Доктор физико-математических наук Александр ЛУЧИНИН, директор Отделения гидрофизики и гидроакустики Института прикладной физики (ИПФ) РАН, заместитель директора Института по научной работе, кандидат физико-математических наук Александр МАЛЕХАНОВ, ведущий научный сотрудник того же Института

Изучение волновых процессов в толще и на поверхности океана, поиск радиофизических методов его дистанционной диагностики - ведущие направления созданного в 1988 г. Отделения гидрофизики и гидроакустики ИПФ. Для его сотрудников Мировой океан - главный объект исследований, своего рода "среда обитания".

МНОГОВОЛНОВАЯ ГИДРОФИЗИКА

Несмотря на новизну поставленных при основании Института задач, гидрофизика и гидроакустика стали развиваться здесь не на пустом месте. Фундаментальные основы ряда их разделов были заложены еще в 1960 - 1970-е годы сотрудниками Научно-исследовательского радиофизического института Владимиром Талановым (с 1992 г. академик), Виталием Зверевым (с 1979 г. член-корреспондент АН СССР, а ныне РАН), доктором физико-математических наук Львом Островским, кандидатом физико-математических наук Львом Долиным и их учениками. "Культурный слой" этих пионерских работ по физике волновых процессов в неоднородных средах позволил ИПФ довольно быстро не только освоиться в новой области, но и занять лидирующие позиции по нескольким ключевым направлениям. В немалой степени успеху способствовало и то обстоятельство, что научное руководство всеми работами по перспективным волновым технологиям изучения и диагностики океана взял на себя академик Андрей Гапонов-Грехов - основатель и директор ИПФ в течение четверти века. В 1987 г. он сменил академика Анатолия Александрова*, оказавшего в свое время очень деятельную поддержку при организации ИПФ на посту председателя Научного совета при Президиуме АН

* С 1975 по 1986 г. - президент АН СССР (прим. ред.).

стр. 46

Распад длинной приливной волны на последовательность интенсивных уединенных внутренних волн (солитонов) на шельфе Атлантического побережья США. Последующая эволюция солитонов на дистанции 20 км реконструирована в рамках предложенной модели.

СССР по комплексной проблеме "Гидрофизика", и это еще более укрепило взаимодействие с Советом при проведении масштабных гидрофизических исследований в Институте.

С самых первых лет существования Отделения особое внимание уделялось созданию собственной экспериментальной базы, прежде всего для натурных опытов в условиях реального океана. Многие из технических средств и комплексов (по ряду позиций - уникальных), разработанных нашими сотрудниками, активно используются в совместных исследованиях с другими академическими и отраслевыми институтами.

Итак, предмет главного интереса наших специалистов в области гидрофизики - физика волновых процессов в верхнем слое океана: они разнообразны и существенно влияют на его динамику. Большое значение придается гидроакустике, хотя в данном случае речь идет не о собственном волновом поле океана, а о звуке, "привнесенном" в океаническую среду для ее диагностики или локации находящихся в ней объектов. С учетом того, что звук низкой частоты не имеет альтернатив как средство "просвечивания" морских акваторий на сотни и даже тысячи километров, становится понятной исключительная роль низкочастотной гидроакустики как самостоятельного раздела гидрофизики. К нему мы еще вернемся, сейчас же кратко поясним, в чем заключается интерес к верхнему океаническому слою с точки зрения физики волновых процессов.

Известно, что в океане могут распространяться волны различной природы с разнообразными дисперсионными и нелинейными свойствами. Важнейшие для изучения - возникающие на поверхности (ветровые с длинами от сантиметров до десятков метров, капиллярные - до 1 см, а также цунами) и в самой водной толще, так называемые внутренние волны (они характерны для океана как вертикально-стратифицированной среды). Существенную роль в динамике верхнего слоя океана играют не только сами волновые движения, но и их взаимодействие между собой, с подводными течениями и турбулентностью. Причем исследование указанных процессов имеет большое значение и как основа методов дистанционной диагностики океана, прежде всего радиолокационных и оптических.

В последние годы эти работы выполняются нашим Отделением в рамках национальных и международных научных программ, в том числе Президиума и Отделения физических наук РАН, федеральных целевых, а также конкурсных программ Российского фонда фундаментальных исследований и европейских научных фондов.

