АКУ́СТИКА ОКЕА́НА

АКУ́СТИКА ОКЕА́НА, раз­дел гид­ро­аку­сти­ки, изу­чаю­щий рас­про­стра­не­ние зву­ко­вых волн в океа­не. Зву­ко­вые вол­ны – един­ст­вен­ный вид из­лу­че­ния, ко­то­рый спо­со­бен рас­про­стра­нять­ся в океа­не на рас­стоя­ния в сот­ни и ты­ся­чи ки­ло­мет­ров. По­это­му А. о. иг­ра­ет важ­ную роль в про­цес­се ос­вое­ния и изу­че­ния океа­на. На ис­поль­зо­ва­нии зву­ко­вых волн ос­но­ва­ны под­вод­ная ло­ка­ция и связь, об­на­ру­же­ние рыб­ных ко­ся­ков, изу­че­ние био­ло­гич. со­ста­ва глу­бо­ко­вод­ных зву­ко­рас­сеи­ваю­щих сло­ёв, вет­ро­во­го вол­не­ния, не­од­но­род­но­стей вод­ной тол­щи и под­вод­но­го грун­та. Аку­сти­че­ская то­мо­гра­фия океа­на по­зво­ля­ет оп­ре­де­лять трёх­мер­ную струк­ту­ру вод­ных масс на боль­ших ак­ва­то­ри­ях.

Рис. 1. Типичный профиль скорости звука, при котором образуется подводный звуковой канал; zm – глубина, на которой скорость звука минимальна.

Осн. аку­стич. ха­рак­те­ри­сти­ки океа­на: ско­рость зву­ка, за­ту­ха­ние зву­ка, соб­ст­вен­ные шу­мы океа­на. Ско­рость зву­ка в мор­ской во­де из­ме­ня­ет­ся ма­ло и ле­жит обыч­но в пре­де­лах 1450–1540 м/с. Од­на­ко да­же та­кие не­боль­шие её из­мене­ния су­ще­ст­вен­ным об­ра­зом ска­зы­ва­ют­ся на рас­про­стра­не­нии зву­ка. Ско­рость зву­ка за­ви­сит от темп-ры, со­лё­но­сти и гид­ро­ста­тич. дав­ле­ния (или глу­би­ны $z$). При уве­ли­че­нии темп-ры и солёности ско­рость зву­ка рас­тёт, при­чём наи­боль­шее влия­ние ока­зы­ва­ет темп-ра во­ды. Ско­рость зву­ка рез­ко из­ме­ня­ет­ся по глу­би­не (рис. 1). Вер­ти­каль­ный гра­ди­ент ско­ро­сти зву­ка в боль­шин­ст­ве рай­онов Ми­ро­во­го ок. при­мер­но в ты­ся­чу раз боль­ше го­ри­зонталь­но­го. Ис­клю­че­ние пред­став­ля­ют лишь об­лас­ти схо­ж­де­ния тё­п­лых и хо­лод­ных те­че­ний, где го­ри­зон­таль­ный гра­ди­ент со­пос­та­вим с вер­ти­каль­ным. По­это­му в пер­вом при­бли­же­нии оке­ан мож­но счи­тать стра­ти­фи­ци­ро­ван­ной (го­ри­зон­таль­но-слои­стой) сре­дой. Под со­вме­ст­ным влия­ни­ем темп-ры, со­лё­но­сти и гид­ро­ста­тич. дав­ле­ния в океа­не об­ра­зу­ет­ся под­вод­ный зву­ко­вой ка­нал (ПЗК) – слой с ми­ни­му­мом ско­ро­сти зву­ка на не­ко­торой глу­би­не. Луч, вы­шед­ший из из­лу­ча­те­ля под не слиш­ком боль­шим уг­лом сколь­же­ния, вслед­ст­вие реф­рак­ции зву­ка бу­дет вновь и вновь воз­вра­щать­ся к оси ка­на­ла. Та­кое рас­про­стра­не­ние на­зы­ва­ет­ся вол­но­вод­ным. Макс. даль­ность рас­про­стра­не­ния зву­ка в ПЗК ог­ра­ни­чи­ва­ет­ся гл. обр. за­ту­ха­ни­ем зву­ка в мор­ской во­де. Звук низ­ких час­тот, для ко­то­рых за­ту­ха­ние ма­ло, мо­жет рас­про­стра­нять­ся на ог­ром­ные рас­стоя­ния. Это яв­ле­ние по­лу­чи­ло назв. сверх­даль­не­го рас­про­стра­не­ния зву­ка в океа­не.

Рис. 2. Типичная зональная структура звукового поля в подводном звуковом канале: А1, А2, ..., В1, В 2, ... – зоны тени.

