Ясно видим оба. Район юго-западнее Гавайских островов».
Как убедились на Земле, в этом районе действительно под водой простиралась горная цепь. Но ведь она на глубине сотен метров. А по законам физики толща воды более 100 м совершенно непрозрачна. Как могли «Протоны» заглянуть невооруженным 'глазом на такую глубину? Было от чего прийти в недоумение ученым.
В мае – июне 1980 г. подводный рельеф дна океана наблюдали с «Салюта-6» Л. И. Попов и В. В. Рюмин. В мае 1980 г. в юго-восточной части Атлантического океана они увидели бирюзовое пятно диаметром 30–40 км. Координаты и размеры пятна практически совпадали с координатами и размерами подводной горы Юинг. 27 июня космонавты дважды наблюдали рельеф дна Тихого океана. Космонавты рассказывали, что воспринимали подводные горные хребты как образы гор, а не как изменение оптических характеристик воды. Хребты выглядят из космоса так, будто их неровно покрасили в землисто-серый или бирюзовый цвет. Космонавты безошибочно отличали их от пятен планктона или взвеси в океане.
Как же можно объяснить этот физический феномен? Визуальное обнаружение из космоса элементов рельефа дна шельфовых районов моря объясняется однозначно. Ученые пришли к выводу, что атмосфера как бы отфильтровывает многократные отражения световых волн, которые «запутывают» общую картину, превращая видимые предметы в невидимые. Схематически это происходит следующим образом. Луч солнца, достигнув дна, отражается от него и возвращается на приемник излучения с небольшой, но вполне достаточной интенсивностью, а все попутные многократные отражения поглощаются атмосферой.
Данное крупное открытие в атмосферной оптике позволило создать метод исследования водных масс и топографии дна озер, рек, морского и океанского шельфа.
С его помощью, например, сквозь толщу морских вод удалось разглядеть на дне шельфовых областей погребенные русла древних рек, древние дельты, где тысячелетиями по крупинкам скапливались полезные ископаемые, выносимые течениями.
В связи с обнаружением космонавтами объектов в толще вод океанов на глубинах более 1000 м академик Г. И. Марчук высказал гипотезу. Если бы морская вода не давала многократного рассеяния солнечных лучей, то тогда освещение доходило бы до дна, отражалось бы и попадало в глаза космонавта или в объектив фотоаппарата. Но вода – среда оптически мутная, и в ней свет идет не только в прямом направлении, но и многократно рассеивается. Наблюдатель же, смотрящий в воду непосредственно с поверхности, воспринимает рассеянный свет. Из-за этого предметы на глубине более 40 м даже в чистой воде практически не видны.
На Байкале, где вода особенно чистая, уже с самолета глубина видимости предметов увеличивается до 150–200 м в зависимости от высоты полета. Не исключено, что из космоса при хорошем освещении и при наблюдении под определенным углом можно увидеть предметы на глубине 700 или 1000 м. И это действительно установили космонавты. В чем дело? Атмосфера играет роль фильтра, и чем толще ее слой, через который проходят рассеянные лучи, тем эффективнее этот фильтр. Он пропускает только однократно отраженные световые волны. Впрочем, это лишь гипотеза.
Академик АН УССР Б. А. Нелепо по поводу этого космического феномена высказывает предположение, что именно на подводных хребтах рождаются так называемые внутренние волны, которые изменяют распределение оптических характеристик воды. Видимо, космонавты наблюдают отражение этих процессов на поверхности океана, а считают, что видят сами хребты.
Но если взаимосвязи видимого и фактически существующего будут точно определены, то открывается возможность изучения рельефа дна океана путем фиксирования изменений оптических характеристик воды над элементами рельефа дна.
И еще одно возможное объяснение этого феномена. Если на дне океана залегают более тяжелые породы, то водная масса притягивается сильнее и водная поверхность как бы прогибается в сторону этих тяжелых пород. Определено, что впадинам океанского дна (где располагаются, как правило, тяжелые породы) соответствуют поверхностные водные впадины. Может быть, это явление и объясняет изменение оптических свойств водной поверхности над подводными хребтами. А в итоге появляется возможность наблюдения их с орбиты.
