Гидрология

ВОЛНУЮЩИЙСЯ ОКЕАН

Изучение волновых процессов в толще и на поверхности океана, поиск радиофизических методов его дистанционной диагностики - ведущие направления созданного в 1988 г. Отделения гидрофизики и гидроакустики ИПФ. Для его сотрудников Мировой океан - главный объект исследований, своего рода "среда обитания".

МНОГОВОЛНОВАЯ ГИДРОФИЗИКА

Несмотря на новизну поставленных при основании Института задач, гидрофизика и гидроакустика стали развиваться здесь не на пустом месте. Фундаментальные основы ряда их разделов были заложены еще в 1960 - 1970-е годы сотрудниками Научно-исследовательского радиофизического института Владимиром Талановым (с 1992 г. академик), Виталием Зверевым (с 1979 г. член-корреспондент АН СССР, а ныне РАН), доктором физико-математических наук Львом Островским, кандидатом физико-математических наук Львом Долиным и их учениками. "Культурный слой" этих пионерских работ по физике волновых процессов в неоднородных средах позволил ИПФ довольно быстро не только освоиться в новой области, но и занять лидирующие позиции по нескольким ключевым направлениям. В немалой степени успеху способствовало и то обстоятельство, что научное руководство всеми работами по перспективным волновым технологиям изучения и диагностики океана взял на себя академик Андрей Гапонов-Грехов - основатель и директор ИПФ в течение четверти века. В 1987 г. он сменил академика Анатолия Александрова*, оказавшего в свое время очень деятельную поддержку при организации ИПФ на посту председателя Научного совета при Президиуме АН СССР по комплексной проблеме "Гидрофизика", и это еще более укрепило взаимодействие с Советом при проведении масштабных гидрофизических исследований в Институте.

C:\Users\Надежда\Desktop\Сашины сайты\Наде 50 новых\ВОЛНУЮЩИЙСЯ_ОКЕАН_-_Наука_в_России,_2
Распад длинной приливной волны на последовательность интенсивных уединенных внутренних волн (солитонов) на шельфе Атлантического побережья США. Последующая эволюция солитонов на дистанции 20 км реконструирована в рамках предложенной модели.

С самых первых лет существования Отделения особое внимание уделялось созданию собственной экспериментальной базы, прежде всего для натурных опытов в условиях реального океана. Многие из технических средств и комплексов (по ряду позиций - уникальных), разработанных нашими сотрудниками, активно используются в совместных исследованиях с другими академическими и отраслевыми институтами.

Итак, предмет главного интереса наших специалистов в области гидрофизики - физика волновых процессов в верхнем слое океана: они разнообразны и существенно влияют на его динамику. Большое значение придается гидроакустике, хотя в данном случае речь идет не о собственном волновом поле океана, а о звуке, "привнесенном" в океаническую среду для ее диагностики или локации находящихся в ней объектов. С учетом того, что звук низкой частоты не имеет альтернатив как средство "просвечивания" морских акваторий на сотни и даже тысячи километров, становится понятной исключительная роль низкочастотной гидроакустики как самостоятельного раздела гидрофизики. К нему мы еще вернемся, сейчас же кратко поясним, в чем заключается интерес к верхнему океаническому слою с точки зрения физики волновых процессов.

Известно, что в океане могут распространяться волны различной природы с разнообразными дисперсионными и нелинейными свойствами. Важнейшие для изучения - возникающие на поверхности (ветровые с длинами от сантиметров до десятков метров, капиллярные - до 1 см, а также цунами) и в самой водной толще, так называемые внутренние волны (они характерны для океана как вертикально-стратифицированной среды). Существенную роль в динамике верхнего слоя океана играют не только сами волновые движения, но и их взаимодействие между собой, с подводными течениями и турбулентностью. Причем исследование указанных процессов имеет большое значение и как основа методов дистанционной диагностики океана, прежде всего радиолокационных и оптических.

В последние годы эти работы выполняются нашим Отделением в рамках национальных и международных научных программ, в том числе Президиума и Отделения физических наук РАН, федеральных целевых, а также конкурсных программ Российского фонда фундаментальных исследований и европейских научных фондов.

