Âm học trong đại dương

9

ÂM THANH TRONG ĐẠI DƯƠNG

Viện sĩ L. M. BREKHOVSKIKH,
Ứng viên Khoa học Vật lý và Toán học V. M. KURTEPOV

Một nguồn tài nguyên thực phẩm, một loại khoáng sản, “nhà bếp” thời tiết, con đường chính của Trái đất… Những từ này nói chung có thể mô tả vai trò của Đại dương Thế giới trong cuộc sống của chúng ta. Và mỗi năm, vai trò này ngày càng trở nên rõ ràng hơn, tầm ảnh hưởng của Đại dương to lớn như thế nào đối với mọi lĩnh vực hoạt động của con người, tầm quan trọng của công việc nghiên cứu ở Đại dương và sự phát triển các phương tiện kỹ thuật để phát triển tài nguyên của nó.

Con người rất quan tâm đến việc biết càng nhiều càng tốt về trạng thái của Đại dương, sự chuyển động của nước và cấu trúc của ngày đại dương. Điều này là cần thiết cho việc điều hướng trên mặt nước và dưới nước, để xác định khu vực có năng suất sinh học cao nhất, tính đến ảnh hưởng của Đại dương đến thời tiết và khí hậu của hành tinh chúng ta cũng như cho nhiều mục đích khác.

Vô số tàu nghiên cứu từ các quốc gia khác nhau liên tục có mặt ở Đại dương và các vùng biển gắn liền với các lục địa. Họ ghi lại trạng thái của các khối nước ở các độ sâu khác nhau, trạng thái của bầu khí quyển trên Đại dương và nghiên cứu các đặc điểm trong ngày. Kết quả của nghiên cứu chảy vào các Trung tâm Dữ liệu Thế giới, trung tâm chính được đặt tại Moscow và Washington. Thông tin này rất có giá trị. Tuy nhiên, xét về thể tích thì nó quá nhỏ để mô tả đầy đủ hiện trạng của toàn bộ Đại dương Thế giới và các vùng biển lân cận. Để đạt được mục đích này, luồng thông tin phải được tăng lên hàng nghìn lần. Đây là nơi các phương tiện khám phá Đại dương từ không gian ra tay giải cứu. Các thiết bị được lắp đặt trên các vệ tinh và trạm vũ trụ nhân tạo của Trái đất sẽ “thu thập” dữ liệu một cách nhanh chóng và ngay lập tức về nhiều đặc điểm của Đại dương từ một khu vực rộng lớn. Đo lường nghiên cứu của riêng bạn về Đại dương trong phạm vi thông tin hoặc centimet cho phép bạn ghi lại bề mặt của nó. Bằng cách phân tán sóng điện từ trong phạm vi centimet trên bề mặt Đại dương, người ta có thể xác định được đặc tính

Các sóng bề mặt, tốc độ dòng chảy bề mặt và gió bề mặt. Dựa trên thời gian di chuyển của xung điện từ từ trạm vũ trụ đến bề mặt Đại dương và quay trở lại, có thể xác định sự thay đổi mực nước Đại dương trên một khoảng cách lớn. Đây là cách một “máng” lần đầu tiên được phát hiện trên bề mặt Đại dương, ở độ sâu khoảng 23 mét so với lớp bạch kim Puerto Rico dưới đáy đại dương.

Tuy nhiên, tất cả dữ liệu thu được từ không gian đều đề cập đến bề mặt của Đại dương. Và rõ ràng là tại sao - sóng điện từ không thể xuyên sâu vào nước biển ở bất kỳ mức độ đáng kể nào. Trong cột nước, ánh sáng mờ dần ở khoảng cách vài chục mét; Ngay cả đối với chùm tia laser mạnh nhất, giới hạn cũng là vài trăm mét.

Aktika cung cấp một công cụ để “khai sáng” độ sâu của Đại dương. Chỉ có sóng âm mới có thể truyền đi một khoảng cách đáng kể trong nước. Như vậy, âm thanh của một vụ nổ nghiên cứu tương đối nhỏ trong các thí nghiệm trên biển đã được ghi lại ở khoảng cách 22.000 km.

