Океан – акустическое королевство кривых зеркал

Океан – акустическое королевство кривых зеркал

Именно так назвал океан наш виднейший гидроакустик академик Л. М. Бреховских в одной из своих статей. И в этом метком определении заложен глубокий смысл. Вспомним, во-первых, что только звуковые волны в отличие от любых электромагнитных колебаний могут распространяться в океане на большие расстояния. Даже всесжигающий мощный луч оптического лазера в водной среде способен пройти всего лишь сотни метров. Но почему королевство кривых зеркал? Дело в том, что искривление направления распространения звуковых колебаний в водной среде связано с ее неоднородностью. Мы уже познакомились ранее с различными видами неоднородностей в океане. Океан – это слоеный пирог, где каждый слой характеризуется своей температурой, плотностью и соленостью, следовательно, и скорость распространения звука в каждом слое будет различной.

Искривления траектории распространения звуковой волны в океане объясняются общим законом природы: волны в любых средах уходят из зон с повышенной скоростью распространения и стремятся в зоны с меньшей скоростью.

Именно действием этого всеобщего закона объясняется возникновение такого природного явления, как подводный звуковой канал (ПЗК), открытый в 1946 г. советскими и американскими учеными независимо друг от друга. Оказалось, что звуковые колебания способны распространяться в океане на расстояния более 11 000 миль от одного континента до другого, пересекая океаны.

В 1951 г. советские ученые Л. М. Бреховских (ныне академик), доктор технических наук Л. Д. Розенберг, Б. Н. Карлов и Н. И. Сигачев были удостоены за это открытие Государственной премии СССР 1-й степени.

ПЗК возникает тогда, когда скорость звука с глубиной сперва уменьшается, а затем по ряду причин снова возрастает. Только в этом случае звуковые волны не достигают дна, где при отражении рассеиваются, а движутся как бы в определенном канале с минимальной потерей энергии. (Отражение звуковых колебаний от поверхности воды не влияет на дальность их распространения, так как происходит без потерь звуковой энергии.)

Обычно рост скорости звука с глубиной вызван уменьшением сжимаемости воды. Правда, одновременно растет плотность воды, что вызывает уменьшение скорости (она обратно пропорциональна корню квадратному из произведения сжимаемости среды на ее плотность). ПЗК и возникает именно тогда, когда с глубиной влияние уменьшения сжимаемости превысит воздействие роста плотности.

Оказалось, что ПЗК существует в любом море и океане, в районах, где глубины достаточно велики. Правда, ось ПЗК (слой воды, где скорость звука минимальна) находится на различных глубинах. В Арктике она поднята к поверхности, в центральной Атлантике – погружена на глубину более 1000 м. Возможен и двухосевой ПЗК. Это значит, что в данном районе океана имеются два слоя, где скорость звука минимальна.

Академик Л. М. Бреховских считает, что возможности ПЗК далеко еще не использованы. В настоящее время ученые думают применить его для создания системы акустической томографии (в переводе с латинского – «послойного описания») океана, позволяющей осуществлять непрерывное наблюдение за состоянием водных масс и их движением сразу на огромных акваториях океана (площадью до 1 млн. км²). Акустическая томография океана, позволяющая контролировать процессы в толще океана, будет весьма удачно дополнять космическую систему наблюдения океана. Последняя использует электромагнитные волны различных диапазонов, которые дают нужную информацию с поверхности океана, но не проникают в толщу вод.

Известно также, что в космосе из-за вакуума звуковые волны не распространяются, но зато там прекрасные условия для электромагнитных волн. Поэтому исследователи, изучающие Землю из космоса, используют электромагнитные волны, а океанологи исследуют океан с помощью акустических волн. И вот возникает любопытнейшая научная идея: а что если создать специальные преобразователи электромагнитных волн в акустические? Ведь тогда с помощью космонавтов или автоматических орбитальных спутников мы бы смогли достаточно точно прощупывать не только атмосферу, но и глубины океана.

Современная акустика океана – это передовые рубежи океанологии. С ее возможностями познакомимся на одном характерном примере. Широкое использование акустических эхолотов привело к нередкой регистрации «дна-призрака». В этих случаях регистраторы эхолотов отмечали дно на глубине 400–600 м, а при опускании обычного лота-груза на тросе глубина в этих местах оказывалась равной нескольким километрам.

Более тщательное наблюдение за «дном-призраком» выявило, что оно меняет свое положение: утром опускается на глубину, а вечером поднимается к поверхности воды. Ясно было, что эхолот отмечал какой-то перемещающийся объект, видимо, относящийся к живой природе.

