Физика морских глубин

Г.В.Кенигсбергер, заместитель директора по научной работе Сухумского гидрофизического института АН Абхазии

В этом году нашему институту исполняется 60 лет. Он стал первой в СССР стационарной береговой базой для проведения натурных исследований по гидроакустике. Донный рельеф в Абхазии позволяет достаточно точно моделировать гидроакустические условия, характерные для западной части Тихого океана: Японское море, Камчатка.  В то же время есть сходство с шельфами северных морей – Баренцева, Охотского. Причем, в отличие от Севера, в Сухуме эксперименты могут продолжаться круглый год,



Гидрофизический институт создавался для решения задач повышения дальности обнаружения и точности целеуказания кораблей и подводных лодок потенциального противника гидролокационными методами, как активными, так и пассивными. Подводный корабль, находящийся на глубине не видим. Однако, излучённый звуковой импульс, отразившись от подводного объекта и будучи принятым системой подводных звукоприёмников, позволяет его обнаружить. Подводный корабль – система, которая своими винтами и механизмами жизнеобеспечения, производит излучение звука.    Пассивная гидроакустическая система, находящаяся на борту корабля, либо скрытно лежащая на дне, обнаруживает новый объект, появившийся в зоне ее действия, благодаря его шумоизлучению. Повысить дальность и точность таких систем  можно, лишь изучив закономерности формирования звуковых полей в океане. Эта задача стала актуальной ещё в ходе Великой Отечественной войны и приобрела особенную остроту с развитием ракетно-ядерной техники. Более пятидесяти лет этим занимался наш институт – повышая потенциал гидроакустического вооружения отечественных надводных кораблей и подводных лодок.

В 1948 году под руководством профессора  Ю.М.Сухаревского на Сухумском мысу была создана Сухумская научная морская станция (СНМС)  Акустической лаборатории ФИАН, предтеча Гидрофизического института. СНМС. Здесь на Чёрном море большим коллективом учёных  было положено начало систематических исследований в области отечественной прикладной гидроакустики.

Решаемые научные и технические задачи отличались своей широтой, по существу обозначали актуальные проблемы гидроакустики, которые развивались в дальнейшем  в ряде родственных институтов на протяжении десятилетий прошедшего века. Это распространение звука в условиях рефракции, поглощение и рассеяние звука на различных горизонтах, излучение сигналов большой мощности, морская реверберация,  исследование первичных полей подводных объектов исследования кавитации с целью обесшумливания собственных кораблей и.т.д.

С акустической точки зрения Чёрное море является крупномасштабной моделью океана: глубокое море, летом характеризующееся подводным звуковым каналом, зимой приповерхностный канал с взволнованной верхней границей,  наличие крутых склонов и подводного шельфа. А с точки зрения экспериментатора – незамерзающим опытным бассейном, в котором можно выполнять гидроакустические исследования  в течение круглого года, моделируя условия распространения звука, характерные для Баренцева, Балтийского морей, Тихого и Атлантического океанов и других стратегически важных акваторий Мирового океана.

Обнаружение объекта в гидросфере происходит в условиях помехи – океан постоянно шумит. Существует множество источников шума: волны, течения, взаимодействие поверхности воды с атмосферой. Дождь, ветер, град – все это оставляет на зарегистрированной картине шумов свои отпечатки. Большое значение имеют шумы, производимые фауной. Во время брачных игр или нереста шум настолько силен, что может вывести из строя пассивную систему, выполняющую  боевую задачу. Решению этой очень важной и интересной задачи также были посвящены работы учёных института.

В ходе выполнения поставленных задач научной тематики, на базе пополнения коллектива способными выпускниками отечественных вузов, вырос научный потенциал СНМС, показавший способность самостоятельного решения научных задач. К 1990 году численность коллектива акустиков, океанологов, инженеров и квалифицированных специалистов составляла 700 человек. Институт имел свой научно-исследовательский флот, суда которого, оснащённые современными средствами навигации, вычислительной техники и  исследовательского океанологического и гидроакустического оборудования  выполняли исследования не только на Чёрном море, но и во многих районах мирового океана. Наши НИС «Вектор» и «Модуль» выполняли экспедиционные рейсы из Чёрного моря через Индийский и Тихий океаны к берегам Камчатки  и через Атлантику в северные моря.

Разработки и  исследования, выполненные Институтом, были вкладом в укрепление защиты морских рубежей большой  Родины.  С распадом СССР было прекращено финансирование исследований, существенно уменьшилось количество научных сотрудников, и не стало средств  на содержание судов. Экспериментальные исследования теперь выполняются в значительно меньшем объёме. Однако, не смотря на существующие трудности, используя  накопленный за прошедшие десятилетия объём экспериментальных данных, Гидрофизический институт продолжает сотрудничество с родственными институтами России.

В Институте существовало и мирное направление наших работ –  методами гидроакустики  мы выполняли оценки мощности рыбных скоплений, оценивали размерный и численный состав рыбных скоплений,  разрабатывалась аппаратура для решения таких задач. Выполненные разработки проходили натурные испытания в ходе многочисленных экспедиций в Чёрном море и Атлантике.

Ещё одно мирное направление исследований, имеющее народно-хозяйственное значение актуальное и в настоящее время: разработка методов и средств количественного учета рыб в потоке воды.  Задача эта интересна и многогранна, необходимо определить число взрослых особей, проходящих на нерест в реке, в рыбоходе, количество мальков ценных пород сбрасываемых в реку из выростного пруда. В каждом случае для решения конкретной задачи необходим учёт размеров рыб, плотности и скорости их потока, скорости движения воды и.т.д. Этим институт занимается достаточно давно, в рамках этой темы были разработаны на уровне изобретений специальные устройства – рыбосчетчики. Они даже были отмечены серебряной медалью ВДНХ.  Недавно по заказу ВНИРО была разработана модель акустического рыбосчетчика  для подсчёта мальков осетровых, которая прошла испытания в условиях рыбоводного хозяйства под Астраханью.

Сейчас военных заказов нет в портфеле института. Но остались специалисты-гидроакустики, и их знания и опыт нашли мирное применение. Разрабатывается и изготавливается экспериментальная гидроакустическая аппаратура, она устанавливается на дно моря, выполняются измерения.

Сейчас мы решаем проблемы экологии. В частности, актуальна проблема акустической термометрии океана. Но применительно к Чёрному, внутреннему морю, в условиях глобального потепления она также представляет научный и практический интерес.

Черное море является аккумулятором солнечной энергии: оно накапливает тепло с апреля по октябрь. Степень нагретости морских вод определяет климат в прибрежных районах. Зная степень нагретости, можно прогнозировать, какое будет лето, сколько будет дождей, что важно для курортного района. С каким запасом тепла мы придем к осени.

Климат определяет не только привлекательность  района как рекреационной зоны, но и важен для сельского хозяйства. Доходы сельского хозяйства – чувствительный индикатор климатических изменений. Вот такой пример не из нашей жизни: если степень нагретости вод  юго-восточной части Индийского океана, примыкающей к Австралии, падает на десятую долю градуса, ее сельское хозяйство теряет $4 млрд. Там люди цивилизованные, они это знают.

Мы не пользуемся такой информацией, ее у нас попросту нет. Но это не значит, что Черное море не влияет на объёмы производства продуктов земледелия прибрежных районов. Этот фактор следует учитывать при прогнозировании результатов производства сельхозпродуктов. Я думаю, что тепловая энергия Черного моря это такое же национальное богатство Абхазии, как, например, угли, которые залегают в ее недрах. Нужно подходить к ней соответственно, учитывать и использовать.

Какие же физические предпосылки существуют, для того чтобы измерить количество тепла накопленного в водах  Чёрного моря. Таким фактором является высокая чувствительность параметров акустического сигнала к изменениям физических характеристик среды распространения (морских вод), таких как солёность, плотность, температура. Особенно чувствительна к изменениям таких характеристик скорость распространения звука. Морская среда неоднородна, существует зависимость скорости звука от глубины. Поэтому звуковые лучи, выходя из источника звука под различными углами, распространяются по различным траекториям и, рефрагируя в слоистой морской среде, приходят в удалённую точку с различным запаздыванием. Размещенный удалённой точке звукоприёмник принимает сумму сигналов, которые при распространении проходят через горизонты среды с различными характеристиками и каждый из принятых сигналов несёт информацию о свойствах среды на его траектории. Звук, распространяясь в воде, несет на себе отпечаток воздействия среды.

Размеры Чёрного моря дают возможность проведения исследований дальнего распространения звука  и наблюдений на стационарных трассах за флуктуациями звукового сигнала, связанными с изменчивостью морской среды.  Стационарная трасса – это в простейшем виде излучатель и приёмник звука, размещённые в море, например, в районах Сухума и Варны.

Если мы будем регулярно производить измерения в точке приема, то будем наблюдать изменения параметров принятых акустических сигналов – флуктуации, отражающие изменения свойств  морской среды на трассе Сухум - Варна. Стала вода теплее или холоднее, соленая она или распресненная после дождей – эти изменения влияют на скорость распространения звуковых сигналов.  Следовательно, будут изменяться времена прихода сигналов в точке приёма, зависящие, в том числе, от температуры морских вод.

Таким образом, с использованием стационарной гидроакустической трассы  можно получить оценку степени нагретости морских вод по данному направлению.

С использованием методов акустической томографии можно получить оценку пространственного распределения полей скорости звука и температуры в среде в вертикальной плоскости между приёмником и излучателем. Задача получения оценки количества тепловой энергии, накопленной в полном объёме вод  и её сезонной динамики может быть решена с использованием системы трасс пересекающих море в различных направлениях

Пока мы не можем сказать, сколько джоулей энергии накопило наше Черное море, и как эта оценка меняется во времени. Эта задача еще не решена, но это важно.

