Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Поле скорости звука и элементы его вертикальной стратификации в Атлантическом океане

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Поле скорости звука и элементы его вертикальной стратификации в Атлантическом океане"

национальная акадеш на9к укрйннв Р Г Б ОД морсш гидрофизический институт

На правах рукописи

Ломакин Павел йемьановяч

ПОЛЕ скорости звзка И элементе его вертвкаяьнои стратификации в атлантическом океане

11.00.08 - океанология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертаций па соискание ученой стелена доктора географических каук

Севастополь - 1994

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАЯК ЫКРйИНВ морской гидрофизический инстиш

На правах рукописи

Ломакин Павел Демьянович

ПОДЕ скорости зв9ка к элементе его вертикальной стратификации в атлантическом океане

11.00.08 - океанология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание дченой степени доктора географических надк

Севастополь - 1394

Диссертация является рукописью.

РаС о та выполненена в Морской гидрофизическом институт Национальной Академии наук Украины.

Официальные оппоненты:

1. Доктор географических наук, профессор Степанов Витали Николаевич (Институт Океанологии км, П.П. Мирюва РАН)

2. Доктор физико-математических наук, профессор Пантелее Николай Александрович (Морской гидрофизический институт HAH Як раины).

3. Доктор географических наук, профессор Зац Вельве Исаакович (Институт биологии вмных морей HAH Нкраины).

Ведущая организация - Акустический институт им. академм H.H. Андреева, г. Москва.

в часов на заседании специализированного совет

Д 11.01.01 по защите докторских диссертаций в Морском гидрофиз» ческом институте НАН Нкраинн (335000, г. Севастополь, ул. Каш танская,2). (С диссертацией можно ознакомиться в библиоте« Морского гидрофизического института НАН Нкраины)

Автореферат разослан 41" 1994 г.

Зачита состоится

Зченнй секретарь специализированного доктор физ.-нат.жа

г-Сцвор

0Б1ЙЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТ«. АКТЗАЛЬНОСТЬ И СТЕПЕНЬ ИЗЗЧЕННОСТИ ТЕМАТИКИ ДИССЕРТАЦИИ.

Звдко1ве волны (механические кодебаниа разряжения и сжатия. возникацие между частицами жидкости) - единственный изсуществующих в природе видов водновнх движений, способный передавать информации под водой на значительные расстояния. Слабо поглощаясь водной средой, звуковые волны в океане при определенных условиях могут распространяться на тнсячи миль, тогда как электромагнитное и световое излучения практически полностью гасятса на расстоянии первой сотни метров. Распространение акустических волн в океане определяется структурой и изменчивостью поля скорости звука, которая, в свое очередь, будучи прямой нелинейной функцией состояния водной средн. зависит от ее термохалинннх я кинематических свойств.

Первые исследования поля скорости звука, звуковых каналов и антиканалов, как факторов, обусловливавших распространение звуковых волн в Атлантическом океане, начатые в CIA (Вегевап. Gerjuoy. Frank,... 1945) и СССР (Бреховских, Розенберг, 1946) во время второй Кировой войны исклвчительно в военных целях, получили дальнейжее' развитие в приложении как к военным, так и мирным практическим и теоретическим задачам, связанным с освоением ресурсов океана, эффективным ведением рыбного поиска и промысла, гидротехническим строительством, упреждением землетрясений и цунами. акустической томографией и др.

Акустлческие свойства вод океанов и морей - основной предмет исследования акустической океанографии, которая, выде-ливжись из гидроакустики примерно 30 лет назад, стала составной отрасльш физической океанографии. Б отличие от физической океа-

нографии, для которой по мнении многих специалистов описательный (географический) период близок к завершение, в области акустической океанографии этот этап ещё в стадии развития.

Фундаментальна работ по акустической океанографии Атлантического океана немного. Относительно хором изучена только климатическое поле скорости звука северной части океана (Qceanographlc fit las of the Korth Atlantic Ocean. 1967: Куть-ko, 1984) и климатические параметри оси подводного звукового канала (Northrop, 1974).

Имеется отдельные работы, касавшиеся структуры и изменчивости первичных акустических характеристик и звуковых полей, наблюдаемых в океане гидрофизических процессов и явлений среднего и мелкого масытабов. Так. акустические свойства в районах распространения синоптических вихрей и внутрнтермоклинных линз описаны в статьях (Shank. 1975: Cley, 1977: Helnbere, 1977: Münk, 1979; Бреховскнх, 1982; Сабинин, 1990). Аналогичные исследования выполнены в области Гольфстрима (Uastano. 1973) и отдельных крупномасштабных течений Атлантики (Frenchl. 1973). Проявление внутренних волн в поле скорости звука, а такае в акустических полях рассмотрено в работах (Mooers, 1973, 1975: Бреховс-ких, 1982) ). Тонкоструктурным образованиям в поле скорости звука отдельных регионов Атлантики посвящена монография (Бабий. 1983).

Современные исследования фактического состояния поля скорости звука в Атлантическом океане имевт региональный характер и относятся, в основном, к северо-западной части его северной половины. До настоящего времени в океанографии пока нет обобщавших более или менее комплексных исследований поля скорости звука и элементов его вертикальной стратификации в Атлантике. Предлагав-

- 3 -

мая работа - адиа из первых таковых попыток.

Массовые данные стандартных океанографических наблвдений. накопленные в Морской гидрофизическом институте АН Вкраины, позволяет, используй расчетные методы (Hllson, 1960). значительно ; расвирить и допслнить сувествупие знания об акустических свойствах вод Атлантического океана, изучить механизмы формирования гидроакустической структуры его различных регионов в зависимости от термохалинной стратификации и кинематических характеристик.

ЦЕПЬ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ НАНЧН0Г0 ИССЯЕДОВАШЮ: ПОЛОЖЕНИЯ. ВИНОСИМНЕ НА ЗА|ИТ9

Цель работы. - (I) на основе экспериментальных данных, традиционных принципов и методов классической океанография описать структуру и изменчивость поля скорости распространения упругих колебаний, параметров звуковых каналов и антиканалов, слоев экстремального вертикального градиента скорости звука Атлантического океана в вироком диапазоне пространственно-времен-• них масштабов - от климатического (фонового) состояния и кевго-довой изменчивости исследуемых полей акустических элементов через сезонный, синоптический и мезомасвтабн до тонкоструктуркых образований и их короткопериодной изменчивости; (2) на модельном уровне (лучевое приближение) изучить влияние природных неод-нородностей водной среды (фронты, течения, вихревые образования, внутренние волны, тонкоструктурные термохалинные поля) т характеристики распространения звука под водой.

Исследована акватория Атлантического океана от тннх субполярных до северных субполярных вирот С 60* d.i. - 50° с.«,),

- 4 -

включая бассейн Карибского моря.

Для реализации указанной цеди рекались следующие задачи:

1. Разработка методики объективной типизации кривых вертикального распределения гидрофизических величин по любому заранее заданному качественному признаку структуры вод. .

2. Выполнение клкматолого-статистического анализа поля скорости звука и параметров основных звуковых каналов. Исследование формирования крупномасштабной гидроакустической структуры различных регионов океана, как функции вертикальной термохалкн-ной стратификации и кинематики вод. Классификация средних сезонных профилей скорости звука и районирование океана по типовым признакам крупномаевтабной гидроакустической структуры на основе специально разработанного объективного метода.

3. Изучение влияния промежуточных водных масс океана на крупномасштабную структуру подводного звукового канала (ПЗК) и распространение звука в кем.

4. Расчет основных параметров приповерхностного звукового канала, его классификация, исследование закономерностей сезонной трансформации и распространения звука.

5. Расчет и анализ параметров ПЗК. Классификация основного глубинного волновода по типам и видам. Исследование механизмов расслоения ПЗК на локальные каналы и антиканалы.

6. Определение амплитудно-частотного состава межгодовых колебаний скорости звука. Выявление районов с длиннопериодными аномальными отклонениями параметров ПЗК от климатических норм. Анализ сезонных я полугодовых колебаний в полях скорости звука и её вертикального градиента. Изучение влияния сезонного сдоя скачка скорости звука на лучевув структуру звукового поля в ПЗК.

7. Исследование закономерностей структуры поля скорост!

звука, звуковых каналов и особенностей распространения звуковых сигналов в районах климатических фронтов, крупномасштабных течений. вихревых образований различной природы, полей короткопери-одннх бароклиниых внутренних волн и областей океана с развитой тонкой термохалжнной структурой.

8. Изучение акустических свойств распресненннх жельфозых и прибрежных вод океана, астуаркев и изолированных бухт.

Положения, выносимые на защиту:

- классификация вертикальной гндрологоакустнческой структуры окена;

- утверждение о существовании крупномасштабного вторичного ПЗК.в Вжной Атлантике;

- закономерности формирования и трансформации приповерх-. ностного. глубинного и вторичных крупномасжтабннх акустических

волноводов, характеристики их межгодовой и сезонной изменчивости. аномалии;

- особенности структуры изучаемых полей и рефракции звука на фронтах . течениях, иезомасжтабных вихрях, внутренних волнах, тонкоструктурных образованиях и жельфовых водах.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ. ЕГО ШЧНАЯ НОВИЗНА.