После проведения отловов в этих перемещающихся слоях ученые обнаружили там скопления зоопланктона.

Этим дело полностью не прояснилось. Акустики рассчитали, что фактическая концентрация в океане зоопланктона не могла вызвать наблюдаемый звукорассеивающий эффект. Они предложили гидробиологам поискать более крупные объекты. И эти объекты были найдены – ими оказались небольшие рыбы и ракообразные длиной до 10–12 см.

Тогда ученые выдвинули новую гипотезу: причиной появления «дна-призрака» явилось рассеивание звуковых колебаний плавательными пузырями рыб. Физики давно уже знали, что небольшие газовые полости являются акустическими резонаторами, которые сильно рассеивают звуковые колебания определенной для каждой полости частоты. Значит, если частота звука, излучаемая эхолотом, была близка к резонансной частоте плавательных пузырей, то последние начинали резонировать и создавать сильное рассеянное поле.

Оказалось, что даже одна-две рыбки в объеме 1000 м³уже дают эффект рассеяния, близкий к фактически наблюдаемому в океане. Дальнейшие углубленные исследования показали, что рассеивающий эффект возникает и от рыб, и от скоплений зоопланктона. Только последний дает значительный эффект при более высоких излучаемых акустическими приборами частотах.

Значит, звукорассеивающий слой («дно-призрак») состоит из совокупности мелких рыб, зоопланктона и некоторых других представителей океанской фауны.

Ученые разобрались и с причиной вертикальных перемещений этого слоя. С наступлением ночи зоопланктон поднимается вверх, чтобы кормиться и поедать фитопланктон, находящийся только в поверхностных слоях. Рыбы, естественно, следуют за зоопланктоном, так как это уже их пища.

Утром зоопланктон опускается в глубины, где ниже температура воды, и все процессы жизнедеятельности замедляются. Так мудрая природа осуществляет экономию энергии в живых системах. То же можно сказать и по поводу рыбок – второй составляющей содержимого звукорассеивающего слоя.

Гидроакустики нашли практическое применение этому эффекту звукорассеивания. Оказалось, что анализ частот звуковых колебаний, рассеиваемых на том или ином конкретном слое «дна-призрака», позволяет определить качественный состав биоты звукорассеивающего слоя. Такой способ более эффективен, чем простой отлов. Во-первых, такие измерения можно делать на ходу судна. Во-вторых, эффективность траления обычно мала – до 90 % рыбы из данного слоя воды может избежать попадания в трал. И конечно, не нужны затраты времени и усилий на траления, необходимо только обеспечить работу излучателя.

Ясно одно – применение гидроакустики для нужд гидробиологии, а затем и в чисто практических целях будет возрастать. Ведь биологические объекты звукорассеивающего слоя – это пища для более крупных рыб. Значит, появляется возможность оценивать наличие и вид кормовой базы для рыбных стад.

Изучение акустики океана потребовало создания соответствующих технических средств – специально приспособленнных для этого судов. Первыми советскими НИС, хорошо оснащенными акустической техникой, были «Сергей Вавилов» и «Петр Лебедев», принадлежавшие Акустическому институту АН СССР и названные в честь видных советского и русского физиков. Эти корабли науки были созданы путем переоборудования сухогрузных судов финской постройки водоизмещением 4600 т. Разработка проекта и переоборудование явились результатом настойчивых усилий ученых лаборатории акустических методов исследования океана Акустического института АН СССР и Отдела морских экспедиционных работ АН СССР.

Каждое судно имело пять лабораторий: гидроакустики, электроники, гидрологии, гидробиологии, гидрохимии. Суда были хорошо оборудованы необходимыми научными приборами, установками, аппаратурой. Вместе с тем научный комплекс судна не представлял просто набора отдельных лабораторий, а являлся единой связанной системой. Вся информация, собранная во время любого производимого эксперимента, стекалась в центральную лабораторию, где регистрировалась и анализировалась. «Сергей Вавилов» был первым советским НИС, на борту которого установили ЭВМ.

Суда вышли в свой первый атлантический рейс в декабре 1960 г. Оба судна обычно работали в океане одновременно в параллельно расположенных районах. Благодаря этому осуществлялись синхронные наблюдения за сложными гидрофизическими явлениями, происходившими в поверхностном слое океана и на глубине.

Помимо акустических исследований, которые являлись основными, главными для этих судов, с их борта проводились планомерные площадные съемки рельефа дна Атлантического океана, геологические исследования с помощью акустической аппаратуры и подводных телевизоров.

Суда были приспособлены для проведения глубоководного траления, что позволило в малоисследованных районах выловить интересные и почти неизученные экземпляры глубоководной фауны.