Ряд ин­те­рес­ных осо­бен­но­стей воз­ни­ка­ет при рас­по­ло­же­нии из­лу­ча­те­ля зву­ка вбли­зи по­верх­но­сти. На рис. 2 вид­на ти­пич­ная для ПЗК зо­наль­ная струк­ту­ра зву­ко­во­го по­ля, пред­став­ляю­щая со­бой по­сле­до­ва­тель­ность об­лу­чён­ных зон и зон аку­стич. те­ни. В зо­ны те­ни не по­па­да­ют пря­мые зву­ко­вые лу­чи; ин­тен­сив­ность от­ра­жён­ных от дна лу­чей ма­ла из-за утеч­ки аку­стич. энер­гии в грунт. Ино­гда от­чёт­ли­вая зо­наль­ная струк­ту­ра в океа­не на­блю­да­ет­ся на про­тя­же­нии очень боль­ших рас­стоя­ний (свы­ше 2000 км).

Вто­рич­ный вы­ход зву­ко­вых лу­чей на ма­лые глу­би­ны по­сле их по­во­ро­та в глу­бин­ных сло­ях обыч­но свя­зан с их сгу­ще­ни­ем, вслед­ст­вие че­го эти об­лас­ти на­зы­ва­ют­ся зо­на­ми кон­вер­ген­ции, и об­ра­зо­ва­ни­ем кау­сти­че­ских по­верх­но­стей (жир­ные ли­нии на рис. 2). Ти­пич­ная го­ри­зон­таль­ная про­тя­жён­ность зон те­ни в глу­бо­ком океа­не со­став­ля­ет 60–65 км, а зон кон­вер­ген­ции – 10–15 км. В арк­тич. и ан­тарк­тич. рай­онах ось ка­на­ла на­хо­дит­ся вбли­зи по­верх­но­сти (при­по­верх­но­ст­ный зву­ко­вой ка­нал). В ря­де рай­онов су­ще­ст­ву­ет двух­осе­вой ка­нал, ко­гда од­на ось на­хо­дит­ся на по­верх­но­сти, а дру­гая на не­ко­то­рой глу­би­не.

На бо­лее низ­ких час­то­тах зву­ко­вое по­ле в стра­ти­фи­ци­ро­ван­ном океа­не мо­жет быть пред­став­ле­но в ви­де су­пер­по­зи­ции нор­маль­ных волн (мод). Чис­ло рас­про­стра­няю­щих­ся мод за­ви­сит от от­но­ше­ния дли­ны зву­ко­вой вол­ны к глу­би­не океа­на. Чем боль­ше это от­но­ше­ние, тем мень­ше чис­ло рас­про­стра­няю­щих­ся мод. При плав­ном из­ме­не­нии свойств океа­на (глу­би­ны, про­фи­ля ско­ро­сти зву­ка) взаи­мо­дей­ст­ви­ем мод мож­но пре­неб­речь (адиа­ба­тич. при­бли­же­ние).

Рас­про­стра­не­ние зву­ка в океа­не со­про­во­ж­да­ет­ся рас­сея­ни­ем зву­ко­вых волн (см. Рас­сея­ние зву­ка). Осн. рас­сеи­ва­те­ля­ми яв­ля­ют­ся по­верх­но­ст­ное вол­не­ние, слу­чай­ные объ­ём­ные не­од­но­род­но­сти вод­ной тол­щи, воз­душ­ные пу­зырь­ки, ко­ся­ки рыб, глу­бо­ко­вод­ные зву­ко­рас­се­и­ваю­щие слои, не­од­но­род­но­сти грун­та и не­ров­но­сти дон­но­го рель­е­фа. В ре­зуль­та­те рас­сея­ния зву­ка воз­ни­ка­ет мор­ская ре­вер­бе­ра­ция – осн. по­ме­ха для гид­ро­ло­ка­ции. С др. сто­ро­ны, рас­се­ян­ные по­ля со­дер­жат ин­фор­ма­цию об аку­стич. па­ра­мет­рах рас­сеи­ва­те­лей, ко­то­рая мо­жет быть по­лу­че­на пу­тём ре­ше­ния об­рат­ной за­да­чи.

Важ­ная аку­стич. ха­рак­те­ри­сти­ка океа­на – его соб­ст­вен­ные под­вод­ные шу­мы. Они со­дер­жат боль­шой объ­ём ин­фор­ма­ции о со­стоя­нии по­верх­но­сти океа­на, ат­мо­сфе­ры над ним, о тек­то­нич. про­цес­сах в океа­нич. ко­ре, о по­ве­де­нии мор­ских жи­вот­ных. С из­ме­не­ни­ем час­то­ты в ин­тер­ва­ле от 0,1 Гц до 100 кГц уро­вень под­вод­ных шу­мов в ср. умень­ша­ет­ся на 100 дБ. Осн. ис­точ­ни­ка­ми под­вод­ных шу­мов яв­ля­ют­ся под­вод­ные зем­ле­тря­се­ния, тур­бу­лент­ность в ат­мо­сфе­ре и океа­не, об­ру­ше­ние волн, су­до­ход­ст­во, дождь, пе­ре­ме­ще­ние ле­дя­ных по­лей и отд. льдин, шу­мы, соз­да­вае­мые мор­ски­ми живот­ны­ми.