Практическая и теоретическая значимость работы. Представленные в работе вероятностно-статистические характеристики о структуре и изменчивости поля скорости звука и звуковых какало» Атлантического океана могут быть использованы с целы повцження эффективности эксплуатации различных гидроакустических средств обнаружения и связи под водой (оптимальный выбор рабочих частот

- в -

и расположения акустических станций в пространстве). Впервые полученные и систематизированные данные о приповерхностном звуковом канале, особенно о его наиболее "сильных" видах, полезны для практического использовании явления дальней проводимости звуковых сигналов в верхнем слог вод океана. Закономерности трансформации приповерхностного звукового канала и слоя скачка скорости звука, вызванные действием конвективного перемешивания и выявленные на основе модельных экспериментов, позволяют применять их в прогностических целях. Основываясь на этих результатах, мокно предвидеть вероятные качественные изменения гидроакустической структуры деятельного слоя, которые могут возникнуть в процессе выхолаживания или осолонения поверхности океана. Существенно дополненные и детализированные по сравнению с известными данные о параметрах ПЗК позволят более эффективно использовать основной глубинный волновод в задачах дальней акустической связи и передачи информации на больгие расстояния. Результаты исследования горизонтальной рефракции звука и рекомендованные поправки к показаниям гидролокационных станций помогут избежать возможных ожнбок при акустическом поиске находящихся под водой объектов. Статистические сведения о гидроакустической структуре вихревых образований различной природы могут быть применены для параметризации вихрей с целью теоретических исследований распространения звука и развития акустических методов обнаружения и идентификации природных неоднородностей водной среды. Результаты ряда модельных экспериментов по изучению влияния фронтов, -течений, вихревых образований, короткопериодных бароклинных внутренних волн, тонкоструктурных термохалинных полей на распространение звука позволяют предсказывать акустические явления, возникающие в районах распространения указанных неоднородностей океанических

во*.

В целом работа может бить использована в качестве учебника по акустической океанографии для курсантов военно-морских институтов и студентов океанографических специальностей. Е8 также можно рекомендовать как учебное и практическое пособие гидроакустикам, специалистам морского и промыслового флотов.

Научная новизна выполненных исследований.

- впервые разработана я представлена классификация круп-■ номаситабной вертикальной гидроакустической структуры всей акватории океана отдельно для теплого и холодного полугодий. Зто позволило выявить новые типы стратификации скорости звука, уточнить границы между известными, проследить сезонную трансформации профилей с(г).

- выявлено общее свойство, присущее крупномасштабной акустической структуре районов формирования и распространений

< промежуточных водных масс. Интрузия промежуточных водных масс служит причиной формирования крдпномасзтабннх вторичных звуковнг волноводов в Пригибралтарском районе океана, в южной частя Норвежского моря и в водах Вжной Атлантики.

- впервые получены и систематизированы сведения о параметрах приповерхностного звукового канала в океане. Выделены три

"вида канала, формирующиеся в поверхностных водах с различной вертикальной термохалинной структурой и существенно отличавщиесг акустической "силой*. Исследованы закономерности трансформации параметров приповерхностного акустического волновода, вызванный действием конвективного перемеживания. Рассмотрены особезясст распространения звука в приповерхностном канале на трассах с изменяющейся в пространстве формой профиля с(г)

- приведены новые климатические данные о границах ПЗК.

«ирине и критическом угле. Подробно описан основной глубинннй акустический волновод не освецйнных в океанографической литературе регионов Атлантики, таких как Карибское море и Мексиканский залив. Оригибралтарский район, район климатического фронта в се- -веро-западной части океана. Предложена новая классификация ПЗК. где существенно расвирен кластер двухканальнкх структур. Установлено. что в реальных условиях ПЗК в верхней части расслоен на локальные звуковые волноводы с вертикальным масвтабом 10-200 м. Причём, эти образования встречается не только в водах с развитой инверсионно-ступенчатой структурой термохалинного поля, они такие наблвдавтся в структурах с "гладким" распределением температуры и солености с глубиной и формируется за счёт неравномерного распределения вертикального градиента температуры. Найдена простая аналитическая зависимость положения оси ПЗК от вертикального градиента температуры.

- приближенно оценен амплитудно-частотный состав межгодо-внх колебаний скорости звука на поверхности северной части океана. Показано, что глобальные длиннопериоднке процессы в атмосфере и океане имеют соответствующий отклик в крупнокасвтабной гидроакустической структуре. Выявлены районы с аномальными межгодо-внии отклонениями (от климатических норм) параметров ПЗК. Представлена статистические характеристики сезонных и полугодовых колебаний скорости звука. Найдена качественная зависимость, отражавшая влияние сезонного слоя скачка скорости звука, наблюдаемого в субтропических и умеренных виротах, на структуру звукового поля в ПЗК.

- описаны закономерности гидроакустической структуры климатических фронтов и крупномасмтабннх течений, а также тонкая стратификация поля скорости звука, типичная для этих районов

океана. Остановлено, что распространение звука вдоль акустических трасс, пересекавших климатические Фронтальные зоны в прямой и обратном направлениях сопровождается качественно различными акустическими явлениями. Для района Гольфстрима. Тропической зоны океана и Карибского моря представлены детальные вероятностно-статистические характеристики тонкоструктурных образований поля скорости звука и параметров локальных звуковых каналов. Показано, что в подповерхностных и промежуточных водах с фоновой отрицательной рефракцией, возможна дальняя проводимость звука локальными акустическими каналами. Рассчитаны характерные значения углов горизонтальной рефракции звуковых лучей, которая наиболее ярко выражена в областях климатических фронтов и крупномасштабных течений. Рекомендованы поправки к показаниям гидролокатора, позволяйте упредить ожибки гидроакустического поиска | при плавании в районах крупномасштабных Фронтов н течений.

- получены и проанализированы массовые статистические данные о структуре поля скорости звука и звуковых каналов в районах существования и распространения вихревых образований различной природы: синоптических и топографических вихрей, внутри-термоклинных вихрей (линз), квазистационарных меандров крупно-масжтабных течений, полей бароклинных короткопериодных внутренних волн. На основе модельных экспериментов обнаружены неизвестные ранее акустические явления, которые могут возникать при распространении звука в вихревых полях.

- впервые исследованы н описаны закономерности структура и изменчивости акустических характеристик жельфовых и прибре^лкх вод, распреснённых материковым стоком и атмосферными осадками. Истановлено. что гидроакустические элементы этих районов океана №1 сравнение с открытыми акваториями формируются под влигннем

качественно различных факторов, отличаются собственными признаками гидроакустической структуры, которые обусловливают особую лучевую структуру звуковых полей.

РЕАЛИЗАЦИЯ Н ВНЕДРЕНИЕ НАУЧНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ.

Работа выполнена в рамках международных проектов "М0КА-РИБ", "CAMARAF" и межведомственных проектов "ВОДНА", "АКУСТИКА", "ФРОНТ", "РАЗРЕЗЫ". Ее результаты практически полностью опубликованы в центральных океанографических издательствах Украины я России. Атласы 12,31 (см. список публикаций) с рекомендациями по практическому использованию переданы во все крупные мореведчес-кие учреждения и исследовательские военно-морские центры указанных стран. Атлас Е33 по официальным запросам отослан.в CIA и Бельгию. Атлас £43. передан в ВНЕСКО.

АПРОБАЦИЯ И ПУБЛИКАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ, СТРУКТУРА И .ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИОННОИ РАБОТЫ.

Апробация работы. Основные результаты работы представлялись и докладывались на II (Ялта, 1982) и III (Ленинград, 1987) Всесоюзных съездах океанологов, на III дальневосточной конференции "Человек и океан (Владивосток. 1982), на Всесоюзной конференции "Перспективные методы планирования и анализа экспериментов при исследовании случайных полей и процессов" (Москва, 1982), на бассейновой секции "Индийский океан и южные моря" (Севастополь, 1982), на Всесоюзном совещании по техническим средствам изучения Мирового океана (Геленджик, 1983), на Совещаниях пользователей океанографической информацией (Обнинск. 1983, 1987), на I Всесоюзной конференции по географии океана (Кали-

никград, 1983). на Всесоюзной конференции "Проблемы научных исследований в области изучения и освоения Мирового океана" (Владивосток. 1983), на Всесоюзной симпозиуме "Тонкая структура в синоптическая изменчивость морей и океанов (Таллин. 1984). на II международной сессии по исследование мангровых зон тропического побережья Африки "СШШ" (Конакри, 1990). на объединённом семинаре институтов Акустики и Океанологии АН СССР (Москва. 1991).

