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 Поверхность дна океана
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".