Звук в океані

«Світ безмовності» — товща океанських вод — насправді сповнений звуків. Сьогодні вчені ще не можуть однозначно ототожнити окремі «голоси» морських мешканців з конкретним джерелом, ця проблема чекає свого вирішення. А ось про поширення звукових хвиль в океані дослідникам є що розповісти — адже звукові хвилі не мають суперників по дальності пробігу. Ця властивість звукових хвиль активно використовується в техніці, підводній акустиці, океанографії та морській геології.

Звукові хвилі грають виключно важливу роль в дослідженні океану і в проникненні в його глибини людини. Все безліч областей знання, де застосовується підводний звук, природним чином ділиться на два класи. По-перше, на принципі, випромінювання і прийому звукових хвиль сконструйовані прилади для підводної навігації, телекомунікації та локації. По-друге, акустичними методами досліджують поверхню океану, його дно і водні маси.

Ми вже не уявляємо океанографічної апаратури без акустичних датчиків і приймачів. Згадаємо, наприклад, ехолоти, гідролокатори, акустичні вимірювачі течій, звукові розмикачі, акустичні маяки, пристрої для передачі інформації від донних приладів на поверхню.

Значним досягненням в морській геології в останнє десятиліття стало буріння дна глибокого океану крізь опади. Зрозуміти історію океану і створити концепцію тектоніки плит було б неможливо без підводного звуку: знадобилася точна прив’язка бурильного корабля до місця, необхідно було забезпечити повторне сходження бурового інструменту в одну і ту ж свердловину.

Новими, дуже ефективними виявилися у вивченні океанських течій акустичні нейтральні поплавці, які дрейфують вільно у водних масах і передають інформацію про параметри морської води і її рух. Для визначення координат цих поплавців використовується акустичний канал зв’язку.

Поглинання звуку в морській воді

Використовувати звукові хвилі в глибинах океану вдається завдяки їх малому поглинанню в морській воді. Численні експедиції в різних районах океану вимірювали коефіцієнт поглинання звуку (децибели на кілометр), детально досліджували дальності поширення звуків різних частот. Для звуків низьких частот (50-100 Гц) це тисячі кілометрів. Вченим поки невідомий ніякий інший вид випромінювання, який міг би конкурувати зі звуковою хвилею по здатності поширюватися в океані на великі відстані. Наприклад, електромагнітні хвилі (навіть потужний пучок лазера) поглинаються майже повністю вже на відстані 1 км.

Поглинання звукової енергії у воді – тільки одна з причин зменшення амплітуди звукової хвилі з відстанню. Інша причина – геометричне розширення фронту хвилі. Однак остання обставина менш істотна при поширенні хвилі уздовж підводного звукового каналу – акустичного хвилеводу. Такий хвилевід завжди виникає в глибокому океані внаслідок зміни швидкості звуку з глибиною. Вісь хвилеводу збігається з горизонтом мінімуму швидкості звуку.

Спостереження показують, що поглинання звуку в океані послаблюється при зниженні частоти, але цей спад припиняється на частотах близько 100 Гц. Мабуть, це обумовлено меншою ефективністю звукового каналу на дуже низьких частотах, так як довжина хвилі стає по порядку величини порівнянної з вертикальним розміром каналу.

Загадковою представляється природа звукового поглинання в смузі частот 100-2000 Гц. Можливо, вона обумовлена присутністю невеликої кількості солей бору в морській воді. На високих частотах поглинання добре передбачається теоретично: воно обумовлено дисоціацією розчиненою в морській воді солі МдБ04 (на частотах до 500 кГц) і в’язкістю води (на більш високих частотах).

Власні підводні шуми океану

В океанських глибинах в будь-який час і в будь-якому місці існує шумовий фон, що тягнеться по частотах від часток герца до мегагерца і вище. На дуже низьких частотах (0,1—10 Гц) джерелами шуму можуть бути виверження вулканів, сейсмічна активність Землі, шторми в атмосфері, турбулентність океану і атмосфери, поверхневі хвилі.

Низькочастотні шуми океану можуть реєструватися не тільки у воді, але і в повітрі. Нелінійна взаємодія поверхневих морських хвиль породжує інфразвукові хвилі в атмосфері. Ці хвилі потрапляють в атмосферний акустичний хвилевід і поширюються на дуже великі відстані. Реєструючи інфразвукові хвилі, можна виявити сильні шторми на відстанях багатьох сотень (а іноді і тисяч) кілометрів.

У частотній смузі 50-500 Гц головними джерелами підводного шуму є морські судна. Їх можна виявити на видаленні 1000 км або більше від судноплавних трас. Понад тисячу суден, наприклад, знаходяться в кожен момент часу в Північній Атлантиці, і це створює своєрідне акустичне поле.

