Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2023, T. 509, № 1, стр. 95-98

Решение актуальных задач исследования и контроля изменения климата на планете во многом зависит от результатов многолетнего изучения изменчивости температурных режимов океанов и морей с использованием приборов на различных физических принципах. Акустическая термометрия, применяющаяся для измерения структуры и динамики глубоководных и мелководных акваторий, была в течение последних десятков лет продемонстрирована в целом ряде экспериментов [1–4]. В статье обсуждаются методические и технические возможности осуществления мониторинга температурных полей в Японском море методом акустической термометрии на протяженных акваториях (свыше 1000 км). Метод основан на излучении и приеме сложных фазоманипулированных сигналов на диагностируемой трассе с определением времени распространения в подводном звуковом канале (ПЗК) с последующим определением скорости звука и, по известным в океанологии алгоритмам, температуры [5]. Физические предпосылки для практической реализации термометрических исследований на больших расстояниях базируются на эффекте акустического “оползня” – явлении перехода акустической энергии из придонной области шельфа в подводный звуковой канал глубокого океана и дальнейшего распространения с малым затуханием [6].

В статье обсуждаются результаты демонстрационного эксперимента, иллюстрирующего возможности технической реализации метода акустической термометрии в Японском море на акустической трассе протяженностью 1080 км.

Излучатель был стационарно расположен вблизи берега у поселка Чехов (о. Сахалин), на глубине 41 м и на удалении 5 км от свала глубин. Каждые 6 мин излучался фрейм, состоящий из нескольких фазоманипулированных псевдослучайными М-последовательностями сигналов: длиной 1023 символа с заполнением 4 периодами несущей частоты на символ (далее М1023) и 127 символов с 40 периодами на символ (далее М127). Все сигналы имели несущую частоту 400 Гц, но различные полосы частот: М1023 – полосу 300–500 Гц (длина символа 0.01с); М127 – полосу 390–410 Гц (длина символа 0.1с). Развиваемое акустическое давление составляло около 8000 Па на 1 м от излучателя. Приемная система на базе радиогидроакустического буя дрейфовала вблизи обеспечивающего судна на удалении 1080 км от излучателя при глубине места около 3 км (рис. 2). Координаты дрейфа ежеминутно фиксировались и учитывались при расчетах расстояния между излучателем и приемной системой. За время эксперимента, более 8 ч, зарегистрирован дрейф систему на 350 м в сторону юго-востока. В точке приема и в точках на удалениях 271.3, 404.3 и 652.5 км от излучателя производилось измерение вертикального распределения скорости звука и температуры (рис. 1 а, б). Анализ этих зависимостей показывает, что ось ПЗК (минимум скорости звука и температуры) во всех точках находилась на глубине около 200 м, а в слоях выше оси скорость звука и температура повышались с приближением к приемной системе. Следовательно, с приближением к точке приема фиксируется постепенное увеличение отрицательного градиента скорости звука с глубиной в верхних слоях волновода. Эти факторы могут определять степень затягивания импульсной характеристики во времени и, следовательно, нести информацию о температуре в соответствующих слоях волновода.

Рис. 1.

Измеренные CTD-зондом вертикальное распределение скорости звука (а) и температуры (б) по глубине в заданных точках.

Рис. 2.

Схема эксперимента на карте и импульсные характеристики волновода.

Гидрофон приемной системы погружался на глубину оси ПЗК, а принятая сигнальная информация от излучателя поступала на поверхностный радиогидроакустический буй и по радиоканалу передавалась на приемное судно. На рис. 2 приведены импульсные характеристики волновода (в правом углу для сигнала М1023, в левом – для сигнала М127), которые были получены в результате свертки принятых сигналов с излученными.

Следует отметить, что размещение излучателя на шельфе в данном случае обеспечивает реализацию эффекта акустического “оползня” – явления перехода акустической энергии из придонной области шельфа на ось подводного звукового канала в глубоком море. Поэтому на всех импульсных характеристиках в одно и то же время (740.2 с) фиксируется последний максимальный приход акустической энергии, распространяющейся по лучевым траекториям вблизи оси ПЗК с минимальной скоростью (1 080 000 м/740.2 с ≈ 1459 м/с). Очень важно, что эта величина и рассчитанная с ее использованием температура (2°C) равны скорости звука и температуре на оси ПЗК, измеренной CTD-зондом. Это свидетельствует о точности метода и качестве применяемых измерительных приборов. Погрешность полученного результата определяется погрешностью измерения времени и дистанции. Применяемая аппаратура обеспечивает измерение времени прихода зондирующих сигналов с погрешностью ∆τ = ±0.001 с. GPS-приемник обеспечивает определения местоположения с погрешностью ∆d = ±5 м. Для акустической трассы протяженностью D = 1080 км и времени распространения τ = 740.2 с, погрешность определения средней скорости звука ∆C = = (D ± ∆d)/(τ ± ∆τ) – D/τ составляет ±0.005 м/с. Используя алгоритм вычисления температуры, солености и давления от скорости звука, находим, что погрешность измерения температуры в эксперименте ∆t = ±0.001°С.

Импульсная характеристика при приеме сигналов М127 существенно отличается от полученной при свертке сигналов М1023 и позволяет фиксировать ранние приходы акустической энергии за счет большей длительности символов, позволяющей интегрировать лучевые приходы с большими углами в точку приема [7]. Можно утверждать, что смещение импульсной характеристики относительно максимального прихода в сторону меньших значений времени подтверждает отмеченный выше факт потепления верхних слоев, отмеченный при измерениях CTD (рис. 1). Следовательно, предложенный метод может быть использован и для оценки температурных режимов и их изменчивости в различных слоях (от поверхности до заглубления оси ПЗК) диагностируемого волновода на различных временных интервалах от суточных до межгодовых.

Результаты демонстрационного эксперимента подтвердили эффективность методических и технических подходов к практической реализации метода акустической термометрии протяженных морских акваторий для изучения изменчивости температурных режимов в океане. Получена и подтверждена инструментальными измерениями величина средней температуры (2°C с погрешностью ±0.001°С) в деятельном слое морской среды Японского моря на тысячекилометровой акустической трассе. Показаны преимущества применения фазоманипулированных сигналов с большими длительностями символов для обеспечения приема и анализа акустической энергии по лучевым траекториям с более крутыми углами для получения информации о температуре во всем деятельном слое волновода.