Звук в океане
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
«Мир безмолвия» — толща океанских вод — в действительности полон звуков. Сегодня ученые еще не могут однозначно отождествить отдельные «голоса» морских обитателей с конкретным источником, эта проблема ждет своего решения. А вот о распространении звуковых волн в океане исследователям есть что рассказать — ведь звуковые волны не имеют соперников по дальности пробега. Это свойство звуковых волн активно используется в технике, подводной акустике, океанографии и морской геологии.
Звуковые волны играют исключительно важную роль в исследовании океана и в проникновении в его глубины человека. Все множество областей знания, где применяется подводный звук, естественным образом делится на два класса. Во-первых, на принципе, излучения и приема звуковых волн сконструированы приборы для подводной навигации, телекоммуникации и локации. Во-вторых, акустическими методами исследуют поверхность океана, его дно и водные массы.
Мы уже не представляем океанографической аппаратуры без акустических датчиков и приемников. Упомянем, например, эхолоты, гидролокаторы, акустические измерители течений, звуковые размыкатели, акустические маяки, устройства для передачи информации от донных приборов на поверхность.
Значительным достижением в морской геологии в последнее десятилетие стало бурение дна глубокого океана сквозь осадки. Понять историю океана и создать концепцию тектоники плит было бы невозможно без подводного звука: понадобилась точная привязка бурильного корабля к месту, необходимо было обеспечить повторное восхождение бурового инструмента в одну и ту же скважину.
Новыми, очень эффективными оказались в изучении океанских течений акустические нейтральные поплавки, которые дрейфуют свободно в водных массах и передают информацию о параметрах морской воды и ее движении. Для определения координат этих поплавков используется акустический канал связи.
Поглощение звука в морской воде
Использовать звуковые волны в глубинах океана удается благодаря их малому поглощению в морской воде. Многочисленные экспедиции в различных районах океана измеряли коэффициент поглощения звука (децибелы на километр), подробно исследовали дальности распространения звуков различных частот. Для звуков низких частот (50—100 Гц) это — тысячи километров. Ученым пока неизвестен никакой другой вид излучения, который мог бы конкурировать со звуковой волной по способности распространяться в океане на большие расстояния. Например, электромагнитные волны (даже мощный пучок лазера) поглощаются почти полностью уже на расстоянии 1 км.
Поглощение звуковой энергии в воде — только одна из причин уменьшения амплитуды звуковой волны с расстоянием. Другая причина — геометрическое расширение фронта волны. Однако последнее обстоятельство менее существенно при распространении волны вдоль подводного звукового канала — акустического волновода. Такой волновод всегда возникает в глубоком океане вследствие изменения скорости звука с глубиной. Ось волновода совпадает с горизонтом минимума скорости звука.
Наблюдения показывают, что поглощение звука в океане ослабляется при понижении частоты, но этот спад прекращается на частотах порядка 100 Гц. По-видимому, это обусловлено меньшей эффективностью звукового канала на очень низких частотах, так как длина волны становится по порядку величины сравнимой с вертикальным размером канала.
Загадочной представляется природа звукового поглощения в полосе частот 100—2000 Гц. Возможно, оно обусловлено присутствием небольшого количества солей бора в морской воде. На высоких частотах поглощение хорошо предсказывается теоретически: оно обусловлено диссоциацией растворенной в морской воде соли МдБ04 (на частотах до 500 кГц) и вязкостью воды (на более высоких частотах).
Собственные подводные шумы океана
В океанских глубинах в любое время и в любом месте существует шумовой фон, простирающийся по частотам от долей герца до мегагерца и выше. На очень низких частотах (0,1—10 Гц) источниками шума могут быть извержения вулканов, сейсмическая активность Земли, штормы в атмосфере, турбулентность океана и атмосферы, поверхностные волны.
Низкочастотные шумы океана могут регистрироваться не только в воде, но и в воздухе. Нелинейное взаимодействие поверхностных морских волн порождает инфразвуковые волны в атмосфере. Эти волны попадают в атмосферный акустический волновод и распространяются на очень большие расстояния. Регистрируя инфразвуковые волны, можно обнаружить сильные штормы на расстояниях многих сотен (а иногда и тысяч) километров.
В частотной полосе 50—500 Гц главными источниками подводного шума являются морские суда. Их можно обнаружить на удалении 1000 км или более от судоходных трасс. Свыше тысячи судов, например, находятся в каждый момент времени в Северной Атлантике, и это создает своеобразное акустическое поле.
В полосе частот 500—50 000 Гц подводный шум непосредственно связан с состоянием поверхности моря и силой ветра. Многие динамические процессы на поверхности океана и вблизи нее — такие, как разрушение волн, кавитация воздушных пузырьков в поверхностных слоях, насыщенных воздухом, нелинейное взаимодействие поверхностных волн,— ответственны за генерацию шума на этих частотах.
