Экспедиционные работы лаборатории статистической гидроакустики
Цели экспедиции.
- Исследования внутренних гравитационных волн на шельфе Японского моря.
- Исследование сезонной, суточной и часовой изменчивости поля скорости звука водного слоя, в зависимости от метеорологических и гидродинамических процессов шельфовой зоны.
- Изучение характерных пространственно-временных масштабов флуктуаций акустического поля диапазона 22-33 Гц в районе океанологического полигона в заливе Посьета.
- Разработка феноменологической статистической модели флуктуаций поля скорости звука на основе физического анализа гидрологических полей и статистической обработки.
- Изучение влияния структуры осадочного чехла на низкочастотное акустическое поле в водном слое, дистанционное определение физико-акустических свойств донных отложений.
- Изучение особенностей формирования акустических полей диапазона 240-330 Гц с учетом вариаций океанологических характеристик залива Посьета.
- Построение термогидродинамической и геоакустической моделей залива Посьета.
Задачи экспедиции.
- Низкочастотные акустические исследования на условно однородной акустической трассе в заливе Посьета излучателями 20 Гц, и 33 Гц.
- Исследования особенностей трансформации низкочастотных акустических полей при распространении через границу гидросфера-литосфера.
- Исследования флуктуаций акустического поля частотой 330 Гц с учетом внутренних волн и поля течений.
- Исследование особенностей распространения низкочастотных широкополосных акустических сигналов в шельфовой области на квазистационарной трассе.
- Проведение сейсмоакустического зондирования донных осадков с целью выявления слоистой структуры и характеристик осадочных пород.
- Комплексные акустико-океанологические исследования в заливе Посьета –гидрологические разрезы, синхронные измерения вдоль акустических трасс различных океанологических характеристик – температуры, плотности, давление, поле течений и скорости звука.
- Синхронные исследования поля скорости звука и среднечастотного звукового поля автономного излучателя на стационарной трассе.
- Мониторинг течений и приливов, скорости звука и температуры в верхнем слое донных осадков.
- Опытная эксплуатация, разработанных в лаборатории, автономных приемных акустических станций, автономных комбинированных приемников.
- Опытная эксплуатация автономных термогирлянд, автономных регистраторов температуры и давления.
Отрядом «статистической гидроакустики» в 2016 году на акватории залива Посьета были реализованы три комплексных акустико-океанологических экспедиции (в мае, августе и октябре). За период экспедиционных работ было выполнено около трехсот зондирований высокого разрешения по вертикали (от поверхности до дна) с наблюдениями температуры, солености, давления и поля течений. Также проведены три серии акустических экспериментов направленных на изучение особенностей трансформации акустического поля при прохождении через границу раздела гидросфера-литосфера. В различные сезоны года (весна, лето и осень) с начала мая по конец октября проводились многосуточные постановки термогирлянд в заливе Посьета (Японского моря), снаряженных также регистраторами гидроакустического давления, в направлении движения нелинейных внутренних гравитационных волн (ВГВ). Вдоль трасс движения ВГВ, а также вдоль акустических трасс, в процессе океанологических и акустических экспериментов, проводились регулярные зондирования от поверхности до дна зондом СТД. В этих же точках шельфа, а также в различных бухтах, примыкающих к заливу, проводились постановки регистраторов гидростатического давления. Синхронно в процессе постановок океанологических систем в непрерывном режиме времени в различных точках прибрежной зоны проводились измерения вариаций атмосферного давления.
Для изучения внутренних гравитационных волн использовались данные инструментальных измерений вариаций температурного поля. Измерения проводились автономными цифровыми комплексами, размещенными на заякоренных автономных буйковых станциях. Станции расположены на трассе нормально изобатам. Такое расположение буйковых станций было выбрано в соответствии с направлением движения интенсивных внутренних гравитационных волн в данном районе. Датчики температуры термогирлянд на станциях располагались через 3 метра по глубине, дискретность регистрации составляла 1 секунду, что позволило, после передискретизации до 20-30 секунд, достичь разрешающей способности около 0.01C. Для более детального контроля гидрологической обстановки в период эксперимента на заякоренном судне была выполнена суточная станция, на которой проводились зондирования через каждые 15 минут, а в различные фазы прилива выполнялись зондирования через двухминутные интервалы в течение 100 минут. Рядом с судном на дне был установлен акустический профилограф течений ADP Argonaut 750 kHz.
