Министерство общего и профессионального образования Свердловской области Муниципальное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа им. К.Н. Новикова»
Акустика океана
Исполнитель:
Леушкина Любовь Евгеньевна ученица
10 «А» класса
Руководитель:
Понамарева Елена Вячеславовна
г. Качканар, 2009 год
Содержание
Введение
1. Человек и океан
2. Акустика океана
2.1 Рефракция лучей
2.2 Скорость звука
3. Особенности среды океана
3.1 Хребты
3.2 Поверхность дна океана
3.3 Внутренние волны
3.4 Поверхностные волны
Заключение
Список литературы
Приложение
ВВЕДЕНИЕ
«…И вдруг поняв душой всех дерзких снов обман,
Охвачен пламенной, но безутешной думой,
Я горько вопросил безбрежный океан,
Зачем он страстных бурь питает ураган,
Зачем волнуется,— но океан угрюмый,
Свой ропот заглушив, окутался в туман.»
Константин Бальмонт
Много стихов написано про океан. Много сказок, рассказов, воспоминаний связано с ним. Очень много исследований было проведено в водах океана.
Все чаще и чаще человечество связывает свое будущее с океаном. Объем исследований Мирового океана непрерывно растет, ученые разных стран объединяют свои усилия в этих исследованиях. Глубины океана изучают специалисты различных областей науки - биологи, химики, гидродинамики и... акустики.
Почему акустики? Потому что звуковые волны могут распространяться в толще океана на тысячи километров и представляют собой эффективное средство зондирования океана.
Большой объем исследований по акустике океана был выполнен группой советских ученых, работавших под руководством одного из авторов статьи (Л. М. Бреховских). Работы велись как в натурных условиях в открытом океане на научно-исследовательских судах, так и за столами теоретиков в научно-исследовательских институтах. Результаты этой многолетней работы нашли отражение в коллективной монографии "Акустика океана", вышедшей в 1974 г. под редакцией Л. М. Бреховских. Ее авторам (Л. М. Бреховских, Н. С. Агеева, И. Б. Андреева, В. И. Воловов, Ю. Ю. Житковский, Ю. П. Лысанов, А. В. Фурдуев, С. Д. Чупров, Р. Ф. Швачко) в 1976 г. была присуждена Государственная премия.
И я выбрала тему именно про океан, потому что она мне показалась наиболее интересной.
Мои задачи – это:
· рассмотреть дополнительную литературу по моей теме;
· рассмотреть особенности среды океана;
· рассмотреть акустику океана;
Прежде чем обратиться к акустике океана, посмотрим, что представляет собой океан.
1. ЧЕЛОВЕК И ОКЕАН
Многовековая история человеческого общества, весь его путь к прогрессу теснейшим образом связаны с океаном — с мореплаванием, с освоением его огромных пищевых, сырьевых, а позже и топливно-энергетических ресурсов.
“Очень скоро с Океаном, возможно, будет связана проблема самого существования, человечества,”— утверждал известный исследователь морских глубин Жак-Ив Кусто.
“Очень скоро всем нам придется пойти на поклон к богу морей — просить его поделиться с людьми своими богатствами”, “Угроза минерального голода в буквальном смысле заставит человека активно осваивать Океан”,— вторят ему ученые академики — геолог В.И.Смирнов и океанолог Л.М.Бреховских.
Средняя глубина океана вдали от берега - 4-5 км; горизонтальная средняя протяженность - многие тысячи километров. Ширина вдоль экватора Атлантического и Индийского океанов около 6,5 тыс. км, Тихого - около 16 тыс. км, меридиональные размеры океанов еще больше. Площадь водной акватории Мирового океана занимает большую часть поверхности нашей планеты (около 70%). Толщина же этого водного слоя ничтожна, она меньше одной тысячной радиуса Земли. По соотношению глубин и горизонтальных размеров океаны подобны (если отвлечься от кривизны Земли) луже воды на асфальте, глубина которой около полусантиметра, а диаметр более 10 м.
