Подводный звуковой канал

Подводный звуковой канал (ПЗК) — это область в толще океана или моря, в которой скорость звука минимальна по сравнению с выше- и нижележащими слоями. Вследствие рефракции (преломления) звуковые лучи, распространяющиеся от источника, расположенного вблизи оси канала, не выходят за его пределы, а многократно отражаются от границ канала, обеспечивая аномально дальнюю передачу акустических сигналов. Явление ПЗК лежит в основе дальней гидроакустической связи, систем сейсмического мониторинга и навигации.

История открытия и исследования

Впервые эффект сверхдальнего распространения звука в океане был обнаружен экспериментально в 1944 году. Во время Второй мировой войны американские учёные, работавшие над проблемами противолодочной обороны, зафиксировали, что взрывы глубинных бомб на расстоянии в сотни километров регистрируются гидрофонами с неожиданно высокой чёткостью. Теоретическое объяснение явления было дано в 1940-х годах независимо советским физиком Леонидом Бреховских и американским океанографом Морисом Юингом. Они показали, что в океане существует слой, в котором скорость звука достигает локального минимума, и что этот слой действует как волновод.

В 1950-х годах начались систематические исследования ПЗК в рамках программ военной гидроакустики. В СССР и США были развёрнуты стационарные системы гидроакустического наблюдения, использующие этот канал для обнаружения подводных лодок. В 1960 году в рамках эксперимента «SOFAR» (Sound Fixing and Ranging) в Атлантическом океане были проведены испытания, показавшие, что звук от взрыва в ПЗК может быть зарегистрирован на расстоянии до 20 000 км. В 1990-х годах, с развитием вычислительной техники, стало возможным моделирование распространения звука в ПЗК с учётом трёхмерной неоднородности среды.

Физические основы

Скорость звука в воде

Скорость звука в морской воде \(c\) является функцией температуры \(T\), солёности \(S\) и гидростатического давления \(P\) (глубины \(h\)). Эмпирическая формула (например, формула Уилсона или Дель Гроссо) имеет вид:

\[ c = 1449.2 + 4.6T - 0.055T^2 + 0.00029T^3 + (1.34 - 0.01T)(S - 35) + 0.016h \]

где \(c\) — в м/с, \(T\) — в °C, \(S\) — в промилле, \(h\) — в метрах.

В поверхностных слоях океана (до 100–200 м) температура воды быстро убывает с глубиной, что приводит к уменьшению скорости звука. Ниже, в толще воды, температура стабилизируется, а давление растёт, что вызывает увеличение скорости. Таким образом, в профиле скорости звука образуется минимум — ось подводного звукового канала.

Структура канала

Подводный звуковой канал состоит из трёх основных частей:

• Верхняя граница — слой, где градиент скорости звука отрицательный (скорость убывает с глубиной). Обычно находится на глубине 50–200 м в тропических и умеренных широтах, в полярных регионах может отсутствовать или быть близкой к поверхности.
• Ось канала — глубина, на которой скорость звука минимальна. В Атлантическом океане ось ПЗК лежит на глубине 1000–1200 м, в Тихом — 800–1000 м, в Северном Ледовитом океане — на глубине 200–300 м.
• Нижняя граница — слой, где градиент скорости положительный (скорость растёт с глубиной). Простирается до дна.

Механизм распространения

Звуковой луч, испущенный источником вблизи оси канала, испытывает рефракцию: в верхней части канала (где скорость убывает с глубиной) луч отклоняется вниз, в нижней части (где скорость растёт) — вверх. В результате траектория луча приобретает волнообразный характер, и он не покидает пределов канала. Потери энергии на поглощение в воде и на рассеяние минимальны, так как лучи не касаются поверхности (где происходит сильное рассеяние из-за волнения) и дна (где происходит поглощение в осадках). Благодаря этому звук может распространяться на тысячи километров.

Классификация

По глубине залегания оси канала различают:

• Глубоководный ПЗК — ось на глубине более 500 м. Характерен для океанов в низких и средних широтах. Обеспечивает максимальную дальность распространения.
• Мелководный ПЗК — ось на глубине менее 200 м. Встречается в арктических морях, где холодная вода у поверхности создаёт отрицательный градиент скорости, а дно — положительный. Дальность распространения ограничена из-за взаимодействия с дном и поверхностью.