Известный советский географ В. И. Магидович высказывает по этому поводу еще одну гипотезу. Космонавты видели не самые подводные поднятия, а их изображения, созданные планктоном или взвешенными в воде частицами, на расположение которых оказывает воздействие рельеф дна.
По мнению доктора технических наук профессора А. И. Лазарева, лучше всего наблюдать дно морей и океанов, когда контраст между яркостью дна и океана максимальный, а он, как известно, зависит от условий освещения, наблюдения и от прозрачности морской воды. Анализ условий показывает, что глубина, на которой возможны наблюдения рельефа дна, существенно зависит от высоты, с которой ведутся наблюдения. Этот неожиданный эффект связан с тем, что в элемент разрешения зрительной системы наблюдателя попадает и прямое излучение от дна, и то, которое рассеивается толщей воды. Таким образом, космонавты могут фактически видеть подводные горы при определенном, особом сочетании условий их освещения и наблюдения из космоса.
Как видим, гипотез и предложений по поводу феномена много, но истина не раскрыта.
Глава VI
Все ли тайны океана раскрыты!
Друзья мои, где вы сейчас,
Узнать я не могу.
Давненько что-то не встречал
Я вас на берегу.
Но от разлук и непогод
Есть песни и баян.
Уходит флот, Советский флот
Работать в океан.
Игорь Смирнов
Океан – акустическое королевство кривых зеркал
Именно так назвал океан наш виднейший гидроакустик академик Л. М. Бреховских в одной из своих статей. И в этом метком определении заложен глубокий смысл. Вспомним, во-первых, что только звуковые волны в отличие от любых электромагнитных колебаний могут распространяться в океане на большие расстояния. Даже всесжигающий мощный луч оптического лазера в водной среде способен пройти всего лишь сотни метров. Но почему королевство кривых зеркал? Дело в том, что искривление направления распространения звуковых колебаний в водной среде связано с ее неоднородностью. Мы уже познакомились ранее с различными видами неоднородностей в океане. Океан – это слоеный пирог, где каждый слой характеризуется своей температурой, плотностью и соленостью, следовательно, и скорость распространения звука в каждом слое будет различной.
Искривления траектории распространения звуковой волны в океане объясняются общим законом природы: волны в любых средах уходят из зон с повышенной скоростью распространения и стремятся в зоны с меньшей скоростью.
Именно действием этого всеобщего закона объясняется возникновение такого природного явления, как подводный звуковой канал (ПЗК), открытый в 1946 г. советскими и американскими учеными независимо друг от друга. Оказалось, что звуковые колебания способны распространяться в океане на расстояния более 11 000 миль от одного континента до другого, пересекая океаны.
В 1951 г. советские ученые Л. М. Бреховских (ныне академик), доктор технических наук Л. Д. Розенберг, Б. Н. Карлов и Н. И. Сигачев были удостоены за это открытие Государственной премии СССР 1-й степени.
ПЗК возникает тогда, когда скорость звука с глубиной сперва уменьшается, а затем по ряду причин снова возрастает. Только в этом случае звуковые волны не достигают дна, где при отражении рассеиваются, а движутся как бы в определенном канале с минимальной потерей энергии. (Отражение звуковых колебаний от поверхности воды не влияет на дальность их распространения, так как происходит без потерь звуковой энергии.)
Обычно рост скорости звука с глубиной вызван уменьшением сжимаемости воды. Правда, одновременно растет плотность воды, что вызывает уменьшение скорости (она обратно пропорциональна корню квадратному из произведения сжимаемости среды на ее плотность). ПЗК и возникает именно тогда, когда с глубиной влияние уменьшения сжимаемости превысит воздействие роста плотности.