Рельеф суши давно отражен в подробных географических картах, а о рельефе дна огромного пространства Океана до недавнего времени было лишь весьма приблизительное представление. В 1975 году в Советском Союзе был издан геолого-геофизический атлас Индийского океана. В нем много новых подробных карт дна. Океанологами изучен не только рельеф, но и распределение отложений, глубинное строение земной коры, подводные землетрясения, магнитные аномалии. В наши дни Океан изучают разными способами. Трудно исследовать глубины на специальных аппаратах без надежной связи с поверхностью. А радиоволны, служащие нам верой и правдой на Земле и в космосе, гаснут в воде, преодолев лишь десятки-сотни метров. Заменить их пока могут лишь волны акустические.
Сверху океан граничит с атмосферой, снизу - с геологическими породами, слагающими дно: ил, песок, скалы. Обе границы отражают падающие на них из воды звуковые волны, причем верхняя граница - с коэффициентом отражения, близким к 1. Коэффициент отражения от дна значительно меньше; он зависит от геологического строения и нередко оказывается менее 0,3-0,2. Это значит, что интенсивность (мощность) отраженной от дна звуковой волны соответственно в 10-25 раз меньше интенсивности звуковой волны, падающей на дно. Остальная часть энергии проникает в толщу дна и быстро поглощается там. Это исключает возможность распространения звука на большие расстояния при многократных отражениях от границ (Приложение 1).
На большие расстояния звуковая энергия распространяется только вдоль пологих лучей, которые на всем пути не касаются дна океана. В этом случае ограничением, накладываемым средой на дальность распространения звука, является поглощение его в морской воде. Основной механизм поглощения связан с релаксационными процессами, сопровождающими нарушение акустической волной термодинамического равновесия между ионами и молекулами растворенных в воде солей. Интересно отметить, что главная роль в поглощении в широком диапазоне звуковых частот принадлежит серномагниевой соли MgSO4, хотя в процентном отношении ее содержание в морской воде совсем невелико - почти в 10 раз меньше, чем, например, каменной соли NаС1, которая тем не менее не играет заметной роли в поглощении звука.
Поглощение в морской воде, вообще говоря, тем больше, чем выше частота звука. На частотах от 3-5 до по крайней мере 100 кГц, где доминирует указанный выше механизм, поглощение пропорционально частоте в степени примерно 3/2. На более низких частотах включается новый механизм поглощения (возможно, он связан с наличием в воде солей бора), который становится особенно заметным в диапазоне сотен герц; здесь уровень поглощения аномально высок и существенно медленнее падает с уменьшением частоты.
Чтобы более наглядно представить себе количественные характеристики поглощения в морской воде, заметим, что за счет этого эффекта звук с частотой 100 Гц ослабляется в 10 раз на пути в 10 тыс. км, а с частотой 10 кГц - на расстоянии только в 10 км (Приложение 2). Таким образом, только низкочастотные звуковые волны могут быть использованы для дальней подводной связи, для дальнего обнаружения подводных препятствий и т.п.
Если вернуться к Приложению 1 и вспомнить, насколько относительно тонким является водный слой нашей планеты, то может показаться вообще непонятным, как звуковая энергия распространяется на тысячи километров: даже при самом малом, в 2-3°, наклоне лучей, их падение на дно кажется неизбежным. На самом же деле, есть обстоятельства, которые делают условия распространения звука в реальном океане более благоприятными. Эти обстоятельства связаны с искривлением звуковых лучей в вертикальной плоскости, с их рефракцией. Остановимся на этой важнейшей для акустики особенности океана более подробно.
Голландский математик В. Снеллиус еще 300 лет назад показал, как изменяется направление волн при переходе через границу двух сред с разными значениями c1 и c2 скорости распространения: sinq1/sinq2 = c1/c2 (Приложение 3а. в нижней среде скорость меньше); это известный со школьных времен закон преломления волн, или закон Снеллиуса. Нетрудно обобщить его и на случай среды, где скорость звука изменяется плавно (Приложение 3б): в такой среде волна также поворачивает плавно. И при скачкообразном и при плавном изменении скорости волны всегда "стремятся" повернуть в том направлении, в котором уменьшается скорость их распространения.