Например, широко известны результаты изучения самых длинных поверхностных волн в открытом океане - цунами. Имеющие, как правило, сейсмическое происхождение, при выходе на побережье они способны вызвать сильнейшие разрушения. В группе, возглавляемой доктором физико-математических наук Ефимом Пелиновским, развиты методы корректной оценки цунами-риска (зоны возможного "заплеска" волны на побережье), основанные на численном моделировании зарегистрированных событий в рамках теории нелинейных волн на воде. Сравнение с данными по ряду цунами, включая два катастрофических, возникших в результате извержения вулкана Кракатау (27.08.1883) в Индонезии и недавнего землетрясения там же (26.12.2004)*, позволило апробировать предложенные методы и оценить

* См.: Н. Лаверов и др. Катастрофа на Суматре: уроки и прогнозы. - Наука в России, 2007, N 1; Технология предотвращения сейсмических ударов. - Наука в России, 2005, N 4 (прим. ред.).

стр. 47

Радиолокационное изображение цуга (пакета) внутренних волн на поверхности океана (по данным российско-американского эксперимента на северо-западе Атлантики).

цунами-риск для различных акваторий Мирового океана, в том числе для ряда окраинных морей России. А в последние годы результаты этой группы позволили приблизиться к пониманию физической природы другого катастрофического явления - так называемых аномальных поверхностных волн. Эти неожиданно большие и потому опасные волны возникают зачастую как будто "из ничего", и их особенности (высота, профиль, время жизни) таковы, что за ними закрепилось образное название "волны-убийцы".

Динамика верхнего слоя океана - на глубинах от десятка до нескольких сотен метров - во многом определяется внутренними волнами. Они возникают в так называемом пикноклине - слое в толще воды, где плотность с глубиной изменяется гораздо быстрее, чем в соседних слоях. Наши сотрудники выполнили обширный цикл исследований, выяснив механизмы генерации и неустойчивости этих волн, специфику их взаимодействия с турбулентными течениями и эволюции на океаническом шельфе. Эти работы, начатые под руководством Льва Островского еще при создании ИПФ, сыграли значительную роль в понимании собственно физики внутренних волн и построении прогностических моделей их динамики в конкретных акваториях.

Классическая проблема волновой физики - взаимодействие волн различных пространственных и временных масштабов. Один из наиболее интересных и богатых на эффекты примеров такого рода в природных условиях - взаимодействие поверхностных ветровых волн с внутренними в океане. И, вместе с тем, примеров наиболее важных, поскольку ключевой прикладной аспект здесь связан с созданием "сквозных" моделей отображения поля внутренних волн (генерируемых, допустим, движущимся подводным объектом) в картине ветрового волнения, наблюдаемой сверху радиолокационными или оптическими средствами. Сотрудниками Отделения установлены физические механизмы влияния внутренних волн и создаваемых ими подводных течений на ветровое волнение и на этой основе предложены методы дистанционного зондирования глубинных процессов. Лабораторные и натурные эксперименты последних лет указали на существенную роль каскадных механизмов влияния внутренних волн на ветровые, когда воздействие передается вверх по спектру последних, от метровых и дециметровых к сантиметровой ряби. Кроме того, неоднородное поле течений, созданное внутренними волнами, вызывает изменчивость поля скорости ветра над поверхностью, что также приводит к модуляции уровня коротких ветровых волн.

Еще одна актуальная задача - взаимодействие волн с неоднородными течениями и потоками. Поскольку верхний слой океана представляет собой типичный пример открытой неравновесной среды, то в нем возможно как нарастание волновых возмущений (вызванное подводными течениями и приповерхностным ветром), так и их естественное затухание (обусловленное передачей энергии в мелкомасштабные турбулентные движения). Важно, что при таком "контакте" за счет обмена энергией и импульсом существенно изменяются характеристики как волнового поля, так и самого течения. Подобные эффекты хорошо известны и применяются в разных областях (например, в электронике сверхвысоких частот и физике плазмы), однако применительно к реальному океану потребовалось построение корректных физических моделей и их экспериментальное подтвержде-

стр. 48

ние. Эти работы выполняются под руководством доктора физико-математических наук Юлии Троицкой.

