Файл: Океанография и морская метеорология учебник..pdf

акустическом отношении в данном месте и в данный мо­

деляется по эмпирическим формулам, например по фор­ муле

Для акустически неоднородной среды, какой в об­ щем случае является океан, формулы (3.76) и (3.77) дополняются результирующей поправкой 8, учитываю­ щей это влияние:

Знание значений давления Р полезного сигнала в различных точках акустического поля лежит в основе расчетов дальности действия гидроакустических средств.

133

Геометрическая и энергетическая дальности обнару­ жения подводных целей. В гидроакустике под геометри­ ческой дальностью действия гидроакустических станций понимают то предельное расстояние, которое отделяет зону акустической освещенности от зоны акустической тени, в которую звуковые лучи не попадают в силу чи­ сто геометрических условий. Так, например, при отри­ цательной рефракции звуковых лучей в глубоком океа­ не дальность действия гидроакустических средств, оче­ видно, будет ограничена траекторией верхнего предель­ ного луча (см. рис. 21).

В более сложных случаях в результате отражения звука от поверхности, дна океана или от слоев воды с иными акустическими свойствами часть звуковых лучей будет достигать данной точки пространства, создавая акустическую освещенность, однако это вовсе не равно­ значно возможности эхо- и шумопеленгования подвод­ ных целей. В принципе пеленгование возможно до тех пор, пока тот или иной из применяемых в гидроакусти­ ческой станции индикаторов позволяет выделять полез­

(3.82), и называется энергетической дальностью обнаружения подводных целей.

134

Прием полезного сигнала затрудняют шумы, раз­ личные по уровню, частотному составу, временным ха­ рактеристикам, продолжительности действия и происхо­ ждению. По происхождению, т. е. по характеру создаю­ щего их источника, выделяют искусственные (или пред­ намеренные) и естественные шумы (совокупность излу­ чаемых кораблем и собственных шумов океана).

Шумы, излучаемые кораблем. Всякий надводный ко­ рабль или подводная лодка, движущиеся в воде, явля­ ются источниками подводных шумов. Источником шу­ мов может явиться и неподвижный корабль, на борту которого работают механизмы и о корпус которого бьются волны. Таким образом, надводные корабли и подводные лодки практически всегда создают в воде поле излучаемых кораблем шумов — дальнее (внешнее) и ближнее (собственное). Первое характеризует ко­ рабль как источник акустического сигнала для шумопеленгования противником, второе определяет уровень акустических помех работе своих гидроакустических станций. Основными причинами возникновения поля из­ лучаемых кораблем шумов являются:

— действие потоков обтекания корпуса корабля и гидравлических сил, вызывающих вибрационные и вих­ ревые шумы;

— работа двигателей, гребных винтов ц механизмов;

— явления кавитации * на лопастях гребных винтов и корпусе корабля.

Естественные подводные шумы океана. Океан ни­ когда не бывает свободным от подводных шумов, ко­ торые также создают помехи нормальной работе гидро­ акустических станций и акустических неконтактных взрывателей. Собственный шум океана охватывает очень широкий диапазон частот — от единиц герц до десятков килогерц. Уровень этого шума меняется в широких пре­ делах от места к месту, по глубине, а сам шум носит постоянный, сезонный или случайный характер. В от­ крытом океане источниками естественных подводных шумов являются многие факторы, и прежде всего:

—движение вод в океане;

—взаимодействие океана с атмосферой;

—сейсмические явления, подводный вулканизм;

* Кавитация — образование пустот в движущейся жидкости,

135

—биологические факторы;

—движение кораблей и полеты самолетов над мо­

деятельность, а также работающие береговые промыш­ ленные, транспортные и погрузо-разгрузочные объекты.

Некоторые из этих шумов относительно слабые, дру­ гие проявляются только в редких случаях, но все они имеют значение при формировании поля естественного подводного шума океана. Например, тепловое хаотиче­ ское движение молекул воды является постоянным ис­ точником очень слабого шума в океане, однако даже в самом спокойном океане прочие виды перемешивания вод создают шумы значительно большей интенсивности. Так, главным источником подводного шума в океане следует считать ветровые волны. Уже при волнении по­ верхности океана 2—3 балла создаваемый волнами шум начинает неблагоприятно сказываться на работе гидро­ акустических средств. Величина уровня шума ветровых волн зависит главным образом от силы ветра и состоя­

чайным шумом, распространяется он равномерно по всем направлениям, результирующее давление в поле этого шума до глубин 200—300 м ослабевает незначи­ тельно. Средняя величина уровня шума ветровых волн

10 дБ и более. Шум, вызываемый зыбью, значительно менее интенсивен, чем шум ветровых волн.

Шум океанских течений по своей физической при­ роде является вихревым шумом, возникающим при об­ текании потоком подводных препятствий (рифов, банок, затонувших судов, мин), а также в результате проявле­ ния турбулентности при встрече течений.

Дождь и град являются источниками подводного шума случайного характера обычно небольшой интен­ сивности. Подвижки же льда, образование торосов и

т

трещин по динамическим и термическим причинам соз­ дают довольно высокий уровень подводного шума, осо­ бенно интенсивного у кромки припая и на границе пла­ вучих льдов.