Оказалось, что ПЗК существует в любом море и океане, в районах, где глубины достаточно велики. Правда, ось ПЗК (слой воды, где скорость звука минимальна) находится на различных глубинах. В Арктике она поднята к поверхности, в центральной Атлантике – погружена на глубину более 1000 м. Возможен и двухосевой ПЗК. Это значит, что в данном районе океана имеются два слоя, где скорость звука минимальна.
Академик Л. М. Бреховских считает, что возможности ПЗК далеко еще не использованы. В настоящее время ученые думают применить его для создания системы акустической томографии (в переводе с латинского – «послойного описания») океана, позволяющей осуществлять непрерывное наблюдение за состоянием водных масс и их движением сразу на огромных акваториях океана (площадью до 1 млн. км2). Акустическая томография океана, позволяющая контролировать процессы в толще океана, будет весьма удачно дополнять космическую систему наблюдения океана. Последняя использует электромагнитные волны различных диапазонов, которые дают нужную информацию с поверхности океана, но не проникают в толщу вод.
Известно также, что в космосе из-за вакуума звуковые волны не распространяются, но зато там прекрасные условия для электромагнитных волн. Поэтому исследователи, изучающие Землю из космоса, используют электромагнитные волны, а океанологи исследуют океан с помощью акустических волн. И вот возникает любопытнейшая научная идея: а что если создать специальные преобразователи электромагнитных волн в акустические? Ведь тогда с помощью космонавтов или автоматических орбитальных спутников мы бы смогли достаточно точно прощупывать не только атмосферу, но и глубины океана.
Современная акустика океана – это передовые рубежи океанологии. С ее возможностями познакомимся на одном характерном примере. Широкое использование акустических эхолотов привело к нередкой регистрации «дна-призрака». В этих случаях регистраторы эхолотов отмечали дно на глубине 400–600 м, а при опускании обычного лота-груза на тросе глубина в этих местах оказывалась равной нескольким километрам.
Более тщательное наблюдение за «дном-призраком» выявило, что оно меняет свое положение: утром опускается на глубину, а вечером поднимается к поверхности воды. Ясно было, что эхолот отмечал какой-то перемещающийся объект, видимо, относящийся к живой природе.
После проведения отловов в этих перемещающихся слоях ученые обнаружили там скопления зоопланктона.
Этим дело полностью не прояснилось. Акустики рассчитали, что фактическая концентрация в океане зоопланктона не могла вызвать наблюдаемый звукорассеивающий эффект. Они предложили гидробиологам поискать более крупные объекты. И эти объекты были найдены – ими оказались небольшие рыбы и ракообразные длиной до 10–12 см.
Тогда ученые выдвинули новую гипотезу: причиной появления «дна-призрака» явилось рассеивание звуковых колебаний плавательными пузырями рыб. Физики давно уже знали, что небольшие газовые полости являются акустическими резонаторами, которые сильно рассеивают звуковые колебания определенной для каждой полости частоты. Значит, если частота звука, излучаемая эхолотом, была близка к резонансной частоте плавательных пузырей, то последние начинали резонировать и создавать сильное рассеянное поле.
Оказалось, что даже одна-две рыбки в объеме 1000 м3уже дают эффект рассеяния, близкий к фактически наблюдаемому в океане. Дальнейшие углубленные исследования показали, что рассеивающий эффект возникает и от рыб, и от скоплений зоопланктона. Только последний дает значительный эффект при более высоких излучаемых акустическими приборами частотах.
Значит, звукорассеивающий слой («дно-призрак») состоит из совокупности мелких рыб, зоопланктона и некоторых других представителей океанской фауны.
Ученые разобрались и с причиной вертикальных перемещений этого слоя. С наступлением ночи зоопланктон поднимается вверх, чтобы кормиться и поедать фитопланктон, находящийся только в поверхностных слоях. Рыбы, естественно, следуют за зоопланктоном, так как это уже их пища.
Утром зоопланктон опускается в глубины, где ниже температура воды, и все процессы жизнедеятельности замедляются. Так мудрая природа осуществляет экономию энергии в живых системах. То же можно сказать и по поводу рыбок – второй составляющей содержимого звукорассеивающего слоя.