Возвращаясь к формированию пикноклина в океане, отметим: основную роль в данном процессе играет стратификация глубинного профиля температуры вод. Это стало основой масштабной лабораторной модели верхнего слоя океана, реализованной в Большом термостратифицированном бассейне ИПФ (пущен в эксплуатацию в 1991 г.). В его конструкции использован предложенный Владимиром Талановым эффективный и экологически чистый (без дополнительных реагентов) способ поддержания устойчивой температурной стратификации, глубинный профиль которой воспроизводит в масштабе =1:100 профиль, характерный для реального океана. Благодаря этим параметрам, достаточно большим размерам (20*4*2 м³) и современному приборному обеспечению Бассейн дает богатые возможности моделирования гидрофизических процессов (руководитель лаборатории - кандидат физико-математических наук Виктор Баханов). Активно используется уникальное сооружение и при проведении совместных исследований с рядом академических институтов: Космических исследований, Физики атмосферы им. А. М. Обухова, Геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского (Москва); на его базе реализуются и долгосрочные международные проекты.

Другой наш стенд для моделирования волновых процессов в верхнем слое океана - Кольцевой ветроволновой бассейн (пушен в эксплуатацию в 1992 г.). Он представляет собой аэрогидроканал замкнутой овальной формы; в нем предусмотрены создание стратифицированных солевых слоев с заданным профилем плотности, а также генерация ветрового потока и, следовательно, ветровых волн на поверхности. Здесь апробируют методы и аппаратуру диагностики взволнованной морской поверхности на разных стадиях разгона (руководитель лаборатории - кандидат физико-математических наук Станислав Ермаков). Установка также активно используется в совместных экспериментах как с российскими коллегами, так и с зарубежными из европейских научных центров.

ЧТО МОЖНО УВИДЕТЬ В МУТНОЙ ВОДЕ?

Выше мы отметили важный диагностический аспект наших исследований в области гидрофизики, связанный с совершенствованием методов и средств дистанционного зондирования океана. Остановимся на этом несколько подробнее.

Начнем с оптики океана и подводного видения. Эту тематику ИПФ унаследовал от Научно-исследовательского радиофизического института, где в 1960-е годы впервые в СССР создали систему подводного лазерного наблюдения, с ее помощью поставили пионерские эксперименты по локации и формированию изображений объектов. Тогда же были заложены основы теории видения в мутных (сильнорассеивающих) средах. Опыт этих изысканий использован в Отделении для построения теории лазерной локации и видения подводных объектов с летательных аппаратов, реализации дистанционного оптического метода измерения спектральных характеристик ветрового волнения и в автоматизированном корабельном комплексе приборов. Эта аппаратура оказалась незаменимой во многих наших морских экспедициях. А в последнее время Лев Долин и Александр Лучинин разрабатывают принципиально новый подход к решению проблемы подводного видения через взвол-

стр. 49

Оптические изображения тестового объекта при наблюдении сквозь морскую поверхность: А - через плоскую границу раздела воздух-вода; В - при скорости ветра 5 м/с; С - восстановленное изображение. Глубина объекта - 10 м, размер элемента разрешения - 2 см.

нованную поверхность. Его суть - в коррекции искажений зондирующего сигнала на основе информации о рельефе морской поверхности, содержащейся непосредственно в ее изображении. Кстати, схожий путь в свое время проходила адаптивная оптика* в связи с появлением больших телескопов: от расчета искажений изображений астрономических объектов, обусловленных деформациями зеркал, к коррекции этих изображений на основе соответствующих алгоритмов.

Морская вода - не единственный пример оптически мутной среды. В числе подобных - биологические ткани, диагностика которых, в силу быстрого затухания в них оптического излучения, возможна лишь в поверхностных слоях. Ранее полученные нами результаты в изучении океана легли в основу метода оптической когерентной томографии биотканей - перспективного направления в области медицины; соответствующие работы сосредоточены в Отделении нелинейной динамики и оптики ИПФ.

В панорамных средствах обзора морской поверхности в большей степени, чем оптические, применимы "всепогодные" сверхвысокочастотные сигналы и, соответственно, радиолокационное зондирование. Этому направлению также уделяется значительное внимание.