Во время проведения океанографических наблюдений выполнялись разрезы, суточные и многосерийные станции, постановка автономных систем мониторинга поля температуры и течений. Кроме того осуществлялись постановки автономных термогирлянд и антенн из температурних логгеров треугольниками различных размеров с целью синхронного наблюдения динамики поля температуры и определения направления распространения и характеристик разномасштабных внутренних волн и других гидродинамических процессов. Приборы расставлялись по двум ортогональным трассам направленным вдоль и поперек линии свала глубин и расходящихся из одной точки. В этой точке на дно устанавливался автономный акустический излучатель 340 Гц. Приемные акустические станции расставлялись в тех же точках что и термогирлянды. Одновременная работа всех систем позволяет наблюдать флуктуации акустического поля под воздействием гидродинамических процессов. Также использовались автономные ADСP зонды для одновременной регистрации поля течений.
Акустические эксперименты, нацеленные на изучение особенностей трансформации низкочастотных акустических полей при распространении через границу гидросфера-литосфера проводились в мае, августе и октябре и представляли собой излучение серии низкочастотных акустических сигналов (33, 20 Гц.) с одновременным приемом на акустические приемные системы и стационарный береговой лазерный деформограф. Излучение производилось с нескольких точек с различными дистанцией и углом по отношению к оси деформографа. Акустические трассы были выбраны в соответствии с геоакустической моделью полигона, таким образом, чтобы охватить различные случаи возбуждения распространяющихся мод, а также зафиксировать случаи возбуждения поверхностных волн типа Шолте (на границе вода-дно). Общим свойством для этого класса волн является концентрация переносимой ими энергии вблизи границы – внутри слоя с толщиной порядка длины волны.
За время экспедиции были проведены три серии масштабных океанологических экспериментов в разные сезоны в Заливе Посьета, включавших в измерение структуры течений и гидрологическое зондирование с помощью различных приборов, три постановки термогирлянд, регистраторов температуры и давления, ADCP зондов, а также гидрологические разрезы по трассе акустических экспериментов. В общей сложности проведено около 300 высокоразрешающих вертикальных зондирований водной среды с одновременным измерением температуры, солености, давления, скорости звука и поля течений. Совместно с лабораторией 2/1 осуществлены три серии акустических экспериментов с целью изучения особенностей трансформации низкочастотных акустических полей при распространении через границу гидросфера-литосфера.
Океанологические исследования
Анализ полученных в 2016 году экспериментальных данных показал, что максимальная изменчивость гидрологических и акустических параметров характерна для суточных масштабов. Пространственно-временная структура этих изменений, в основном, формируется под влиянием приливных явлений. Отмечаются также и сезонные различия в суточной изменчивости параметров вод. По наблюдениям в мае, июле и сентябре толща вод, в первом приближении, представляла собой линейный антиволновод с набором локальных неоднородностей. В октябре хорошо выделялся верхний квазиоднородный слой, вертикальная протяженность которого на разных фазах приливных явлений варьировала от 10 до 20 м. Хорошо проявлялся также холодный придонный слой (с вертикальными размерами от 1 до 14 м). Вариации скорости звука в течение часа, по-видимому, связаны с проявлением короткопериодных внутренних волн (ВВ). В этом случае механизм вариаций скорости звука заключается в том, что профиль скорости звука смещается вместе с внутренней волной. Для статистического анализа вертикальных вариаций скорости звука применен метод эмпирических ортогональных функций (ЭОФ). Результаты обработки позволили установить, что радиусы корреляций (по z) флуктуаций скорости звука за час и за сутки находятся в пределах от 1-2 до 8-10 метров. При этом за сутки масштаб корреляции значительно больше.