Черное море характеризуется циклоническим течением. Основная струя движется против часовой стрелки вдоль берегов. Это такая большая река, которая, когда береговой свал крутой, подходит достаточно близко к берегу.  Это течение существует постоянно, но не устойчиво по своей конфигурации, скорости и имеет ответвления в виде вихрей. Эти вихри ответственны за чистоту вод в береговом районе. Исследование структуры течения и вихрей несет информацию о том, насколько устойчива и безопасна экологическая обстановка. Такую информацию могут дать гидроакустические исследования. Таким образом, наука, которая родилась для решения военных задач может быть использована в полной мере для нужд экологии и сельского хозяйства.

Наш институт находится в Сухуми, где с точки зрения проведения экспериментальных работ подводный рельеф уникален. Склон очень крутой  – до 22 градусов, у нас на расстоянии километра от берега глубина достигает полукилометра. На таком склоне можно ставить акустические излучатели и приемники без кораблей, легко организовать их связь с берегом. Это обстоятельство было в полной мере использовано в исследованиях.

Традиционные методы измерения характеристик морских вод на больших площадях, предполагают выход судна с  океанологической аппаратурой  для измерений в заданную точку моря, а измерения на больших площадях требуют работы во многих точках. Следует отметить, что в отличие от традиционных методов океанологических измерений, стационарная гидроакустическая трасса  (включающая однажды установленные на дно излучатель и приёмник звука, морскую акваторию и канал связи) является самым дешёвым средством измерений гидрофизических характеристик морской среды,  не зависимо от погоды, обеспечивающим возможность непрерывных измерений.

Гидроакустические методы измерений позволяют получать эти оценки на дальних расстояниях и больших площадях бесконтактным способом, причём, что особенно важно, эти оценки являются интегральными, т.е. усреднёнными по трассе распространения. Если поставить один гидроакустический комплекс в Сухуми, а другой – в Сочи, и излучить достаточно мощный сигнал, он, отразившись от берегов Турции, вернется, неся информацию о характеристиках вод, которые он прошел.

Но такая задача не под силу маленькой Абхазии. Она должна быть решена путем кооперации международных научных сил России, Турции, Болгарии. Но и Абхазия, в которой есть два института, занимающихся гидроакустикой, внесла бы свой вклад в эти исследования.

Гидроакустика – дорогая наука, по затратам соизмерима с космической. Гидроакустика – это корабли, подводные аппараты, подводная техника, обычно тяжелая и дорогая.  Ведь в обитаемых космических аппаратах заложены идеи, первоначально проверенные в подводной технике – батискафах, подлодках. Все системы герметизации, обезвоживания, сохранения климата, чтобы человек мог существовать во враждебной среде, - все они прошли испытания в водной среде. Гидроакустике очень близки эти задачи – здесь тоже необходимо сохранять герметичность, температуру, и в конечном итоге, работоспособность подводных изделий, генерирующих и принимающих звук.

И всё же я оптимист, уверен, что все достоинства, которыми наградила  природа наш уникальный сухумский гидроакустический полигон и Чёрное море, будут востребованы состоятельными заказчиками, заинтересованными в разработке и испытаниях новых методов и аппаратуры обработки гидроакустической информации.

назад

Материалы из архива

4.2009 Менеджерско-кавалерийский наскок

О.М.Ковалевич, доктор технических наук, профессор  Полностью согласен с употребляемыми в статье  “Обращение к компетентным”  эпитетами по отношению к нынешнему руководству атомной отраслью. Готов добавить ещё вертящихся на языке в таких случаях терминов, но  хотелось бы остаться в рамках нормативной лексики. Считаю, что клички “некомпетентные” они вполне достойны. Упомянутая команда пришла под лозунгом “хороший менеджмент - залог успеха”. В этом они считают себя знатоками.

9.2008 Наша деятельность требует высокой квалификации

С.А.Адамчик, заместитель руководителя Ростехнадзора. — Сергей Анатольевич, кого сегодня в нашей стране волнует безопасность атомной отрасли? — Наверно, в большей мере население. Хотя у меня такое впечатление складывается, что ему уже все равно – оно не очень активно. Его провоцируют на формирование отдельных мнений, особенно в районах строительства атомных станций, а в целом наше население проявляет активность только, если что-то случается. Даже достаточно страшное событие – Чернобыльская катастрофа – сегодня уже стало забываться.

7.2007 "Мы хотим работать на конечный результат"

Подкомиссия по атомной энергетике Совета Федерации организовала совещание на одной из стартовых площадок ФЦП «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007-2010 годы и на перспективу до 2015 года». В совещании участвовал начальник Управления капитального строительства атомной отрасли Федерального агентства по атомной энергии  Алексей Тютяев...