Представители морской фауны, особенно обитатели тропических широт, являются источниками подводного шума в широком диапазоне частот самой различной ин­ тенсивности. Шумы биологического происхождения ис­ следует новая отрасль гидроакустики — морская био­ акустика, ее выводы представляют для ВМФ особый ин­ терес.

§ 13. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОРСКОЙ ВОДЫ

Дальность видимости объектов в условиях земной атмосферы в общем случае, если не принимать во вни­ мание сильных туманов, когда видимость уменьшается до нуля, мажет достигать десятков километров.

Условия же наблюдения под водой, близкие к усло­ виям наблюдения в атмосфере во время тумана, явля­ ются закономерными. Даже в самых прозрачных океан­ ских водах дальность видимости подводных объектов не превышает нескольких десятков метров, а в прибреж­ ных районах она ограничена несколькими метрами. Вода в океанах и морях, как и в других естественных водоемах, представляет собой полупрозрачную среду. От свойств этой сложной оптической системы прежде всего зависит степень нагрева поверхностных слоев океана, интенсивность и глубина распространения фото­ синтеза, что в значительной степени определяет многие особенности гидрологического режима данного района.

Оптические явления и процессы, протекающие в океане, изучает одна из самых молодых отраслей физи­ ки моря — гидрооптика. Ее основными объектами явля­ ются:

—закономерности распространения света в океанах

иморях;

—оптические характеристики вод;

—связь оптических характеристик с химическими и

физическими свойствами морской воды, гидрологиче­ скими и гидробиологическими условиями;

— методика гидрооптических измерений;

137

— вопросы практического применения результатов этих измерений для решения научных и прикладных (в том числе военно-прикладных) задач.

В частности, оптические свойства морской воды учи­ тываются:

—при выборе маскирующих окрасок подводных ло­

док;

—при оценке эффективности применения подвод­ ного телевидения для обеспечения нужд аварийно-спа­ сательной службы, поиска и разоружения мин, подвод­ ного и особенно подледного плавания;

—при визуальном обнаружении подводных объек­

тов (подводных лодок, минных заграждений и т. п.) с самолетов и вертолетов;

— при использовании неконтактных взрывателей, реагирующих на изменение интенсивности гидрооптиче­ ского поля;

— при выборе светильников для подводных ра­ бот;

—для оценки условий подводного фотографирова­

ния;

—при производстве аэрофотосъемочных работ на

море.

Необходимо подчеркнуть, что условия видимости подводных объектов с самолета (вертолета), корабля или подводной лодки в значительной степени определя­ ются оптическими свойствами морской воды. Они в большей степени ограничивают дальность видимости, чем условия освещения или качество осветительной или наблюдательной аппаратуры.

Гидрооптические исследования основываются на зна­ нии законов классической оптики, сформулированных еще в XVII—XVIII вв. Первые, в мире измерения про­ зрачности морской воды «посредством белой тарелки» были выполнены русским военно-морским гидрографом О. Е. Коцебу во время его кругосветного плавания на шлюпе «Предприятие» в 1823—1826 гг. Современная ги­ дрооптика во многом обязана усилиям русских и совет­ ских физиков и океанографов: О. Д. Хвольсона, В. В. Шу­ лейкина, С. И. Вавилова, А. А. Гершуна, В. А. Берез­ кина, Ю. Д. Янишевского, К. С. Шифрина, Г. В. Ро­ зенберга, В. А. Амбарцумяна, В. В. Соболева.

Гидрооптика — одна из важнейших составных частей

138

физики моря, и ее успехи неразрывно связаны с разви­ тием океанографии в целом.

Световой режим на поверхности океана. Световой ре­ жим на глубинах зависит от ряда факторов, в том числе от степени освещенности поверхности океана, являющей­ ся поверхностью раздела двух различных оптических сред — воздуха и воды. Освещенность поверхности океа­ на складывается из трех основных компонентов: сол­ нечной, ночной (астрономической) и биолюминесцентной освещенности.

Главным источником света в природе является сол­ нечное излучение, энергетическая мощность которого и создаваемая освещенность чрезвычайно велики. За пределами земной атмосферы средняя освещенность солнечными лучами оценивается величиной Е0~ »135500 лк (световая солнечная постоянная). При этом сила света / составляет примерно 3- ІО27 св.

Спектр солнечной радиации на границе земной атмо­ сферы практически заключается между длинами волн

прямой солнечной радиации вследствие поглощения и рассеяния изменяется и по интенсивности, и по своему спектральному составу. В результате спектр суммарной солнечной радиации у поверхности океана существенно отличается от спектра за пределами земной атмосферы, а освещенность определяется экспотенциальным зако­ ном Бугера — Ламберта

где Е0— световая солнечная постоянная, лк; hQ— высота Солнца, град;

р— коэффициент прозрачности атмосферы, пред­ ставляющий собой отношение светового по­

тока Ф,И= І, прошедшего через атмосферу

при массе атмосферы, равной 1, к световому потоку Ф0 на верхней границе атмосферы;

т— количество единичных масс атмосферы, ко­ торое проходит световой луч.

139