Рефракция лучей

Рефракция лучей. 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. 2.2 Скорость звука 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 3.1 Хребты 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. 3.2