Глубоководный звуковой канал в океане

Введение

Горизонтальный слой воды в океане, на глубине которого скорость звука минимальна.

Канал SOFAR (сокращение от sound fixing and ranging channel) или глубокий звуковой канал (DSC) — горизонтальный слой воды в океане, на глубине которого скорость звука минимальна. Канал SOFAR действует как волновод для звука, и низкочастотные звуковые волны внутри канала могут распространяться на тысячи километров, прежде чем затухнуть. Примером является приём кодированных сигналов, генерируемых океанографическим судством Cory Chouest, принадлежащим военно-морскому флоту, в районе острова Хирд, расположенного в южной части Индийского океана (между Африкой, Австралией и Антарктидой), гидрофонами в различных частях всех пяти основных океанических бассейнов, вплоть до Северной Атлантики и Северной части Тихого океана. Это явление играет важную роль в океанографическом наблюдении. Глубокий звуковой канал был открыт и независимо описан Морисом Юингом и Дж. Ламаром Ворзелем из Колумбийского университета и Леонидом Бреховским из Института физики имени Лебедева в 1940-х годах. В 1944 году, при испытании этой концепции, Юинг и Ворзель подвесили гидрофон к паруснику Saluda, закреплённому за Подводной звуковой лабораторией, в то время как второй корабль производил взрывы на расстоянии.

Принцип

Температура является доминирующим фактором, определяющим скорость звука в океане. В областях с более высокой температурой (например, вблизи поверхности океана) наблюдается более высокая скорость звука. Температура уменьшается с глубиной, а скорость звука соответственно снижается, пока температура не стабилизируется и давление не станет доминирующим фактором. Ось канала SOFAR располагается в точке минимальной скорости звука на глубине, где давление начинает преобладать над температурой и скорость звука возрастает. Эта точка находится у основания термоклина и в верхней части глубокого изотермического слоя, и поэтому подвержена некоторым сезонным колебаниям. Существуют и другие акустические каналы, особенно в верхнем перемешанном слое, но траектории лучей теряют энергию при отражении от поверхности или дна. В канале SOFAR низкие частоты, в частности, преломляются обратно в канал, что обеспечивает небольшие потери энергии и распространение звука на тысячи километров. Анализ данных испытаний на острове Херд, полученных гидрофонами системы обнаружения падения ракет на острове Асенсион на промежуточном расстоянии от источника, показал удивительно высокое отношение сигнал/шум, в диапазоне от 19 до 30 дБ, с неожиданной стабильностью фазы и изменчивостью амплитуды после времени распространения около 1 часа 44 минут и 17 секунд. Этот четко выраженный конец, представляющий собой почти осевой путь прихода, иногда называют «финалом SOFAR», а более ранние – «симфонией SOFAR». Эти эффекты обусловлены большим звуковым каналом, в котором траектории лучей удерживаются между поверхностью и критической глубиной. Критическая глубина – это точка ниже оси минимальной скорости звука, где скорость звука возрастает до максимальной скорости над осью. Если дно находится выше критической глубины, звук затухает, как и любая траектория луча, пересекающая поверхность или дно. Ось канала наиболее сильно меняется в зависимости от местоположения, достигая поверхности и исчезая на высоких широтах (выше примерно 60° с.ш. или ниже 60° ю.ш.), но затем звук распространяется в поверхностном канале. В отчете Naval Ocean Systems Center за 1980 год приведены примеры исследования акустического пути большого круга между Пертом (Австралия) и Бермудскими островами с данными в восьми точках вдоль пути. В Перте и на Бермудских островах ось звукового канала находится на глубине около. Там, где путь пересекает Антарктическую конвергенцию на 52° ю.ш., нет глубокого звукового канала, но есть глубокий поверхностный канал и мелкий звуковой канал на. По мере поворота пути на север станция на 43° ю.ш., 16° в.д. показала, что профиль возвращается к типу SOFAR на.

Temperature is the dominant factor in determining the speed of sound in the ocean. In areas of higher temperatures (e. g. near the ocean surface), there is higher sound speed. Temperature decreases with depth, with sound speed decreasing accordingly until temperature becomes stable and pressure becomes the dominant factor. The axis of the SOFAR channel lies at the point of minimum sound speed at a depth where pressure begins dominating temperature and sound speed increases. This point is at the bottom of the thermocline and the top of the deep isothermal layer and thus has some seasonal variance. Other acoustic ducts exist, particularly in the upper mixed layer, but the ray paths lose energy with either surface or bottom reflections. In the SOFAR channel, low frequencies, in particular, are refracted back into the duct so that energy loss is small and the sound travels thousands of miles. Analysis of Heard Island Feasibility Test data received by the Ascension Island Missile Impact Locating System hydrophones at an intermediate range of from the source found surprisingly high signal to noise ratios, ranging from 19 to 30 dB, with unexpected phase stability and amplitude variability after a travel time of about 1 hour, 44 minutes and 17 seconds. That sharply defined end representing a near axial arrival path is sometimes termed the SOFAR finale and the earlier ones the SOFAR symphony. Those effects are due to the larger sound channel in which ray paths are contained between the surface and critical depth. Critical depth is the point below the sound speed minimum axis where sound speed increases to equal the maximum speed above the axis. Where bottom lies above critical depth the sound is attenuated, as is any ray path intersecting surface or bottom. The channel axis varies most with its location reaching the surface and disappearing at high latitudes (above about 60°N or below 60°S) but with sound then traveling in a surface duct. A 1980 report by Naval Ocean Systems Center gives examples in a study of a great circle acoustic path between Perth, Australia and Bermuda with data at eight locations along the path. At both Perth and Bermuda the sound channel axis occurs at a depth of around Where the path meets the Antarctic convergence at 52º south there is no deep sound channel but a in depth surface duct and a shallow sound channel at As the path turns northward, a station at 43º south, 16º east showed the profile reverting to the SOFAR type at .