Гидроакустики нашли практическое применение этому эффекту звукорассеивания. Оказалось, что анализ частот звуковых колебаний, рассеиваемых на том или ином конкретном слое «дна-призрака», позволяет определить качественный состав биоты звукорассеивающего слоя. Такой способ более эффективен, чем простой отлов. Во-первых, такие измерения можно делать на ходу судна. Во-вторых, эффективность траления обычно мала – до 90 % рыбы из данного слоя воды может избежать попадания в трал. И конечно, не нужны затраты времени и усилий на траления, необходимо только обеспечить работу излучателя.
Ясно одно – применение гидроакустики для нужд гидробиологии, а затем и в чисто практических целях будет возрастать. Ведь биологические объекты звукорассеивающего слоя – это пища для более крупных рыб. Значит, появляется возможность оценивать наличие и вид кормовой базы для рыбных стад.
Изучение акустики океана потребовало создания соответствующих технических средств – специально приспособленнных для этого судов. Первыми советскими НИС, хорошо оснащенными акустической техникой, были «Сергей Вавилов» и «Петр Лебедев», принадлежавшие Акустическому институту АН СССР и названные в честь видных советского и русского физиков. Эти корабли науки были созданы путем переоборудования сухогрузных судов финской постройки водоизмещением 4600 т. Разработка проекта и переоборудование явились результатом настойчивых усилий ученых лаборатории акустических методов исследования океана Акустического института АН СССР и Отдела морских экспедиционных работ АН СССР.
Каждое судно имело пять лабораторий: гидроакустики, электроники, гидрологии, гидробиологии, гидрохимии. Суда были хорошо оборудованы необходимыми научными приборами, установками, аппаратурой. Вместе с тем научный комплекс судна не представлял просто набора отдельных лабораторий, а являлся единой связанной системой. Вся информация, собранная во время любого производимого эксперимента, стекалась в центральную лабораторию, где регистрировалась и анализировалась. «Сергей Вавилов» был первым советским НИС, на борту которого установили ЭВМ.
Суда вышли в свой первый атлантический рейс в декабре 1960 г. Оба судна обычно работали в океане одновременно в параллельно расположенных районах. Благодаря этому осуществлялись синхронные наблюдения за сложными гидрофизическими явлениями, происходившими в поверхностном слое океана и на глубине.
Помимо акустических исследований, которые являлись основными, главными для этих судов, с их борта проводились планомерные площадные съемки рельефа дна Атлантического океана, геологические исследования с помощью акустической аппаратуры и подводных телевизоров.
Суда были приспособлены для проведения глубоководного траления, что позволило в малоисследованных районах выловить интересные и почти неизученные экземпляры глубоководной фауны.
Безусловно, главным было проведение в период экспедиционных рейсов разнообразных гидрофизических исследований, измерение параметров волнения поверхности океана и приповерхностного слоя, изучение внутренних волн, измерение температурных полей водных масс.
Особую ценность представили проведенные акустические исследования. Ученые измеряли шумы океана в широком диапазоне частот при различных состояниях его поверхности в разных метеоусловиях.
Обычно на этих судах работали одновременно несколько акустических отрядов, каждый из которых изучал отдельную важную проблему акустики океана. Так, одной группой изучались законы отражения звука от дна, а другой – распространение звука в толще вод, третья группа изучала характеристики звукорассеивающих слоев и т. д.
Результаты акустических исследований, проведенных на этих судах в 60 – 70-х гг., были обобщены в коллективной монографии «Акустика океана», выпущенной из печати в 1974 г. и через несколько лет удостоенной Государственной премии СССР.
