ВОЛНУЮЩИЙСЯ ОКЕАН
Доктор физико-математических наук Александр ЛУЧИНИН,
заместитель директора по научной работе Института прикладной физики (ИПФ) РАН, директор Отделения гидрофизики и гидроакустики,
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 затем 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 СССР по комплексной проблеме «Гидрофизика», и это еще более укрепило взаимодействие с Советом при проведении масштабных гидрофизических исследований в институте.

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.

С самых первых лет 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. Заметим, это общая черта всех научных отделений ИПФ, во многом отражающая характер и стиль его работы.
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 эти 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 разрушительную морскую катастрофу. 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 последних лет, 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 цунами-риск для различных акваторий Мирового океана, в том числе для ряда окраинных морей России.

Радиолокационное изображение цуга внутренних волн на поверхности океана (по данным российско-американского эксперимента в северо-западной Атлантике)

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 поэтому 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 воздействия 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 воздействия внутренних волн на ветровые, когда оно 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 подтверждение. Эти работы выполняются под руководством доктора физико-математических наук Юлии Троицкой.

Большой термостатифицированный бассейн ИПФ РАН. На врезке: создаваемые глубинные профили температуры.

Возвращаясь к формированию пикноклина в океане, отметим, что основную роль в этом процессе играет стратификация глубинного профиля температуры вод. Это обстоятельство было положено в основу масштабной лабораторной модели верхнего слоя океана, реализованной в Большом термостратифицированном бассейне ИПФ РАН (пущен в эксплуатацию в 1991 г.). В его конструкции заложен 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 (20Х4Х2 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; на его базе реализуются и долгосрочные международные проекты.
Другой наш экспериментальный стенд для моделирования волновых процессов в верхнем слое океана — Кольцевой ветроволновой бассейн (пущен 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 апробируются методы и аппаратура диагностики взволнованной морской поверхности на разных стадиях разгона (руководитель лаборатории ? кандидат физико-математических наук Станислав Ермаков). Эта установка также активно используется в совместных экспериментах как с российскими коллегами, так и с зарубежными партнерами 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 (сильно-рассеивающих) 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 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 взволнованную поверхность. Его суть ? в коррекции искажений зондирующего сигнала на основе информации о рельефе морской поверхности, содержащейся непосредственно в ее изображении. Схожий путь проходила в свое время 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.

Большой термостатифицированный бассейн ИПФ РАН. На врезке: создаваемые глубинные профили температуры.

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. Полученные ранее результаты в изучении океана легли в основу метода оптической когерентной томографии биотканей — перспективного направления в области медицинской диагностики; 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 у нас 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. Полученные результаты открывают путь к разработке дистанционной технологии селективного экологического мониторинга акваторий, позволяющей не только регистрировать сам факт появления загрязняющей пленки, но и идентифицировать ее происхождение.
Еще один перспективный результат — диагностика цунами в условиях открытого океана (там, где эти волны практически не заметны). В результате анализа данных спутниковых наблюдений акватории Индийского океана во время катастрофического события в Юго-Восточной Азии 26.12.2004 г. обнаружен эффект изменения сечения рассеяния радиолокационного сигнала, отраженного от морской поверхности, при прохождении волны 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
Теперь вернемся к низкочастотной гидроакустике ? самостоятельному и очень важному разделу волновой гидрофизики.
К моменту создания ИПФ было хорошо 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 для его воплощения предстояло исследовать широкий круг взаимосвязанных проблем формирования звуковых полей в подводных каналах на столь больших дистанциях, диагностики океанической среды на основе данных акустического «просвечивания», создания технической базы для масштабных натурных экспериментов.

Установка 16-элементной вертикальной излучающей антенны с палубы научно-исследовательского судна «Академик Сергей Вавилов» в ходе эксперимента по акустической томографии мелкого моря

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 академических институтов Океанологии им. П.П.Ширшова, Общей физики им. А.М.Прохорова, Тихоокеанского океанологического им. В.И.Ильичева, Акустического им. Н.Н.Андреева и других. Эксперименты выполнялись 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. Эти результаты получили надежное подтверждение в ходе экспедиций.
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 самый амбициозной программе в области акустики за всю ее историю ? программе долговременной регистрации с помощью низкочастотных сигналов слабых климатических 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, длиной 4700 км) и Северном Ледовитом (протяженностью 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. Именно эти важные следствия теории лучевого хаоса, развиваемой доктором физико-математических наук Анатолием Вировлянским, позволяют реально оценивать возможности акустической диагностики глубокого океана 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 звуковой сигнал. Их состав (модовый спектр сигнала) оказывается чувствителен к наличию в канале разного рода неоднородностей. Следовательно, регистрация изменений указанного спектра, обусловленных рассеянием на неоднородностях канала, может дать информацию о последних, т.е. о свойствах канала распространения. 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.
Другие важные прикладные результаты по развитию способов акустической диагностики неоднородностей в мелком море связаны 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 в области 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.
Очевидно также и значение для экспериментальной гидроакустики приемных антенн, которое можно сопоставить с вкладом оптических и радиотелескопов в астрономию. Для экспериментов в акваториях мелкого моря и на шельфе в Отделении созданы не имеющие аналогов автономные измерительные комплексы, предназначенные для исследования гидроакустических полей надводных и подводных кораблей в широкой полосе частот. Под руководством кандидата физико-математических наук Павла Коротина 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 полномасштабных экспериментальных исследований – как в лабораторных условиях, так и в открытом океане. Вместе с тем, несмотря на богатую физику присущих ему волновых явлений, океан – не единственный объект наших исследований. В последнее десятилетие в Отделении появился и быстро развивается ряд новых перспективных направлений. Среди 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 в ближайшем будущем.
Иллюстрации предоставлены авторами