Ở đây chúng ta cần quay lại những khám phá của bốn mươi năm trước. Năm 1946, các nhà khoa học Liên Xô đã phát hiện ra một hiện tượng rất thú vị ở vùng biển Nhật Bản. Âm thanh của vụ nổ (bom chống tàu ngầm được kích nổ ở độ sâu 100 mét) lan rộng mà không bị suy giảm rõ rệt trên một khoảng cách rất xa - hàng trăm km. Quá trình xử lý và phân tích chi tiết các tài liệu thực nghiệm cho thấy điều này xảy ra do tốc độ âm thanh trong Đại dương phụ thuộc hoàn toàn vào độ sâu. Nói chung, tốc độ âm thanh trong nước biển thay đổi khi có sự thay đổi về nhiệt độ, độ mặn và áp suất thủy tĩnh. Trong quá trình làm việc ở Biển Nhật Bản, độ mặn thay đổi nhẹ theo độ sâu và ảnh hưởng của nó không bị ảnh hưởng. Khi di chuyển từ bề mặt xuống độ sâu khoảng 300 mét, tốc độ âm thanh

10

Giảm do nhiệt độ giảm. Khi đào sâu hơn nữa, nhiệt độ thay đổi rất ít và lên tới 0,3–0,5 °C. Tuy nhiên, khi độ sâu tăng lên (độ sâu tối đa ở Biển Nhật Bản là 3700 m), áp suất thủy tĩnh tăng lên đáng kể. Điều này dẫn đến sự gia tăng tốc độ của âm thanh. Kết quả là, một sự phụ thuộc đặc biệt của tốc độ âm thanh vào độ sâu đã được hình thành. Một ví dụ về sự phụ thuộc như vậy (cấu hình tốc độ âm thanh) được hiển thị trong hình 1. Tốc độ âm thanh tối thiểu nằm ở độ sâu 300 m. Trên và dưới mức này, tốc độ tăng lên. Hồ sơ tốc độ âm thanh này dẫn đến điều gì?

hình 2 cho thấy các tia âm thanh rời khỏi bộ phát (I), đặt ở độ sâu 100 m và đi vào bộ thu (R), đặt ở độ sâu 300 m, cách bộ phát 184 km. Do “khúc xạ” các tia bị bẻ cong và hết lần này đến lần khác chúng quay trở lại trục nằm ngang tương ứng với tốc độ âm thanh tối thiểu. Trong trường hợp này, cả một họ tia (một số trong số chúng được hiển thị trong hình 2) không chạm tới đáy, nơi tín hiệu âm thanh có thể được hấp thụ và không chạm tới bề mặt, do đó chúng có thể bị phân tán. Kết quả là, âm thanh đến máy thu thông qua các tia nước tinh khiết, hay như người ta nói, qua kênh âm thanh dưới nước -

PZK - gần như không suy giảm. Điều này cho phép ghi lại tín hiệu âm thanh cách xa nguồn hàng nghìn km.*)

Sự hiện diện của PZK giải thích hiện tượng truyền âm “tầm siêu xa”, được quan sát thấy vào năm 1946 ở Biển Nhật Bản. Hóa ra PZK có sẵn ở bất kỳ vùng biển và đại dương nào, miễn là nó đạt đến độ sâu của chúng.

Tín hiệu âm thanh phát ra, truyền dọc theo nhiều chùm tia khác nhau, đến điểm nhận vào những thời điểm khác nhau. Bất kỳ thay đổi nào, ngay cả những thay đổi nhỏ trong cấu hình tốc độ âm thanh đều dẫn đến sự thay đổi thời điểm tín hiệu âm thanh đến dọc theo một chùm tia riêng biệt. Độ lớn của những sự pha trộn hay thăng giáng này là khác nhau đối với mỗi tia. Toàn bộ chuỗi tín hiệu dễ chịu hoàn toàn được xác định bởi các đặc tính của môi trường và là một chỉ báo cực kỳ nhạy cảm về các đặc tính này.

Trên thực tế, Đại dương có thể được coi là phân lớp theo chiều ngang chỉ trong phạm vi vài chục km, và thậm chí không phải lúc nào cũng vậy. Dưới ảnh hưởng của các quá trình khác nhau xảy ra trong Đại dương, tốc độ âm thanh thay đổi không chỉ theo chiều sâu mà còn theo chiều ngang. Và đặc biệt

*) Sự hình thành các kênh âm thanh dưới nước và đặc thù truyền âm trong PZK được mô tả chi tiết trong «Kvant» Số 2 năm 1985 trong bài viết của A. A. Varlamov và A. I. Malyarovsky “Một ống nói có chiều dài bằng đường xích đạo?”