Проходят годы, славные имена кораблей науки не исчезают, а передаются новым, более совершенным судам. Именно поэтому новое НИС для комплексных гидрофизических исследований, которое вступило в строй в феврале 1988 г., названо вновь именем выдающегося советского физика президента АН СССР в 1945–1951 гг.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Как убедились на Земле, в этом районе действительно под водой простиралась горная цепь. Но ведь она на глубине сотен метров. А по законам физики толща воды более 100 м совершенно непрозрачна. Как могли «Протоны» заглянуть невооруженным 'глазом на такую глубину? Было от чего прийти в недоумение ученым.
В мае – июне 1980 г. подводный рельеф дна океана наблюдали с «Салюта-6» Л. И. Попов и В. В. Рюмин. В мае 1980 г. в юго-восточной части Атлантического океана они увидели бирюзовое пятно диаметром 30–40 км. Координаты и размеры пятна практически совпадали с координатами и размерами подводной горы Юинг. 27 июня космонавты дважды наблюдали рельеф дна Тихого океана. Космонавты рассказывали, что воспринимали подводные горные хребты как образы гор, а не как изменение оптических характеристик воды. Хребты выглядят из космоса так, будто их неровно покрасили в землисто-серый или бирюзовый цвет. Космонавты безошибочно отличали их от пятен планктона или взвеси в океане.
Как же можно объяснить этот физический феномен? Визуальное обнаружение из космоса элементов рельефа дна шельфовых районов моря объясняется однозначно. Ученые пришли к выводу, что атмосфера как бы отфильтровывает многократные отражения световых волн, которые «запутывают» общую картину, превращая видимые предметы в невидимые. Схематически это происходит следующим образом. Луч солнца, достигнув дна, отражается от него и возвращается на приемник излучения с небольшой, но вполне достаточной интенсивностью, а все попутные многократные отражения поглощаются атмосферой.
Данное крупное открытие в атмосферной оптике позволило создать метод исследования водных масс и топографии дна озер, рек, морского и океанского шельфа.
С его помощью, например, сквозь толщу морских вод удалось разглядеть на дне шельфовых областей погребенные русла древних рек, древние дельты, где тысячелетиями по крупинкам скапливались полезные ископаемые, выносимые течениями.
В связи с обнаружением космонавтами объектов в толще вод океанов на глубинах более 1000 м академик Г. И. Марчук высказал гипотезу. Если бы морская вода не давала многократного рассеяния солнечных лучей, то тогда освещение доходило бы до дна, отражалось бы и попадало в глаза космонавта или в объектив фотоаппарата. Но вода – среда оптически мутная, и в ней свет идет не только в прямом направлении, но и многократно рассеивается. Наблюдатель же, смотрящий в воду непосредственно с поверхности, воспринимает рассеянный свет. Из-за этого предметы на глубине более 40 м даже в чистой воде практически не видны.
На Байкале, где вода особенно чистая, уже с самолета глубина видимости предметов увеличивается до 150–200 м в зависимости от высоты полета. Не исключено, что из космоса при хорошем освещении и при наблюдении под определенным углом можно увидеть предметы на глубине 700 или 1000 м. И это действительно установили космонавты. В чем дело? Атмосфера играет роль фильтра, и чем толще ее слой, через который проходят рассеянные лучи, тем эффективнее этот фильтр. Он пропускает только однократно отраженные световые волны. Впрочем, это лишь гипотеза.
Академик АН УССР Б. А. Нелепо по поводу этого космического феномена высказывает предположение, что именно на подводных хребтах рождаются так называемые внутренние волны, которые изменяют распределение оптических характеристик воды. Видимо, космонавты наблюдают отражение этих процессов на поверхности океана, а считают, что видят сами хребты.
Но если взаимосвязи видимого и фактически существующего будут точно определены, то открывается возможность изучения рельефа дна океана путем фиксирования изменений оптических характеристик воды над элементами рельефа дна.
И еще одно возможное объяснение этого феномена. Если на дне океана залегают более тяжелые породы, то водная масса притягивается сильнее и водная поверхность как бы прогибается в сторону этих тяжелых пород. Определено, что впадинам океанского дна (где располагаются, как правило, тяжелые породы) соответствуют поверхностные водные впадины. Может быть, это явление и объясняет изменение оптических свойств водной поверхности над подводными хребтами. А в итоге появляется возможность наблюдения их с орбиты.