Например, широко известны результаты изучения самых длинных поверхностных волн в открытом океане - цунами. Имеющие, как правило, сейсмическое происхождение, при выходе на побережье они способны вызвать сильнейшие разрушения. В группе, возглавляемой доктором физико-математических наук Ефимом Пелиновским, развиты методы корректной оценки цунами-риска (зоны возможного "заплеска" волны на побережье), основанные на численном моделировании зарегистрированных событий в рамках теории нелинейных волн на воде. Сравнение с данными по ряду цунами, включая два катастрофических, возникших в результате извержения вулкана Кракатау (27.08.1883) в Индонезии и недавнего землетрясения там же (26.12.2004)**, позволило апробировать предложенные методы и оценить цунами-риск для различных акваторий Мирового океана, в том числе для ряда окраинных морей России. А в последние годы результаты этой группы позволили приблизиться к пониманию физической природы другого катастрофического явления - так называемых аномальных поверхностных волн. Эти неожиданно большие и потому опасные волны возникают зачастую как будто "из ничего", и их особенности (высота, профиль, время жизни) таковы, что за ними закрепилось образное название "волны-убийцы".

volnuuschijsya-okean
Радиолокационное изображение цуга (пакета) внутренних волн на поверхности океана (по данным российско-американского эксперимента на северо-западе Атлантики).

Динамика верхнего слоя океана - на глубинах от десятка до нескольких сотен метров - во многом определяется внутренними волнами. Они возникают в так называемом пикноклине - слое в толще воды, где плотность с глубиной изменяется гораздо быстрее, чем в соседних слоях. Наши сотрудники выполнили обширный цикл исследований, выяснив механизмы генерации и неустойчивости этих волн, специфику их взаимодействия с турбулентными течениями и эволюции на океаническом шельфе. Эти работы, начатые под руководством Льва Островского еще при создании ИПФ, сыграли значительную роль в понимании собственно физики внутренних волн и построении прогностических моделей их динамики в конкретных акваториях.

Классическая проблема волновой физики - взаимодействие волн различных пространственных и временных масштабов. Один из наиболее интересных и богатых на эффекты примеров такого рода в природных условиях - взаимодействие поверхностных ветровых волн с внутренними в океане. И, вместе с тем, примеров наиболее важных, поскольку ключевой прикладной аспект здесь связан с созданием "сквозных" моделей отображения поля внутренних волн (генерируемых, допустим, движущимся подводным объектом) в картине ветрового волнения, наблюдаемой сверху радиолокационными или оптическими средствами. Сотрудниками Отделения установлены физические механизмы влияния внутренних волн и создаваемых ими подводных течений на ветровое волнение и на этой основе предложены методы дистанционного зондирования глубинных процессов. Лабораторные и натурные эксперименты последних лет указали на существенную роль каскадных механизмов влияния внутренних волн на ветровые, когда воздействие передается вверх по спектру последних, от метровых и дециметровых к сантиметровой ряби. Кроме того, неоднородное поле течений, созданное внутренними волнами, вызывает изменчивость поля скорости ветра над поверхностью, что также приводит к модуляции уровня коротких ветровых волн.

Еще одна актуальная задача - взаимодействие волн с неоднородными течениями и потоками. Поскольку верхний слой океана представляет собой типичный пример открытой неравновесной среды, то в нем возможно как нарастание волновых возмущений (вызванное подводными течениями и приповерхностным ветром), так и их естественное затухание (обусловленное передачей энергии в мелкомасштабные турбулентные движения). Важно, что при таком "контакте" за счет обмена энергией и импульсом существенно изменяются характеристики как волнового поля, так и самого течения. Подобные эффекты хорошо известны и применяются в разных областях (например, в электронике сверхвысоких частот и физике плазмы), однако применительно к реальному океану потребовалось построение корректных физических моделей и их экспериментальное подтверждение. Эти работы выполняются под руководством доктора физико-математических наук Юлии Троицкой.

Возвращаясь к формированию пикноклина в океане, отметим: основную роль в данном процессе играет стратификация глубинного профиля температуры вод. Это стало основой масштабной лабораторной модели верхнего слоя океана, реализованной в Большом термостратифицированном бассейне ИПФ (пущен в эксплуатацию в 1991 г.). В его конструкции использован предложенный Владимиром Талановым эффективный и экологически чистый (без дополнительных реагентов) способ поддержания устойчивой температурной стратификации, глубинный профиль которой воспроизводит в масштабе =1:100 профиль, характерный для реального океана. Благодаря этим параметрам, достаточно большим размерам (20*4*2 м3) и современному приборному обеспечению Бассейн дает богатые возможности моделирования гидрофизических процессов (руководитель лаборатории - кандидат физико-математических наук Виктор Баханов). Активно используется уникальное сооружение и при проведении совместных исследований с рядом академических институтов: Космических исследований, Физики атмосферы им. А. М. Обухова, Геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского (Москва); на его базе реализуются и долгосрочные международные проекты.