Полностью диссертации докладывались и обсуждались на семинаре отдела океанографии и на теоретическом семинаре Морского гидрофизического института АН Украины (1994 г.).

Публикации. Результаты диссертаций опубликованы в монографии. 3 атласах, 4 препринтах и 36 статьях.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения. Содержит 260 страниц иавхнопнского текста, 37 страниц с рисунками. Список литературы включает 173 наименования, примерно половина из которых - работы американских исследователей.

КОНКРЕТНЫЙ ЛИЧНЫЙ ВКЛАД ДИССЕРТАНТА В РАЗРАБОТКУ

НАУЧНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ. КОТОРНЕ ВЫНОСЯТСЯ НА ЗА1ИТУ.

Непосредственно автором при участии в рейсах на рыбопоисковых и научно-исследовательских судах получены интересные эмпирические данные и сформированы массивы, позволивмне исследозать I гидрологоакустические поля Сформирующие их причины в иалитаа-ченных районах океана - мангровых эстуариях тропических рек. тропических жельфах. субполярных и полярных виротах океана, йк разработаны алгоритмы и методические приемы обработки и анализа

массовых первичных гидроакустических характеристик, а также выполнена значительная часть расчетов и числзнных экспериментов, проанализированы все результаты. В написанных совместно статьях автору принадледит постановка и реализация задач. Интерпретации результатов общая.

МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОД ОКЕАНА.

Основные результаты получены путем статистического анализа полей расчетной скорости звука и элементов ее вертикальной стратификации. Аналогично методике, принятой в С1А и других странах, при расчете скорости звука использована вторая формула Вильсона.

Исходными данными послухили массивы климатических, фактических батометрических и зондовых данных наблвдений за температурой и соленостью, накопленные в Морском гидрофизическом институте АН Украины.

Основные результаты работы получены на базе экспериментальных данных. Некоторые практически важные вопросы, режение которых на эмпирическом уровне пока невозможно из-за отсутствия специальных наблвдений. были рассмотрены при помощи методов численного моделирования. Структура звуковых полей при различных I гидрологических ситуациях исследована в лучевом приближении. При этом использованы одно- к двумерная лучевые модели со сплайн-аппроксимацией профилей вертикального распределения скорости звука.

- 13 -С0ЛЕР1АНИЕ РАБОТН.

Во введении представлен исторический очерк становления я . развития акустической океанографии. Сделан о15зор имеющихся публикаций. отражавший степень изученности акустических своств вод Атлантического океана. Сфоркултровани цель и задачи работи. Кратко изложено содервание диссертации. Описанв использованное массивы данных наблюдений, методика их обработки к анализа.

Первая глава посвяжена климатолого-статистическоиу исследовании крупномасштабной гидроакустической структуры Атлантического океана.

Кратко описаны разработанный автором метод объективной - типизации кривых вертикального распределения гидрофизических величин, суть которого заключается в специальной адаптации исходных данных относительно последующей их кластеризации при псыеши стандартных процедур кластер-анализа.

В результате применения данного метода предложена классификация средних сезонных профилей с(2) и проведено районирование акватории Атлантики по типовым кривим вертикального распределения скорости звука для теплого и холодного полугодий.

Показано, что в теплое время года в Северной Атлантике существует весть типов вертикальной гидроакустической структуры: Субарктический Западный, характеризуемый подповерхностным термическим звуковым каналом. Субарктический Восточный со слабым гид-I ростатнческим ПЗК. ось которого расположена в подповерхностных водах; Средиземноморский, для которого свойственна двухканалькаа структура; Субтропический Центральный, где кроме глубинного ПЗК

наблвдается подповерхностный гидростатический канал слоя центральной 18*С - воды; Субтропический с налоградиеглши подповерхностным слоем и глубинным ПЗК; Тропический, для которого типичен вмсокоградиентный подповерхностный сдой и глубинный гидростатический ПЗК.

Тропический тип вертикальной стратификации скорсти звука имеет две модификации, наблюдаемые в Карибском море и во впадине Карьяко. ПЗК Карибского моря примерно на 500 м уме, чем канал прилегавших к морв глубоководных акваторий океана. Во впадине Карьяко ось гидростатического ПЗК залегает на глубине 200 м и находится примерно на уровне изолирующего впадину порога.

Зимняя термическая конвекция - основной механизм, вызывавший качественные сезонные преобразования в вертикальной гидроакустической структуре высоких широт северной половины океана.

В холодное полугодие Субарктический Западный и Субарктический Восточный типы сменяются единый Субарктическим типом гидроакустической структуры. Ему свойственен гидростатический канал с осьв на поверхности океана и с нишней границей у дна.

В северо-восточной Атлантике в зто время года под влиянием конвекции на средиземноморскув двухканальную структуру формируется Восточный тип стратификации скорости звука. Он характеризуется иощным гидростатическим каналом конвективного сдоя с осьв на поверхности океана и нивним ПЗК средиземноморской структуры. Средиземноморский, Субтропический, Субтропический Центральный к Тропический типы не испытывает качественных сезонных преобразований. Однако, акватории распространения Средиземноморского и Субтропического Центрального типов существенно сокращается в зимнее время года по сравнении с летним.

В Вкной Атлантике количество типов гидроакустической

структуры меньше чек в Северной. Здесь также набладается Тропический тип структуры. В центральной части Вжного ант'ициклони-ческого круговорота и на его перифериях выделены Субтропический > Центральный Вжный и Субтропический 1жный типы стратификации, которые качественно анологячны соответствушщим типам структуры субтропических и умеренных вирот Северного полушария. Основные качественные признаки, присудив Субарктическому Западному типу вод, обнаружены в Субантарктическом климатической зоне.

Одним из значимых факторов, определявших свойства крупномасштабной стратификации фактического поля скорости звука и характеристик ПЗК в Вжной Атлантике, является промежуточный слой с инверсионным распределением температуры. Этот слой, как составной элемент Субантарктической водной массы, формируется в теплое полугодие в Субантарктике и в трансформированном виде прослеживается от южных полярных до северных тропических широт. Инверсионный слой служит причиной формирования вторичного звукового волновода под осьв основного ПЗК в Зжной и Центральной Атлантике.

Анализ поля стандартного отклонения скорости звука позволил выявить районы с экстремально высокой изменчивостью акустических характеристик. К ним относятся зона климатического фронта в Северо-Западной Атлантике, Пригибралтарский район океана, районы Западно-Африканского апвеллинга, Экваториально-Тропическая область, восточная часть Мексиканского залива.

Результаты, изложенные в Главе II, представляют попытку исследования механизма формирования и свойств акустического во*. новода верхнего квазиоднородного слоя океана, систематические сведения о котором отсутствуют.

В приповерхностных водах океана наблюдается звуковой вол-

новод с осью на поверхности и нижней границей, расположенной примерно и верхней части слоя скачка основных гидрофизических алементов. Выделено три типа приповерхностного звукового канала: гидростатический, который формируется в результате преобладающего влияния на вертикальное распределение скорости звука гидростатического давления: халинный, связанный с высоким положительным вертикальным градиентом солености: термический, распространенный в водах с инверсионным распределением температуры.

Относительно слабый гидростатический приповерхностный акустический волновод наиболее характерен для Атлантики. Он распространен на обжирных акваториях океана в пределах верхнего квазкоднородного по температуре и солености слое. Его критический угол, как правило, яе превынает 1-2', вирина изменяется от нескольких десятков до нескольких сотен метров.

Халинный канал характерен для распресненных материковым

\

стоком прибрежных и жельфовых вод. Он также наблюдается в открытых водах Зкваториально-Тропической зоны океана, где вызван выпадающими на поверхность осадками Внутритропической Зоны Конвергенции и адвекцией распресненных жельфовых вод.

Термический приповерхностный звуковой канал наиболее часто встречается в районах климатических и стоковых фронтов и крупномасжтабных течений.

Халинный и термический каналы при небольжой жирине, которая в редких случаях превыжает несколько десятков метров, обладают максимальной акустической "силой" (их критический угол достигает 4-10*) и способны концентрировать значительную часть звуковой энергии излучателей, оказавжихся в пределах кх границ.

Конвективное перемеживание - один из наиболее значимых Факторов, вызывающих существенные количественные и качественные

изменения параметров приповерхностного звукового канала и слоя скачка скорости звука. Эстановлено, что в водах с различгой вертикальной териохалкнной структурой трансформация профиля сСх) в деятельном слое океана под влиянием термической к хаяиньой стадий конвекции подчинена определенннм закономерностям.

В водах с положительна« вертикальным градиентом солености в верхнем слое океана термическая стадия конвективного переменн-вания приводит к формирования приповерхностного термического волновода и слоя скачка с четко выраженным положительным градиентом скорости звука. Наиболее сложная трансформация профиля с(2) вызывается в структурах этого типа при халинной стадии. Она сопровождается формированием и последуванм исчезновением подповерхностного локального акустического канала; возникновением слоя скачка с отрицательным градиентом скорости звука и характерной точки смены знака градиента: немонотонный ходом во времени значений скорости звука в конвективном слое.