На частотах выше 100-кГц преобладают тепловые и молекулярные шумы. Биологические шумы или «голоса» морских животных, когда они «общаются» друг с другом, отпугивают врагов или ищут добычу, как правило, не очень интенсивны и зависят в большей степени от места и времени. Но этот вид шума очень важен для изучения индивидуального и группового поведения животных.
Интересную загадку представляют регулярные звуковые цуги частоты 20 Гц, нередко наблюдаемые как в Атлантическом, так и в Тихом океанах. С большей вероятностью можно утверждать, что они имеют биологическую природу и что излучают эти сигналы киты, но механизм их генерации еще неизвестен.
На заре подводной акустики собственные шумы океана интенсивно изучались главным образом потому, что они понижали эффективность подводных акустических систем. Теперь изучение шумов важно еще и по другой причине — оно помогает определять характеристики таких источников шума, как волнующаяся поверхность, тектонические процессы в земной коре под океаном, излучение сигналов многими видами животных, — иными словами, решается обратная задача.
Звуковые рассеивающие слои
Звукорассеивающие слои в океане первоначально были обнаружены на записях эхолотов как дополнительное, «фиктивное» дно. Это дно часто пересекает весь океан от континента к континенту. В дневное время оно находится на глубинах 300—600 м, а с заходом Солнца начинает подниматься. Ночные его глубины 100—150 м. С восходом Солнца слои опускаются. Эти миграции привели к предположению, что «фиктивное» дно имеет биологическую природу. Действительно, многочисленные ловы планктона на разных глубинах обнаружили в звукорассеивающих слоях большое количество зоопланктона. Казалось бы, загадка «фиктивного» дна решена: оно состоит из многих мелких планктонных организмов, которые рассеивают звук. В это время и родился термин «звукорассеивающие слои». Термин остался, но гипотеза о природе звукорассеивающих слоев была ошибочной.
Многочисленные оценки, произведенные акустиками, показали, что масса планктонных организмов совершенно недостаточна для того, чтобы породить наблюдаемый акустический эффект. Позднее глубоководным тралением было установлено, что в звукорассеивающих слоях встречаются небольшие батипелагические рыбы. Некоторые из них, как правило, имеют плавательные пузыри.
Этот наблюдательный факт породил новую гипотезу о том, что рассеяние звука обусловлено резонансными колебаниями плавательных пузырей. Такой вид рассеяния, по-видимому, и является основным. Теоретические вычисления показали, что присутствия нескольких резонирующих рыб достаточно, чтобы образовался наблюдаемый акустический эффект.
Теоретически была получена зависимость резонансной частоты колебания плавательного пузыря от длины тела рыб и различных глубин. На глубине слоя 600 м (дневное время) присутствующие в звукорассеивающем слое большие рыбы (скажем, 20 см) должны иметь резонансные частоты около 3 кГц. Для маленьких рыбок (2 см длины), обнаруженных в звукорассеивающем слое, резонансная частота в дневное время около 30 кГц. Ночью эти частоты приблизительно в 2 раза ниже. Предсказания теории находятся в хорошем согласии с экспериментом. Так, в итоге экспериментов, проводившихся в тропической Атлантике, была получена зависимость интенсивности рассеянного звука от частоты и времени суток.
Часто в звукорассеивающих слоях присутствуют рыбы двух и больше размеров. Например, в одном из опытов ночью слой находился на глубине 150— 200 м, а резонансные частоты были 3,5 и 15 кГц, днем — на глубине 400—500 м, а частоты составляли 5 и 20 кГц. Анализируя эти данные, можно заключить, что длина двух типов рыб была 8 см и 2 см. Соответствующие данные биологических обловов подтвердили эти выводы.
Во многих экспериментах звукорассеивающие слои наблюдались на глубинах более 2000 м. Было также найдено, что население звукорассеивающих слоев состоит не только из рыб с плавательными пузырями, но и из многих других типов организмов — таких, как рыбы без пузырей, креветки, мелкие кальмары и др. Есть основание предполагать, что звуковое рассеяние на частотах 30 кГц и выше обусловлено этими нерезонансными рассеивателями.
