3.4 Поверхностные волны

Теперь о поверхностных волнах, о собственно морском волнении. Пожалуй, в море нет другого явления, которое так широко известно. От древних мореплавателей и философов до художников и поэтов современности, от старого деда, всю жизнь проведшего на берегу, до юного мальчика, впервые вступившего на морскую гальку, нет никого, кто оставался бы равнодушным к могучей и переменчивой красоте морских волн (Приложение 12, Приложение 13).

И тем не менее до сегодняшнего дня, несмотря на усилия многих ученых во всем мире, еще нет надежного способа количественно описать движение реальной морской поверхности. Ничтожно мало (меньше десяти) и число натурных опытов, где был бы зафиксирован с достаточной подробностью рельеф морской поверхности на площади протяженностью хотя бы в несколько сотен метров. Всем, кто соприкасается с этими вопросами, известны технические трудности таких экспериментов и сложности создания теории, учитывающей все многообразие геофизических факторов, влияющих на форму и движение морской поверхности.

Морское волнение является случайным процессом в том смысле, что каждая его реализация в деталях практически неповторима. Однако существуют некоторые общие закономерности волнения, и его связь с гидрометеоусловиями может быть описана статистическими методами. Как всякий случайный процесс, он может быть представлен как суперпозиция бесконечно большого числа гармонических составляющих со случайными амплитудами и фазами. Для описания волнения обычно используют энергетический спектр этих составляющих (Приложение 14).

Основная энергия волн сосредоточена в максимуме на частотах в доли герца, это примерно соответствует волнам, отмечаемым глазом человека на поверхности моря. Уровень и положение этого максимума на шкале частот зависят от скорости ветра: он тем выше и тем больше сдвинут в сторону низких частот, чем сильнее ветер. Волнение инерционно, и при любом изменении ветра лишь через некоторое время устанавливается динамическое равновесие между энергией, передаваемой от ветра к волнам, и затуханием энергии волн из-за их разрушения, внутреннего трения и передачи кинетической энергии в глубинные слои воды.

Интересно отметить, что частицы воды при волнении движутся совсем не так, как сама поверхность. Они не качаются, как щепка, плавающая на поверхности, и не бегут вместе с гребнями волн. Каждая частица воды вблизи взволнованной поверхности движется по замкнутой вертикальной орбите, имеющей форму, близкую к окружности, с радиусом, равным полувысоте волны (Приложение 15). Центр орбиты находится на горизонте, соответствующем положению равновесия в отсутствии волн. Амплитуда волнового движения и соответственно радиусы орбит частиц воды убывают с глубиной экспоненциально и тем быстрее, чем короче волна. На глубине, равной половине длины волны, амплитуда волнового движения убывает примерно в 23 раза, а на глубине, равной длине волны на поверхности, - более чем в 500 раз.

Совокупное действие всех перечисленных выше динамических водных процессов- синоптические вихри, течения, внутренние и поверхностные волны - порождает в толще вод турбулентное движение, флуктуации температуры и плотности. Величины вариаций характеристик воды невелики, но достаточны, чтобы оказать заметное влияние на скорость звука. Обусловленные этими вариациями пространственные и временные флуктуации скорости звука имеют случайный характер и особенно интенсивны в верхних слоях, включая перемешанный слой и слой верхнего термоклина.

Совсем недавно было обнаружено, что в океане существуют ярко выраженные неоднородности, сильно вытянутые в горизонтальном направлении. Эти образования имеют толщину в единицы и десятки метров и простирание в несколько километров по горизонтали. В сущности, океан представляет собой тонко прослоенный пирог. Современные чувствительные зонды, позволяющие детально изучить зависимость температуры, солености и скорости течения от глубины, показывают, что эти характеристики практически постоянны в пределах слоев и изменяются почти скачком при пересечении их границ. Соответствующую изрезанность приобретает и профиль скорости звука.

Естественно, что случайные нерегулярности скорости звука в толще воды и волнение ее поверхности оказывают значительное влияние на условия распространения звука в воде. Когда акустическая волна проходит через случайно неоднородную толщу океанских вод или отражается от взволнованной поверхности океана, часть звуковой энергии рассеивается в других направлениях.

Величина и фаза рассеянного поля в каждый момент времени зависят от той случайной комбинации неоднородностей и неровностей поверхности, которая встретилась на пути пробега звука от источника. Эти комбинации непрерывно изменяются как за счет беспорядочного движения самих неровностей и неоднородностей, так и из-за движения среды в целом относительно излучателя и приемника (качка и дрейф судов, течения и пр.).

При смене этих комбинаций (смене реализации среды) фаза и величина рассеянного звукового поля изменяются случайным образом, флуктуируют. При достаточно большом числе неоднородностей на пути распространения звука средние свойства рассеянного поля могут быть описаны статистическими методами. Одной из главных характеристик является интенсивность рассеяния, определяющая долю энергии первичной волны, рассеянную по другим направлениям. Вторая характеристика - среднее распределение рассеянной энергии по направлениям, или индикатриса рассеяния. Третья характеристика - частотный и пространственный спектры рассеянного поля.