Существенно отличающаяся вертикальная структура гидрологических и акустических параметров наблюдалась в период осеннего охлаждения толщи вод (октябрь). На вертикальных профилях параметров наблюдался хорошо выраженный верхний квазиднородный слой, нижняя граница которого на разных фазах прилива располагалась на горизонтах от 10 до 20 метров.
В придонном слое вод, верхняя граница которого (в зависимости от фазы прилива) находилась на расстоянии от 5 до 20 м от дна, выделялся также сравнительно однородный слой. Между этими двумя слоями располагался тонкий (от 5 до 8-10 м) слой с повышенными значениями вертикальных градиентов характеристик. Характерной чертой временной изменчивости гидрологических и акустических параметров на многосерийных станциях в этот период года являлось синхронное изменение всех параметров в толще вод, где имелись вертикальные значения характеристик. Поэтому вклад первого собственного вектора ЭОФ-разложения в общую дисперсию наблюдаемых параметров по данным многосерийных станций (как суточных, так и короткопериодных в течение 100 минут) доминировал и составлял от 70 до 92%, а вклад второй компоненты разложения был на порядок ниже.
Также проведены экспериментальные исследований вертикальных изменений скорости звука в заливе Посьета. Представленные материалы основаны на анализе результатов натурных наблюдений на акустических трассах (на многосерийных станциях с заякоренного судна в различные сезоны года).
Отношение вертикальных и горизонтальных масштабов изменчивости скорости звука, как правило, составляет несколько порядков. Кроме того, вертикальное распределение скорости звука, определяет модовую структуру акустического поля. Поэтому основное внимание в исследованиях уделялось изучению вертикальной изменчивости. Как правило, в реальных условиях частота плавучести не бывает больше чем 30 циклов/час, а значит, самый короткий временной масштаб изменчивости внутренних гравитационных волн будет более чем 2 минуты. Поэтому после передискретизации исходных данных, новый ряд значений температуры с дискретностью по времени 20-30 с. вполне достаточен для анализа даже короткопериодных внутренних гравитационных волн. При этом разрешение по температуре будет около 0.01 С.
В процессе отмеченного эксперимента проводились постановки и измерения гидрофизических процессов с помощью регистраторов давления. Результат измерения гидростатического давления регистрируется в виде сигнала напряжения на выходе датчика. Данная зависимость имеет линейный вид и определяется в соответствии со значениями паспортных данных или в результате предварительной градуировки каждого датчика.
Наиболее простой океанологической задачей для регистраторов давления является измерение уровня моря или приливов, которое основано на регистрации гидростатического давления столба воды. Для выбранной акватории максимальное изменение уровня водного столба составляет около 40 см (4000 Па). Период полусуточного прилива составляет примерно 12.4 часа, поэтому низкочастотная фильтрация позволяет убрать из записей большинство более быстрых гидродинамических процессов (ветровые волны, сейшевые колебания и д.р.).
Методически, несколько более сложной задачей, является измерение поверхностного волнения. Во-первых, амплитуда поверхностных гравитационных волн экспоненциально затухает с глубиной, поэтому в морских акваториях обычно РД не ставят глубже 20 м. Если глубина места велика, то ставят притопленные буйковые станции, где регистраторы давления расположен уже не на дне, а закреплен на фале или на кабеле-тросе под поверхностью моря. При штормах и при прохождении вихрей в море увеличивается скорость течения в приповерхностном слое, где расположен буй. Под действием таких потоков буй изменяет свое положение в пространстве. Чтобы уменьшить такое воздействие верхнего слоя воды на РД, желательно как можно больше заглублять буй и РД. Как правило, буй заглубляют на глубины 5-7 метров. Во-вторых, в отличии от исследований сейшевых колебаний и вариаций уровня моря, здесь зарегистрированные пульсации гидростатического давления, индуцированные поверхностными гравитационными волнами, необходимо пересчитывать в характеристики волнения при помощи соответствующих передаточных функций.
