Fizika okieana - Doronin
.pdf
излучению, и точки соединяются между собой плавной кривой,
называемой диаграммой цветности (рис.7.17).
Рис.7.17.
Диаграмма цветности МКО. Обозначения приведены в тексте.
Вычисленные |
не по |
монохроматической, а по реальной |
освещенности |
координаты цвета обозначены цифрами и, в том числе |
|
точкой М. Они обычно не совпадают с кривой цветности. Если соединить точки Б и М линией до пересечения с диаграммой цветности, то на ней точка А характеризует цвет моря, а отношение
ξ = БМ / БА называется чистотой цвета. Она велика в центральных районах Индийского и Тихого океанов, составляя 55%. Цвет океана здесь синий (λА= 473−474 нм). В прибрежных районах океана (в тропической зоне Атлантического океана) цвет становится зеленоватым (λА= 512−515 нм), а чистота цвета уменьшается до 2б -31 %. Данные наблюдений свидетельствуют, что с увеличением прозрачности цветовой фон смещается к синему, а чистота цвета растет.
Поскольку наблюдаемая освещенность океана Е(λ) зависит не только от оптических свойств воды, но и от облачности, высоты Солнца, волнения, то и цвет одного и того же района океана будет разным при различных метеоусловиях и в разное время суток.
260
Дополнительная литература
1.- Иванов А. Введение в океанографию. Пер. с франц.− М: Мир, 1978 -
гл.15,16.
2.- Карабашев Г.С. Флюоресценция в океане. −Л.:Гидрометеоиздат,1987.- 200с.
3.- Оптика океана. Т.1. Физическая оптика океана. Под ред.
А.С. Монина.− М.: Наука, 1983. - 371с.
4.- Оптика океана. Т.2. Прикладная оптика океана Под ред.
А.С. Монина. − М.: Наука, 1983. - 236с.
5.- Соколов О.А. Видимость под водой −Л.: Гидрометеоиздат, 1974.-
гл. 2 -5.
6.- Шифрин К.С. Введение в оптику океана − Л.: Гидрометеоиздат, 1983. - 278с.
Вопросы для самопроверки
1 - Что влияет на показатель ослабления света в морской воде в разных спектральных интервалах и каковы порядки его величин?
2 - Как зависит рассеяние света в океане от состава примесей и длины спектрального интервала света?
3 - Каков характерный вид индикатрисс рассеяния света чистой водой, а также водой с содержанием мелкой и крупной взвеси?
4 - Какие вы знаете теории рассеяния света в океане и в чем заключается их суть?
5 - В чем состоит различие между показателем ослабления света и показателем вертикального ослабления освещенности в океане?
6 - Напишите уравнение переноса света в океане. В чем состоит трудность его решения и какие вы знаете приближенные методы его решения?
7 - Какие оптические характеристики океана можно определить по наблюдениям диска видимости?
8 - Как влияет состояние поверхности океана и солнечное освещение на пропускание света в океан и на его цвет ?
9 - Как меняется спектральный состав естественного света с глубиной?
10 - Какова природа флуоресценции света в океане и в каких направлениях это явление используется?
11 - В каких практических целях используются знания оптических свойств океана?
261
Глава 8
А К У С Т И К А О К Е А Н А
8.1.Основные определения
Акустика океана - один из наиболее разработанных разделов физики океана, имеющий большое практическое применение. Впервые знания о скорости распространения звука в океане потребовались в связи с использованием эхолота при измерении глубин. Его стали применять в судоходстве в начале Х1Х в., и с этого времени ведется изучение закономерностей изменения скорости звука
вокеане.
Вгоды второй Мировой войны бурно развивается гидролокация
−отрасль акустики океана, имеющая целью обнаружение подводных лодок, надводных кораблей с подводных лодок, других подводных предметов посредством излучения и приема отраженного акустического сигнала от предмета. Для этого необходимо знать характер распространения акустического сигнала в океане, его зависимость от полей температуры, солености, давления, скорости течения, особенности его отражения от поверхности океана и дна и т.д. Оказалось, что акустический сигнал в океане может распространяться на большое расстояние. Это послужило основой для его использования как средства связи. Началось развитие акустической телеметрии.