Особенности рассеяния звука в океане на случайных неоднородностях скорости звука, порожденных турбулентностью, и на неровностях поверхности таковы, что основной вклад в рассеянное поле вносят неоднородности и неровности с размерами много больше длины акустической волны. При этом почти вся рассеянная энергия распространяется вперед, вдоль направления движения первичной волны - индикатриса рассеяния всегда имеет в этом направлении максимум. Удаленный приемник регистрирует как дошедший до него первичный сигнал, несущий определенную информацию, так и рассеянное поле, пришедшее почти по тому же направлению. В принятом сигнале появятся случайные флуктуации, которые могут существенно затруднить расшифровку передаваемой информации. В конечном счете это приведет либо к уменьшению реальной дальности действия акустической системы, либо к замедлению передачи сообщений. С другой стороны, анализируя флуктуации сигнала, прошедшего по подводной трассе, можно получить сведения о состоянии среды вдоль этой трассы.

Если излучатель и приемник находятся вблизи оси подводного звукового канала и распространение звука происходит без отражений от поверхности (Приложение 4), то случайные вариации скорости звука - на турбулентных неоднородностях - основная причина рассеяния энергии передаваемых по каналу сигналов. В этом случае глубина флуктуаций в точке приема, как правило, невелика и сигнал мало отличается по виду от излученного. Частота флуктуаций зависит от скорости смены реализации. Случайные турбулентные неоднородности в толще вод океана изменяются или смещаются весьма медленно (в акустике их принято называть даже "замороженными"). Поэтому смена реализации почти всегда определяется скоростью течений и движения судов. Если эти скорости известны, то частота флуктуаций позволит оценить размеры рассеивающих неоднородностей. Этот метод изучения температурных неоднородностей неоднократно применялся в океанологии.

Если источник звука находится вблизи поверхности, далеко от оси подводного звукового канала, то основная часть звуковой энергии переносится вдоль лучей, отражающихся от поверхности (Приложение 5). Термин "отражение" здесь может быть использован только весьма условно. На самом деле переизлучение звука морской поверхностью - процесс значительно более сложный, и в нем большую роль играет рассеяние звука волнами. Наиболее сильно рассеивают звук длинноволновые компоненты, соответствующие максимуму спектра волнения. Как правило, рассеянное поле отбрасывается в основном по направлению зеркального отражения от средней, т.е. горизонтальной, плоскости. В подавляющем большинстве океанических ситуаций рассеяние на поверхности сильнее объемного и, если звук отражается от поверхности, то этот процесс и определяет доминирующую часть рассеянного поля в удаленной точке приема.

Мы уже говорили, что если вдоль трассы распространения звука, вблизи поверхности, образуются зоны тени, то понятие "тень" здесь условно - сюда приходят звуковые волны, отраженные от дна океана. Остановимся более подробно на том, что представляют собой сигналы, "отраженные" дном. На дне есть неровности, которые имеют случайные размеры и расположены в пространстве также случайно. Акустические антенны, установленные на судах, движутся относительно дна за счет качки, дрейфа или хода судов. Из-за этого озвученная площадь дна ("звуковое пятно") непрерывно смещается и, следовательно, непрерывно изменяются фазовые соотношения между сигналами, переизлученными отдельными неровностями. В результате рассеяние звука неровностями дна, несмотря на их неподвижность, оказывается процессом, подобным рассеянию звука поверхностью. Рассеянный сигнал беспорядочно флуктуирует, и уровень его тем больше, чем более неровным является дно.

В равнинных районах дна океана отражение звука значительно ближе собственно к отражению. Рассеиваемая энергия сосредоточивается в узком максимуме индикатрисы вокруг зеркального направления, и поэтому уровень отраженных сигналов заметно выше, чем в гористых районах, хотя разница в типе грунта (ил на равнинах и скалы в горах) должна была бы привести к противоположному эффекту. Однако различие рельефа а, следовательно, и особенностей рассеяния оказывается доминирующим.

За последние десять лет в западной части Центральной Атлантики, в районах Флоринского пролива, Багамских и Бермудских островов учеными США были выполнены весьма интересные опыты. Большая часть работ проводилась с акустическими антеннами, закрепленными неподвижно на склонах дна; расстояния между корреспондирующими пунктами (длины трасс) варьировались от десятков до почти полутора тысяч километров. Работы выполнялись на частотах в сотни герц, а продолжительность непрерывных наблюдений составляла недели, месяцы, а в некоторых опытах была больше года.

В результате обработки полученных записей были выявлены сильные вариации амплитуды и фазы акустических сигналов с самыми разными периодами. На мелководных трассах основной механизм воздействия приливов на условия распространения звука связан с изменением толщины водного слоя и соответствующих этому вариаций структуры лучевой картины. В глубоком океане основная роль принадлежит внутренним волнам, порождаемым приливами вблизи материковых склонов. Следует добавить, что влияние внутренних волн не ограничивается вариациями амплитуды и фазы сигналов, изменяется и направление их распространения.

Если на трассе звуковых сигналов встречаются синоптические вихри, то особенности их гидрологического строения (в первую очередь вертикального распределения температуры, которое определяет профиль скорости звука) также влияют на условия распространения звуковых волн. Отмечены связанные с вихрями смещения зон конвергенции и зон тени на 8-10 км и вариации уровня интенсивности звука в 5-10 раз. С другой стороны, имеются интересные идеи, как организовать акустическое "просвечивание" больших зон в океане, которое позволит обнаружить наличие таких вихрей и изучить их структуру.