По полученным натурным данным хорошо видно, что в бухте присутствуют ветровые поверхностные волны преимущественно с периодами, близкими к 5.8 секундам. Ветровые волны, образующиеся в самой бухте, имеют более короткие периоды около 2 секунд. Для внешней же водной акватории характерны периоды в 5-7 секунд, что позволяет сделать заключение о том, что волнение в бухте в рассматриваемый период определялось в основном ветровыми волнами, образовавшимися еще в заливе. В диапазоне периодов колебаний десятков минут по спектру видны сейшевые колебания. Основная энергетика этих колебаний сосредоточена в окрестности периодов около 17 минут. Поскольку период собственных колебаний бухты Витязь не превышает нескольких минут, для интерпретации этого спектрального максимума представлено численное решение с периодом около 17 мин, амплитуда колебаний которого существенна как в бухте Витязь, так и в находящейся на расстоянии 15 км от него бухте Лукина. Описываемая в данной работе пространственно распределенная система регистраторов давления может быть применена для натурных исследований этого масштабного колебания, требующих проведения синхронных наблюдений в указанных акваториях.
Стоит также отметить, что в процессе обработки данных, полученных при измерениях приливов, поверхностного волнения и сейшевых колебаний, в конечных оценках необходимо учитывать временную изменчивость атмосферного давления. Для такой корректировки результатов обработки используется регистратор атмосферного давления.
Акустические исследования
Звуковые волны, формирующие главный максимум корреляционных функций, распространяются с групповой скоростью «водных» мод (условно 1500 м/с), но проникают в осадочные слои до самого фундамента, поэтому положение и ширина главного максимума несут информацию о мощности осадочных слоёв. Неоднородности в осадочном слое, скорее всего, меняют форму главного максимума.
С целью изучения указанных возможностей и отработки методики томографических исследований земной коры шельфовых областей в 2016 г. были выполнены экспериментальные работы на шельфе Японского моря с применением низкочастотного гидроакустического излучателя 20–35 Гц и берегового лазерного деформографа. Его основное назначение – изучение природы вариаций микродеформаций земной коры, микроколебаний атмосферного и гидросферного давлений на границе раздела геосфер в широком частотном и динамическом диапазонах, закономерностей возникновения, развития и трансформации колебаний и волн инфразвукового и звукового диапазонов. На каждой станции излучался пакет сигналов, состоящий из тонального и сложного, фазоманипулированного сигналов. Взаимная корреляционная обработка излученных фазоманипулированных сигналов и сигналов, принятых на акустических регистраторах, позволила сделать следующие выводы. Полученные результаты показали, что достаточно сложную картину формирования низкочастотного звукового поля. Около точки приема наибольшая интенсивность звукового поля сосредоточена вблизи дна. В процессе распространения сигнала, из-за неоднородностей среды по трассе распространения, происходит перекачка энергии из высших мод в первые моды, что приводит к выглаживанию структуры поля. На двух из выбранных акустических трасс наблюдаются высокоскоростные приходы сигнала, которые, по-видимому, соответствуют образованию поверхностных волн между гранитом и осадками - средняя скорость около 4.5 км/сек. Скорость звука в гранитах, в данном районе составляет примерно 5.4 км/сек. Отсутствие подобных волн на других трассах можно объяснить тем, что здесь в точках излучения граница гранитов залегает более глубоко и ей предшествует слой гравийно-галечных отложений.
Полученные данные были помещены в банк экспериментальных данных и в дальнейшем обработаны с применением современных средств спектрального и статистического оценивания.
Предварительный анализ и обработка, полученных в ходе эксперимента, данных показывают, что основная энергетика низкочастотных сигналов при переходе из гидросферы в литосферу переносится по гранитам, вдоль границы раздела с рыхлыми донными осадками. Проведено сравнение экспериментальных данных и смоделированных значений амплитуд колебаний, рассчитанных с учетом цилиндрического закона распространения и реальных акустикофизических свойств коренных пород.