Приложения

Первое практическое применение началось во время Второй мировой войны, когда ВМС США приступили к экспериментам и внедрению возможности определения места взрыва бомбы SOFAR, используемой сбитыми пилотами в качестве сигнала бедствия. Разница во времени прихода сигнала от источника в неизвестной точке до известных пунктов приема позволяла вычислить примерное местоположение источника. Ранние разработки опирались на стационарные береговые станции, часто называемые станциями SOFAR. Некоторые из них стали акустическими исследовательскими центрами, как, например, станция SOFAR на Бермудах, участвовавшая в эксперименте «Перт – Бермуды». В последнее время источники SOFAR использовались для специальных целей в рамках программы RAFOS. Одна из таких систем включала в себя размещение донных буев с источниками у мыса Хаттерас, у Бермудских островов и на подводном вулкане для передачи трех точно синхронизированных сигналов в день, обеспечивающих приблизительную точность определения местоположения. Первое применение быстро привлекло пристальное внимание ВМС по причинам, выходящим за рамки поиска сбитых экипажей. Решение ВМС в 1949 году привело к исследованиям в 1950 году, рекомендовавшим использовать потенциал пассивного гидроакустического наблюдения в канале SOFAR для нужд ВМС в борьбе с подводными лодками (ASW). В рекомендации содержалось предложение о выделении 10 миллионов долларов в год на исследования и разработку системы. К 1951 году испытательный комплекс подтвердил работоспособность концепции, а к 1952 году были заказаны дополнительные станции для Атлантического океана. Первым крупным применением канала SOFAR стало океаническое наблюдение в рамках секретной программы, которая привела к созданию системы звукового наблюдения (SOSUS). Эта система оставалась засекреченной с момента создания до тех пор, пока стационарные комплексы не были дополнены мобильными массивами, образовав Интегрированную систему подводного наблюдения, сведения о задачах и характере которой были рассекречены в 1991 году. Мониторинг землетрясений с использованием SOSUS, после предоставления ограниченного доступа гражданским лицам Тихоокеанской морской экологической лаборатории (PMEL) Национального управления океанических и атмосферных исследований в 1991 году, позволил выявить в десять раз больше подводных землетрясений с более точной локализацией, чем с использованием наземных датчиков. Система SOSUS могла регистрировать землетрясения магнитудой около 2, а не 4. Система обнаружила распространение морского дна и магматические явления в хребте Хуана де Фука, что позволило исследовательским судам провести их изучение. В результате этого успеха PMEL разработала собственные гидрофоны для развертывания по всему миру, которые подвешивались в канале SOFAR с помощью системы поплавков и якорей.

The first practical application began development during World War II when the United States Navy began experimenting and implementing the capability to locate the explosion of a SOFAR bomb used as a distress signal by downed pilots. The difference in arrival times of the source at an unknown location at known locations allowed computation of the source's general location. The early applications relied on fixed shore stations, often termed SOFAR stations. Several became acoustic research facilities as did the Bermuda SOFAR Station which was involved in the Perth to Bermuda experiment. In the recent past SOFAR sources were deployed for special purposes in the RAFOS application. One such system deployed bottom moored sources off Cape Hatteras, off Bermuda and one on a seamount to send three precisely timed signals a day to provide approximately accuracy. The first application quickly became of intense interest to the Navy for reasons other than locating downed air crews. A Navy decision in 1949 led to studies by 1950 recommending the passive sonar potential of the SOFAR channel be exploited for the Navy's Anti Submarine Warfare (ASW) effort. The recommendation included one that $10 million a year be spent on research and development of the system. By 1951 a test array had proven the concept and by 1952 additional stations were ordered for the Atlantic. The first major exploitation of the SOFAR channel was to ocean surveillance in a classified program that led to the Sound Surveillance System (SOSUS). That system remained classified from inception until the fixed systems were augmented by mobile arrays to become the Integrated Undersea Surveillance System with the mission and nature of the system declassified in 1991. Earthquake monitoring through the use of SOSUS after limited civilian access was granted to the Pacific Marine Environmental Laboratory (PMEL) of the National Oceanic and Atmospheric Administration in 1991 revealed ten times the number of offshore earthquakes with better localization than with land based sensors. The SOSUS detection could sense earthquakes at about magnitude two rather than magnitude four. The system detected seafloor spreading and magma events in the Juan de Fuca Ridge in time for research vessels to investigate. As a result of that success, PMEL developed its own hydrophones for deployment worldwide to be suspended in the SOFAR channel by a float and anchor system.

Введение

Принцип

Приложения

Популярная культура