В структурах • с близким к нули иди отрицательны!? вертикальным градиентом солености обе стадии конвекции приводят к возникновении скачка скорости звука с отрицательным градиентом, который в ходе конвективного перемешивания быстро заглубляется и усиливается. В конвективном слое при этом наблюдается гидростатический канал,

.На основе сопоставления результатов численных экспериментов по моделировании трансформации профиля с(г) в структуре Субантарктического типа под действием термической стадии конвекция с экспериментальными данными, удалось выяснить причину {я.рккрс-■ вания можного термического приповерхностного волновода, наблюдаемого во время начала зимнего выхолаживания в субантарктических водах. Приповерхностный термический звуковой канал в Субантарк-

тике формируется в мае-ивне в результате возникновения подповерхностной инверсии температуря, которая в свов очередь связана с трансформацией термохалинного поля под действием термической -стадии конвекции. Показано, что в переходный от теплого к холодному перид года, за счет подповерхностной инверсии температуры конвективного происходдения, в верхнем слое субантарктических вод условия дальней проводимости звука наиболее благоприятны по сравненив с основными сезонами.

На основе анализа лучевых диаграмм, рассчитанных по данным СТД-измерений для различных регионов океана, установлено, что в реальных условиях при распространении звука в приповерхностном волноводе происходит частичная или полная утечка канало-вой энергии в глубинные слои, а в случае одновременного существования нескольких каналов формируется ликидди. Эти акустические явления наблвдавтся в местах изменения параметров канала, как при его ослаблении, сукении или прерывании, так и в местах резкого расширения и усиления.

В Главе III описан основной глубинный звуковой канал Атлантического океана.

Детализирована и расщирена известная классификация глубинного звукового волновода в Атлантике (Northrop, 1984) Показано. что районам океана с характерным профилем c(z) свойственен собственный тип ПЗК, имеющий отличительные количественные и качественные признаки. В дополнение к имевшейся информации о характеристиках оси ПЗК. приведены и проанализированы другие его параметры: характеристики границ, иирина, критический угол.

В результате исследования пространственной климатической структуры ПЗК. как Функции крупномасвтабной стратификации термохалинного поля, удалось выявить следувщие закономерности. От-

носительно узкий (ширина несколько сотен метров) и слабый (У=2+6°) подповерхностный звуковой волновод, наблюдаемый в Субарктической и Субантарктической климатических зонах, расширяется и усиливается по направления к центральным областях океана. В Экваториально-Тропической зоне ПЗК достигает ширины порядка 5000 и и максимальной акустической "силы" С_)(=15-1В0). Поверхность оси ПЗК заглубляется от нескольких сотен иетров ь Субполярных климатических зонах обоих полушарий к центрам Вжного я Северного субтропических антициклонов до 1100 и 1500 х соответственно, а затек приподнимается у экватора до 700-750 х. 1и-ротное изхенение параметров оси канала в Вжной и Центральной Атлантике связано с трансформацией ядра промежуточной Субантарктической водной массы.

Существенное влияние на структуру ПЗК в Экваториально-Тропической зоне океана оказываят топографические вкхрецые образования, наблюдаемые над основными поднятиями дна (Сьерра-Леона, Сан-Паулу. Демерера) и внутри разделяющих эти поднятия глубоководных котловинах (Гвинейская, Зеленого мыса. Гвианская). Над поднятиями дна в центрах топографических антициклонических вихрей преобладают нисходящие токи, что приводит к формирования слабо стратифицированного слоя в подповерхностной структуре ПЗК и заглублении относительно окружающего Фона его оси. Внутри глубоководных котловин наблюдаются циклонические вихри. Здесь ПЗК отличается резким слоем скачка скорости звука и приподнятой относительно фона осью.

Явления..аналогичные описанным выше, вызывают соответствующую деформация структуры ПЗК в Карибском море и йекси-I канском заливе. В данном случае это связано с квазистационарными мезомасштабными вихревыми обрлзованиями различного знака, нахо-

- 20 - ^ дящимися по обе стороны Карибского течения.

Скачкообразные пространственные изменения климатических параметров ПЗК наблюдается в районе климатического фронта в Северо-Западной бтлантнке.

Выявлено общее акустическое свойство, присущее промежуточный водам Атлантики. Крупномасжтабнне интрузии промежуточных годных масс, наблюдаемые к северу от Субантарктического фронта, в Пркгибралтарском районе океана и в мной части Норвежского моря, служат причиной формирования вторичных крупномасжтабнмх звуковых каналов.

На основе простой аналитической выкладки показано, что формирование основного глубинного минимума скорости звука в классическом гидростатическом ПЗК обусловлено вертикальной стратификацией поля температуры и не зависит от распределения солености с глубиной. Ось ПЗК распроложена в слое, где вертикальный градиент температуры равен -0.005 град/м. Топография оси в реальных условиях не соответствует рельефу изоповерхностей термо-халинных характеристик и изоповерхностей динамического рельефа в промежуточной структурной зоне океана. Это соответствие присуще лижь климатическим и сильно сглаженным фактически полям.

В водах океана с развитой инверсионной и ступенчатой тер-мохадкнной стратификацией верхняя часть основного ПЗК расслоена локальными звуковыми антиканалами и каналами с характерным масв-табом 10-100 м и критическим углом 1-3". Локальные звуковые каналы как мелких, так и средних масвтабов формируются также в водах с "гладкими" распределениями температуры и солености с глубиной в слоях, где отрицательный градиент температуры больже -0.005 град/м.

В Главе IV исследованы временная изменчивость скорости

звука и параметров акустических каналов на меягодовом и сезонной масштабах.

В северной половине Атлантики заявлены двух-, трех- и четырех-пятилетние циклы изменчивости скорости звука с амплитудой на поверхности океана около 1-3 м.с"1. Длнннопериодные колебания скорости звука распространяется до оси основного глубинно> го волновода. Они служат причиной существенной деформации НЭК первого вида, вызывая его периодические расширения м сужения с максимальным размахом 800-1000 м. Показано, что аномально высокие длиннопериодйые отклонения характеристик оси ПЗК свойственны Гольфстриму и Субарктическому фронту, Западно-Африканскому и Гвинейскому апвеллингаы. Экваториальной зоне, району океана, примыкавшему к климатической границе области распространения средиземноморских вод; Средние квадратичесиие значения меягодо-вых отклонений от климатических норм глубины оси ПЗК и скорсла звука на ней в этих районах соответственно равны 100-300 и и 1-3 м.с"1.

Во внутригодовом ходе скорости распространения звука в различных климатических зонах океана присутствует 12, 9, 7, б и 4-х месячная гармоники. Наиболее весомый вклад в суммарной дисперсии исследуемой характеристики на масжтабе года приходится на составлявшие с периодом 12 и б месяцев.

Сезонные колебания скорости звука охватывает верхний слой океана толщкнов около 200 м. На поверхности в умеренных виротах годовая гармоника определяет до 50-902 суммарной внутригодовой дисперсии скорости звука. В подповерхностном слое 50-200 а значимость сезонных колебаний, как правило, резко уменьшается с ' глубиной от 10-152 на 50 м до 1-102 в слое 100-200 м. йсялачение составляет районы климатических фоонтов и крупномасштабных те-

чений, а такЕе области сезонной сиены знака циркуляции вод, для которых существенные сезонные колебания скорости звука в силу динамических факторов проникавт в прокежуточнне сдои, иногда сказываясь на параметрах оси ПЗК. В целом интенсивность сезонных колебаний скорости звука в Екной Атлантике меньве, чем в Северной. Если максимальные изменения скорости звука от сезона к сезону в северной части океана имевт размах до 40 и.с"4 (вельфы Северной Америки и Европы), то в иной его половине размах сезонных колебаний в районе их максимальной интенсивности (Субантарктическая климатическая зона) примерно в два раза меньве.

Интенсивные полугодовые колебания скорости звука выявлены . в Тропической зоне океана. Их максимум находится в муссонной области, где в слое 0-20 м амплитуда полугодовой волны в поле скорости звука 2-2.5 м.с"*, а относительный вклад в суммарную дисперсии до 40%. Этот вид изменчивости обусловлен полугодовой составлявшей внутригодового хода температуры воды, которая в свое очередь связана с астрономическими причинами - полугодовой гармоникой угловой высоты Солнца.