Скорость звука в океане в среднем близка к 1500 м/с, и ее величина определяется совокупным действием температуры воды, ее солености и статического давления, т.е. веса вышележащих слоев воды. Чем больше температура, этот вес и соленость, тем быстрее бегут звуковые волны. Все три параметра, а, следовательно, и скорость звука, изменяются с глубиной значительно быстрее, чем в горизонтальном направлении; это позволяет приближенно описывать океан как горизонтально-слоистую среду, где скорость звука существенно зависит от глубины, но на каждом горизонте остается неизменной в пределах больших акваторий. Каждый район океана может быть характеризован зависимостью скорости звука от глубины z, или, как принято говорить, профилем скорости звука с(z). Начнем с температуры. Почти повсеместно, кроме полярных морей, покрытых льдом, глубинные воды заметно холоднее поверхностных. У поверхности термометры показывают в тропиках круглый год 22-26°С; летом в умеренных широтах 15-18°С, в полярных морях 8-10°С; зимой температура у поверхности везде, кроме тропиков, опускается на 8-10°С. А вот в глубинах океана температура всегда почти неизменна, практически не зависит от широты и близка к 1-2°С.
Переход от теплых приповерхностных вод к холодным глубинным происходит отнюдь не равномерно по глубине (Приложение 4). Вблизи поверхности лежит слой, перемешиваемый волнением (перемешанный слой), его толщина меньше 100 м, а температура в нем почти одинакова. Глубже быстро, почти скачком, температура падает на 5-10°С. Еще глубже, температурные градиенты уменьшаются, и хотя по мере дальнейшего погружения температура воды продолжает еще падать, но падает медленно. На некоторой глубине температурные градиенты исчезают, и далее до самого дна температура воды остается практически постоянной.
Таким образом, по мере погружения в глубины океана на величину скорости звука действуют два противоборствующих фактора: понижение температуры ведет к уменьшению скорости звука, а увеличение статического давления - к ее росту. Фактически дело обстоит так, что в верхней части океана доминирует температурный эффект и скорость звука падает; на некоторой глубине температурный градиент становится столь малым, что доминирующая роль переходит к статическому давлению и скорость звука начинает вновь возрастать и растет уже до самого дна. Глубина, на которой скорость звука минимальна, существенно зависит от широты и времени года: в тропиках она составляет 1-1,5 км, а в полярных морях даже летом не превышает 100-150 м.
Акустические волны низких частот, слабо затухающие в морской воде, могут распространяться в подводном канале на многие тысячи километров. Это явление, названное сверхдальним распространением звука, было открыто в Советском Союзе в 1946 г. Л.М. Бреховских и Л.Д. Розенбергом. Впоследствии оказалось, что в США этот эффект был обнаружен несколько ранее, но работы в обеих странах были засекречены. В последующие десятилетия это направление акустики океана успешно развивалось советскими и зарубежными учеными.
Не менее интересно происходит распространение звука и в тех случаях, когда источник звуковых волн смещен от оси канала и находится, как, например, в Приложении 5, выше оси. Это область, где скорость звука падает с увеличением глубины и все звуковые волны, выйдя из источника, поворачивают в глубины океана. Уже через несколько километров в поверхностных слоях образуется так называемая зона тени, куда не проникают звуковые лучи. Однако, когда звуковые волны пересекают ось канала, они попадают в область, где скорость звука растет с глубиной.
Зоны выхода звуковых волн к поверхности называются зонами конвергенции, а участки между ними - зонами звуковой тени. По мере удаления от источника зоны конвергенции расширяются, расплываются, а зоны тени становятся уже и менее глубокими. На расстояниях 500-800 км зональная структура обычно исчезает, размазывается, и звуковые волны снова заполняют практически всю толщу океана, как и в случае источника на оси канала.
