

Nhiệm vụ này chắc chắn có quy mô quốc tế và chưa có ở thời điểm hiện tại. Tuy nhiên, tôi không nghi ngờ gì rằng nhân loại sẽ giải quyết được nó.