Сезонные изменения вертикальной гидроакустической структуры, связанные с возникновением и разруеением сезонного слоя скачка скорости звука, формируют особую структуру звукового поля в ПЗК, качественно отличающуюся для холодного и теплого полугодий. В теплое время года за счет более мощной отрицательной рефракции, вызванной сезонным слоем скачка скорости звука, происходит лииь частичный захват звуковой энергии основным ПЗК от излучателей, находящихся в приповерхностном звуковом канале. Часть лучей при атом пересекает ПЗК и достигает дна. В зимний сезон, когда сезонный слой скачка .размывается конвективными токами, связь кевду приповерхностным и породным звуковыми каналами

улучвается. Потери энергии, проникающей из приповерхностного какала в ПЗК, при прочих одинаковых условиях уменьыантся. Для излучателей, располояенных в подповерхностных водах, летняя стратификация поля скорости звука способствует улучшении дальней проводимости звука в основном ПЗК по сравнении с зимний сезоном. Сезонный слой скачка скорости звука обусловливает полное внутреннее отранениэ Качаловых лучей в подповерхностных водах. В условиях зимней стратификации при таком же положении излучателя наблюдается потеря каналовой энергии вследствие того, что часть звуковых лучей достигает поверхности океана.

3 Главе и рассмотрены гидроакустические характеристики в районах климатических фронтов и крупномасштабных течений северной половины океана. Поскольку этим районам свойственна развитая тонкая стратификация гидрофизических полей, то при описании их акустических свойств больаое внимание уделено процессам и явлениям соответствующего масштаба.

Результаты исследования, изложенные в настоящей главе, свидетельствуют о том, что районы океана, непосредственно примыкающие к климатическим фронтам и крупномасжтабным течениям, отличаются экстремальной изменчивостью гидроакустических харак-. теристик. Поле скорости распространения звука и звуковые каналы в этих районах возмущены неоднородностями. имеющими аирокий спектр пространственных масжтабов, что обусловливает особое качество акустических полей. Вместе с тем, удалось выявить ряд закономерностей, присущих гидроакустической структуре и характеристикам распространения звука в районах Гольфстрима, Субарктического фронта, системы экваториально-тропических течений и крупномасжтабных течений Карибского моря.

При пересечении основных фронтальных разделов на участках

протяженностью в несколько десятков киль резко изменяется параметры основного акустического волновода. Узкий, с близко расположенной к поверхности океана осью, канал жельфовнх вод систеиы Гольфстрима по направление в океан резко расширяется на вторичном и основном фронтальных разделах. Скачкообразно заглубляется его ось, а также резко возрастает скорость звука на ней. Аналогичный аффект наблюдается на трассах, пересекавших Субарктический фронт из Субарктической климатической зоны в Умеренную.

Осенне-зимняя термическая конвекция и летний вынос материковых и талых вод - основные факторы, определявшие сезонные особенности крупномасштабной вертикальной гидроакустической структуры в системе Гольфстрима. В летнеее время в водах шельфа, межфронтальной зоны и Саргассовом коре формируется многоканальная стратификация скорости звука с несколькими крупномасштабными акустическими волноводами. В холодное полугодие, когда вертикальная стратификация гидрофизических полей сглаживается конвективными токами, во всех трех зонах системы Гольфстрима звуковые волноводы поверхностного и промежуточного слоев не наблюдается.

Высокая интрузионная активность, типичная для климатических фронтов, обусловливает развитую инверсионно-ступенчатив структуру, что в свов очередь служит причиной Формирования многочисленных локальных звуковых каналов с вертикальным масштабом порядка 10-200 м. Показано, что крупнокасжтабные инверсии температуры, наблюдаемые в подповерхностных водах Субарктического фронта, способны качественно изменить характер распространения звука в основном ПЗК. вызвав антиканаловый эффект. В районах Субарктического фронта в подповерхностных водах обнаружены трехмерные звуковые каналы и антиканалы, оси которых совпадают со стрежнями струй холодных и теплых течений. Установлено, что

распространение звука вдоль одних и тех же трасс, пересекавших Гольфстрим и Субарктический фронт в прямо« и обратной направлениях, сопровождается различными акустическими явлениями. При распространении по направление в Умереннее климатичвскун зону потери звукозой энергии в основном ПЗК значительно меньше, чем при распространении в обратном направлении. При распространении звукового сигнала через климатические фронты от источников, расположенных в водах структуры умеренных широт, происходит мощное рассеяние звука иа основных фронтальных разделах, что приводит к значительной утечке звуковой энергии из ПЗК.

Б .отличие от климатических фронтов в районах крупномасштабных течений крупномасштабная гидроакустическая структура более стабильна. Основные возмущения в поле скорости звука обусловлены термохалинными неоднородности мелкого и среднего масштабов. Типичным признаком структуры поля скорости звука здесь служат локальные звуковые каналы с вертикальным масштабом порядка 10-100 м. наблюдаемые в верхней части ПЗК. Наиболее "сильные" локальные волноводы, связанные с взаимодействием центральных водных касс эжного и северного происхождения, обнаружены в струях Межпассатного противотечения, в районе океана вблизи дуги Малых Антильских островов, в струях Карибского течения. Структуры с наксимальнык количеством локальных звуковых волноводов типичны для северо-западной части Тропической Атлантики, где расслоение профиля с(г) вызвано активной дифференциально-диффузионной конвекцией. Остановлено, что в Экваториально-Тропической зоне океана и в Карибском море непосредственно в слое глобального минимума скорости звука, над осью ПЗК, сущест-' вувт локальные звуковые каналы и антиканалы с вертикальным масштабом 10-30 м, обусловленные трансформацией ядра Субантаркти-

ческой водной массы.

Выявлено, что в северо-западной части Тропической зоны океана, в области активной дифференциально-диффузионной конвекции , существует высокая вероятность образования дальней горизонтальной проводимости звука локальными волноводами на фоне преобладающей отрицательной рефракции. Такой эффект мояет возникать примерно в 702 случаев произвольного изменения глубины источника звука в сдое подповерхностных и промежуточных вод.

Довольно интенсивная горизонтальная рефракция на фронтах и течениях обусловливает криволинейность траектории звуковых лучей, что осложняет задачу акустического поиска. Сведения об углах горизонтальной рефракции, а также поправки к показаниям гидролокатора, приведенные в данной главе, могут быть полезными при эксплуатации различных гидроакустических средств обнаружения связи под водой при плавании в районах фронтальных зон и течений.

Вопросы, обсуждаемые в Главе VI, касаются процессов и явлений среднего масштаба, формирующих "погоду" в полях гидрофизических и акустических элементов океанических вод. Рассмотрено влияние синоптических и топографических вихрей, внутритермоклнн-ных линз, волн Россби, короткопериодных бароклинных внутренних волн на структуру поля скорости звука, параметры звуковых каналов и звувые поля в различных климатических зонах океана.

Исследования гидроакустических характеристик и лучевой структуры звуковых полей в области распространения синоптических | вихревых образований Саргассова моря, внутритермоклинных вихрей (линз) в Прхгибралтарском районе океана, синоптических явлений Тропической зоны к топографических вихрей над поднятием дна Антарктики и в Карибском море позволяют сделать следующие выводы.

- 27 -

Индивидуальные синоптические вихри (ринги Гольфстрима и „мхри открытого океана) существенно трансформирует вертикаяьнув . гидроакустическую структуру Саргассова моря, охватывая сдои от поверхности до 1200-1500 м. На меньвие глубины (800-900 и) распространяется влияние синоптических вихревых систем. Практически все исследованные виды вихревых образований прерывают или сильно трансформируют приповерхностный звуковой волновод, канал 18 С -воды и ПЗК. Ось основного ПЗК в центрах циклонических индивидуальных вихрей выгнута к поверхности океана и приподнята относительно фона на несколько сотен метров, тогда как, под вихревыми системами поверхность оси, как правило, имеет более сложную произвольную Форму, не соответствующую рельефу кзоповерхностей гидрофизических элементов в подповерхностных и промежуточных водах. Это затрудняет практическое использование звуковых волноводов в области распространения синоптических вихрей. При распространении звука в поверхностном и подповерхностном каналах на трассах, пересекающих синоптические вихри, происходит полная или частичная утечка звуковой энергии в глубинные слои. Дальняя проводимость в основном ПЗК ослаблена мощными эффектами рассеяния. Распространение звука в ПЗК сопровождается перераспределением звуковой энергии в пространстве, образованием каустик к эпизодически чередующихся зон тени и засветки. - Исследования горизонтальной рефракции показали, что даже самые мощные циклонические вихревые образования Саргассова'иоря не могут полностью сфокусировать пучок расходящихся лучей, как это предполагалось - согласно аналитичоским оценкам В. Манка. Обнаружен неизвестный > ранее эффект - захват отдельных лучей внутренней областью циклонического вихря открытого океана при его облучении горизонтальным расходящимся пучком.

- 2В -

Гидроакустическая структура внутритермоклинных лииз, наб-лвдаемых в Пригибралтарском районе, отлична от типичной для данного района океана фоновой двухканальной стратификации скорости звука. Ьаличие крупномасштабной инверсии температуры в водах линз приводит к расширение и усиление верхнего акустического волновода и заглубление оси нижнего канала по сравнение с фоновой стратификацией. Для периферии линзы характерна развитая тонкая вертикальная структура скорости звука. На трассах, пересекавших линзы средиземноморских вод, возможны следувщие акустические явления, не наблвдаемые в условиях фоновой . типичной для Пригкб-ралтарского района плоско-параллельной стратификации: смешение зон конвергенции, засветка второй и последующих зон акустической тени, утечка энергии из верхнего канала в нижний, формирование ликиджей.