Вообще говоря, название "зона тени" условно. Действительно, звуковые лучи, распространяющиеся в канале, в зону тени не попадают. Однако в эти области звук может прийти после отражения от дна, а также (хотя и в меньшей степени) за счет дифракции звуковых волн на случайных неоднородностях среды. Он будет ослаблен, но все, же заметен (особенно в первых зонах тени) и воспринят приемником.
Изложенная трактовка лучевого распространения звуковых волн базируется на представлении, что на длине волны звукоизменения параметров среды, в частности скорости с, малы. Во многих случаях такое упрощение оказывается вполне допустимым. Однако длины волн низкочастотного звука (десятки и единицы Гц) велики по отношению даже к основным деталям профиля с(z).
Все описанные картины существенно идеализированы, в них не отражена изменчивость во времени и пространстве океанической среды. Эта изменчивость вызывается многими факторами. Мы уже упоминали, что температура поверхностных слоев воды зависит от географической широты и времени года. Кроме того, в океанах изменяются погодные условия, есть теплые и холодные течения, приливы и отливы, морское волнение и другие виды движения водных масс. Дно океана не гладкое и ровное, оно имеет сложнейший рельеф с хребтами, равнинами и глубокими каньонами; его поверхность испещрена мелкими неровностями и шероховатостями. К этому следует добавить, что в большом числе практически важных случаев акустические излучатели или приемники (или и те и другие) находятся на плавающих морских судах, подверженных качке, ветровому сносу и т.д.
Изменчивость среды в пространстве и времени имеет очень широкие масштабы - от 1 см до тысяч километров и от долей секунды до многих суток. Описать ее воздействие на звуковые подводные поля чрезвычайно трудно. Крупномасштабные пространственные изменения чаще рассматривают как постепенное изменение условий распространения звука вдоль трассы. Временные крупномасштабные, т.е. медленные изменения условий в океане приводят к медленным вариациям параметров звукового поля вдали от источника. Мелкомасштабные изменения, как правило, можно описывать как случайные стационарные процессы и в этих рамках искать их воздействие на акустические волны. Это широкий круг явлений в акустике океана, которые связаны с дифракцией, рассеянием звуковых волн на случайных неоднородностях толщи воды и на неровностях дна и поверхности. Прежде чем говорить о воздействии неоднородности и изменчивости среды на акустические поля, остановимся несколько подробнее на этих особенностях среды.
3. ОСОБЕННОСТИ СРЕДЫ ОКЕАНА
В Приложении 6 приведена карта генерального рельефа дна Атлантического океана и широтный разрез рельефа дна. (Карта составлена Б. Хейзеном в 1968 г.) Появление таких карт океанского дна около 10 лет назад полностью обязано использованию акустики в океанологии: только широкое распространение акустических эхолотов в годы после второй мировой войны позволило получить материал, необходимый для картирования дна. Еще в первых десятилетиях нашего века глубины океана измерялись проволочным лотом - грузом, опускаемым с борта корабля на тросе, и наши сведения о рельефе дна были ничтожны. За несколько последних десятилетий эхолоты открыли целый подводный мир. Оказалось, что на дне открытой части всех океанов существуют системы горных цепей - срединноокеанические хребты, подобные хребту в Приложении 6. Они возвышаются на несколько километров над средним уровнем дна, и их вершины иногда выходят на поверхность воды (например, Азорские острова в Атлантике). Особенности строения и развития срединноокеанических хребтов заставили пересмотреть геологическую историю Земли.
Склоны срединноокеанических хребтов, постепенно понижаясь, переходят в зоны холмов, за которыми лежат глубоководные равнины. Средняя глубина равнин, как уже говорилось, составляет 4-5 км. По другую сторону к равнинам подступает материковое подножие, переходящее в мелководный береговой шельф. Если трасса распространения звука составляет сотни и тысячи километров (такая дальность не является исключительной), то глубины дна вдоль нее могут быть существенно разными, а форма звуковых лучей заметно более сложной, чем это показано на идеализированных рис. 4 и рис. 5. В частности, если звуковая трасса пересекается подводной горной цепью, то сила звука сильно ослабляется - горы оказывают затеняющее действие.