Распространение звука на большие расстояния
Низкочастотные звуковые волны в океане распространяются на исключительно большие расстояния. Этому способствует малое затухание низкочастотных звуковых волн в воде, а также наличие в глубоком океане акустического волновода — подводного звукового канала. Американские ученые провели интересный опыт, получив горизонтальный разрез звукового поля в Атлантике на частотах 14 Гц и 111 Гц до расстояния 2800 км от излучателя. Еще раз подтвердилось, что распределение интенсивности звукового поля крайне неоднородно. Зоны высокой интенсивности (они называются зонами конвергенции из-за сильной концентрации звуковых лучей в них) чередуются с зонами акустической тени. Расстояние от одной зоны конвергенции до другой составляет в Центральной Атлантике 66 км. Для частоты 14 Гц такие зоны прослеживались до 2400 км, для 111 Гц — до 1700 км. В опыте обнаружилось и другое очень интересное явление.
Интенсивность звука в верхних слоях океана начиная с 700 км и далее в среднем не уменьшалась с увеличением расстояния вплоть до максимального. Этот факт объясняется тем, что структура океанских вод при продвижении на такие расстояния изменяется. В данном случае это изменение сводилось к тому, что глубина залегания оси звукового канала при удалении от источника постепенно уменьшалась — происходило некоторое повышение концентрации звуковой энергии в верхних слоях.
Звуковые волны и вертикальная тонкая структура в океане
Скорость течений в океане очень мала по сравнению со скоростью звука. Поэтому, как правило, течения не действуют на акустические поля. Но имеются важные исключения. Недавно было открыто, что горизонтальная скорость течения, имеющая некоторую среднюю зависимость от глубин, изменяется вблизи средней кривой очень нерегулярно. Причиной этой нерегулярности является существование горизонтальных инерциальных течений, разных на различных глубинах. Поэтому вертикальный градиент скорости течений на некоторых глубинах оказывается относительно высоким. Если вертикальный градиент скорости звука на этих глубинах мал, будет наблюдаться значительное влияние течения на звуковое поле. При этом сильнее всего изменяют свою траекторию те звуковые лучи, которые на этих глубинах направлены горизонтально.
Американский ученый Сэнфорд построил лучевую картину для модели, в которой использован реальный профиль скорости звука в Саргассовом море и предполагаемый профиль течения. Скорость течения была взята равной нулю всюду, кроме слоя между 250 и 400 м. Изучалось распространение звуковых волн, излучаемых источником на глубине 350 м. Было получено два варианта распространения звуковых лучей: когда звук распространяется в направлении течения и когда против течения. Оказалось, что влияние течения очень существенно. Дальность распространения лучей против течения в данном случае оказалась существенно больше.
В океане существует также тонкая структура температуры. Сложный характер распределения температуры, и температурного градиента с глубиной вызывает многолучевое распространение звука. Вследствие этого возникают дополнительные флуктуации фазы и амплитуды звукового сигнала.
Акустическим методам – большое будущее
Мировой океан становится все более важным полем деятельности человека. Освоение океанских глубин, открытие и использование минеральных, биологических и энергетических ресурсов требуют новых средств и аппаратуры для подводных наблюдений, локации, телекоммуникации и для других целей. За немногим исключением, вся эта аппаратура и методы — акустические.
Для прогнозов погоды надо лучше знать динамику водных масс в океане. Между тем количество информации, получаемой в единицу времени об океане, в 1000 раз меньше, чем количество аналогичной информации об атмосфере.
Чтобы понять геологическую природу нашей планеты и исследовать минеральные ресурсы, нам нужны знания структуры дна океана на больших глубинах.
Единственный путь заполнить разрыв между доступной и требуемой информацией об океане — это активное внедрение дистанционных методов исследования океана. Существуют два взаимодополняющих друг друга метода: первый — использование спутниковой информации о поверхности океана и атмосферы над ним, полученной с помощью электромагнитного излучения; второй — исследование структуры и движения водных масс океана с помощью акустических поплавков нейтральной плавучести, следующих за водными массами, или заякоренных буев. Каждый буй или поплавок нейтральной плавучести могут измерять все компоненты скорости течения, турбулентность, температуру, собственные шумы и многие другие параметры и передавать информацию на корабль или спутник с помощью гидрофонов и радиопередатчиков.
Привлекает идея прямой передачи информации об океане звуковыми волнами из-под воды на спутник. Однако это очень затруднено чрезвычайно малой согласованностью атмосферы и океана в акустическом отношении. Меньше чем тысячная доля энергии звуковой волны, падающей из-под воды на поверхность, проникает в воздух. Звуковое давление в акустической волне ослабляется в том же соотношении. Правда, скорость частиц в воздухе будет в 2 раза больше, чем в падающей волне в воде, но абсолютное значение этой скорости очень мало.
Распространение звуковых волн в океане и их роль в изучении Земли — одна из интереснейших проблем современной акустики, и я буду удовлетворен, если моя статья отразила разносторонность этой проблемы.
Автор: Л. М. Бреховских.