Известный советский географ В. И. Магидович высказывает по этому поводу еще одну гипотезу. Космонавты видели не самые подводные поднятия, а их изображения, созданные планктоном или взвешенными в воде частицами, на расположение которых оказывает воздействие рельеф дна.
По мнению доктора технических наук профессора А. И. Лазарева, лучше всего наблюдать дно морей и океанов, когда контраст между яркостью дна и океана максимальный, а он, как известно, зависит от условий освещения, наблюдения и от прозрачности морской воды. Анализ условий показывает, что глубина, на которой возможны наблюдения рельефа дна, существенно зависит от высоты, с которой ведутся наблюдения. Этот неожиданный эффект связан с тем, что в элемент разрешения зрительной системы наблюдателя попадает и прямое излучение от дна, и то, которое рассеивается толщей воды. Таким образом, космонавты могут фактически видеть подводные горы при определенном, особом сочетании условий их освещения и наблюдения из космоса.
Как видим, гипотез и предложений по поводу феномена много, но истина не раскрыта.
Глава VI
Все ли тайны океана раскрыты!
Друзья мои, где вы сейчас,
Узнать я не могу.
Давненько что-то не встречал
Я вас на берегу.
Но от разлук и непогод
Есть песни и баян.
Уходит флот, Советский флот
Работать в океан.
Игорь Смирнов
Океан – акустическое королевство кривых зеркал
Именно так назвал океан наш виднейший гидроакустик академик Л. М. Бреховских в одной из своих статей. И в этом метком определении заложен глубокий смысл. Вспомним, во-первых, что только звуковые волны в отличие от любых электромагнитных колебаний могут распространяться в океане на большие расстояния. Даже всесжигающий мощный луч оптического лазера в водной среде способен пройти всего лишь сотни метров. Но почему королевство кривых зеркал? Дело в том, что искривление направления распространения звуковых колебаний в водной среде связано с ее неоднородностью. Мы уже познакомились ранее с различными видами неоднородностей в океане. Океан – это слоеный пирог, где каждый слой характеризуется своей температурой, плотностью и соленостью, следовательно, и скорость распространения звука в каждом слое будет различной.
Искривления траектории распространения звуковой волны в океане объясняются общим законом природы: волны в любых средах уходят из зон с повышенной скоростью распространения и стремятся в зоны с меньшей скоростью.
Именно действием этого всеобщего закона объясняется возникновение такого природного явления, как подводный звуковой канал (ПЗК), открытый в 1946 г. советскими и американскими учеными независимо друг от друга. Оказалось, что звуковые колебания способны распространяться в океане на расстояния более 11 000 миль от одного континента до другого, пересекая океаны.
В 1951 г. советские ученые Л. М. Бреховских (ныне академик), доктор технических наук Л. Д. Розенберг, Б. Н. Карлов и Н. И. Сигачев были удостоены за это открытие Государственной премии СССР 1-й степени.
ПЗК возникает тогда, когда скорость звука с глубиной сперва уменьшается, а затем по ряду причин снова возрастает. Только в этом случае звуковые волны не достигают дна, где при отражении рассеиваются, а движутся как бы в определенном канале с минимальной потерей энергии. (Отражение звуковых колебаний от поверхности воды не влияет на дальность их распространения, так как происходит без потерь звуковой энергии.)
Обычно рост скорости звука с глубиной вызван уменьшением сжимаемости воды. Правда, одновременно растет плотность воды, что вызывает уменьшение скорости (она обратно пропорциональна корню квадратному из произведения сжимаемости среды на ее плотность). ПЗК и возникает именно тогда, когда с глубиной влияние уменьшения сжимаемости превысит воздействие роста плотности.