Существенно различны и условия рассеяния звуковых волн в разных геоморфологических зонах дна. Эти различия связаны с особенностями строения дна в разных зонах. Дно глубоководных равнин покрыто слоем мелкодисперсных осадков толщиной до 1-2 км (в верхней части илы, ниже плотные породы). Это является результатом осадконакопления, длившегося десятки миллионов, а иногда и более лет. Условия выпадения и характер осадков менялись в геологическом прошлом, и осадочный чехол не однороден по толщине, в нем можно проследить большое число чередующихся тонких слоев с разными свойствами (плотностью, цветом, химическим составом и пр.). Поверхность равнин только относительно ровная, на них есть пологие низкие холмы и долины длиной до сотен метров со склонами, наклон которых обычно меньше 2-3°. Кроме того, на поверхности глубоководных равнин почти всегда отчетливо видны мелкие неровности (микрорельеф), созданные деятельностью придонных животных. Стереофотосъемка показала, что крутизна склонов отдельных бугров диаметром в десятки сантиметров может достигать 30-50°(Приложение 7).
Рельеф дна в зонах хребтов совершенно иной. Его верхний слой образован вулканическими породами, лавами, которые только частично, во впадинах (карманах) покрыты осадками (Приложение 8). Изрезанность рельефа здесь максимальна. Даже средний наклон дна на протяжении нескольких сотен метров может достигать десятков градусов, не говоря о формах микрорельефа, где выступы часто даже нависают над впадинами.
Изменчивость и случайные неоднородности в толще воды - флуктуации ее температуры и плотности - связаны с динамикой водных масс. Не так давно существовала уверенность, что основные движения воды в океане - это течения, приливы и морское волнение. Теперь стало ясно, что картина гораздо более сложная.
Несколько лет назад во время научной экспедиции в тропической Атлантике, возглавляемой одним из авторов (Л. М. Бреховских), были открыты синоптические вихри в океане. Это произошло в 1970 г. в ходе эксперимента "Полигон-70", выполнявшегося на обширной акватории площадью 74 тыс. км2 (Приложение 9, сторона каждого квадрата около 270 км). На полигоне была раскинута сеть из 17 буйковых станций (кружки Приложении 9), похожая в плане на крестообразную антенну. На каждом буйке на десяти горизонтах были установлены приборы, фиксировавшие течения и температуру воды. Приборы работали в течение полугода и дали материал, коренным образом изменивший наши представления о морских течениях. Оказалось, что течений, которые всегда рисовали на картах в виде широких рек, в действительности не существует. Основная кинетическая энергия океанских вод (около 90% по предварительным оценкам) сосредоточена в громадных, диаметром до 300-500 км, водных вихрях, подобных циклонам и антициклонам в атмосфере. В Приложении 9 изображены так называемые линии тока, очерчивающие форму синоптических вихрей на глубине 300 м. Эти линии по своему смыслу подобны изобарам атмосферного давления на картах погоды. Буквы "В" и "Н" соответствуют высокому и низкому давлению. Приведенные картины вихрей разделены интервалами времени примерно в один месяц и свидетельствуют об изменчивости ситуации. Глубина вихрей достигает 2-3 км, скорость движения воды (стрелки в Приложении 9) на периферии вихря может доходить до нескольких десятков метров в минуту. Вихри медленно перемещаются со скоростью до 4-6 м/мин, и если усреднить их движение за много месяцев, то только тогда мы получим нечто вроде известных всем океанических течений. Эксперимент, проведенный через несколько лет американскими океанологами в другой части океана, подтвердил правильность этих представлений. Механизм зарождения и развития синоптических вихрей изучался в совместном советско-американском эксперименте "ПОЛИМОДЕ".
Страницы: 1, 2
