ГНФАР канал - SOFAR channel

Скорость звука как функция глубины в точке к северу от Гавайских островов в Тихом океане, полученная из Атласа Мирового океана 2005 года . Ось канала ГНФАР находится на уровне прибл. 750-м глубина

Канал SOFAR (сокращение от Sound Fixing and Ranging channel ) или глубокий звуковой канал ( DSC ) - это горизонтальный слой воды в океане, на глубине которого скорость звука минимальна. Канал SOFAR действует как волновод для звука, а низкочастотные звуковые волны внутри канала могут распространяться на тысячи миль, прежде чем рассеяться. Примером может служить прием кодированных сигналов, генерируемых зафрахтованным ВМФ судном наблюдения за океаном Cory Chouest у острова Херд , расположенного в южной части Индийского океана (между Африкой, Австралией и Антарктикой), на гидрофоны в частях всех пяти основных океанических бассейнов и на таком расстоянии, как Североатлантический и северной части Тихого океана .

Это явление является важным фактором наблюдения за океаном. Глубокий звуковой канал был открыт и описан независимо Морисом Юингом и Дж. Ламаром Ворзелем из Колумбийского университета и Леонидом Бреховских из Физического института им. Лебедева в 1940-х годах. При испытании концепции в 1944 году Юинг и Ворзель повесили гидрофон с Салуда , парусного судна, назначенного для Лаборатории подводного звука , со вторым кораблем, взорвавшим заряды взрывчатого вещества на расстоянии до 900 морских миль (1 000 миль; 1700 км) миль.

Принцип

Акустические импульсы распространяются в океане на большие расстояния, потому что они задерживаются в акустическом « волноводе ». Это означает, что по мере приближения акустических импульсов к поверхности они поворачиваются обратно ко дну, а по мере приближения к дну океана - обратно к поверхности. Океан очень эффективно проводит звук, особенно звук на низких частотах, то есть менее нескольких сотен Гц.

Температура является доминирующим фактором, определяющим скорость звука в океане. В областях с более высокими температурами (например, у поверхности океана) скорость звука выше. Температура уменьшается с глубиной, и скорость звука соответственно уменьшается до тех пор, пока температура не станет стабильной и давление не станет доминирующим фактором. Ось канала ГНФАР лежит в точке минимальной скорости звука на глубине, где давление начинает доминировать над температурой и скорость звука увеличивается. Эта точка находится в нижней части термоклина и в верхней части глубокого изотермического слоя и, следовательно, имеет некоторые сезонные отклонения. Существуют и другие акустические каналы, в частности, в верхнем смешанном слое , но пути лучей теряют энергию из-за отражений от поверхности или от дна. В канале SOFAR низкие частоты, в частности, преломляются обратно в канал, так что потери энергии невелики и звук распространяется на тысячи миль. Анализ данных технико-экономического обоснования острова Херд, полученных гидрофонами системы определения местоположения ракет на острове Вознесения на промежуточной дальности 9 200 км (5 700 миль) от источника, обнаружил "удивительно высокое" отношение сигнал / шум в диапазоне от 19 до 30 дБ. , с неожиданной фазовой стабильностью и изменчивостью амплитуды после прохождения примерно 1 час 44 минуты 17 секунд.

Профиль, показывающий ось звукового канала и дно на критической глубине. Там, где профиль дна вторгается в звуковой канал, распространение ограничено дном.

В канале звуковые волны прослеживают путь, который колеблется по оси канала SOFAR, так что один сигнал будет иметь несколько времен прихода с сигнатурой нескольких импульсов, достигающих кульминации в четко определенном конце. Этот четко определенный конец, представляющий почти осевую траекторию прибытия, иногда называют финалом SOFAR, а более ранние - симфонией SOFAR. Эти эффекты связаны с большим звуковым каналом, в котором пути лучей находятся между поверхностью и критической глубиной. Критическая глубина - это точка ниже оси минимума скорости звука, в которой скорость звука увеличивается до максимальной скорости над осью. Там, где дно находится выше критической глубины, звук ослабляется, как и любой луч, пересекающий поверхность или дно.

Батиметрический профиль с глубиной оси канала SOFAR от острова Херд до острова Вознесения.

