Особенности поля скорости звука в прибрежной зоне Японского моря (залив петра Великого)

Научная смена

Вестник ДВО РАН. 2012. № б

Самченко Александр Николаевич

Работать в Тихоокеанском океанологическом институте им. В.И. Ильичёва ДВО РАН начал в 2004 г, будучи студентом 3 курса Института инженерной и социальной экологии Дальневосточного государственного технического университета. По окончании ДВГТУ в 2006 г. поступил в аспирантуру ТОИ ДВО РАН. В настоящее время работает над диссертацией (научный руководитель д.ф.-м.н. И.О. Ярощук).

Область научных интересов - изучение геоакустических свойств шельфовой зоны северозападной части Японского моря. Участвует в исследованиях, базирующихся на прибрежных гидрологических, геолого-геофизических и гидроакустических натурных работах, проводимых с помощью маломерных судов ТОИ ДВО РАН. По результатам работ построена 3Б цифровая геоакустическая модель участка шельфа в зал. Петра Великого.

Имеет более 30 публикаций в различных источниках (тезисы и материалы конференций, коллективные монографии, патенты, научные статьи), из них 4 - из списка ВАК. Регулярно принимает участие в конференциях регионального, всероссийского и международного уровней.

УДК 534.231 А.Н. САМЧЕНКО, А.В. КОШЕЛЕВА

Особенности поля скорости звука в прибрежной зоне Японского моря

Представлены результаты гидрологических исследований на шельфе в зал. Петра Великого Японского моря, выполненных в июле—августе 2012 г., в том числе представляющие интерес данные, полученные после прохождения тайфуна «Болавен». Проведен анализ пространственной изменчивости скорости звука по результатам натурных гидрологических измерений.

Ключевые слова: термоклин, подводный звуковой канал.

Specific features of sound speed field in coastal zone of the sea of Japan (Peter the Great Bay).

A.N. SAMCHENKO, A.V. KOSHELEVA (V.I. Il'ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok).

* САМЧЕНКО Александр Николаевич - научный сотрудник, КОШЕЛЕВА Александра Васильевна - научный сотрудник (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичёва ДВО РАН, Владивосток).

* E-mail: samchenco@poi.dvo.ru

The paper presents the results of hydrological investigations at the shelf in the Peter the Great Gulf carried out in July—August, 2012 including the data that seem to be interesting obtained after passing of the «Bolaven» typhoon. Spatial variability of sound speed was analyzed on the basis of the field hydrological measurements results.

Key words: thermocline, deep sound channel.

Распространение звуковых волн в шельфовой зоне - крайне сложный процесс, что обусловлено большим многообразием влияющих на него факторов (топография дна, гидродинамические возмущения и др.) [2]. Степень такого влияния зависит от частоты акустического сигнала. В области высоких частот наибольшее воздействие на распространение акустического сигнала оказывают профиль скорости звука и топография.

Шельфовые зоны Мирового океана обладают высокой изменчивостью, к тому же имеющей ярко выраженные географические черты. Для корректного решения задач моделирования распространения звука на шельфе необходимо располагать количественными и качественными характеристиками гидродинамических возмущений. Поэтому важной задачей гидрофизики является исследование статистической структуры и изменчивости скорости звука в различных пространственных и временных масштабах. За счет подводного звукового канала (ПЗК) низкочастотный звук распространяется на сотни и тысячи километров. В одном из экспериментов звук от взрыва регистрировали на расстоянии 19 тыс. км [1]. На некоторой глубине под поверхностью воды, обычно около 1000 м, находится слой, в котором звук распространяется с наименьшей скоростью; выше этой глубины скорость звука увеличивается из-за повышения температуры, а ниже — вследствие увеличения гидростатического давления с глубиной. Этот слой представляет собой своеобразный ПЗК. Луч, отклонившийся от оси канала вверх или вниз, вследствие рефракции всегда стремится попасть в него обратно. На шельфе ПЗК может быть сформирован термоклином, границы распространения звуковой волны - поверхность моря и слой резкого изменения температуры. При скачкообразном росте скорости звука эффект подобен отражению звука от твердой поверхности, например от дна. В Японском море термоклин отчетливо выделяется в теплый период (июль-сентябрь), когда происходит активный прогрев воды [4, 5].

Цель настоящей работы - выделение характерной пространственной изменчивости поля скорости звука на шельфе в зал. Петра Великого и получение некоторых количественных характеристик ПЗК.

