7. Акустические свойства морской воды

Вода обладает способностью хорошо проводить звук, т. е. свой­ством звукопроводности. В море скорость звука зависит от темпера­туры, солености воды и давления. Зависимость эта выражается очень сложной эмпирической формулой. На протяжении десятков лет, начиная с начала прошлого века, многие авторы предлагали свои варианты формул с целью уточнения расчетов. Наиболее употреби­тельной можно считать формулу Вильсона:

С= C_{[) +} AC_T+AC_S+AC_P + AC_TSP, (10.9)

где С₀ — скорость звука при Т-0 °С, S- 35 %о и атмосферном дав­лении, равная 1449,14 м/с; АС_т, AC_s и АС_Р — положительные по знаку приращения скорости звука, обусловленные увеличением соот­ветственно температуры, солености и давления; AC_TSp — суммарная поправка. Так, при повышении температуры на 1 °С скорость звука в море возрастает приблизительно на 4 м/с в холодной воде (ниже 10 °С) и на 35 м/с в теплой (выше 25 °С). Изменение солености влияет слабо — повышение солености на 1 %с приводит к увеличе­нию скорости звука лишь на 1,1—1,4 м/с; увеличение глубины на 100 м увеличивает скорость звука приблизительно на 2 м/с.

Звуковой сигнал, распространяясь в толще морской воды, по мере удаления от источника ослабевает, затухает. Затухание зву­ка имеет три причины. Во-первых, при распространении звука в виде сферической волны его энергия уменьшается пропорцио­нально квадрату расстояния от источника (энергия звука распре­деляется по всей поверхности сферы). Во-вторых, звуковая энер­гия в процессе упругих колебаний среды поглощается и переходит в тепловую энергию. В-третьих, звук рассеивается, распространя­ясь в различные стороны от звукового луча. Количественно это оценивается коэффициентом затухания, измеряемого в децибелах на 1 км.

Коэффициент затухания звука в море невелик и возрастает с увеличением частоты звуковых колебаний. Из-за незначительного ослабления звук может распространяться на очень большие рассто­яния, хотя это возможно не всегда, так как есть еще одна причина, влияющая на дальность распространения звука,— стратификация вод океана, приводящая к неоднородности скорости звука по вер­тикали. Как правило, температура воды с глубиной понижается, следовательно, скорость звука должна бы соответственно умень­шаться. Однако при этом растет и давление, которое увеличивает скорость звука, и с некоторой глубины это увеличение начинает преобладать, а скорость звука возрастать. Значит, звук, переходя из слоя в слой, будет преломляться, испытывать рефракцию, подоб­ную световому лучу, стремясь приблизиться к горизонту с более низкими значениями скорости. При подобном ходе звуковых лучей в вертикальной плоскости на разрезе в море получается картина, показанная на рис. 10.7. Она соответствует лишь наиболее обычно­му типу кривой вертикального распределения скорости звука. Та­ких типов существует много, поэтому и лучевых картин распрост­ранения звука тоже много.

Всем типам кривой вертикального распределения скорости зву­ка свойственна одна особенность: сосредоточение звуковых лучей

Рис. 10.7. Схема формирования подводного звукового канала (траектории звуковых лучей). Слева — вер­тикальное распределение (профиль) скорости звука

в слое с наименьшей скоростью звука. Именно в этом слое кон­центрируется энергия распространяющегося звука, поэтому его на­зывают подводным звуковым каналом, а горизонт наименьшей ско­рости — осью канала. Именно в этом слое — волноводе — возможно дальнее и даже сверхдальнее распространение звука. Так, в 1956 г. звук от взрыва термоядерной бомбы на атолле Бикини (Маршал­ловы острова в Тихом океане) был зарегистрирован гидрофонами на Бермудских островах в Атлантическом океане (на расстоянии 22 тыс. км).

Существование звукового канала позволяет пользоваться им для целей связи; акустика в море заменяет радио, так как радиоизлу­чение в воде очень быстро поглощается.

Акустические методы используются в технике рыбного про­мысла. При помощи акустических приборов — рыболокаторов ведут разведку косяков рыб. Это очень эффективное средство, хотя действует оно не всегда хорошо из-за того, что в море суще­ствуют звукорассеивающие слои — слои воды, в которых скаплива­ются планктонные организмы, взвеси и т. п. Связаны они чаще всего со слоями скачка плотности, но могут создаваться и биоло­гическими причинами — миграцией планктона. Звукорассеиваю­щие слои могут служить помехой и при эхолотировании — еще одном важном направлении использования акустических свойств океана. Эхолот — прибор для измерения глубины моря с помощью звуковых сигналов. Звуковое измерение глубины состоит в изме­рении промежутка времени, которое требуется звуковому сигналу, чтобы дойти от специального звукового излучателя на судне до дна океана и, отразившись от него, вернуться обратно, чтобы быть зарегистрированным приемным датчиком. Глубину Н полу­чают по формуле H=^l/₂Ct, где С—скорость звука, t — промежу­ток времени между моментами посылки звука и его приема на судне.

Роль эхолота в изучении рельефа дна океана сравнивают с ролью микроскопа в развитии микробиологии. Именно благодаря широ­кому применению эхолота коренным образом изменились пред­ставления о рельефе дна Мирового океана и открылась возмож­ность составления надежных навигационных карт.

Акустику моря используют и биологи для изучения поведе­ния морских животных, которые издают множество разнообраз­ных звуков. В последнее время активно развивается еще одно направление акустических исследований — акустическая томог­рафия — исследование термических неоднородностей, вихрей с ано­мальной температурой, влияющей на скорость прохождения зву­ковых лучей. Томография становится эффективным инструмен­том исследования глобальных изменений климата, особенно в Арктике, где океанографические наблюдения подо льдом крайне затруднены.

Ветровое волнение — одна из разновидностей волновых движе­ний, существующих в океане. Это волны, вызванные воздействием ветра на поверхность моря. Кроме волнения в океанах и морях существуют другие виды волн: приливные, сейшевые, внутренние и т. п. Все волновые движения представляют собой деформацию массы воды под воздействием внешних сил. Сила может быть разовой (единичной), постоянно действующей или периодической, но в лю­бом случае эта сила, выведя массу воды из равновесия, возбуждает в ней колебательное периодическое движение, выражающееся дво­яко: колеблется форма поверхности воды около поверхности покоя и колеблются отдельные частицы вокруг своих точек равновесия. Так как это колебание развивается во времени, то можно опреде­лить и скорость этих движений. Для деформации поверхности это будет скорость распространения волны, или фазовая скорость, а для частицы — скорость обращения ее вокруг точки равновесия — цен­тра орбиты, т. е. орбитальная скорость. Это характеристика волн поступательных или прогрессивных, которые перемещаются на боль­шие расстояния. Есть еще волны стоячие, в которых деформация происходит на месте, без распространения.

Волны разделяются на длинные и короткие. К длинным отно­сятся волны, у которых длина значительно больше глубины места, например приливные, имеющие длину в сотни и даже тысячи километров, к коротким — ветровые длиной в десятки и сотни метров при средней глубине океана около 4 км. Существуют волны вынуж­денные, находящиеся непрерывно под воздействием какой-либо внешней силы, и свободные, распространяющиеся по инерции пос­ле окончания действия силы, их вызвавшей. Именно к такому виду относятся волны зыби — волны, оставшиеся после ослабления или затухания ветра, вызвавшего ветровое волнение. Именно волны зыби позволяют легче понять механизм волнового движения воды.