Ось канала больше всего меняется, когда он достигает поверхности и исчезает на высоких широтах (примерно выше 60 ° с.ш. или ниже 60 ° ю.ш.), но затем звук распространяется по поверхностному каналу. В отчете Центра океанографических систем ВМС за 1980 год приводятся примеры исследования акустической трассы по большому кругу между Пертом, Австралия и Бермудскими островами, с данными в восьми точках вдоль трассы. Как в Перте, так и на Бермудских островах ось звукового канала находится на глубине около 1200 м (3937 футов). Там, где тропа встречается с антарктической конвергенцией на 52 ° южной широты, нет глубокого звукового канала, но есть канал на поверхности глубиной 30 м (98 футов) и неглубокий звуковой канал на высоте 200 м (656 футов). Когда трасса поворачивает на север, станция на 43º юг, 16º восточной долготы показала профиль, возвращающийся к типу SOFAR на высоте 800 м (2625 футов).

Приложения

Первое практическое применение было начато во время Второй мировой войны, когда военно-морские силы США начали экспериментировать и реализовывать возможность определения местоположения взрыва бомбы SOFAR, используемой в качестве сигнала бедствия сбитыми пилотами. Разница во времени прибытия источника в неизвестное место в известных местах позволило вычислить общее местоположение источника. Время прибытия формирует гиперболические линии положения, подобные ЛОРАНУ . Обратное, обнаружение синхронизированных сигналов от известных береговых позиций в неизвестной точке, позволило вычислить позицию в этой точке. Этому методу в обратном порядке было дано название ГНФАР: РАФОС. RAFOS определен в издании The American Practical Navigator от 1962 года среди гиперболических навигационных систем.

Первые приложения полагались на стационарные береговые станции, часто называемые станциями SOFAR. Некоторые из них стали объектами акустических исследований, как и станция SOFAR на Бермудских островах, которая участвовала в эксперименте от Перта до Бермудских островов. Записи на Бермудской станции ведутся Океанографическим институтом Вудс-Хоул (WHOI). В недавнем прошлом исходные коды SOFAR использовались для специальных целей в приложении RAFOS. Одна такая система использовала пришвартованные на дне источники у мыса Хаттерас , у берегов Бермудских островов, а другая - на подводной горе, чтобы отправлять три точно рассчитанных сигнала в день, чтобы обеспечить точность примерно 5 км (3,1 мили; 2,7 морских миль).

Первое приложение быстро вызвало большой интерес у ВМФ не только по поиску сбитых экипажей, но и по другим причинам. Решение ВМФ в 1949 году привело к исследованиям к 1950 году, в которых рекомендовалось использовать пассивный сонарный потенциал канала SOFAR для борьбы с подводными лодками (ASW). В рекомендацию входило тратить 10 миллионов долларов в год на исследования и развитие системы. К 1951 г. испытательная установка подтвердила эту концепцию, и к 1952 г. были заказаны дополнительные станции для Атлантики. Первым крупным использованием канала SOFAR было наблюдение за океаном в секретной программе, которая привела к созданию Системы звукового наблюдения (SOSUS). Эта система оставалась засекреченной с самого начала до тех пор, пока фиксированные системы не были дополнены мобильными массивами, чтобы стать Интегрированной системой подводного наблюдения с рассекреченными задачами и характером системы в 1991 году.

Мониторинг землетрясений с помощью SOSUS после того, как в 1991 году Тихоокеанской морской экологической лаборатории (PMEL) Национального управления океанических и атмосферных исследований был предоставлен ограниченный доступ для гражданского населения, было выявлено в десять раз больше землетрясений на суше с лучшей локализацией, чем с наземными датчиками. Обнаружение SOSUS может определять землетрясения с магнитудой около двух, а не с магнитудой четыре. Система вовремя обнаружила распространение морского дна и магматические явления в хребте Хуан-де-Фука для исследовательских судов. В результате этого успеха компания PMEL разработала свои собственные гидрофоны для развертывания по всему миру, которые могут быть подвешены в канале SOFAR с помощью поплавковой и якорной системы.

Другие приложения

В природе

Загадочные низкочастотные звуки , которые приписывают финватам ( Balaenoptera Physalus ), - обычное явление в русле. Ученые считают, что финвалы могут нырять в этот канал и «петь», чтобы общаться с другими финватами за много километров.

Популярная культура

В романе «Охота за красным октябрем» описывается использование канала SOFAR для обнаружения подводных лодок.

Предполагаемое существование подобного канала в верхних слоях атмосферы , выдвинутое доктором Юингом, привело к проекту «Могул» , который проводился с 1947 до конца 1948 года.

Сноски

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки