Введение к работе
Актуальность проблемы.
Изменения климата Земли вызывают растущий интерес независимо от того, связаны ли они с антропогенными факторами или являются естественным процессом. Наблюдения за состоянием климата в атмосфере существенно осложняются сильной синоптической, сезонной и межгодовой изменчивостью температуры воздуха, а также тепловыми выбросами крупных городов и
ПрОМЫЩЛеННЫХ Объектов. Средняя ТеМПеШТ\Г>а пепхнм* том. кл..~~
vwUifu wlldvKacJi їдк-ічхнис іспиияті «""" » Г~ ГГ.": Z~l..:„ „ С^.ч-О „пмммии
водной среде океана сезонная и синоптическая изменчивость температуры существенно меньше, чем в атмосфере, поэтому возможные тенденции в изменении глобального климата, в том числе связанные с "парниковым" эффектом, могут быть замечены в океане за более короткий промежуток времени. Это обстоятельство привело У.Манка и А.Форбеса к идее наблюдения за изменениями средней температуры океана с помощью измерения времени распространения акустических сигналов на очень длинных трансокеанских трассах [2], что обосновано существованием приблизительно линейной связи температуры и скорости звука в воде. Для проверки осуществимости этой идеи в 1991 г. был проведен первый эксперимент по передаче тональных и широкополосных акустических сигналов на трансокеанских трассах, в котором автор принял участие [3]. Основная цель эксперимента состояла в определении амнлигудно-фазовых характеристик акустических сигналов, их временной структуры, стабильное in и доспгжимой точности измерения времени распространения. К сожалению, эксперимент не дал ответа на вопрос о достижимой точности в измерениях времени распространения, так как временная структура приходов отдельных лучей или групп акустических мод в сильно диспергированных сигналах была крайне 'нестабильной [4]. Нестабильность формы сигнала была обусловлена движением излучающего судна и высокой чувствительностью сигнала, состоящего из суммы интерферирующих мод с близкими волновыми числами, к пространственно--временной изменчивости поля скорости звука вдоль трассы распространения.
Временные флуктуации пространственного распределения скорости звука малых и средних масштабов в океане вызваны внутренними и приливными волнами, синоптическими вихрями и динамикой фронтальных зон, таких как Антарктический полярный фронт, пересекавший почти все трассы эксперимента 1990 г..
В Северном Ледовитом океане (СЛО) условия распространения акустических сигналов значительно отличаются от условий открытого океана в средних широтах. Наличие приповерхностного звукового канала в СЛО приводит к сильной волноводной дисперсии акустических сигналов, что позволяет разрешить во времени приходы отдельных мод импульсных сигналов на больших расстояниях от источника. В работе [5] автор показал возможность измерения разности времен распространения отдельных мод шумового сигнала в волноводе арктического типа с помощью корреляционной обработки.
Ледяной покров Арктического бассейна экранирует океан от влияния атмосферы, поэтому естественная временная изменчивость распределения температуры воды и скорости звука в СЛО существенно меньше, чем в открытом океане, что подтверждается, в частности, одновременными прямыми и дистанционными акустическими измерениями внутренних и приливных волн, проведенными автором в северной части Баренцева моря [6, 7]. Относительно слабая мезомасштабная изменчивость водной среды СЛО, а также чувствительность арктических условий к глобальным климатическим изменениям [8] и значительная роль Арктики в формировании климата Земли явились основными аргументами в пользу акустического мониторинга температуры воды СЛО, предложенного в научном проекте П.Михалевского и др. [9]. В проекте предлагается также исследовать возможность долговременного акустического мониторинга средней толщины ледяного покрова, являющейся не менее важным индикатором состояния климата в Северном полушарии. Совместными усилиями американских и российских ученых был разработан Международный проект Arctic АТОС (Arctic Acoustic Thermometry of Ocean Climate), исследования по которому начались в 1993 году.