Акустическая гидролокация широко используется в промысловой разведке рыбы и при определении ее запасов, в геологических изысканиях для определения строения дна.
Появление чувствительных приемников звуков выявило, что с их помощью можно улавливать сигналы, издаваемые различными морскими организмами, улавливать шум, создаваемый морскими волнами, подвижками дна, движением и торошением льда и т.д. Это позволило "слушая" океан получать представление о происходящих в нем процессах. С 70-х годов начинает оформляться акустическая томография - наука, позволяющая по изменению излученного акустического сигнала в точке приема определять структуру океана и течения на участке между излучателем и приемником сигнала.
Морская вода как сплошная среда обладает объемной упругостью, поэтому возмущения упругости, приводящие к сжатию или расширению воды в каком-то объеме, распространяются за его пределы. Скорость этих колебаний V относительно положения равновесия называется колебательной скоростью волны, а скорость
262
СР = 0.160272P + 1.0268 10-5 P 2 +3,5216 10-9P 3- 3.3603 10-12 P 4, СTSP = (S-35)(-1.1244 10-2 T + 7.7711 10-7 T 2 +
+7.7016 10-5 P - 1.2943 10-7P 2 + 3.5080 10-8 PT +
+1.5790 10-9 PT 2 ) + P(-1.8607 10-4 T + 7.4812 10-6 T 2+
+4.5283 10-8 T 3 ) + P 2 (-2.5294 10-7 T + 1.8563 10-9 T 2) +
+P 3 (-1.9646 10-10 T) .
Здесь все поправки С выражены в м/с, Т - в градусах Цельсия, S - в промилле, Р - в кг/см2 . Если данных о давлении нет, то
приближенно оно оценивается по глубине наблюдений
Р = 1.033 + 0.102812б z+ 2.38 10-7 z 2 - 6.8 10-17 z 4 ,
где z - глубина в метрах. Чтобы выразить давление в Па, необходимо значения Р умножить на 10 4 g . Погрешность результатов расчетов по этой формуле оценивается в ± 0,3 м/с.
Скорость звука нелинейно зависит от Т, S и P, что видно из формулы (8.7). С ростом температуры на каждый градус она увеличивается в среднем на 2 − 4 м/с, при увеличении солености на 1о/оо С растет примерно на 1.2 м/с и при увеличении глубины на каждые 100 м скорость звука возрастает примерно на 1.6 м/с, т.е. наиболее сильно на изменение скорости звука влияет температура воды.
Имеются и другие более простые эмпирические формулы, но несколько менее точные. Например, формула Дель-Гроссо
обеспечивает точность в определении скорости звука до 0.5 |
м/с. У |
|||||
нее |
С0 |
= 1448.6 м/с |
и несколько |
иное |
выражение |
|
СТ , CS , |
C P и |
СTSP . В формуле Фрая и Пага |
С0 = 1449.3 м/с и |
|||
более простые, чем в формуле (8.7) |
выражения поправок |
к |
С0. В |
|||
качестве наиболее простой, но и наименее точной следует считать
формулу, в которой |
С0 = 1450 м/с, |
Ст= 4,206 T - 0.0366 T 2 , |
CS = 1.137 (S-35) , |
СР =0.018z, |
СTSP =0. |
Если учесть, что температура в верхнем слое океана до глубины примерно 0,3 - 0,5 км понижается, а далее меняется слабо, то и скорость звука уменьшается до этой глубины. Далее начинает сильнее проявляться давление и скорость звука увеличивается, т.е. на некоторой глубине в большей части Мирового океана существует минимум С. В полярных районах, где в среднем температура и соленость с глубиной меняются слабо, скорость звуков увеличивается с глубиной за счет гидроакустического давления .Общее представление о диапазоне изменении скорости звука в Мировом океане приведено на рис.8.2.