Бароклинные волны Россби - один из наиболее весомых Факторов, возмушавцих структуру поля скорости звука и параметры ПЗК на синоптическом масштабе в Тропической зоне океана. Относительный вклад синоптических колебаний в суммарную временную дисперсно скорости звука на масштабе одного месяца 7-71%, а наиболее вероятные синоптические отклонения от средней месячной нормы в слое 0-1000 м от 0.3 до 2 м.с~1. Временные синоптические колебания в деятельном слое Тропической зоны океана вызывают деформацию ПЗК первого вида с наиболее вероятным размахом около 100 м и максимальным до 600 м. Модальные временные синоптические отклонеия скорости звука на оси ПЗК от средней месячной нормы около 0.3 м.с"1 Доля синоптических колебаний в пространственной суммарной дисперсии скорости звука в течение года изменяется от 22 до 14%. Их относительный вклад уменьшается в теплое полугодие и возрастает в холодное. Пространственная синоптическая диспер-

сиз скорости звука в верхнем МОО-ыетровом слое тропических вод превыжает временнув в 2-4 раза, а характерная амплитуда синоптических колебаний нядней границы приповерхностного звукового ка-■ нала и слоь скачка скорости звука равна примерно 10 м.

Б районах поднятий дна Атлантического и Индийского секторов Антарктики (гора Зипс, банки Обь, Лена, |учья, Новая) в летнее время года обнаружено явление, сопровождавшееся разрузскиен и восстановлением подповерхностного термического звукового канала с периодом, близким к периоду естественных синоптических процессов в атмосфере. Установлено/что один из возможных факторов, вызывавших зто явление, связан с топографическим вихревым эффектом, локализовании* над вершинными поверхностями поднятий дна, интенсивность которого прямо зависит от скорости Антарктического Циркумполярного течения. Показано, что изменения структуры поля скорости звука, обусловленные различными естественными синоптическими процессами, качественно изменяет лучевуз структуру звукового поля на пересекавших поднятия дна трассах, Каналовый характер распространения звуковой энергии сменяется антиканаловым и наоборот.

Квазистационарные зихри топографического происхождения, наблвдаеине слева и справа от основной струи Карибского течения, служат одной из основных причин, заметно деформирувщей элементы гидроакустической структуры и изменявшей акустические поля в бассейне Карибского моря. При исследования одного из таких анти-• циклонических вихрей в центральной части Карибского моря обнаружены следующие акустические эффекты: изменение геометрической дальности действия гидроакустических средств на несколько километров, когда источник звука перемещается по горизонтали в деятельном, слое; утечка звуковой энергии из приповерхностного вол-

новода, явная нерегулярность лучевой структуры звукового поля в основном ПЗК.

На основе литературных сведений, собственных теоретических оценок и обработки данных натурных наблвдений определены характерные амплитуды колебаний скорости звука в поле короткопери-одннх бароклинных внутренних волн для открытых акваторий Умеренной и Тропической зон океана и яельфовых вод. Для открытых и сравнительно слабо стратифицированных вод умеренных вирот Атлантического океана амплитуды колебаний скорости звука в поле бароклинных волн имевт порядок от нескольких десятых до одного м.с~4. В открытых водах Тропической зоны их характерные значения больве (0.2 - 4-5 м.с"1), а максимальные достигавт 6-8 к.с"4. Районам Гвинейского залива, где вертикальная стратификация поля плотности наиболее развита, свойственна экстремально высокая по сравнения с другими районами открытого океана изменчивость скорости звука, вызванная внутренними волнами. Наиболее существенные волновые возмущения скорости звука наблюдаются в подповерхностном слое максимального вертикального градиента гидрофизических величин. До 40-702 суиммарной временной дисперсии скорости звука на мезомасмтабе в открытых водах океана определявт внутренние барокликные волны. На шельфе характерные значения волновых колебаний скорости звука примерно на порядок выве соответствующих величин открытой части океана. Наиболее многообразны волновые вариации скорости звука в вельфовых водах со сложной структурой пикноклина. когда чередующиеся с квазиоднородными высокоградиентные слои охватывают всю толщу вод. Здесь под влиянием волновых мод высокого порядка мощные колебания скорости звука распространяются практически по всей глубине, достигая экстремальных значений в слоях максимального градиента плот-

. - 31 -

i ности. Бароклинные моды высокого порядка существенно деформиру-вт приповерхностный халинный звуковой канал до его полного исчезновения и слабо влияет на гидростатический волновод верхнего слоя.

На основе расчетов, выполненных по экспериментальным данным, проиллюстрировано влияние барокяинной приливной волны на звуковое полз. Показано, что даже относительно небольане волновые колебания скорости звука оказывает заметные изменения в структуре звукового поля излучателя, расположенного вблизи слоя скачка, вызывая и прерывая канадовое распространение звука в верхнем слое, существенно сужая и расширяя ближнюю зону акустической засветки.

В Главе Uli предпринята попытка исследования закономерностей структуры и изменчивости гидроакустических характеристик распресненных вельфовых и прибрежных вод океана, а также эстуариев и изолированных бухт.

Интенсивное распреснение, создающее развитую вертикальную стратификацию гидрофизических полей, и генерируемое приливными течениями мощное турбулентное переменивание относятся к основным механизмам, формирующим структуру поля скорости звука и акустические каналы в вельфовых водах океана. В отличие . от открытых акваторий, где вертикальная стратификация скорости распространения звука практически полностью определяется полем температуры, в вельфовых я прибрежных водах акустические характеристики в значительной мере обусловлены полем солености.

В распресненных водах вельфа выявлены три типовые зоны с характерными акустическими свойствами: прибрежное мелководье. , где в водной толще наблюдается звуковой канал, акустическая "сила" которого прямо зависит от степени распреснения позерх-

{ости океана материковым стоком и атмосферными осадками; зона стокового фронта со сложной формой профиля скорости звука, а также подповерхностным звуковым каналом, расположенным непосредственно в слое скачка температуры; область открытого жель-фа с антиканаловым типом стратификация.

Обнаружен полупроводниковый эффект, возникать при распространении звука.вдоль трасс, пересекающих стоковый фронт. Стоковый фронт акустически не прозрачен для излучателей, находящихся мористее от него, тогда как прямые лучи от излучателей, расположенных в прибрежных водах, могут пересекать фронтальный раздел и распространяться в область открытого жельфа.

Показано, что горизонтальая рефракция на стоковых фронтах более мощная по сравнению с аналогичным явлением, наблюдаемым в районах климатических фронтов и крупномасжтабных течений открытого океана.

Развитая вертикальная халинная стратификация, возникающая в водах эстуариев и изолированных бухт, способствует формированию идеальных условий для дальней проводимости звука. В момент наступления полной воды, когда турбулентный обмен слаб, здесь наблюдается мощный приповерхностный звуковой канал, горизонтальные масжтабы которого соизмеримы с кажтабами водоемов, а критический угол достигает 10-12".

- 33 -

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИЙ И НАУЧНЫЕ ВЫВОДЫ.

На основе массовых океанографических наблюдений, накопленных в МГИ АН Украины (массивы климатических данных, фактические батоыетрические и зондовые измерения), исследована структура и изменчивость поля расчетной скорости звука, звуковые каналы, антиканалы, лучевая структура акустических полей в Атлантическом океане и в бассейне Карибского норя.

Режен комплекс прикладных проблем, объединивший задачи Физической океанографии и гидроакустики:

- выполнен климатолого-статистический анализ поля скорости распространения звука, предложена классификация средних сезонных профилей с(г) и проведено районирование акватории Атлантики по типовым признакам подводного звукового канала на основе специально разработанного автором объективного метода классификации кривых вертикального распределения гидрофизических величин:

- исследованы приповерхностный звуковой канал, для которого не было сведений в океанографической литературе, а также основной глубинный волновод, имевжиеся данные о котором немногочисленны и эпизодические;

- получены количественные оценки межгодовой и сезонной изменчивости первичных акустических характеристик вод, обнаружены районы с аномальными свойствами изучаемых величин;

- исследовано проявление синоптических, мезоыасжтабных и мелкохасзтабкнх процессов в поле скорости звука, полях параметров звуковых каналов и акустических полях;

- выявлены основные закономерности первичных акустических свойств и распространения звук? в распресненных лельфовых водах.