У смузі частот 500-50 000 Гц підводний шум безпосередньо пов’язаний зі станом поверхні моря і силою вітру. Багато динамічних процесів на поверхні океану і поблизу неї — такі, як руйнування хвиль, кавітація повітряних бульбашок в поверхневих шарах, насичених повітрям, нелінійна взаємодія поверхневих хвиль,— відповідальні за генерацію шуму на цих частотах.

На частотах вище 100 кГц переважають теплові і молекулярні шуми. Біологічні шуми або «голоси» морських тварин, коли вони «спілкуються» один з одним, відлякують ворогів або шукають здобич, як правило, не дуже інтенсивні і залежать більшою мірою від місця і часу. Але цей вид шуму дуже важливий для вивчення індивідуальної та групової поведінки тварин.

Цікаву загадку представляють регулярні звукові цуги частоти 20 Гц, нерідко спостерігаються як в Атлантичному, так і в Тихому океанах. З більшою ймовірністю можна стверджувати, що вони мають біологічну природу і що випромінюють ці сигнали кити, але механізм їх генерації ще невідомий.

На зорі підводної акустики власні шуми океану інтенсивно вивчалися головним чином тому, що вони знижували ефективність підводних акустичних систем. Тепер вивчення шумів важливо ще й з іншої причини – воно допомагає визначати характеристики таких джерел шуму, як поверхня, що хвилюється, тектонічні процеси в земній корі під океаном, випромінювання сигналів багатьма видами тварин, — іншими словами, вирішується зворотна задача.

Звукові розсіюючі шари

Звукорозсіюючі шари в океані спочатку були виявлені на записах ехолотів як додаткове, «фіктивне» дно. Це дно часто перетинає весь океан від континенту до континенту. У денний час воно знаходиться на глибинах 300-600 м, а з заходом Сонця починає підніматися. Нічні його глибини 100-150 м. Зі сходом Сонця шари опускаються. Ці міграції призвели до припущення, що «фіктивне» дно має біологічну природу. Дійсно, численні лови планктону на різних глибинах виявили в звукорозсіювальних шарах велику кількість зоопланктону. Здавалося б, загадка «фіктивного» дна вирішена: воно складається з багатьох дрібних планктонних організмів, які розсіюють звук. В цей час і народився термін «звукорозсіюючі шари». Термін залишився, але гіпотеза про природу звукорозсіюючих шарів була помилковою.

Численні оцінки, вироблені акустиками, показали, що маса планктонних організмів абсолютно недостатня для того, щоб породити спостережуваний акустичний ефект. Пізніше глибоководним тралінням було встановлено, що в звукорозсіювальних шарах зустрічаються невеликі батіпелагічні риби. Деякі з них, як правило, мають плавальні бульбашки.

Цей спостережний факт породив нову гіпотезу про те, що розсіювання звуку обумовлено резонансними коливаннями плавальних бульбашок. Такий вид розсіювання, мабуть, і є основним. Теоретичні обчислення показали, що присутності декількох резонуючих риб достатньо, щоб утворився спостережуваний акустичний ефект.

Теоретично була отримана залежність резонансної частоти коливання плавального міхура від довжини тіла риб і різних глибин. На глибині шару 600 м (денний час) присутні в звукорозсіювальному шарі великі риби (скажімо, 20 см) повинні мати резонансні частоти близько 3 кГц. Для маленьких рибок (2 см довжини), виявлених в звукорозсіювальному шарі, резонансна частота в денний час близько 30 кГц. Вночі ці частоти приблизно в 2 рази нижче. Передбачення теорії знаходяться в хорошій згоді з експериментом. Так, в результаті експериментів, що проводилися в тропічній Атлантиці, була отримана залежність інтенсивності розсіяного звуку від частоти і часу доби.

Часто в звукорозсіювальних шарах присутні риби двох і більше розмірів. Наприклад, в одному з дослідів вночі шар знаходився на глибині 150— 200 м, а резонансні частоти були 3,5 і 15 кГц, вдень — на глибині 400— 500 м, а частоти становили 5 і 20 кГц. Аналізуючи ці дані, можна зробити висновок, що довжина двох типів риб була 8 см і 2 см. Відповідні дані біологічних обловів підтвердили ці висновки.

У багатьох експериментах звукорозсіюючі шари спостерігалися на глибинах понад 2000 м. Було також знайдено, що населення звукорозсіюючих шарів складається не тільки з риб з плавальними бульбашками, але і з багатьох інших типів організмів — таких, як риби без бульбашок, креветки, дрібні кальмари і ін. Є підстава припускати, що звукове розсіяння на частотах 30 кГц і вище обумовлено цими нерезонансними розсіювачами.