1425 0

Рис. 1. Залив Петра Великого

Залив Петра Великого - самый обширный в Японском море, его площадь составляет около 9 тыс. км2 (рис. 1). Со стороны моря залив ограничен линией, соединяющей устье р. Туманная с мысом Поворотный. Дно в зал. Петра Великого довольно ровное, с плавным повышением в направлении с юга на север. В восточной части залива глубины достигают 100 м и более, в западной не превышают 100 м; мористее входа в залив глубины резко увеличиваются. На материковом склоне в полосе шириной от 3 до 10 миль глубины варьируют от 200 до 2000 м. В юго-западной части зал. Петра Великого, между мысами Суслова и Гамова, расположен зал. Посьета [3].

В июле-августе 2012 г. в зал. Петра Великого с борта НИС «Малахит» проводили натурные гидрологические исследования (рис. 2) с помощью гидрологического разреза, представляющего собой однократное зондирование (опускание-подъем гидрологического зонда) в определенных точках от поверхности моря до дна с измерением физических свойств воды. Был выполнен гидрологический разрез под углом 330° в сторону свала глубин (открытая часть зал. Петра Великого) с началом, смещенным от центра зал. Посьета в сторону мыса Шульца на 6 км. Всего в разрезе 10 точек, его глубина в первой точке - 40 м, в последней - 93 м, общая длина 18,5 км. Таким образом, исследования охватывали неглубокую часть шельфа до глубин деятельного слоя, который по некоторым оценкам достигает 90 м [5]. Время гидрологических наблюдений не превышало 2,5 ч на один гидрологический разрез. Измерения производили с помощью гидрологического СТБ зонда КВЯ ХЕХ-620, предназначенного для измерения температуры, проводимости и давления воды с высокой точностью и разрешением. Максимальная глубина погружения зонда в штатном снаряжении 740 м.

Гидрологический разрез, выполненный 26 июля, начали в 13 ч 00 мин, последнее погружение зонда произвели в 15 ч 20 мин. Период работы по времени совпал с переходом фазы прилива от высокой полной воды в 11 ч 00 мин к низкой малой воде в 18 ч 10 мин.

131°0'0"Е 131°5'0"Е 131°10'0"Е 13Г15'0"

Рис. 2. Схема гидрологических экспериментов в июле-августе 2012 г. Белыми кругами показаны точки в гидрологическом разрезе. Цифрами обозначены изолинии глубин, м

Во время повторного выполнения разреза 1 августа 2012 г. с 11 ч 00 мин до 13 ч 00 мин высокая малая вода (9 ч 30 мин) сменялась фазой высокой полной воды (15 ч 10 мин).

В период проведения гидрологических измерений (25 июля-2 августа 2012 г.) синоптические условия были достаточно стабильными: слабый ветер лишь временами усиливался до умеренного южных направлений, волнение морской акватории также было слабое. Температура воздуха днем поднималась до 27°С, ночью опускалась до 20°С. На поверхности вода была прогрета до 19-21°С, вблизи дна (на глубине более 75 м) ее температура составляла ~1°С (рис. 3а, б).

Скорость звука, судя по профилям, полученным в первой и последней точках гидрологического разреза за два дня работ (рис. 4), варьирует от 1455 м/с у дна (на глубине более 60-70 м) до 1520 м/с у поверхности моря. Наблюдается три резких ее скачка на последних точках разреза, первый - у поверхности моря, до глубин 5-8 м. Скорость звука в первом термоклине уменьшилась с глубиной на 15 м/с. Второе резкое изменение скорости звука (уменьшилась на 20 м/с) произошло на глубинах 35-50 м, последнее - на горизонте 60-80 м (уменьшилась на 35 м/с). Столь резкие изменения скорости звука на данных горизонтах обусловлены наличием слоя скачка температуры. (Подобная ситуация описана в литературе [5]; исследования, о которых идет речь в указанной работе, относятся к 1984-1990 гг., что дает возможность говорить о гидрологической ситуации в регионе как о достаточно устойчивой.) 26.07.2012 г. и 01.08.2012 г. термоклин был выражен сгущением изотерм; три термоклина наблюдались до глубин порядка 70 м (рис. 3а). С уменьшением глубины места гидрологическая ситуация практически не изменяется. За счет рельефа «срезается» нижний слой воды, и остается только прогретая его часть, что отчетливо видно на рис. 4, где профили скорости звука на первой и последней точках практически повторяют друг друга.