Безусловно, главным было проведение в период экспедиционных рейсов разнообразных гидрофизических исследований, измерение параметров волнения поверхности океана и приповерхностного слоя, изучение внутренних волн, измерение температурных полей водных масс.

Особую ценность представили проведенные акустические исследования. Ученые измеряли шумы океана в широком диапазоне частот при различных состояниях его поверхности в разных метеоусловиях.

Обычно на этих судах работали одновременно несколько акустических отрядов, каждый из которых изучал отдельную важную проблему акустики океана. Так, одной группой изучались законы отражения звука от дна, а другой – распространение звука в толще вод, третья группа изучала характеристики звукорассеивающих слоев и т. д.

Результаты акустических исследований, проведенных на этих судах в 60 – 70-х гг., были обобщены в коллективной монографии «Акустика океана», выпущенной из печати в 1974 г. и через несколько лет удостоенной Государственной премии СССР.

Проходят годы, славные имена кораблей науки не исчезают, а передаются новым, более совершенным судам. Именно поэтому новое НИС для комплексных гидрофизических исследований, которое вступило в строй в феврале 1988 г., названо вновь именем выдающегося советского физика президента АН СССР в 1945–1951 гг. академика Сергея Ивановича Вавилова.

Второе подобное НИС, также вошедшее в строй в 1988 г., названо «Академик Иоффе». Имя Героя Социалистического Труда академика Абрама Федоровича Иоффе широко известно в СССР и за рубежом. Его помнят как видного советского физика и крупного организатора науки. Важнейшей заслугой академика А. Ф. Иоффе явилось создание школы физиков, из которой вышли основоположники советской атомной науки и техники академики А. П. Александров, Л. А. Арцимович, П. Л. Капица, И. К. Кикоин, И. В. Курчатов и многие другие.

Оба судна построили на верфи «Холлминг» в г. Раума (Финляндия). При составлении проекта новых судов за основу взят корпус НИС «Академик Мстислав Келдыш». Помимо комплексных гидрофизических исследований, на них будут проводиться исследования рельефа морского дна, определение характеристик осадочных пород и излучения поверхности моря, а также некоторые гидрохимические и гидробиологические исследования.

При создании научного комплекса новых судов использован в полной мере опыт работы в океане НИС «Академик Мстислав Келдыш». Фактически новый научный комплекс воплощает в себе развитие и совершенствование идей, принципов и методов научных исследований, заложенных в основу научного комплекса НИС «Академик Мстислав Келдыш».

Следует отметить, что постройка этих судов явилась еще одним примером тесной кооперации финских судостроителей с советскими предприятиями. На судах установлено немало советского оборудования, включая главные двигатели, вспомогательные котлы, опреснительные установки, сепараторы топлива и масла, ряд насосов, шпили, радионавигационные приборы, камбузное оборудование и оборудование прачечной.

Научный комплекс НИС «Академик Сергей Вавилов» включает 13 стационарных и три съемные контейнерные лаборатории. В числе стационарных лабораторий метеорологическая, космических исследований, радиолокационного зондирования, лазерного и акустического зондирования, промерная, глубоководных систем, гидрологическо-гидрохимическая, метрологическая, мокрая, шумов океана, наладки буев и телеметрических измерений, а также ряд других. Только простой перечень лабораторий уже дает представление о широком спектре исследований, которые будут проводиться на новых судах.

В корпусе судна устроена шахта диаметром 2,5 м для проведения гидрофизических исследований с помощью опускаемой за борт аппаратуры при волнении моря до 5–6 баллов, когда использование исследовательских лебедок на верхней палубе для этой цели затруднено. И здесь предусмотрено максимальное облегчение труда ученых: научная аппаратура массой до 100 кг опускается в шахту и поднимается наверх при помощи опускаемой платформы и специальной лебедки. Шахта начинается на главной палубе и продолжается до днища.

Предусмотрена установка радиоизмерительпой аппаратуры на двух гиростабилизированных платформах, что позволит проводить особо точные измерения, исключив искажение их результатов за счет качки и рыскания судна.

На судне многое предусмотрено для обеспечения проведения исследовательских работ по акустике океана на самом высоком уровне. Так, установлен специальный звукоизолированный дизельгенератор мощностью 200 кВт. Последний предназначен для подачи электропитания на навигационные и исследовательские приборы и устройства, а также в ВЦ при проведении высокоточных акустических измерений. Наличие такого звукоизолированного источника электроэнергии позволит проводить акустические исследования при минимальном шумовом фоне, что резко повысит их точность и информативность.