Другой наш стенд для моделирования волновых процессов в верхнем слое океана - Кольцевой ветроволновой бассейн (пущен в эксплуатацию в 1992 г.). Он представляет собой аэрогидроканал замкнутой овальной формы; в нем предусмотрены создание стратифицированных солевых слоев с заданным профилем плотности, а также генерация ветрового потока и, следовательно, ветровых волн на поверхности. Здесь апробируют методы и аппаратуру диагностики взволнованной морской поверхности на разных стадиях разгона (руководитель лаборатории - кандидат физико-математических наук Станислав Ермаков). Установка также активно используется в совместных экспериментах как с российскими коллегами, так и с зарубежными из европейских научных центров.

ЧТО МОЖНО УВИДЕТЬ В МУТНОЙ ВОДЕ?

Выше мы отметили важный диагностический аспект наших исследований в области гидрофизики, связанный с совершенствованием методов и средств дистанционного зондирования океана. Остановимся на этом несколько подробнее.

Начнем с оптики океана и подводного видения. Эту тематику ИПФ унаследовал от Научно-исследовательского радиофизического института, где в 1960-е годы впервые в СССР создали систему подводного лазерного наблюдения, с ее помощью поставили пионерские эксперименты по локации и формированию изображений объектов. Тогда же были заложены основы теории видения в мутных (сильнорассеивающих) средах. Опыт этих изысканий использован в Отделении для построения теории лазерной локации и видения подводных объектов с летательных аппаратов, реализации дистанционного оптического метода измерения спектральных характеристик ветрового волнения и в автоматизированном корабельном комплексе приборов. Эта аппаратура оказалась незаменимой во многих наших морских экспедициях. А в последнее время Лев Долин и Александр Лучинин разрабатывают принципиально новый подход к решению проблемы подводного видения через взволнованную поверхность. Его суть - в коррекции искажений зондирующего сигнала на основе информации о рельефе морской поверхности, содержащейся непосредственно в ее изображении. Кстати, схожий путь в свое время проходила адаптивная оптика*** в связи с появлением больших телескопов: от расчета искажений изображений астрономических объектов, обусловленных деформациями зеркал, к коррекции этих изображений на основе соответствующих алгоритмов.

volnuuschijsya-okean
Оптические изображения тестового объекта при наблюдении сквозь морскую поверхность: А - через плоскую границу раздела воздух-вода; В - при скорости ветра 5 м/с; С - восстановленное изображение. Глубина объекта - 10 м, размер элемента разрешения - 2 см.

Морская вода - не единственный пример оптически мутной среды. В числе подобных - биологические ткани, диагностика которых, в силу быстрого затухания в них оптического излучения, возможна лишь в поверхностных слоях. Ранее полученные нами результаты в изучении океана легли в основу метода оптической когерентной томографии биотканей - перспективного направления в области медицины; соответствующие работы сосредоточены в Отделении нелинейной динамики и оптики ИПФ.

В панорамных средствах обзора морской поверхности в большей степени, чем оптические, применимы "всепогодные" сверхвысокочастотные сигналы и, соответственно, радиолокационное зондирование. Этому направлению также уделяется значительное внимание.

Важный цикл исследований выполнен под руководством Станислава Ермакова по дистанционному зондированию органических и нефтяных пленок на морской поверхности, в том числе совместные натурные эксперименты с Европейским космическим агентством. В ходе их синхронно с радиолокационной съемкой морской поверхности спутником ERS-2 измерялась степень гашения мелкомасштабных ветровых волн в специально созданных на поверхности пленочных пятнах. На основе полученных результатов возможна разработка селективного дистанционного экологического мониторинга акваторий, позволяющего не только регистрировать сам факт появления загрязняющей пленки, но и идентифицировать ее происхождение.