- 34 -

Показано, что каждой климатической зоне океана присуща собственная вертикальная гидроакустическая структура, характеризуемая видом и параметрами крупномасштабного звукового волновода. Районн океана с типовой, фоновой гидроакустической структурой имевт природные границы в виде климатических фронтов, крупномасштабных течений, порогов, изолирующих отдельные бассейкк. Сезонные изменения, сопровождавшиеся качественными преобразованиями крупномасштабной гидроакустической структуры, наблюдаются в Субполярных климатических зонах обоих полушарий. В умеренных, субтропических и тропических широтах основные качественные признаки вертикальной стратификации скорости звука сохраняются в течение всего года, а границы распространения типовых структур изменяется в пространстве соответственно сезонным колебаниям составляющих крупномасштабной системы течений, деформации отдельных ее замкнутых ячеек, крупномасштабному взаимодействие конвекции с адвективными потоками. Крупномасштабные интрузии промежуточных водных масс вызывает расслоение основного глубинного волновода на два канала в Пригибралтарском районе океана, в южной части Норвежского моря и в Вжной Атлантике.

Проведенные впервые систематические исследования приповерхностного звукового какала в водах Атлантического океана позволили выявить механизмы формирования дальней проводимости звука в верхнем слое различных физико-географических регионов океана, определить важнме с точки зрения практического использования наиболее "сильные" виды приповерхностного акустического волновода. Выявлено, что формирование и трансформация приповерхностного звукового волновода под действием конвекции подчинены определен-г ним закономерностям, которые обусловлены начальной териохалинной стратификацией деятельного слоя, а также стадией конвективного

перемешивания.

Рассчитана и картированы параметры основного глубинного волновода: характеристики границ и оси, его ширина и критический угол. Предложена новая классификация ПЗК, где по сравнение с предвествовавшей классификацией Ля. Нортропа и Яд. Колборна расширен класс двухканальных структур. Описана структура ПЗК в неисследованных с позиции акустической океанографии районах океана: в Карибо-Мекснканскок бассейне, Пригибралтарском и Лабрадорском регионах. Показано, что положение оси ПЗК в открытых водах океана не зависит от вертикальной стратификации поля солености, а полностью определяется стратификацией поля температуры. Ось ПЗК расположена в слое, где вертикальный градиент температуры равен -0.005 град.м-1.

Выявлено, что длиннопериодные колебания гидрофизических и метеорологических элементов имеют соответствующий отклик в поле скорости распространения звука. Межгодовые колебания проникают до больших глубин, вызывая аномальные отклонения параметров оси ПЗК от их климатических норм в динамически активных регионах - зона северо-западного пограничного слоя, Пригибралтарский регион. районы Западно-Африканского и Гвинейского апвеялингов.

Вследствие сезонных изменений составляющих теплового и солевого балансов в деятельном слое всех климатических зон наблюдаются хорошо выраженные сезонные колебания скорости звука.

Мощный полугодовой сигнал в поле скорости распространения звука на поверхности океана наблюдается в муссонной области < Центральной Восточной Атлантики. Эти колебания, определяемые астрономическими причинами, вызывают деформацию ПЗК с амплитудой порядка нескольких сотен метров.

Наиболее сложная вертикальная гидроакустическая структу-

ра, содержащая локальные звуковые каналы и антиканалы щирокого диапазона пространственных ыасщтабов, а также экстремальная изменчивость акустических характеристик, типичны для климатических фронтов и крупномасжтабннх течений. Особая структура поля скорости звука фронтальных разделов вызывает качественно различные эффекты при распространении звука в прямом и обратном направлениях на трассах, проходящих через фронтальные зоны.

Мощным фактором изменчивости акустических свойств служат вихревые образования среднего масжтаба. Их влияние на исследуемые поля рассмотрено на примере вихревых образований различной природы в разных климатических условиях. Вихри, как правило, прерывают или сильно трансформируют приповерхностный звуковой канал и канал подповерхностного слоя (в местах, где он существует), деформируют поверхность оси основного ПЗК, а в субполярных водах способны полностью прервать основной акустический волновод. На акустических трассах, проходящих через вихри, нарумается типичная для фона регулярная лучевая структура звуковых полей, что сопровождается подвижкой зон конвергенции, засветкой зон акустической тени, формированием каустик и ликиджей, мощным рассеянием.

Короткопериодные бароклиннке внутренние волны - один из наиболее весомых факторов, изменяющих гидроакустические характеристики на мезомасмтабе. Амплитуды колебаний скорости звука под влиянием данного фактора возрастают с приближением к экватору, достигая максимальных значений в высокостратифицированных водах Гвинейского залива. В шельфовых водах интенсивность колебаний скорости звука в поле бароклинных короткопериодных внутренних волн соизмерима с интенсивностью сезонного хода.

На жельфах, распресненных материковым стоком и атмосфер-

I ннхн осадками, гидроакустические свойства формируются в результате преимущественного влияния солености, что обусловливает своеобразие черты стратификации скорости звука, не наблюдаемые в открытом океане. Для распресненных жельфовых вод типичны три природные зоны с характерной структурой: прибреяное мелководье, зона стокового фронта, участки вельфа мористее вкежнего края стоковой линзы. На стоковых фронтах иаблвдается мощная рефракция звуковых лучей в горизонтальной плоскости. Стоковый фронт акустически непрозрачен для излучателей, расположенных мористее сто, ковых линз и способен проводить пряные звуковые лучи от -излучателей, находящихся в прибрежных водах.

Результаты настоящей работы могут служить основой для развития новых теоретических и прикладных направлений акустической океанографии, гидроакустики, акустической томографии, а также использоваться в практике промыслового, технического и военного флотов.

- 38 -

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Булгаков Н.П., Доценко С.Кувнкр В.М., Ломакин П.Д.. Маньковский В.И. Гидрофизические исследования Карибского моря. - Киев: Наукова думка. 1991. - 187 с.

2. Булгаков Н.П., Ломакин П.Д., Кутько В.П. Скорость звука в бассейне Карибского моря. - Обнинск: ВНИКГМИ - МЦД, 1986.92 с.

3. Булгаков Н.П., Ломакин П.Д.. Ковалева Н.М., Кейта М.Л. Поле скорости звука и элементы его вертикальной стратификации у западного поберевья Африканского континента и района Гибралтарского пролива.- Конакри: Изд-во СЕЯЕЗСОЯ. 1990. -201 с.

4. Хлыстов К.З., Ломакин П.Д.. Кейта М.Л, и др. Атлас гидрофизических и гидрохимических характеристик эстуария Табунсу и прилегающего вельфа. - Изд-во СЕЙЕЯШ: Конакри, 1990. -16В с.

5. Булгаков Н.П., Ковалева Н.М., Ломакин П.Д. Скорость звука и акустические волноводы в Восточной Атлантике (умеренные и тропические вироты). - Препринт. - Севастополь: МГИ АН Як-раины. 1990.- 5В с.

6. Ломакин П.Д.. Кейта М.Л. Гидроакустические условия у поберевья Гвинейской республики и прилегающих акваторий восточной части Тропической Атлантики. - Препринт. - Конакри: СЕКЕ5С0Я, 1991. - 68 с.

7. Булгаков Н.П., Ломакин П.Д. Гидролого-акустические характеристики климатических фронтов и крупнокасвтабных течений северной части Атлантического океана. - Препринт.- Севастополь: МГИ АН Украины, 1994.- 55 с.

8. Булгаков Н.П., Ломакин П.Д. Крупномасштабная акустическая структура вод Атлантического океана. - Препринт.- Севастополь: МГЙ АН Украины, 1994.- 55 с.

J. Бабий М.В., Ломакин П.Д., Яроженя P.A. Внутренние волны, вызываемые баротропным приливом в вихревых образованиях в Карибском море. - В кн.: Теоретическое моделирование волновых процессов в океане,- Севастополь: МГИ, 1982,- С. 107115.

10. Булгаков Н.П.,Ломакин П.Д. Гидрофизическая структура вод.-В кн.: Экспериментальные исследования гидрофизических полей, Севастополь: МГИ, 1983.- С. 7-26.

11. Булгаков Н.П., Ломакин П.Д., Яроженя P.A. Внутренние волны во фронтальных зонах Мексиканского залива. - В кн.: Экспериментальные исследования гидрофизических полей,- Севастополь: МГИ, 1983.- С. 50-57.

12. Булгаков Н.П., Ломакин П.Д. Вертикальная структура скорости звука в Карибо-Мексиканском бассейне. - В кн.: Комплексные исследования Тропической зоны Атлантического океана и Карибского моря,- Севастополь: МГИ, 1983. - С. 81-91.

13. Булгаков Н.П., Ломакин П.Д., Урикова Н.В. Сезонная изменчивость скорсти звука в Карибо-Мексиканском бассейне. - Ь кн: Комплексные исследования Тропической зоны Атлантического океана и Карибского моря. - Севастополь: МГИ. 1383. -С. 92-101.

14. Булгаков Н.П., Ломакин П.Д. Особенности поля скорости звука в центральной части Карибского моря. // Записки по гидрографии.- 1983, К210. - С. 61-В8.

15. Черкесов Л.В., Голубев D.H., Ломакин П.Д. Генерация топографических вихрей и их возможное влияние на формирование

- 40 -

продуктивных зон в океане // ДАН АН УССР, Серия "А".-1983, Н2. - С. 26-29.