Важный цикл исследований выполнен под руководством Станислава Ермакова по дистанционному зондированию органических и нефтяных пленок на морской поверхности, в том числе совместные натурные эксперименты с Европейским космическим агентством. В ходе их синхронно с радиолокационной съемкой морской поверхности спутником ERS-2 измерялась степень гашения мелкомасштабных ветровых волн в специально созданных на поверхности пленочных пятнах. На основе полученных результатов возможна разработка селективного дистанционного экологического мониторинга акваторий, позволяющего не только регистрировать сам факт появления загрязняющей пленки, но и идентифицировать ее происхождение.

Перспективна и диагностика цунами в условиях открытого океана (там, где эти волны практически не заметны). В результате анализа данных спутниковых наблюдений акватории Индийского океана во время вышеупомянутого катастрофического события в Юго-Восточной Азии 2004 г. обнаружен эффект изменения сечения рассеяния радиолокационного сигнала, отраженного от морской поверхности, при прохождении цунами в открытом океане, и дана его теоретическая интерпретация. Следовательно, возможны спутниковая регистрация и оперативный прогноз распространения разрушительной волны до выхода ее на побережье.

НИЗКОЧАСТОТНАЯ АКУСТИКА ОКЕАНА

К моменту создания ИПФ было уже известно, что низкочастотный звук распространяется в океане практически без затухания благодаря формированию в верхнем слое подводного звукового канала - природного акустического волновода. Поэтому низкочастотная акустика имеет очевидное преимущество в диагностике акваторий протяженностью в сотни и тысячи километров. Однако чтобы его реализовать, предстояло исследовать широкий круг взаимосвязанных проблем формирования звуковых полей в подводных звуковых каналах на столь больших дистанциях, диагностики океанической среды на основе данных акустического "просвечивания", создания технической базы для масштабных натурных экспериментов.

Определяющую роль в развитии этого направления играет тесное взаимодействие с организациями Военно-морского флота, отраслевыми промышленными институтами. В поддержке фундаментальной компоненты исследований значительна роль академической программы "Когерентные акустические поля и сигналы".

Отметим также опыт многолетнего сотрудничества при проведении натурных экспериментов с коллегами из институтов: Океанологии им. П. П. Ширшова, об-

* Адаптивная оптика - раздел оптики, занимающийся разработкой оптических систем с динамическим управлением формой волнового фронта для компенсации случайных возмущений и повышения предела разрешения наблюдательных приборов, степени концентрации излучения на приемнике или мишени (прим. ред.).

стр. 50

щей физики им. А. М. Прохорова, Акустического им. Н. Н. Андреева (Москва), Тихоокеанского океанологического им. В. И. Ильичева (Владивосток) и других. Работы выполняли в подводных звуковых каналах различного типа: в приповерхностных - Арктики и северо-западной части Тихого океана, в глубоководных - средних и тропических широт Атлантики, в мелководных - окраинных морей и шельфовых зон. Подчеркнем: все упомянутые каналы обладают заметной спецификой распространения низкочастотного звука, и благодаря такому разнообразию за прошедшие годы в ИПФ накоплен значительный объем фактических данных по "дальней" акустике океана. Важнейшим полученным результатом стала демонстрация возможности дальнего (до 500 км) картирования подводных возвышенностей и обнаружения локализованных неоднородностей в глубоком океане.

Наравне с проведением натурных экспериментов, построены эффективные теоретические и численные модели низкочастотных звуковых полей в океане. Были установлены основные закономерности дальнего распространения звука в подводных каналах различного типа и формирования сигналов реверберации (обратного рассеяния звука), изучено влияние статистических свойств принимаемых сигналов на эффективность работы антенных систем.

С конца 1980-х годов, когда развернулись совместные исследования с зарубежными коллегами, особое значение приобрели российско-американские проекты по акустической термометрии океанического климата. Речь идет о едва ли не самом амбициозном проекте в области акустики за всю ее историю - программе долговременной регистрации с помощью низкочастотных сигналов слабых климатических

стр. 51

трендов глобальной температуры океанических вод (с точностью до десятых долей градуса в год!). Ряд международных экспериментов с участием ИПФ был осуществлен на стационарных акустических трассах в Тихом океане (Гавайские острова - полуостров Камчатка, протяженностью 4700 км) и Северном Ледовитом (от 1000 до 2600 км). В итоге сделан важный вывод о возможности практической реализации прототипа акустической системы долговременного мониторинга температуры океанических вод.