Перспективна и диагностика цунами в условиях открытого океана (там, где эти волны практически не заметны). В результате анализа данных спутниковых наблюдений акватории Индийского океана во время вышеупомянутого катастрофического события в Юго-Восточной Азии 2004 г. обнаружен эффект изменения сечения рассеяния радиолокационного сигнала, отраженного от морской поверхности, при прохождении цунами в открытом океане, и дана его теоретическая интерпретация. Следовательно, возможны спутниковая регистрация и оперативный прогноз распространения разрушительной волны до выхода ее на побережье.

НИЗКОЧАСТОТНАЯ АКУСТИКА ОКЕАНА

К моменту создания ИПФ было уже известно, что низкочастотный звук распространяется в океане практически без затухания благодаря формированию в верхнем слое подводного звукового канала - природного акустического волновода. Поэтому низкочастотная акустика имеет очевидное преимущество в диагностике акваторий протяженностью в сотни и тысячи километров. Однако чтобы его реализовать, предстояло исследовать широкий круг взаимосвязанных проблем формирования звуковых полей в подводных звуковых каналах на столь больших дистанциях, диагностики океанической среды на основе данных акустического "просвечивания", создания технической базы для масштабных натурных экспериментов.

Определяющую роль в развитии этого направления играет тесное взаимодействие с организациями Военно-морского флота, отраслевыми промышленными институтами. В поддержке фундаментальной компоненты исследований значительна роль академической программы "Когерентные акустические поля и сигналы".

Отметим также опыт многолетнего сотрудничества при проведении натурных экспериментов с коллегами из институтов: Океанологии им. П. П. Ширшова, общей физики им. А. М. Прохорова, Акустического им. Н. Н. Андреева (Москва), Тихоокеанского океанологического им. В. И. Ильичева (Владивосток) и других. Работы выполняли в подводных звуковых каналах различного типа: в приповерхностных - Арктики и северо-западной части Тихого океана, в глубоководных - средних и тропических широт Атлантики, в мелководных - окраинных морей и шельфовых зон. Подчеркнем: все упомянутые каналы обладают заметной спецификой распространения низкочастотного звука, и благодаря такому разнообразию за прошедшие годы в ИПФ накоплен значительный объем фактических данных по "дальней" акустике океана. Важнейшим полученным результатом стала демонстрация возможности дальнего (до 500 км) картирования подводных возвышенностей и обнаружения локализованных неоднородностей в глубоком океане.

Наравне с проведением натурных экспериментов, построены эффективные теоретические и численные модели низкочастотных звуковых полей в океане. Были установлены основные закономерности дальнего распространения звука в подводных каналах различного типа и формирования сигналов реверберации (обратного рассеяния звука), изучено влияние статистических свойств принимаемых сигналов на эффективность работы антенных систем.

С конца 1980-х годов, когда развернулись совместные исследования с зарубежными коллегами, особое значение приобрели российско-американские проекты по акустической термометрии океанического климата. Речь идет о едва ли не самом амбициозном проекте в области акустики за всю ее историю - программе долговременной регистрации с помощью низкочастотных сигналов слабых климатических трендов глобальной температуры океанических вод (с точностью до десятых долей градуса в год!). Ряд международных экспериментов с участием ИПФ был осуществлен на стационарных акустических трассах в Тихом океане (Гавайские острова - полуостров Камчатка, протяженностью 4700 км) и Северном Ледовитом (от 1000 до 2600 км). В итоге сделан важный вывод о возможности практической реализации прототипа акустической системы долговременного мониторинга температуры океанических вод.

В тесной связи с этими работами в тематике Отделения нашло отражение новое направление в акустике океана, возникшее в середине 1990-х годов. Оказалось, многолучевая структура акустического поля на трассах протяженностью в тысячи километров обнаруживает хаотическое поведение. Самое удивительное, однако, в том, что времена приходов импульсного сигнала по отдельным лучевым траекториям определенным образом группируются, и такие группы (их назвали лучевыми кластерами) весьма устойчивы. Эти важные следствия теории лучевого хаоса, развиваемой доктором физико-математических наук Анатолием Вировлянским, позволяют акустически диагностировать глубокий океан на сверхдлинных трассах.

