Дальнее распространение звука в океане
При теоретическом анализе и постановке экспериментов по дальнему распространению звука в океане на первый план выходит учет накапливающихся с дистанцией статистических эффектов, обусловленных влиянием случайных неоднородностей толщи и границ океанического волновода. С радио-физической точки зрения эти эффекты являются достаточно общими для распространения сигналов в случайно-неоднородных многомодовых (сверх-размерных) волноводах. Дополнительная сложность и специфика этих задач связана, во-первых, с совместным воздействием на распространение акустического сигнала регулярной (достаточно устойчивой во времени) стратификации подводного канала по глубине и флуктуаций на ее фоне поля скорости звука, во-вторых – с большим разнообразием пространственно-временных масштабов этих флуктуаций, которые обусловлены существенно различными физическими факторами, характерными для реального океана. Кроме того, при дальнем распространении (на масштабах в сотни километров и более) необходимо учитывать горизонтальную изменчивость регулярной (фоновой) стратификации, которая оказывается, как правило, существенной и приводит к «перестройке» самого волновода с дистанцией.
Для исследования фундаментальных свойств звуковых полей в океанических волноводах и обеспечения масштабных натурных экспериментов по дальнему распространению звука в океане сотрудниками ИПФ построено статистическое описание модовой и лучевой структуры НЧ звукового поля в океане с учетом многократного рассеяния звука на случайных объемных неоднородностях, прежде всего на внутренних волнах и поверхностном ветровом волнении. Аналитически и численно были установлены основные закономерности дальнего распространения НЧ-звука в океанических волноводах, формирования сигналов реверберации (обратного рассеяния звука), исследовано влияние когерентных свойств многомодовых сигналов на эффективность работы антенных систем (Л. С. Долин, А. Г. Нечаев, А. Г. Сазонтов, А. И. Малеханов, А. Л. Вировлянский, М. А. Раевский). Эти результаты важны для развития теоретических основ низкочастотной акустики океана и анализа эффективности систем гидролокации и методов обработки сигналов в ситуациях, отвечающих условиям дальнего распространения звука в реальных океанических волноводах. Все эти результаты получили надежное экспериментальное подтверждение в экспедиционных исследованиях в различных регионах Мирового океана. Был выполнен значительный цикл экспериментальных и теоретических работ по изучению особенностей формирования интерференционных структур тональных и импульсных сигналов (Е. Ф. Орлов, Г. А. Шаронов, В. Н. Голубев, Ю. В. Петухов, Е. Л. Бородина).
Опираясь на большой опыт теоретических и экспериментальных работ по дальнему распространению звука в глубоком океане, в 1990-х годах ИПФ принял участие в ряде совместных с американскими учеными исследований по проблеме акустической термометрии океанического климата (АТОК).
Наиболее значимым участие ИПФ оказалось в двух пилотных экспериментах, выполненных в Северном Ледовитом океане. Для реализации второго из них, получившего название ACOUS (Arctic Climate Observations using Underwater Sound), в ИПФ под руководством Б. Н. Боголюбова был создан уникальный по своим характеристикам автономный излучающий комплекс, его установили на якорь в районе Земли Франца-Иосифа на глубине 60 м. Автономная приемная антенна была установлена американскими специалистами в море Линкольна у северного побережья Канады (1250 км от излучателя). Согласно программе эксперимента автономный комплекс ИПФ излучал сигналы специального вида на несущей частоте 20,5 Гц для реализации схемы временной селекции импульсов, распространяющихся по разным модам арктического канала по трассе распространения сигнала. Эксперимент ACOUS позволил получить уникальные данные о сезонных и климатических вариациях состояния глубинных арктических вод и оказался первым экспериментом, продемонстрировавшим принципиальную возможность и облик системы долговременной акустической термометрии на масштабах океанического бассейна.
В тесной связи с рядом международных проектов по программе АТОК, выполненных в 1990-х годах в различных акваториях глубокого океана на трассах протяженностью до нескольких тысяч километров, в тематике работ ИПФ нашло отражение сравнительно новое направление в НЧ-акустике океана, связанное с изучением явлений лучевого и волнового хаоса при сверхдальнем распространении звука в океане. Исследования, выполненные группой А. Л. Вировлянского, позволили построить статистическое описание хаотической динамики лучей и ее проявлений в вариациях модовой структуры поля в подводном звуковом канале на трассах 1000 км и более. Сотрудники ИПФ применили развитый подход для построения количественной теории эффекта кластеризации звуковых импульсов, приходящих в некоторую точку наблюдения по многочисленным хаотическим лучевым траекториям. Потепление (в среднем) или, напротив, охлаждение океанических вод приводит к соответствующему тренду в изменениях времен прихода отдельных кластеров, который может быть зарегистрирован на фоне относительно краткосрочных флуктуаций (прежде всего сезонных).
Несмотря на то, что развитый лучевой хаос наблюдается лишь на дистанциях около 1000 км, проявления сложной динамики траекторий в неоднородном океаническом волноводе имеют место и на более коротких трассах. Одним из них является эффект расщепления волнового пучка в присутствии возмущений среды, вызванных случайными внутренними волнами. В настоящее время в ИПФ продолжается изучение хаотических явлений в акустике океана. Одна из задач этой работы – оценка потенциальных возможностей дистанционного зондирования океана на сверхдлинных трассах. Другая задача – анализ влияния хаотической динамики лучей на возможности управления звуковыми полями в случайно-неоднородных подводных волноводах.