В тесной связи с этими работами в тематике Отделения нашло отражение новое направление в акустике океана, возникшее в середине 1990-х годов. Оказалось, многолучевая структура акустического поля на трассах протяженностью в тысячи километров обнаруживает хаотическое поведение. Самое удивительное, однако, в том, что времена приходов импульсного сигнала по отдельным лучевым траекториям определенным образом группируются, и такие группы (их назвали лучевыми кластерами) весьма устойчивы. Эти важные следствия теории лучевого хаоса, развиваемой доктором физико-математических наук Анатолием Вировлянским, позволяют акустически диагностировать глубокий океан на сверхдлинных трассах.

В последнее десятилетие значительный прогресс достигнут и в акустике мелкого моря. С точки зрения подводной акустики ключевая специфика мелкого моря заключается в относительно малом количестве мод, по которым распространяется в канале звуковой сигнал. Их состав (модовый спектр сигнала) чувствителен к наличию в канале разного рода неоднородностей. Следовательно, регистрация изменений указанного спектра, обусловленных рассеянием на неоднородностях канала, может дать информацию о последних. Это соображение легло в основу разработки в Отделении нового метода акустической томографии мелкого моря, названного маломодовой импульсной томографией (руководитель лаборатории - кандидат физико-математических наук Александр Хилько). Для его проверки у нас созданы уникальные излучающие и приемные антенные комплексы, способные обеспечить, соответственно, селективное возбуждение и прием зондирующего сигнала на разных модах. Результаты серии экспериментов в Балтийском и Баренцевом морях, выполненных в 2002 - 2005 гг., подтверждают возможность построения соответствующей системы мониторинга мелкого моря и шельфовых зон.

Другой итог развития способов акустической диагностики неоднородностей в мелком море связан с применением известного в оптике метода "темного поля" для локации мелкомасштабных объектов, рассеивающих прямой сигнал подсветки. Разработанный Виталием Зверевым метод акустического "темного поля" уже успешно апробирован его сотрудниками.

Особого упоминания заслуживают и технические средства низкочастотной подводной акустики. Без них не была бы выполнена обширная программа натурных экспериментов, благодаря которым Институт вошел в число ведущих мировых центров по исследованию акустики океана.

Широкую известность получили созданные в ИПФ мощные гидроакустические излучатели. Среди них есть и уникальные, обеспечившие, в частности, успех упомянутых выше российско-американских экспериментов в Арктике по термометрии океана. Из числа последних разработок в этой области отметим широкополосные пьезокерамические излучатели нового поколения, предложенные кандидатом технических наук Борисом Боголюбовым. Они обладают рекордными параметрами для диапазона частот от сотен Гц до единиц кГц и позволяют использовать различные типы модулированных сигналов в целях повышения разрешающей способности локационной системы.

Для экспериментальной гидроакустики очевидно значение приемных антенн, которое можно сопоставить с вкладом оптических и радиотелескопов в астрономию. Для исследований в акваториях мелкого моря и на шельфе в Отделении созданы не имеющие аналогов автономные измерительные комплексы, предназначенные для изучения гидроакустических полей надводных и подводных кораблей в широкой полосе частот. Под руководством кандидата физико-математических наук Павла Коротана разработан и сдан в эксплуатацию цифровой антенный комплекс для измерения параметров слабых гидроакустических сигналов на фоне шумов судоходства.

Итак, за прошедшие три десятилетия гидрофизика в стенах ИПФ стала продуктивным разделом общей науки о колебаниях и волнах. Были не только поняты интересные явления и установлены характерные закономерности многих процессов в Мировом океане, но и разработаны эффективные методы их диагностики, создан инструментарий для проведения полномасштабных экспериментов как в лабораториях, так и в открытом океане.

Завершив краткий обзор, подчеркнем, что океан - не единственный объект наших исследований. В последнее десятилетие в Отделении появился и быстро развивается ряд новых перспективных направлений. Наиболее важные из них - когерентная сейсмоакустика, акустическая диагностика сложных виброактивных систем, нелинейная акустическая дефектоскопия. Наряду с физикой волновых процессов в верхнем слое океана и радиофизическими методами его зондирования, волновая диагностика "других" неоднородных сред и систем также становится опорной точкой развития Отделения.

Публикатор:

Постоянная ссылка для научных работ (для цитирования):

Комментарии: