shkolakz.ru 1
12.Морские научные исследования в рейсах НИС «Малахит» № 78, 86,94, и «Импульс» № 37.


(руководитель Ярощук И.О.).


12.1 Введение

Экспедиционные работы проводятся в рамках выполнения комплексных тем научно-исследовательских работ ТОИ ДВО РАН в области сейсмики, акустики и океанологии.


12.2. Цели экспедиции

1. Изучение влияния структуры осадочного чехла на низкочастотное акустическое поле в водном слое, дистанционное определение физико-акустических свойств донных отложений.

2. Определение акустических свойств донных осадков в районе акустического полигона.

3. Исследование сезонной, суточной и часовой изменчивости скорости звука водного слоя, в зависимости от метеорологических и гидродинамических процессов шельфовой зоны.

4. Изучение характерных пространственно-временных масштабов флуктуаций поля скорости звука в районе акустического полигона.

5. Разработка феноменологической статистической модели флуктуаций поля скорости звука на основе физического анализа гидрологических полей и статистической обработки.


12.3. Задачи экспедиции

1. Низкочастотные акустические исследования на условно однородной акустической трассе в заливе Посьета.

2. Комплексные акустико-океанологические исследования в заливе Посьета –исследование изменчивости поля скорости звука: фоновые съемки, суточные станции, гидрологические разрезы, синхронные измерения вдоль акустических трасс различных океанологических характеристик вод и поля скорости звука.

3. Синхронные исследования поля скорости звука и среднечастотного звукового поля автономного излучателя на стационарной трассе.

4. Батиметрия залива Посьета.

5. Мониторинг течений и приливов, скорости звука и температуры в верхнем слое донных осадков.

6. Определение эксплуатационных характеристик макета разработанной в лаборатории автономной сейсмокосы.

12.4. Методы измерений и обработки данных


Гидрологические измерения проводились во время эксперимента с помощью цифрового измерительного зонда с одновременной записью на компьютер. Принятый сигнал с сейсмокосы экспериментального приемопередающего комплекса оцифровывался и после предварительной обработки также записывался на компьютер. Измерения звукового поля выполнялись с помощью радиобуев, аналоговые данные передавались по радиоканалу и оцифровывались. Кроме того на компьютер в режиме реального времени записывался оцифрованный сигнал с калиброванных опорных гидрофонов, находившихся в непосредственной близости от излучателей. Математическая обработка выполнялась с помощью пакетов программ разработанными сотрудниками отряда на основе стандартного программного обеспечения «matlab». После первичной (а также вторичной) обработки результаты помещались в информационную систему и Интернет-портал отдела «Акустики океана».


12.5. Используемые технические средства

Гидрологический зонд RBR 1 шт.

Автономный ADCP зонд ANDERA 1 шт.

Акустические излучатели 33 Гц., 240 Гц., 320 Гц., 3 шт.

Акустическая приемная вертикальная антена 1 шт.

Автономные термокосы 2 шт.

Компьютер (ноутбук) 2 шт.

GPS приёмник 1 шт.

Акустические 1 шт.


12.6. Объемы выполненных работ

Морскими экспедиционными работами выполнена детальная Батиметрия залива Посьета. За время экспедиции были проведены четыре серии масштабных океанологических эксперимента в разные сезоны в Заливе Посьета, включавших в себя две суточные станции с одновременным измерением структуры течений и гидрологическим зондированием с помощью различных приборов, 3 фоновых съемки залива Посьета, 2 постановки термокос, а также гидрологический разрез по трассе акустических экспериментов. В общей сложности проведено около 2000 высокоразрешающих вертикальных зондирований водной среды с одновременным измерением температуры, солености, давления, скорости звука. Кроме того осуществлен акустический эксперимент с целью изучения распространения низкочастотных широкополосных акустических сигналов в шельфовой области и флуктуации акустического сигнала в поле внутренних волн.



12.7. Предварительные научные результаты

Океанологические измерения. В 2010 году проделаны комплексные экспериментальные наблюдения изменений скорости звука и различных гидродинамических процессов в заливе Посьета (Японское море) в различные сезоны года. Проанализированы временные вариации, а также их связь с разномасштабными метеорологическими и океанологическими явлениями.