К началу работ по проекту Arctic АТОС вопрос о возможности передачи акустических сигналов через весь Арктический бассейн современными техническими средствами оставался открытым, так как существующие эмпирические формулы пространственной и частотной зависимости затухания звука в арктическом канале [10], полученные по данным измерений на трассах до 1000 км, предсказывали очень высокие энергетические потери акустических сигналов при трансарктическом распространении на расстояния более 2000 км. Для трассы длиной 2750 км оценка потерь сигнала частоты 30 Гц по ^*іі;иілі:ісс:-;п:.і фсргут?" cv?»0""1"» 'fis пВ. что поелъявляет слишком высокие требования к мощное і и акусіическою ju.i> ч дтелл боле? 2!" /тН ^лт>?т« !" *-нт акустической мощности) при уровне естественных шумов океана 80 дБ отн. 1 мкПа в полосе 1 Гц [9]. Теоретические расчеты затухания низкочастотного звука на больших расстояниях от источника в горизонтально-неоднородном арктическом волноводе, впервые проведенные в Акустическом институте [11], показали, что суммарные потери энергии сигналов на трансарктических трассах должны быть меньше расчетных потерь, полученных по эмпирическим формулам. Уменьшение затухания сигналов на больших расстояниях от источника связано с увеличением энергетического вклада глубоководных мод в суммарном звуковом поле. Эти моды, не захваченные приповерхностным звуковым каналом, имеют большие длины пространственных циклов, в меньшей степени взаимодействуют с неровным льдом, чем приповерхностные моды и, следовательно, имеют меньшее затухание . На близких расстояниях в звуковом поле доминируют приповерхностные моды, сильнее возбуждаемые источником, находящемся в приповерхностном канале. В работе [12] тех же авторов показано, что оптимальные частоты для передачи сигналов на трансарктических трассах находятся в диапазоне 15-25 Гц. На частотах ниже 15 Гц становится существенным поглощение звука в морском дне. На высоких частотах рассеяние звука на неровном льду приводит к сильному затуханию акустических сигналов, исключающему возможность их передачи через весь Арктический бассейн. Однако проверить точность результатов теоретических расчетов затухания по имеющимся экспериментальным данным не представлялось возможным, так как, во-первых, точность измерений была
слишком низкой для получения надежных оценок затухания на частотах ниже 30 Гц и, во-вторых, экспериментальное выделение акустических мод с номерами выше первого и измерения их затухания в глубоководной части Арктического бассейна до 1994 г. не проводились.
Вследствие большой сложности и высокой стоимости океанографических
измерений в Арктике данных о характеристиках водной среды СЛО
(температуры, солености, скорости течений и др.) и их пространственно-
-временной изменчивости существенно меньше, чем для открытого океана.
Данных о морфометрических характеристиках ледяного покрова (толщине,
неровности, сплоченности) также слишком мало для определения
закономерностей пространственно-временной изменчивости этих
характеристик по всему Арктическому бассейну. Скудность океанографических данных и несовершенство использованной акустической модели обусловили весьма приблизительный, скорее качественный характер оценок реакции акустических сигналов на естественную изменчивость океана и его ледяного покрова, использованных для обоснования проекта Arctic АТОС на его начальной стадии [9]. Поэтому до проведенных исследований вопрос о возможности выявления климатических трендов на фоне сезонной и межгодовой изменчивости океана по измерениям параметров акустического сигнала оставался открытым.
Цель данной диссертационной работы состоит в определении возможности и научном обосновании методов дистанционных акустических измерений крупномасштабных (сезонных, межгодовых, климатических) изменений средней температуры водных слоев и средней толщины ледяного покрова СЛО на основании:
а) анализа имеющихся океанографических данных о характеристиках водной
среды и ледяного покрова СЛО и их крупномасштабной пространственно-
-временной изменчивости;
б) численного моделирования распространения низкочастотных акустических
сигналов на трансарктических трассах и влияния временной изменчивости
условий распространения на параметры этих сигналов;
в) экспериментальных исследований пространственно-временной структуры низкочастотных сигналов и ее временной стабильности на трансарктической трассе и сравнения полученных экспериментальных результатов с теоретическими расчетами.
Научная новизна работы заключается в следующем:
на основании анализа океанографических данных сделаны оценки межгодовой изменчивости средней температуры и солености в основных хапактерных водных слоях СЛО:
предложен и научно uGuwiiu^-ii j„-.~~ машинописно і.Сіїірслл ;:Дііс;;і:;::Л средней температуры в основных характерных водных слоях СЛО с помощью измерений фазы или времени распространения отдельных акустических мод на трансарктической трассе;
для численного моделирования распространения сигналов предложена новая, более совершенная и соответствующая реальным условиям акустическая модель арктического волновода с ледяным покровом, плавающем в воде, а не лежащем на ней, что существенным образом отражается на результатах моделирования влияния изменении средней толщины льда на фазу низкочастотных сигналов;
предчожен метод дистанционных акустических измерений средней толщины ледяного покрова СЛО с помощью измерения амплитуд отдельных мод низкочастотного сигнала на трансарктической трассе;
по экспериментальным данным определено пространственное распределение звукового поля в арктическом волноводе на расстоянии более 2600 км от источника тонального сигнала;
экспериментально измерены времена распространения и амплитуды первых четырех мод низкочастотного широкополосного сигнала в глубоководном арктическом волноводе, что позволило впервые получить экспериментальные оценки групповых скоростей и коэффициентов затухания отдельных мод в сигнале.