Поширення звуку на великі відстані

Низькочастотні звукові хвилі в океані поширюються на виключно великі відстані. Цьому сприяє мале загасання низькочастотних звукових хвиль у воді, а також наявність в глибокому океані акустичного хвилеводу — підводного звукового каналу. Американські вчені провели цікавий дослід, отримавши горизонтальний розріз звукового поля в Атлантиці на частотах 14 Гц і 111 Гц до відстані 2800 км від випромінювача. Ще раз підтвердилося, що розподіл інтенсивності звукового поля вкрай неоднорідний. Зони високої інтенсивності (вони називаються зонами конвергенції через сильну концентрацію звукових променів в них) чергуються з зонами акустичної тіні. Відстань від однієї зони конвергенції до іншої становить в Центральній Атлантиці 66 км. Для частоти 14 Гц такі зони простежувалися до 2400 км, для 111 Гц — до 1700 км. У досліді виявилося й інше дуже цікаве явище.

Інтенсивність звуку у верхніх шарах океану починаючи з 700 км і далі в середньому не зменшувалася зі збільшенням відстані аж до максимальної. Цей факт пояснюється тим, що структура океанських вод при просуванні на такі відстані змінюється. В даному випадку ця зміна зводилася до того, що глибина залягання осі звукового каналу при видаленні від джерела поступово зменшувалася — відбувалося деяке підвищення концентрації звукової енергії у верхніх шарах.

Звукові хвилі і вертикальна тонка структура в океані

Швидкість течій в океані дуже мала в порівнянні зі швидкістю звуку. Тому, як правило, течії не діють на акустичні поля. Але є важливі винятки. Нещодавно було відкрито, що горизонтальна швидкість течії, що має деяку середню залежність від глибин, змінюється поблизу середньої кривої дуже нерегулярно. Причиною цієї нерегулярності є існування горизонтальних інерційних течій, різних на різних глибинах. Тому вертикальний градієнт швидкості течій на деяких глибинах виявляється відносно високим. Якщо вертикальний градієнт швидкості звуку на цих глибинах малий, буде спостерігатися значний вплив течії на звукове поле. При цьому найсильніше змінюють свою траєкторію ті звукові промені, які на цих глибинах спрямовані горизонтально.

Американський вчений Сенфорд побудував променеву картину для моделі, в якій використаний реальний профіль швидкості звуку в Саргасовому морі і передбачуваний профіль течії. Швидкість течії була взята рівною нулю всюди, крім шару між 250 і 400 м. Вивчалося поширення звукових хвиль, випромінюваних джерелом на глибині 350 м. Було отримано два варіанти поширення звукових променів: коли звук поширюється в напрямку течії і коли проти течії. Виявилося, що вплив течії дуже істотний. Дальність поширення променів проти течії в даному випадку виявилася істотно більше.

В океані існує також тонка структура температури. Складний характер розподілу температури, і температурного градієнта з глибиною викликає багатопроменеве поширення звуку. Внаслідок цього виникають додаткові флуктуації фази і амплітуди звукового сигналу.

Акустичним методам – велике майбутнє

Світовий океан стає все більш важливим полем діяльності людини. Освоєння океанських глибин, відкриття і використання мінеральних, біологічних і енергетичних ресурсів вимагають нових засобів і апаратури для підводних спостережень, локації, телекомунікації і для інших цілей. За небагатьом винятком, вся ця апаратура і методи акустичні.

Для прогнозів погоди треба краще знати динаміку водних мас в океані. Тим часом кількість інформації, одержуваної в одиницю часу про океан, в 1000 разів менше, ніж кількість аналогічної інформації про атмосферу.

Щоб зрозуміти геологічну природу нашої планети і досліджувати мінеральні ресурси, нам потрібні знання структури дна океану на великих глибинах.

Єдиний шлях заповнити розрив між доступною і необхідною інформацією про океан — це активне впровадження дистанційних методів дослідження океану. Існують два взаємодоповнюючих один одного методу: перший – використання супутникової інформації про поверхню океану і атмосфери над ним, отриманої за допомогою електромагнітного випромінювання; другий — дослідження структури і руху водних мас океану за допомогою акустичних поплавців нейтральної плавучості, наступних за водними масами, або заякорених буїв. Кожен буй або поплавок нейтральної плавучості можуть вимірювати всі компоненти швидкості течії, турбулентність, температуру, власні шуми і багато інших параметрів і передавати інформацію на корабель або супутник за допомогою гідрофонів і радіопередавачів.

Привертає ідея прямої передачі інформації про океан звуковими хвилями з-під води на супутник. Однак це дуже ускладнено надзвичайно малою узгодженістю атмосфери і океану в акустичному відношенні. Менше ніж тисячна частка енергії звукової хвилі, що падає з-під води на поверхню, проникає в повітря. Звуковий тиск в акустичній хвилі послаблюється в тому ж співвідношенні. Правда, швидкість частинок в повітрі буде в 2 рази більше, ніж в падаючій хвилі у воді, але абсолютне значення цієї швидкості дуже мале.

Поширення звукових хвиль в океані і їх роль у вивченні Землі – одна з найцікавіших проблем сучасної акустики, і я буду задоволений, якщо моя стаття відобразила різнобічність цієї проблеми.

Автор: Л. М. Бреховських.