Для разработки статистических моделей флуктуаций скорости звука и Японского моря в течение теплого периода 2010 г. на исследуемой акватории залива Посьета были реализованы по четыре комплексных экспедиции (в мае-июне, июле-августе, августе-сентябре и октябре). За период экспедиционных работ было выполнено около двух тысяч зондирований высокого разрешения по вертикали (от поверхности до дна) с наблюдениями температуры, солености, давления и инструментальных измерений скорости звука. Во время проведения океанографических наблюдений выполнялись фоновые съемки, разрезы, суточные и многосерийные станции. Технология океанологических наблюдений на многосерийных станциях заключалась в следующем. На суточных якорных станциях зондирования выполнялись через 15 минут. На многосерийных станциях, после постановки судна на якорь, каждые 2 минуты проводились зондирования водной толщи с достаточно высоким разрешением по вертикали (в среднем от 0.1 до 0.15 м). Продолжительность этих наблюдений на каждой многосерийной станции составляла 100 минут. На рисунках 1 и 2 показаны соответственно схемы фоновой съемки и гидрологического разреза.

Анализ полученных экспедиционных наблюдений 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.


Также по результатам экспедиционных наблюдений на акустическом полигоне в заливе Посьета в течение теплого периода было выделено два основных класса в распределении статистических параметров. В период прогрева толщи вод (с мая-июня по сентябрь) весь слой (от поверхности до придонных горизонтов) представлял собой слабо градиентную структуру, а в вертикальном распределении гидрологических и акустических параметров выделялось множество слоев различной толщины и значений градиентов (рис. 2). Для этих ситуаций значения отношения STD/C заключались в пределах от 3-5*10-5 до 3-6*10-4. По результатам ЭОФ-разложения данных многосерийных станций (по 51 серии зондирования толщи вод с дискретность наблюдений между станциями 2 минуты) было получено, что вклады первого и второго собственных векторов разложения в общую дисперсию наблюдаемых параметров были сравнимы и составляли от 40-50 до 20-30% соответственно. Также сравнительно высок был и вклад третьего вектора – 6.9-8.5%. Более того, при сохранении знака, в поле первого вектора наблюдалось множество экстремумов (в зависимости от числа градиентных слоев).

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. Для этих ситуаций значения отношения STD/C в различных слоях заключались в следующих пределах: в верхнем квазиоднородном слое - от 0.7-9.0*10-5 до 1.6-2.3*10-4; в придонном слое – от 0.6-8.2*10-6 до 1.0-2.3*10-4; в градиентном слое – от 7-16*10-4 до 3.4-4.5*10-3. 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, на первом этапе исследований, принято изучать вертикальную изменчивость.

Существуют несколько методов экспериментального исследования вертикальной структуры морской среды. Общепринятым является метод непрерывного вертикального зондирования, который используется при одноточечных измерениях погружаемыми зондами. В представленных исследованиях использовался набор аттестованных гидрологических зондов СТД, а также измеритель скорости звука.

Анализ полученных экспедиционных наблюдений в 2010 г. показал, что максимальная изменчивость скорости звука характерна для суточных масштабов. Пространственно-временная структура этих изменений, в основном, формируется под влиянием приливных явлений. Вариации скорости звука в течение часа связаны с проявлением короткопериодных внутренних волн. Заметим, что в литературе отмечается, что для флуктуаций звуковых волн определяющим является временной интервал изменчивости скорости звука именно от минут до суток.

По результатам экспедиционных наблюдений на акустическом полигоне в заливе Посьета в течение теплого периода 2010 г. было выделено два основных класса в распределении статистических параметров. В период прогрева толщи вод (с мая-июня по сентябрь) весь слой (от поверхности до придонных горизонтов) представлял собой слабо градиентную структуру, а в вертикальном распределении гидрологических и акустических параметров выделялось множество слоев различной толщины и значений градиентов. Для этих ситуаций значения отношения среднеквадратичного отклонения к среднему значению скорости звука заключались в пределах от (3-5) 10-5 до (3-6) 10-4. На рис.1 представлено типичное среднее за сутки (t=24h, дискретность наблюдений t=15) распределение скорости звука C(z) и его среднеквадратичное отклонение (C(z)) по глубине z. Здесь и везде далее, используется фиксированная точка N42.567 E131.038, расположенная, примерно, на середине трассы от м. Шульца до о. Фуругельма.