В июле приповерхностный слой воды прогрет равномерно до 20°С, у дна температура воды опускается до 1°С, и нижний слой скачка находится на глубине порядка 70-80 м (рис. 3а, 4). А в августе мы наблюдали, что верхний слой воды прогревается до температуры более 21°С, и вместе с тем увеличивается градиент температуры с глубиной (рис. 3б, 4), за счет чего нижний слой скачка поднимается до глубин 60-70 м. Наиболее отчетливо данная картина наблюдалась после нагона теплой воды тайфуном «Болавен» (рис. 3в), прошедшим у побережья Приморья утром 29 августа 2012 г. и принесшим с юго-запада в зал. Петра Великого теплую воду. Максимальная скорость ветра составляла 33 км/с. Гидрологический профиль удалось выполнить лишь 31 августа, когда стих сильный ветер. Во время проведения наблюдений ветер был северо-западного направления умеренный до сильного. Прогретый (19-22°С) слой воды отмечен на глубине 15-20 м (рис. 3б), затем -на глубине 35 м, где температура воды снизилась от 19 до 5°С, и далее до дна изменялась плавно от 5 до 1°С.

Таким образом, на шельфе в зал. Петра Великого на глубинах более 70 м у дна расположен ПЗК, в котором будет концентрироваться большая часть излученной энергии. Поскольку градиент скорости звука в слое скачка отрицательный, звуковой луч будет искривляться книзу. За счет рельефа происходит вырождение придонного слоя ПЗК с уменьшением глубины моря. Там, где глубина менее 40 м, придонного ПЗК, вероятнее всего, не будет.

Результаты исследования показали, что на шельфе Японского моря в зал. Петра Великого наблюдается достаточно устойчивая гидрологическая картина, характеризующаяся наличием трех выраженных термоклинов в деятельном слое и высокой зависимостью от рельефа дна. Подтверждено, что деятельный слой на шельфе составляет порядка 90 м. С увеличением мощности прогретого верхнего слоя увеличивается градиент температуры и скорости звука на глубинах 15-35 м, а также возрастает мощность холодного придонного слоя воды.

Основная энергия излученного звукового сигнала будет сосредоточена в придонном ПЗК, ограниченном сверху нижним слоем скачка, а снизу - дном моря. Нижний слой скачка

Расстояние, км

Рис. 3. Распределение температуры по профилю за 26.07.2012 г.

1460 1480 1500 1520 1460 1480 1500 1520

Скорость звука, м/с Скорость звука, м/с

Рис. 4. Профили скорости звука за 27.07.2012 г. (слева) и 01.08.2012 г. (справа). Номера на графиках соответствуют первой и последней реализациям на профиле

наблюдается на глубинах 65-80 м, при стабильных гидрометеорологических условиях. ПЗК образуется в соответствии с характерным для залива профилем скорости звука [5]. По всей видимости, ПЗК выклинивается к береговой черте на глубинах 60-70 м. Скорость звука в придонном ПЗК составляет около 1455 м/с.

Полученные после прохождения мощного тайфуна данные являются достаточно интересными. За счет нагонного явления образуется теплый (19-22°С) верхний слой воды. На глубине от 15-20 до 35 м формируется слой с высокими градиентами скорости звука и температуры, у дна - достаточно однородный холодный (1-5°С) слой.

ЛИТЕРАТУРА

1. Акустика океана / под ред. Л.М. Бреховских. М.: Наука, 1974. 693 с.

2. Канцельтон Б.Г., Петников В.Г. Акустика мелкого моря. М.: Наука, 1997. 191 с.

3. Коротченко Р. А., Самченко А.Н., Ярощук И.О. Применение статистических методов в изучении рельефа шельфовой зоны залива Посьета (Японское море) // Вестн. ДВО РАН. 2011. № 6. С. 54-59.

4. Самченко А.Н., Пивоваров А.А., Кошелева А.В. Результаты гидрологических и геолого-геофизических исследований залива Посьета // Подводные исследования и робототехника. 2011. № 1(11). С. 64-68.

5. Navrotsky V.V., Lozovatsky I.D., Pavlova E.P., Fernando H.J.S. Observations of internal waves and thermocline splitting near a shelf break of the Sea of Japan (East Sea) // Continental Shelf Research. 2004. Vol. 24, N 12. P. 1375-1395.