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= С₀ + ∆ С_T + ∆C_S + ∆С_Р + ∆C_TSp, (10.9)

где С₀ - скорость звука при Т= 0 °С, S = 35‰и атмосферном давлении, равная 1449,14 м/с; ∆ С_T, ∆C_S и ∆С_Р, — положительные по знаку приращения скорости звука, обусловленные увеличением соответственно температуры, солености и давления; ∆ C_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‰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.

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

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