В более поздний осенний период охлаждения вод структура скорости звука существенно изменяется, на средних горизонтах наблюдается хорошо выраженный квазиоднородный слой. В качестве иллюстрации на рис.10-12 показано, как изменяется структура вод за короткий период времени (t=100) при усреднении через интервал времени t=15 и t=2. Из приведенных рисунков видно, что именно градиентная структура вызывает интенсивные вариации C(z). Такое поведение C(z), скорее всего, связано с формированием частоты Вяйсяля-Брента для каждой конкретной гидрологической структуры вод.

На заключительных рис.4, для иллюстрации короткопериодной (t=100, t=2) изменчивости C(z), приведены наборы графиков скорости звука зарегистрированные на суточной станциях в октябре.

Акустические измерения. В ходе экспериментов осуществлялось излучение в воду акустических фазоманипулированных сигналов с частотами 26 и 33 Гц и их приём вертикальной 8-ми элементной антенной на дистанциях от 2 до 16 км. Полученные результаты свидетельствуют о проникновении звуковых волн на всю глубину осадочного чехла до фундамента. Продемонстрирована принципиальная возможность определения структуры и мощности осадочных слоёв с помощью гидроакустических измерений.

Эксперименты проводились на условно-однородной акустической трассе с глубиной от 38 до 42.5 м и сравнительно постоянной структурой верхних (до 40 м) донных отложений (по данным высокочастотного непрерывного сейсмоакустического профилирования). Схема эксперимента представлена на Рис.3. Излучение осуществлялось с помощью низкочастотного преобразователя электромагнитного типа, погружаемого в точках излучения (где судно становилось на якорь) на глубину 15 м, и развивающего эффективное звуковое давление до 1 кПа в полосе частот 25 – 40 Гц. Прием велся на автономную восьмиэлементную вертикальную антенну (за что авторы выражают благодарность д.ф.-м.н. А.Н. Рутенко), нижний гидрофон которой располагался в 2 м от дна, а расстояние между гидрофонами составляло 4.5 м (в некоторых экспериментах по техническим причинам работали не все гидрофоны). Излучались сигналы с несущей частотой 26 и 33 Гц, фазоманипулированные М-последовательностями длиной 63, 127, 255 и 511 символов, с 10 периодами несущей частоты на символ. Конструктивные особенности излучателя обеспечивали заметный уровень излучения третьей гармоники (78 и 99 Гц соответственно), также фазоманипулированной.


Предварительная обработка принятых сигналов заключалась в выделении частотных полос шириной 20 Гц вокруг несущих частот с последующим вычислением корреляционных функций между ними и «эталонными» сигналами, сформированными из исходных М-последовательностей. Время прихода сигналов 78 и 99 Гц (корреляционные функции которых в большинстве случаев имели один максимум) принималось за «условный ноль», соответствующий групповой скорости 1500 м/с.

Интересно, что за исключением боковых волн, групповые скорости не превышают 1500 м/с (26 Гц: 1350 – 1365 (12 км), 1400 – 1430 (7.9 км), 1450 – 1465 (12 км); 33 Гц: 1270 – 1300 (7.9 км), 1425 – 1445 (10.7 км), 1425 – 1450 (7.9 км)). Представленные в настоящей работе результаты демонстрируют наличие качественной связи между геологической структурой шельфа и характеристиками низкочастотных фазоманипулированных сигналов. Целью дальнейших работ (экспериментальных и теоретических) является установление количественной связи, что откроет путь к решению обратных задач – исследованию структуры и свойств осадочных пород дистанционными акустическими методами.


12.8. Выводы

Основные задачи, поставленные перед отрядом на экспериментальный сезон 2010 года, выполнены. За время экспедиции были проведены четыре серии масштабных океанологических эксперимента в разные сезоны в Заливе Посьета. Эксперименты включали в себя суточные станции с одновременным измерением структуры течений и гидрологическим зондированием с помощью различных приборов, фоновую съемку залива, а также гидрологический разрез по трассе акустических экспериментов. В общей сложности проведено около 2000 высокоразрешающих вертикальных зондирований водной среды с одновременным измерением температуры, солености, давления, скорости звука. Кроме того осуществлен акустический эксперимент с целью изучения распространения низкочастотных широкополосных акустических сигналов в шельфовой области.

Приложение 1: Карта-схема района исследований с точками проведения зондирования.


Приложение 2: некоторые результаты измерений.


Приложение 1

Карта-схема района исследований

Рис. 1. Схема фоновой съемки





Рис. 2. Схема гидрологического разреза





Рис. 3. Схема батиметрии





Приложение 2




Рис. 4. Результаты исследования поля внутренних волн



Рис. 5. Результаты зондирования