11

nhưng vai trò của các dòng xoáy đại dương được các nhà khoa học Liên Xô phát hiện cũng góp phần vào việc này. Khám phá này là kết quả chính của một thí nghiệm chu kỳ bán rã được thực hiện vào năm 1970 có tên là Khu chứng minh. Nghiên cứu dòng gió mậu dịch mạnh mẽ ở Đại Tây Dương, vốn được coi là hoàn toàn không đổi, các nhà khoa học phát hiện ra rằng ở khu vực hiện tại có những xoáy nước khổng lồ có kích thước hàng trăm km, tương tự như chu trình khí quyển và phản chu kỳ (nghiên cứu sâu hơn cho thấy những chuyển động xoáy như vậy bao phủ quy mô thực tế của Đại dương). Tâm của xoáy di chuyển với tốc độ lên tới 300 m/h, nhưng các hạt nước tham gia vào chuyển động quay của xoáy lại di chuyển nhanh hơn 10 lần.

Sự đi qua của một cơn lốc dữ dội đôi khi dẫn đến những thay đổi trong môi trường có thể làm gián đoạn hoàn toàn giao tiếp âm thanh và, chẳng hạn, có thể, giống như ảo ảnh trong không gian trống rỗng, khiến những thứ trước đây không nghe được có thể nghe được.

Vài năm trước, ý tưởng đã nảy sinh là tận dụng độ nhạy cao của tín hiệu âm thanh với những thay đổi trong môi trường nước để tổ chức các quan sát dài hạn, khoảng một năm, về sự biến đổi quy mô lớn của đại dương trên diện tích lên tới 10⁶ km2. Để làm được điều này, cần phải đặt các hệ thống phát và thu âm được neo dọc theo chu vi của vùng nước ở các độ sâu khác nhau và thay đổi sự dao động về thời gian đến của tín hiệu dọc theo tất cả các chùm tia “nước thuần túy” có thể có. Những tín hiệu này, như chúng tôi đã nói, mang thông tin về tất cả các cơ hội chi phí thấp gặp phải trong quá trình thực hiện. Bằng cách này, có thể “kiểm tra” toàn bộ độ dày của Đại dương, khiến nó giống như “chiếc sim cuối cùng” của vùng nước. Không có đội tàu khoa học nào trên thực tế có thể thực hiện ngay lập tức những thay đổi về một cột thể tích. Tuy nhiên, hiệu quả như vậy phải trả giá bằng sự phức tạp trong việc xử lý dữ liệu thực nghiệm. Dựa trên chuỗi thời gian của các tín hiệu dễ chịu, cần xây dựng lại trường tốc độ âm thanh - tìm các giá trị tốc độ âm thanh ở những nơi khác nhau trong vùng nước; phân tích các kết quả này sẽ cung cấp thông tin cho kết quả đầu ra. Phương pháp được mô tả được gọi là chụp cắt lớp âm thanh của Đại dương (từ tiếng Hy Lạp totsog - lớp, đau nhức).

Sơ đồ khôi phục trường tốc độ âm thanh như sau. Các điều kiện đang nghiên cứu được chia thành N ô thể tích, kích thước của chúng dài 10 km.

Người Annarat có người ở “Pysis” là một chủ đất không thể thiếu trong việc nghiên cứu độ sâu của đại dương.

12

Một lĩnh vực ứng dụng khác của chụp cắt lớp âm thanh là nghiên cứu đáy đại dương. Điều này không hề dễ dàng khi bạn cho rằng nhà nghiên cứu thường bị ngăn cách khỏi đối tượng nghiên cứu bởi một cột nước cao vài km. Các phương pháp đóng băng địa chấn hiện có

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

Bằng cách duyệt qua tất cả các tia có thể, chúng ta thu được hệ phương trình $M$ cho $\Delta c_n$ ($n=1, 2, ..., N$). Giá trị của các hệ số $E_{mn}$ được tính nếu biết quỹ đạo của tia tham chiếu $m$ và hình dạng hình học của ô $n$. Trong các tế bào không bị “ảnh hưởng” bởi tia $m$th, $E_{mn} = 0$.

Bằng cách đo sự dao động về thời gian đến của tín hiệu âm thanh $\Delta t_m$ và giải hệ phương trình tuyến tính được mô tả ở trên, chúng ta thu được các giá trị $\Delta c_n$ trong mỗi ô. Đây chính xác là những gì được thực hiện trong thực tế, mặc dù trong quá trình thực hiện, người ta phải vượt qua nhiều khó khăn về kỹ thuật và toán học.