Зависимость скорости распространения акустической волны от температуры, солености и давления приводит к тому, что конфигурация фронта волны и акустического луча меняются с расстоянием. Наиболее наглядно это проявляется в виде искривления последнего (рис.8.3).
265
Рис.8.2. Диапазон скоростей звука в |
Рис.8.3. Схема распространения |
|
Мировом океане. |
фронта (2) и луча (3) от источника |
|
1- |
Арктический бассейн; |
звука (1). |
2- умеренная зона Тихого океана; |
С - профиль скорости звука. |
|
3- |
умеренная зона Атлантического |
|
|
океана. |
|
В простейшем случае при характеристике распространения акустической волны и при оценке ее энергетических свойств можно ограничиться только описанием хода акустического луча и свойств волны вдоль него. Такой подход получил название лучевой акустики. Более полная картина акустического поля в океане, создаваемая тем или иным источником звука, получается при ее описании волнами, а не только лучом. Этот подход часто называется волновой акустикой.
Основные положения лучевой акустики были сформулированы к середине ХIХ в. на основе законов геометрической оптики, развитой еще в ХVII в. Тем не менее ее можно считать частным случаем волновой акустики и многие положения оказываются более понятными, если пользоваться более общей теорией. К настоящему времени она довольно полно разработана в приложении к океану и изложена в монографической литературе [1,2,5], которые использовались при составлении данного раздела учебника.
8.2.Уравнения распространения акустических волн
Движение воды в океане, в том числе и акустических волн, описывается уравнениями гидродинамики. Волны можно рассматривать как возмущения малой амплитуды, учет которых позволяет проводить линеаризацию уравнений и они становятся проще
266
процесса, из уравнения (8.17) следует
|
|
∂φ |
= |
P |
. |
(8.18) |
|
|
|
|
|||
|
|
∂t |
ρ0 |
|
||
Если это |
уравнение продифференцировать по t |
и производную |
||||
∂Р / ∂t |
заменить через div V (8.11), приняв во внимание условие |
|||||
(8.15), то получается |
|
|
|
|||
|
∂2 φ |
= C 2 |
2 |
φ. |
(8.19) |
|
∂t 2 |
||||
|
|
|
|
|
|
Здесь учтено, что |
ρ0 ≈ Const . |
|
|
||
Итак, уравнения (8.12), (8.13) и (8.19) являются волновыми, описывающими колебания акустического давления, колебательную скорость и потенциал скорости соответственно. Если в уравнении для φ требуется учесть F, то в нем появляется дополнительное слагаемое, характеризуемое потенциалом поля F.
Акустическая волна может быть плоской, если распространяется в каком-то одном направлении - пусть обозначенном осью ох. При этом изменения акустических характеристик по другим направлениям
отсутствуют. |
Следовательно, уравнения |
(8.12), (8.13) и (8.19) |
упрощаются. |
Например, последнее из них принимает вид |
|
∂2 φ |
= C 2 |
∂2 φ |
. |
(8.20) |
|
∂t 2 |
∂x 2 |
||||
|
|
|
Если плоские волны создаются гармонически колеблющейся
поверхностью, то потенциал скорости из уравнения |
(8.20) выразится |
формулой |
|
φ(t , x) = Aexp[i(ωt - kx)] , |
(8.21) |
где A - амплитуда, ω = 2π / τ - частота, k = 2π / λ - волновое
число, i = 
- 1 .
Поскольку при получении решения (8.21) не учитывалось трение, φ плоской волны с расстоянием не затухает.
При отмеченных упрощениях на основании формулы (8.18) следует
Р = i ρ0 ωφ, |
(8.22) |
||
а колебательная скорость |
|
|
|
u = − |
∂φ |
= ikφ. |
(8.23) |
|
|||
∂x |
|||
Следовательно, |
|
|
|
P = ρ0 uω / k = ρ0 uC. |
(8.24) |
||
Последняя формула показывает, что в плоской акустической волне колебательная скорость и звуковое давление синфазны.
Цилиндрическая акустическая волна представляется уравнением
268