И действительно уникальным является судовой парусно-моторный бот метрологического обеспечения для проведения особо точных акустических измерений и снятия круговой диаграммы собственных шумов судна.

Бот небольшой, но он снабжен системой спутниковой навигации, на нем установлена малогабаритная лебедка с кабелем почти нейтральной плавучести (для опускания гидрофонов) длиной полкилометра. Для исключения влияния на измерения шумов от работы дизельного двигателя бота на нем можно поднять откидную мачту и двигаться под парусом.

Судовая система сбора, регистрации и обработки научной информации является дальнейшим развитием системы, установленной на НИС «Академик Мстислав Келдыш». Если на последнем ее центр и основа – две мини-ЭВМ, то на НИС «Академик Сергей Вавилов» в ВЦ установлены три главные ЭВМ: первая – для быстрой регистрации данных с подключенным к ней матричным процессором, вторая – для медленной регистрации данных и третья – для обработки данных.

Главной задачей ЭВМ быстрой регистрации информации является прием по специальным кабельным линиям аналоговых сигналов, характеризующих быстротекущие процессы, в основном акустические и оптические сигналы. Затем в ЭВМ эти сигналы с помощью аналого-цифровых преобразователей трансформируются в цифровую форму и уплотняются в матричном процессоре. Следующим этапом является регистрация преобразованных сигналов на дисковых носителях информации и перезапись собранных научных данных с них на магнитные ленты.

Эта ЭВМ снабжена вводными и выводными печатающими устройствами и терминалом на ЭЛТ. Важным элементом ЭВМ является графопостроитель, предназначенный для автоматического построения и вычерчивания графиков по накопленным геофизическим натурным данным согласно разработанным для ЭВМ специальным программам.

ЭВМ медленной регистрации данных и ЭВМ обработки данных одинаковы по типу и мощности. Главной задачей первой является прием по отдельным кабельным линиям научной информации из лабораторий и непосредственно от измерительной аппаратуры, в том числе и поступающих в систему в реальном масштабе времени через лабораторные микро-ЭВМ.

Основная часть научной информации, поступающая в эту ЭВМ, включает сведения об окружающей среде и существующих в момент измерения параметров водных масс и атмосферы условиях. Туда поступают сведения от навигационной системы о местонахождении судна, о его скорости и курсе. От автоматической метеостанции регулярно поступают сведения о параметрах погоды, от исследовательских эхолотов – сведения о глубине.

В эту ЭВМ поступает информация об измеренных параметрах водных масс и результатах анализа проб. Такая информация поступает от исследовательских зондов, пробоотборников, автоматических анализаторов. В ЭВМ все поступающие данные регистрируются на дисковых носителях информации и перезаписываются с них на магнитные ленты.

И наконец, ЭВМ обработки данных предназначается для дальнейшей обработки накопленной в первых двух ЭВМ и записанной на магнитные ленты научной информации по имеющимся в библиотеке прикладным программам.

Система управления ЭВМ исключительно гибкая и многофункциональная. Предусмотрены четыре режима работы ЭВМ медленной регистрации и ЭВМ обработки данных. В первом режиме обе ЭВМ работают по индивидуальной для каждой машины программе. Второй режим характеризуется тем, что в ЭВМ медленной регистрации научная информация поступает в реальном масштабе времени и в случае необходимости передается для дальнейшей обработки во вторую машину.

Третий режим предусматривает работу обеих ЭВМ по пакету программ с последовательным выполнением заданий сперва одной, а затем второй машиной. И наконец, в четвертом режиме задачи решаются обеими ЭВМ параллельно и синхронно.

Вся поступающая в ЭВМ научная информация кодируется для точного обозначения времени, места проведения того или иного эксперимента, в ходе которого она собрана. Кодификация предусматривает обозначение номера исследовательского рейса, в ходе которого проведены данные измерения, номера гидрологической станции, а также точного определения типа измерительного прибора и места его установки (на судне, на автономном буе, на исследовательском зонде и т. д.).

Поэтому ученые, используя специальные программы, могут извлекать из памяти ЭВМ интересующую их научную информацию и обрабатывать ее в нужном ключе.

Безусловно, такая высокоэффективная система регистрации и обработки научных данных во многом повысит качество и производительность работы ученых, позволит значительно расширить масштабы исследований. Более того, эта система регистрации и обработки данных даст возможность по-новому взглянуть на многие физические процессы в океане и атмосфере, выявить новые закономерности и физические связи.

Ученые АН СССР многого ждут от первых экспедиционных рейсов новых кораблей науки – они начались в марте 1988 г.