Практическая ценность
Предложенные в диссертационной работе способы акустических измерений крупномасштабных изменений средней температуры водных слоев и толщины ледяного покрова, проверенные автором с помощью численного моделирования и анализа результатов кратковременного тестового эксперимента, определяют научные основы методики долгосрочных дистанционных наблюдений за состоянием водной среды и ледяного покрова СЛО на стационарных трансарктических трассах, предлагаемых в проекте "Arctic АТОС" с целью непрерывного контроля тенденций в глобальных климатических изменениях, проявляющихся Арктике. Осуществление такого непрерывного контроля методами прямых измерений температуры водной среды и толщины ледяного покрова по всей акватории СЛО является слишком сложной задачей и дорогостоящим мероприятием, вряд ли посильным в ближайшее время как отдельным странам, так и группе приарктических стран, объединенной в рамках научной кооперации.
Согласно научному плану проекта "Arctic АТОС" в 1996 -1997 гг. будут проведены круглогодичные акустические измерения изменчивости СЛО на одной-двух стационарных трансарктических трассах. Методика этих измерений будет основана в значительной степени на научных результатах, полученных в данной диссертационной работе.
В диссертации выносятся на защиту:
1. Результаты численного моделирования влияния характеристик водной среды
и ледяного покрова СЛО на параметы низкочастотных акустических
сигналов:
1.1. Влияние изменений средней температуры основных характерных водных
слоев СЛО (верхнего перемешанного слоя, галоклина, термоклина, ядра
атлантических вод, нижней части атлантического слоя) на волновые числа
акустических мод на частотах 20 и 30 Гц.
1.2. Анализ изменений фазы и времени распространения мод низкочастотных
акустических сигналов на трансарктической трассе Шпицберген - море
Бофорта длиной 2400 км, вызванных влиянием реальных межгодовых
изменений средней температуры основных характерных водных слоев СЛО
и гипотетического климатического потепления прослойки атлантических
~~~" вод~0,01С~вгодг
1.3. Влияние изменений средней толщины ледяного покрова на волновые числа
и фазу мод низкочастотных акустических сигналов на трансарктической
трассе.
1.4. Влияние изменений средней толщины и среднеквадратичной высоты
неровностей ледяного покрова на затухание мод низкочастотных сигналов в
арктическом волноводе.
!.*. Нречечныг иімененгіл iiMiunijAi» -і-Д ::r~::r""fT"T""» «пиилп» m трансарктической трассе, вызванные сезонными колебаниями и гипотетическим климатическим уменьшением средней толщины и среднеквадратичной высоты неровностей ледяного покрова 10 см и 6 см в год соответственно.
2. Результаты обработки и анализа данных Российско-американского
эксперимента по трансарктической передаче акустических сигналов,
проведенного весной 1994 г.
-
Экспериментальное исследование пространственной структуры звукового поля тонального сигнала в арктическом волноводе на расстоянии более 2600 км от источника.
-
Экспериментальные оценки групповых скоростей и коэффициентов затухания первой - четвертой мод широкополосного (фазо-модулированного) сигнала с центральной частотой 19,6 Гц в арктическом волноводе.
-
Метод дистанционного акустического наблюдения крупномасштабных изменений средней температуры водных слоев СЛО по измерениям фазы отдельных мод низкочастотных тональных сигналов или времени распространения этих мод в широкополосных сигналах на стационарных трансарктических трассах.
-
Метод дистанционного акустического наблюдения крупномасштабных изменений средней толщины ледяного покрова СЛО по измерениям
амплитуды отдельных мод низкочастотных сигналов на стационарных трансарктических трассах.
Объем работы и апробация результатов.
По материалам диссертационной работы автором подготовлены 8 статей и тезисы докладов, опубликованные в широко известных научных журналах и сборниках статей, в том числе в Акустическом журнале, в Журнале Американского акустического общества, в трудах 2-ой сессии Российского акустического общества "Акустический мониторинг сред".
Основные результаты, полученные в диссертационной работе, были доложены автором на II Сессии Российского акустического общества (1993 г.), на 126-ой и 128-ой конференциях Американского акустического общества (1993 и 1994 гг.) и на научной сессии Отделения общей физики и астрономии РАН (1>95). Кроме того, по материалам диссертации направлены и приняты для представления и публикации доклады на 129-ую конференцию Американского акустического общества, на 15-ый Международный акустический конгресс и 2 доклада на Международную конференцию "Океан-95".
Личный вклад автора
Все результаты теоретических расчетов и численного моделирования лично получены автором. Алгоритм расчета звуковых полей и характеристик низкочастотных тональных и широкополосных сигналов в арктическом горизонтально-неоднородном волноводе был разработан автором совместно с В.М.Кудряшовым с использованием его теории рассеяния звука на арктическом льду. Автор непосредственно участвовал в подготовке и проведении Российско-американского эксперимента по трансарктической передаче акустических сигналов в качестве научного руководителя эксперимента с российской стороны. Представленные в диссертации результаты обработки и анализа экспериментальных сигналов и данных получены автором также самостоятельно. В предварительной обработке акустических сигналов и навигационных данных принимал участие М.Ю.Андреев, которому автор выражает признательность.
Похожие диссертации на Акустический мониторинг климатической изменчивости Северного Ледовитого океана