16. Брянцев В.А., Ломакин П.Д.. Фример В.Б. Учет косвенных показателей синоптической изменчивости гидроструктуры при краткосрочном промысловом прогнозе в районе банок Обь и Лена. - В кн.: Условия образования промысловых скоплений рыб. - *.: Наука. 1984. - С. 171-174.

17. Булгаков Н.П., Ломакин П.Д.. Рыбалка В.А. Районирование Карибо-Мексиканского бассейна по типам гидроакустических структур с использованием кластер-анализа. - В кн.: Океанографические исследования в Центрально- Американских морях.- Севастополь: МГИ, 1984. - С. 6-18.

18. Булгаков Н.П., Ломакин П.Д. Использование банка данных и программного обеспечения ВНИИГИИ-ИУД для анализа поля скорости звука в бассейне Карибского моря // Труды БНИИГМИ-МЦД . - 1985.- вып. 124.- С. 15-21.

19. Бабий И.В., Ломакин П.Д.. Яроме'ня P.A. Экспериментальные и теоретические оценки флуктуаций скорсти звука в поле внутренних приливных волн // Труды ВНИИГНИ - ИЦД. - 1987. -выпуск 139.- С. 40-45.

20. Булгаков Н.П.. Голубев H.H.. Ломакин П.Д. Влияние гидродинамических факторов на промысловув обстановку в районе банок Обь и Лена // ДАН АН УССР. Серия "Б". - 1987. Н12. -С. 3-6.

21. Ломакин П.Д., Мордавев В.И.. Черкесов Л.В. Влияние внутренних волн на вертикальное распределение скорости звука В кн.: Внутренние волны и турбулентность,- Севастополь: КГИ.-1987.- С. 26-33.

22. Булгаков Н.П., Ломакин П.Д., Рыбалка В.А. Исследование гид-

- 41 -

рофизической структуры бассейна Карибского коря с применением кластер-анализа.// Доклады АН УССР, Сер. Б.-1988, Н12.

- С. 12-15.

23. БjJiraKOB Н.П., Ломакин П.Д., Черемин В.Н. Особенности структуры подводного звукового канала в северной части приэкваториального района Атлантики //Записки по гидрографии. 1389,- К221.- С. 66-69.

24. Ломакин П.Д., Кейта М.Л. Приповерхностный акустический волновод восточной части Тропической Атлантики // Бвл. Научно-исслед. центра. - Конакри.-1989. - Н8,- С. 3-14.

25. Ломакин П.Д., Кейта М.Л. Акустические характеристики вод эстуария Табунсу и прилегавшего к нему участка вельфа // Бвд. Научно-исслед. центра.- Конакри, 1989.- N8,- С. 24-38.

26. Ломакин П.Д.. Кейта И.Л. Трансформация акустических характеристик деятельного слоя вод Гвинейского сектора Атлантики под влиянием халинной и термической стадий конвекции. // Бвл. Научно-исслед, центра. Конакри. - 1990. - НИ. -С. 22-33.

27. Ломакин П.Д. Гидроакустические условия вельфа Гвинеи в се зон дохдей // Бвл. Научно-исслед. центра. Конакри. - 1990

- N12. - С. 132-143.

28. Булгаков Н.П., Ломакин П.Д. Влияниелермической конвекции на вертикальное распределение скорости звука // Океанология.- т. 30, N2. - 1990. - С. 222-22?.

29. Булгаков Н.П., Васильев А.С., Ефимов В.В., Коротаев Г.К., Ломакин П.Д. Сезонная деформация Кедпассатного противотечения в Атлантическом океане // lop. гидрофиз. журн.-1990.- Н5. С 24-33.

30. Булгаков Н.П., Ломакин П.Д.,Черемин В.Н. Вертикальная гид-

роакустическая структура центральных и промежуточных вод Тропической Атлантики // Мор. Гидрофиз. журн.-1990.- Нб,-С. Ьб-73.

31. Булгаков И.П., Артамонов В.В.. Ломакин П.Д., Черемин В.Н. Акустические свойства поверхностных водных масс тропической зоны Атлантического океана и их внутригодовая изменчивость // Мор. гидрофиз. журн.-1991.- К2. - С. 47-53.

32. Булгаков Н.П., Ломакин П.Д. Влияние термической и халинной стадии конвекции на вертикальную гидроакустическую структуру верхнего слоя вод Тропической Атлантики // Мор. гидрофиз. журн. - КЗ, 1991. - С. 59-63.

33. Булгаков Н.П., Ломакин П.Д. Трансформация вертикальных профилей скорости звука в деятельном слое океана под действием конвективного перемешивания // Океанология, 1991,- т. 31, вып. 5. - С. 729-734.

34. Булгаков Н.П., Белокопытов В.Н., Ломакин П.Д., Черемин В.Н. Акустические характеристики вод северо-восточной части Атлантического океана // Мор. гидрофиз. журн. - 1992.- N3,-С. 74-79.

35. Булгаков Н.П.. Ломакин П.Д. Синоптическая изменчивость акустических характеристик вод Тропической Атлантики // Мор. Гидрофиз. журн.- 1992,- N4.- С. 60-65.

36. Булгаков Н.П., Ломакин П.Д. Межгодовые колебания скорости звука и характеристик подводного звукового канала в северной части Атлантического океана // ДАН АН Украины.- 1992.-Н2. - С. 94-96.

37. Булгаков Н.П., Ломакин П.Д. Особенности гидроакустической структуры распресненных жельфовых вод Тропической Атлантики // ДАН Украины.^ 1992, НЗ. - С. 80-83.

38. Булгаков Н.П., Ломакин П.Д. Акустические характеристики вод в области стокового фронта у побережья Гвинеи // Мор. гид-рофиз. журнал.- 1993, К2.- С. 64-70.

39. Булгаков Н.П., Ломакин П.Д. Крупномаситабная вертикальная гкдрос!кустическая структура Северной Атлантики и ее сезонная изменчивость /У Мор. гидрофиз. журн. - 1993. - К4,-С. 23-31.

40. Булгаков Н.П., Ломакин И.Д. Структура и изменчивость акустических характеристик вод в районах поднятий дна Антарктики // Океанология.- 1393.- т. 33. Н1.- С. 44-48.

41. Булгаков Н.П., Ломакин П.Д. Влияние Субантарктической водной массы на характеристики подводного звукового канала в Вжкой Атлантике // Океанология.- 1993, - т.33. N6.- С. 839844.

42. Булгаков Н.П., Ломакин П.Д. Гидроакустические характеристики Субполярного фронта Атлантического океана // ДАЙ АН Украины. - 1993.- КЗ.- С 123-126.

43. Булгаков Н.П., Ломакин П.Д.. Чекалин U.A. Термический приповерхностный звуковой канал в Атлантическом океане // ДАН АН Украины. - 1993.- К12.- С. 137-140.

44. Булгаков H.H., Ломакин П.Д. Локальные звуковые каналы в Карибском море // Океанология.- 1994.- т.34, Н6.- С, 832-839.

45. Булгаков Н.П., Ломакин П.Д. Приповерхностный акустический волновод в Атлантическом океане // Океанология.- 1995.-

а

т.35t HL- в печати.

Ломакин П.Д. "Поле скорости звука и элементы его вертикальной стратификации в Атлантическом океане".

Диссертация на соискание ученой степени доктора географических > наук по специальности 11.00.08. - океанология. Морской гидрофизический инстчтут НАН Украины, Севастополь, 1994. Зацижавтся 44 научные работы, которые содержат результаты исследований структуры и изменчивости поля скорости распространения звука, акустических каналов и рефракции звука в Атлантическом океане. Выполнена классификация вертикальной гидрологоакустичес-кой структуры и предложена схема районирования акватории Атлантики по -типовым профилям скорости звука. Выявлено, что промежуточные водные массы служат причиной формирования крупномаситаб-ных вторичных звуковых каналов.

Клвчевне слова: скорость распространения звука, слой скачка скорости звука, акустический волновод, подводный звуковой канал, лучевая диаграмма,

Lotakln P.D. The sound speed field and the eleMents of Its vertical stratification In the Atlantic Ocean. Theses for obtaining scientific degree of Doctor of Geography. Speciality 11.00.08 - Oceanography, the Marine Hydrophysical Institute of the Ukrainian National Acadeay of Sciences, Sevastopol, 1994.

44 scientific papers are defended, which contain the results of investigations on the structure, variability of the field of the sound propagation speed, S0FAR channels and refraction of sound in the Atlantic Ocean. The vertical hydrological - acoustic structure was classified, the Scheie of zonation of the Atlantic according to the typical sound speed profiles is suggested. As has been found, the InterHediate water lasses cause the formation of the large-scale secondary sound channels.. Key uords: the sound propagation speed, sound speed |u«p layer, acoustic waveguide, SOFftR channel, beat pattern.