Оказалось, что ПЗК существует в любом море и океане, в районах, где глубины достаточно велики. Правда, ось ПЗК (слой воды, где скорость звука минимальна) находится на различных глубинах. В Арктике она поднята к поверхности, в центральной Атлантике – погружена на глубину более 1000 м. Возможен и двухосевой ПЗК. Это значит, что в данном районе океана имеются два слоя, где скорость звука минимальна.
Академик Л. М. Бреховских считает, что возможности ПЗК далеко еще не использованы. В настоящее время ученые думают применить его для создания системы акустической томографии (в переводе с латинского – «послойного описания») океана, позволяющей осуществлять непрерывное наблюдение за состоянием водных масс и их движением сразу на огромных акваториях океана (площадью до 1 млн. км2). Акустическая томография океана, позволяющая контролировать процессы в толще океана, будет весьма удачно дополнять космическую систему наблюдения океана. Последняя использует электромагнитные волны различных диапазонов, которые дают нужную информацию с поверхности океана, но не проникают в толщу вод.
Известно также, что в космосе из-за вакуума звуковые волны не распространяются, но зато там прекрасные условия для электромагнитных волн. Поэтому исследователи, изучающие Землю из космоса, используют электромагнитные волны, а океанологи исследуют океан с помощью акустических волн. И вот возникает любопытнейшая научная идея: а что если создать специальные преобразователи электромагнитных волн в акустические? Ведь тогда с помощью космонавтов или автоматических орбитальных спутников мы бы смогли достаточно точно прощупывать не только атмосферу, но и глубины океана.
Современная акустика океана – это передовые рубежи океанологии. С ее возможностями познакомимся на одном характерном примере. Широкое использование акустических эхолотов привело к нередкой регистрации «дна-призрака». В этих случаях регистраторы эхолотов отмечали дно на глубине 400–600 м, а при опускании обычного лота-груза на тросе глубина в этих местах оказывалась равной нескольким километрам.
Более тщательное наблюдение за «дном-призраком» выявило, что оно меняет свое положение: утром опускается на глубину, а вечером поднимается к поверхности воды. Ясно было, что эхолот отмечал какой-то перемещающийся объект, видимо, относящийся к живой природе.
После проведения отловов в этих перемещающихся слоях ученые обнаружили там скопления зоопланктона.
Этим дело полностью не прояснилось. Акустики рассчитали, что фактическая концентрация в океане зоопланктона не могла вызвать наблюдаемый звукорассеивающий эффект. Они предложили гидробиологам поискать более крупные объекты. И эти объекты были найдены – ими оказались небольшие рыбы и ракообразные длиной до 10–12 см.
Тогда ученые выдвинули новую гипотезу: причиной появления «дна-призрака» явилось рассеивание звуковых колебаний плавательными пузырями рыб. Физики давно уже знали, что небольшие газовые полости являются акустическими резонаторами, которые сильно рассеивают звуковые колебания определенной для каждой полости частоты. Значит, если частота звука, излучаемая эхолотом, была близка к резонансной частоте плавательных пузырей, то последние начинали резонировать и создавать сильное рассеянное поле.
Оказалось, что даже одна-две рыбки в объеме 1000 м3уже дают эффект рассеяния, близкий к фактически наблюдаемому в океане. Дальнейшие углубленные исследования показали, что рассеивающий эффект возникает и от рыб, и от скоплений зоопланктона. Только последний дает значительный эффект при более высоких излучаемых акустическими приборами частотах.
Значит, звукорассеивающий слой («дно-призрак») состоит из совокупности мелких рыб, зоопланктона и некоторых других представителей океанской фауны.
Ученые разобрались и с причиной вертикальных перемещений этого слоя. С наступлением ночи зоопланктон поднимается вверх, чтобы кормиться и поедать фитопланктон, находящийся только в поверхностных слоях. Рыбы, естественно, следуют за зоопланктоном, так как это уже их пища.
Утром зоопланктон опускается в глубины, где ниже температура воды, и все процессы жизнедеятельности замедляются. Так мудрая природа осуществляет экономию энергии в живых системах. То же можно сказать и по поводу рыбок – второй составляющей содержимого звукорассеивающего слоя.