Nếu sự phân bố tốc độ âm thanh $c_n(x, y, z, t)$ có thể được khôi phục, thì bằng cách sử dụng các sự tương ứng đã biết trong vật lý của nước biển, có thể khôi phục gần đúng nhiệt độ, độ mặn và mật độ của nước. Biết nhiệt độ trên một khu vực rộng lớn cho phép chúng ta xác định hàm lượng nhiệt của Đại dương, điều này rất quan trọng đối với việc dự báo thời tiết. Nhưng đây không phải là thông tin duy nhất thu được bằng chụp cắt lớp âm thanh. Từ sự chênh lệch về thời gian phân bố tín hiệu qua lại giữa hai điểm tương ứng, người ta có thể ước tính hình chiếu trung bình của tốc độ của các dòng hải lưu dọc theo tia lên phương của đường truyền âm thanh. Điều này gắn liền với hy vọng về một sự thay đổi trong dòng chảy đại dương trên quy mô lớn, điều mà các phương pháp truyền thống không thể tiếp cận được. Có những dự án bao phủ các khu vực rộng lớn của Đại dương Thế giới bằng mạng lưới chụp cắt lớp, cho phép một cách tiếp cận mới đối với các vấn đề về tương tác giữa Đại dương và khí quyển cũng như sự hình thành khí hậu Trái đất.

Một lĩnh vực ứng dụng khác của chụp cắt lớp âm thanh là nghiên cứu đáy đại dương. Điều này không hề dễ dàng khi bạn cho rằng nhà nghiên cứu thường bị ngăn cách khỏi đối tượng nghiên cứu bởi một cột nước cao vài km. Các phương pháp đóng băng địa chấn hiện có

13

khai thác ngày đại dương kết hợp với khoan sâu rất cồng kềnh và tốn kém. Trong khi đó, có những cách tiếp cận khác.

Kho thiết bị thủy âm khoa học ngày càng bao gồm cái gọi là trạm đáy tự động chủ động (ADS). Một trạm như vậy, được trang bị máy thu âm thanh (hydrophone), máy tính chuyên dụng và máy ghi băng, có thể chìm xuống đáy Đại dương và hoạt động ở đó. Nếu một tàu nghiên cứu đã lắp đặt ADS di chuyển ra xa nó, trạm sẽ ghi lại tiếng ồn của động cơ tàu. Theo quy luật truyền âm trong Đại dương và theo độ dày của đá trầm tích, tín hiệu mà ADS nhận được sẽ đi dọc theo một chùm nước và một chùm tia bổ sung khúc xạ ở đáy Đại dương (hình 3). Ngoài ra, có một nền tín hiệu tương đối yếu bị phân tán bởi bề mặt và các bề mặt của đáy Đại dương, cũng như tiếng ồn của chính Đại dương. Khi tàu di chuyển, “quỹ đạo” của nước và các tia nước thay đổi thuận lợi. Trong trường hợp này, độ trễ tương đối trong thời gian đến của tín hiệu nhiễu dọc theo các tia này cũng thay đổi. Sau khi chia các đá trầm tích có điều kiện của Đại dương, giáp với nước, thành một lớp với các giá trị chưa biết về tốc độ âm thanh, có thể tạo ra cùng một hệ phương trình cho các vận tốc này, như đã được thực hiện trước đó trong ảnh chụp cắt lớp bài toán của cột đại dương. Trong trường hợp này, $\Delta t_m$ sẽ là độ trễ của tín hiệu nhiễu đến được trạm điều chỉnh cho các khoảng cách khác nhau giữa tàu và trạm. Bằng cách giải hệ phương trình, chúng ta sẽ khôi phục đặc tính tốc độ âm thanh trong các lớp trầm tích. Sau khi hoàn tất các thay đổi, trạm sẽ được gọi lên bề mặt và thử nghiệm có thể được lặp lại ở bất kỳ vị trí nào khác.

Các phương pháp tích cực được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu các khu vực quy mô nhỏ dưới đáy đại dương. Do đó, sự biến dạng của tín hiệu âm thanh do ngôi nhà phân tán mang thông tin về sự không đồng đều của ranh giới đất-nước và về mật độ khác nhau trong các lớp trầm tích. Trong tương lai, dọc theo con đường này, người ta đề xuất thực hiện trực quan hóa đáy bằng Aktic.

Để thực hiện nghiên cứu và phân tích kết quả, các tính toán lý thuyết được thực hiện, thiết bị thí nghiệm chuyên dụng và phương pháp xử lý dữ liệu được phát triển, tập trung vào việc sử dụng các công cụ máy tính hiện đại nhất. Những vấn đề này và nhiều vấn đề khác được giải quyết bởi các sinh viên và sinh viên tốt nghiệp Khoa Vật lý Thủy văn tại MIPT, bao gồm cả các chuyến thám hiểm biển trên các tàu nghiên cứu.

Một trong những đại diện của gia đình trạm đáy tự trị. Trước khi lặn.