По происхождению:

• Природный ПЗК — образуется естественным образом в результате стратификации водных масс.
• Искусственный ПЗК — может быть создан с помощью специальных технических средств (например, акустических линз) в лабораторных условиях, но в реальном океане не применяется.

Применение

Военная гидроакустика

Подводный звуковой канал является ключевым элементом систем противолодочной обороны. Стационарные гидроакустические станции (например, система SOSUS, развёрнутая США в 1950-х годах) размещают приёмные антенны на оси ПЗК для обнаружения подводных лодок на дальностях до нескольких тысяч километров. Подводные лодки, в свою очередь, используют ПЗК для скрытной передачи данных и для уклонения от обнаружения, располагаясь вблизи оси канала, где их собственный шум распространяется наиболее далеко, но и сами они наиболее уязвимы для обнаружения.

Сейсмический мониторинг

ПЗК используется для регистрации подводных землетрясений и цунами. Гидроакустические станции, включённые в Международную систему мониторинга (МСМ) Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ДВЗЯИ), регистрируют акустические сигналы от взрывов и землетрясений в океане. Благодаря ПЗК сигнал может быть зафиксирован на расстоянии тысяч километров, что позволяет определять эпицентр события с высокой точностью.

Навигация и связь

В ПЗК работают системы дальней акустической навигации (например, LORAN-C, хотя в основном используется радионавигация) и системы аварийного оповещения. В 1990-х годах в рамках проекта «ATOC» (Acoustic Thermometry of Ocean Climate) предпринимались попытки использовать ПЗК для глобального мониторинга температуры океана, однако проект был свёрнут из-за протестов экологов, опасавшихся воздействия на морских млекопитающих.

Океанография

Измерение параметров ПЗК (глубины оси, ширины канала, скорости звука) используется для построения профилей температуры и солёности океана. Акустическая томография океана, основанная на анализе распространения звука в ПЗК, позволяет получать трёхмерные карты температурных полей и течений.

Интересные факты

• В 1960 году в рамках эксперимента «SOFAR» у побережья Австралии был взорван заряд весом 300 кг в ПЗК на глубине 1000 м. Звук был зарегистрирован гидрофонами в Бермудском треугольнике (расстояние около 20 000 км) через 3,5 часа.
• Подводный звуковой канал в Северном Ледовитом океане имеет уникальную структуру: ось канала находится на глубине всего 200–300 м, а сам канал очень узкий (ширина 50–100 м), что связано с низкой температурой воды и высокой солёностью.
• Скорость звука в ПЗК минимальна и составляет около 1450–1480 м/с в зависимости от региона. Это на 100–150 м/с меньше, чем в поверхностных слоях тропических вод.
• В 1990-х годах российские учёные из Института океанологии РАН разработали метод акустической томографии, позволяющий с помощью ПЗК обнаруживать подводные течения и вихри (например, ринги Гольфстрима) на расстоянии до 1000 км.

Критика и ограничения

Несмотря на высокую эффективность, ПЗК имеет ряд ограничений. Во-первых, он не является абсолютным волноводом: часть энергии всё же теряется из-за рассеяния на неоднородностях среды (внутренние волны, турбулентность, планктон). Во-вторых, в приполярных регионах ПЗК может быть очень узким или отсутствовать, что снижает дальность распространения. В-третьих, использование ПЗК для военных целей вызывает опасения экологов: мощные акустические сигналы (например, от гидролокаторов) могут наносить вред морским млекопитающим, таким как киты и дельфины, нарушая их ориентацию и миграцию. В 2000-х годах в ряде стран (США, Великобритания) были приняты ограничения на использование низкочастотных активных гидролокаторов в районах обитания китообразных.

Источники

• Бреховских Л. М. «Волны в слоистых средах». — М.: Наука, 1973.
• Урик Р. Дж. «Основы гидроакустики». — Л.: Судостроение, 1978.
• Jensen F. B., Kuperman W. A., Porter M. B., Schmidt H. «Computational Ocean Acoustics». — Springer, 2011.
• Munk W., Worcester P., Wunsch C. «Ocean Acoustic Tomography». — Cambridge University Press, 1995.
• «Гидроакустическая энциклопедия» / Под ред. В. А. Акуличева. — СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2012.