Гидроакустики нашли практическое применение этому эффекту звукорассеивания. Оказалось, что анализ частот звуковых колебаний, рассеиваемых на том или ином конкретном слое «дна-призрака», позволяет определить качественный состав биоты звукорассеивающего слоя. Такой способ более эффективен, чем простой отлов. Во-первых, такие измерения можно делать на ходу судна. Во-вторых, эффективность траления обычно мала – до 90 % рыбы из данного слоя воды может избежать попадания в трал. И конечно, не нужны затраты времени и усилий на траления, необходимо только обеспечить работу излучателя.
Ясно одно – применение гидроакустики для нужд гидробиологии, а затем и в чисто практических целях будет возрастать. Ведь биологические объекты звукорассеивающего слоя – это пища для более крупных рыб. Значит, появляется возможность оценивать наличие и вид кормовой базы для рыбных стад.
Изучение акустики океана потребовало создания соответствующих технических средств – специально приспособленнных для этого судов. Первыми советскими НИС, хорошо оснащенными акустической техникой, были «Сергей Вавилов» и «Петр Лебедев», принадлежавшие Акустическому институту АН СССР и названные в честь видных советского и русского физиков. Эти корабли науки были созданы путем переоборудования сухогрузных судов финской постройки водоизмещением 4600 т. Разработка проекта и переоборудование явились результатом настойчивых усилий ученых лаборатории акустических методов исследования океана Акустического института АН СССР и Отдела морских экспедиционных работ АН СССР.
Каждое судно имело пять лабораторий: гидроакустики, электроники, гидрологии, гидробиологии, гидрохимии. Суда были хорошо оборудованы необходимыми научными приборами, установками, аппаратурой. Вместе с тем научный комплекс судна не представлял просто набора отдельных лабораторий, а являлся единой связанной системой. Вся информация, собранная во время любого производимого эксперимента, стекалась в центральную лабораторию, где регистрировалась и анализировалась. «Сергей Вавилов» был первым советским НИС, на борту которого установили ЭВМ.
Суда вышли в свой первый атлантический рейс в декабре 1960 г. Оба судна обычно работали в океане одновременно в параллельно расположенных районах. Благодаря этому осуществлялись синхронные наблюдения за сложными гидрофизическими явлениями, происходившими в поверхностном слое океана и на глубине.
Помимо акустических исследований, которые являлись основными, главными для этих судов, с их борта проводились планомерные площадные съемки рельефа дна Атлантического океана, геологические исследования с помощью акустической аппаратуры и подводных телевизоров.
Суда были приспособлены для проведения глубоководного траления, что позволило в малоисследованных районах выловить интересные и почти неизученные экземпляры глубоководной фауны.
Безусловно, главным было проведение в период экспедиционных рейсов разнообразных гидрофизических исследований, измерение параметров волнения поверхности океана и приповерхностного слоя, изучение внутренних волн, измерение температурных полей водных масс.
Особую ценность представили проведенные акустические исследования. Ученые измеряли шумы океана в широком диапазоне частот при различных состояниях его поверхности в разных метеоусловиях.
Обычно на этих судах работали одновременно несколько акустических отрядов, каждый из которых изучал отдельную важную проблему акустики океана. Так, одной группой изучались законы отражения звука от дна, а другой – распространение звука в толще вод, третья группа изучала характеристики звукорассеивающих слоев и т. д.
Результаты акустических исследований, проведенных на этих судах в 60 – 70-х гг., были обобщены в коллективной монографии «Акустика океана», выпущенной из печати в 1974 г. и через несколько лет удостоенной Государственной премии СССР.
Проходят годы, славные имена кораблей науки не исчезают, а передаются новым, более совершенным судам. Именно поэтому новое НИС для комплексных гидрофизических исследований, которое вступило в строй в феврале 1988 г., названо вновь именем выдающегося советского физика президента АН СССР в 1945–1951 гг.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24