Аку­сти­ка в оке­а­не

Для изу­че­ния со­сто­я­ния Ми­ро­во­го оке­а­на ис­поль­зу­ют раз­но­об­раз­ные при­бо­ры и ме­то­ды. Наи­бо­лее эф­фек­тив­ный ин­стру­мент для «про­све­чи­ва­ния» глу­бин оке­а­на дает аку­сти­ка. Толь­ко зву­ко­вые волны могут рас­про­стра­нять­ся в воде на зна­чи­тель­ные рас­сто­я­ния.

В 1946 году со­вет­ские уче­ные при про­ве­де­нии ис­сле­до­ва­ний в Япон­ском море об­на­ру­жи­ли очень ин­те­рес­ное яв­ле­ние. Зву­ко­вые волны от взры­вов (под­ры­ва­лись про­ти­во­ло­доч­ные мины на глу­би­не 100 мет­ров) рас­про­стра­ня­лись без за­мет­но­го ослаб­ле­ния на очень боль­шие рас­сто­я­ния  — на мно­гие сотни ки­ло­мет­ров. Было вы­яс­не­но, что это про­ис­хо­дит из-за свое­об­раз­ной за­ви­си­мо­сти ско­ро­сти звука в оке­а­не от его глу­би­ны.

Ско­рость звука в мор­ской воде, во­об­ще го­во­ря, ме­ня­ет­ся с из­ме­не­ни­ем тем­пе­ра­ту­ры, со­ле­но­сти и гид­ро­ста­ти­че­ско­го дав­ле­ния. Во время работ в Япон­ском море со­ле­ность из­ме­ня­лась с глу­би­ной не­зна­чи­тель­но, и ее вли­я­ние не ска­зы­ва­лось. При по­гру­же­нии с по­верх­но­сти до глу­би­ны при­мер­но 300 мет­ров ско­рость звука умень­ша­лась из-за па­де­ния тем­пе­ра­ту­ры. При даль­ней­шем по­гру­же­нии тем­пе­ра­ту­ра из­ме­ня­лась мало (всего лишь на 0,3-0,5 °C). Од­на­ко по мере уве­ли­че­ния глу­би­ны (мак­си­маль­ная глу­би­на в Япон­ском море около 3700 м) су­ще­ствен­но росло гид­ро­ста­ти­че­ское дав­ле­ние. Это при­во­ди­ло к воз­рас­та­нию ско­ро­сти звука. В ре­зуль­та­те фор­ми­ро­ва­лась слож­ная за­ви­си­мость ско­ро­сти звука от глу­би­ны (см. рис. 1). Как видно из гра­фи­ка, ми­ни­мум ско­ро­сти звука со­от­вет­ству­ет глу­би­не 300 м. Выше и ниже этого уров­ня ско­рость звука боль­ше. К чему при­во­дит такой про­филь ско­ро­сти звука?

Ответ на дан­ный во­прос можно найти с по­мо­щью оп­ти­че­ской ана­ло­гии. Из за­ко­на пре­лом­ле­ния света сле­ду­ет, что в среде с из­ме­ня­ю­щим­ся по­ка­за­те­лем пре­лом­ле­ния (т. е. при из­ме­не­нии ско­ро­сти света в среде) све­то­вой луч ис­крив­ля­ет­ся. Точно по та­ко­му же за­ко­ну про­ис­хо­дит ис­крив­ле­ние «зву­ко­вых лучей» при рас­про­стра­не­нии звука в не­од­но­род­ной среде, в ко­то­рой ско­рость звука ме­ня­ет­ся. Част­ный слу­чай такой среды и пред­став­ля­ет собой вода в море.

На рис. 2 изоб­ра­жен ход не­сколь­ких «зву­ко­вых лучей», вы­хо­дя­щих в на­прав­ле­нии мор­ско­го дна из из­лу­ча­те­ля (И), по­ме­щен­но­го на глу­би­не 100 м. Лучи по­па­да­ют в при­ем­ник (П), ко­то­рый на­хо­дит­ся на глу­би­не 300 м на рас­сто­я­нии 184 км от из­лу­ча­те­ля. Вслед­ствие не­пре­рыв­но­го «пре­лом­ле­ния» в воде зву­ко­вые лучи ис­крив­ля­ют­ся  — они снова и снова воз­вра­ща­ют­ся к го­ри­зон­таль­но­му уров­ню, ко­то­рый со­от­вет­ству­ет ми­ни­му­му ско­ро­сти звука. При этом целое се­мей­ство зву­ко­вых лучей (как по­ка­за­но на рис. 2) не до­сти­га­ет дна, где зву­ко­вые сиг­на­лы могли бы по­гло­тить­ся, и не вы­хо­дит на вол­ну­ю­щу­ю­ся по­верх­ность воды, на ко­то­рой они могли бы рас­се­ять­ся. В ре­зуль­та­те звук при­хо­дит в при­ем­ник, все время рас­про­стра­ня­ясь в толще воды, или, как го­во­рят, по «под­вод­но­му зву­ко­во­му ка­на­лу» (со­кра­щен­но  — ПЗК) почти без за­ту­ха­ния. Это поз­во­ля­ет ре­ги­стри­ро­вать зву­ко­вые сиг­на­лы за мно­гие ты­ся­чи ки­ло­мет­ров от ис­точ­ни­ка звука.

На­ли­чи­ем ПЗК и объ­яс­ня­ет­ся яв­ле­ние «сверх­даль­не­го» рас­про­стра­не­ния звука, на­блю­дав­ше­е­ся в 1946 году в Япон­ском море. Ока­зы­ва­ет­ся, ПЗК может воз­ни­кать в любом море или оке­а­не при усло­вии их до­ста­точ­ной глу­би­ны.