В последнее десятилетие значительный прогресс достигнут и в акустике мелкого моря. С точки зрения подводной акустики ключевая специфика мелкого моря заключается в относительно малом количестве мод, по которым распространяется в канале звуковой сигнал. Их состав (модовый спектр сигнала) чувствителен к наличию в канале разного рода неоднородностей. Следовательно, регистрация изменений указанного спектра, обусловленных рассеянием на неоднородностях канала, может дать информацию о последних. Это соображение легло в основу разработки в Отделении нового метода акустической томографии мелкого моря, названного маломодовой импульсной томографией (руководитель лаборатории - кандидат физико-математических наук Александр Хилько). Для его проверки у нас созданы уникальные излучающие и приемные антенные комплексы, способные обеспечить, соответственно, селективное возбуждение и прием зондирующего сигнала на разных модах. Результаты серии экспериментов в Балтийском и Баренцевом морях, выполненных в 2002 - 2005 гг., подтверждают возможность построения соответствующей системы мониторинга мелкого моря и шельфовых зон.

Другой итог развития способов акустической диагностики неоднородностей в мелком море связан с применением известного в оптике метода "темного поля" для локации мелкомасштабных объектов, рассеивающих прямой сигнал подсветки. Разработанный Виталием Зверевым метод акустического "темного поля" уже успешно апробирован его сотрудниками.

Особого упоминания заслуживают и технические средства низкочастотной подводной акустики. Без них не была бы выполнена обширная программа натурных экспериментов, благодаря которым Институт вошел в число ведущих мировых центров по исследованию акустики океана.

Широкую известность получили созданные в ИПФ мощные гидроакустические излучатели. Среди них есть и уникальные, обеспечившие, в частности, успех упомянутых выше российско-американских экспериментов в Арктике по термометрии океана. Из числа последних разработок в этой области отметим широкополосные пьезокерамические излучатели нового поколения, предложенные кандидатом технических наук Борисом Боголюбовым. Они обладают рекордными параметрами для диапазона частот от сотен Гц до единиц кГц и позволяют использовать различные типы модулированных сигналов в целях повышения разрешающей способности локационной системы.

Для экспериментальной гидроакустики очевидно значение приемных антенн, которое можно сопоставить с вкладом оптических и радиотелескопов в астрономию. Для исследований в акваториях мелкого моря и на шельфе в Отделении созданы не имеющие аналогов автономные измерительные комплексы, предназначенные для изучения гидроакустических полей надводных и подводных кораблей в широкой полосе частот. Под руководством кандидата физико-математических наук Павла Коротана разработан и сдан в эксплуатацию цифровой антенный комплекс для измерения параметров слабых гидроакустических сигналов на фоне шумов судоходства.

Итак, за прошедшие три десятилетия гидрофизика в стенах ИПФ стала продуктивным разделом общей науки о колебаниях и волнах. Были не только поняты интересные явления и установлены характерные закономерности многих процессов в Мировом океане, но и разработаны эффективные методы их диагностики, создан инструментарий для проведения полномасштабных экспериментов как в лабораториях, так и в открытом океане.

Завершив краткий обзор, подчеркнем, что океан - не единственный объект наших исследований. В последнее десятилетие в Отделении появился и быстро развивается ряд новых перспективных направлений. Наиболее важные из них - когерентная сейсмоакустика, акустическая диагностика сложных виброактивных систем, нелинейная акустическая дефектоскопия. Наряду с физикой волновых процессов в верхнем слое океана и радиофизическими методами его зондирования, волновая диагностика "других" неоднородных сред и систем также становится опорной точкой развития Отделения.

* С 1975 по 1986 г. - президент АН СССР.

** См.: Н. Лаверов и др. Катастрофа на Суматре: уроки и прогнозы. - Наука в России, 2007, N 1; Технология предотвращения сейсмических ударов. - Наука в России, 2005, N 4.

*** Адаптивная оптика - раздел оптики, занимающийся разработкой оптических систем с динамическим управлением формой волнового фронта для компенсации случайных возмущений и повышения предела разрешения наблюдательных приборов, степени концентрации излучения на приемнике или мишени.


Доктор физико-математических наук Александр ЛУЧИНИН, директор Отделения гидрофизики и гидроакустики Института прикладной физики (ИПФ) РАН, заместитель директора Института по научной работе, кандидат физико-математических наук Александр МАЛЕХАНОВ, ведущий научный сотрудник того же Института

Серебряные серьги с родированием купить - купить серебряные серьги deno-silver.ru.
Авторские права на статьи принадлежат их авторам
Проект компании Kocmi LTD