Канал ГНФАР
Канал ГНФАР (сокращение от канала фиксации звука и дальности ), или канал глубокого звука ( DSC ), [1] — горизонтальный слой воды в океане, на глубине которого скорость звука минимальна. Канал ГНФАР действует как волновод для звука, и низкочастотные звуковые волны внутри канала могут преодолевать тысячи миль, прежде чем рассеяться. Примером может служить прием закодированных сигналов, генерируемых зафрахтованным ВМФ судном наблюдения за океаном « Кори Чоуэст» у острова Херд , расположенного в южной части Индийского океана (между Африкой, Австралией и Антарктидой), с помощью гидрофонов в частях всех пяти основных океанских бассейнов и на расстоянии Северная Атлантика и северная часть Тихого океана . [2] [3] [4] [примечание 1]
Это явление является важным фактором наблюдения за океаном. [5] [6] [7] Глубокий звуковой канал был открыт и описан независимо Морисом Юингом и Дж. Ламаром Ворзелем из Колумбийского университета и Леонидом Бреховских из Физического института Лебедева в 1940-х годах. [8] [9] При тестировании концепции в 1944 году Юинг и Ворзель подвесили гидрофон с Салуда , парусного судна, приписанного к Лаборатории подводного звука , а второй корабль взорвал заряды взрывчатого вещества на расстоянии до 900 морских миль (1000 миль; 1700 км). [10] [11]
Принцип [ править ]
Температура является доминирующим фактором, определяющим скорость звука в океане. В областях с более высокими температурами (например, вблизи поверхности океана) скорость звука выше. Температура снижается с глубиной, при этом скорость звука соответственно уменьшается, пока температура не станет стабильной, а 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 внизу термоклина и на вершине глубокого изотермического слоя и, следовательно, имеет некоторую сезонную изменчивость. Существуют и другие акустические каналы, особенно в верхнем перемешанном слое , но пути лучей теряют энергию при отражениях либо от поверхности, либо от дна. В канале ГНФАР, в частности, низкие частоты преломляются обратно в канал, так что потери энергии невелики, а звук распространяется на тысячи миль. [9] [12] [13] Анализ данных технико-экономического обоснования острова Херд, полученных острова Вознесения гидрофонами системы определения места падения ракеты на промежуточном расстоянии 9200 км (5700 миль; 5000 морских миль) от источника, обнаружил удивительно высокие отношения сигнал/шум - от 19 до 30 дБ. , с неожиданной стабильностью фазы и изменчивостью амплитуды после времени прохождения около 1 часа 44 минут и 17 секунд. [3]
Внутри воздуховода звуковые волны прослеживают путь, который колеблется поперек оси канала ГНФАР, так что один сигнал будет иметь несколько времен прибытия с характерной чертой нескольких импульсов, достигающих кульминации в четко определенном конце. [10] [примечание 2] Этот четко очерченный конец, представляющий собой почти осевую траекторию прибытия, иногда называют финалом ГНФАР, а более ранние - симфонией ГНФАР. [14] [15] Эти эффекты обусловлены более крупным звуковым каналом, в котором пути лучей проходят между поверхностью и критической глубиной. [примечание 3] Критическая глубина — это точка ниже минимальной оси скорости звука, где скорость звука увеличивается до уровня максимальной скорости над осью. Там, где дно находится выше критической глубины, звук ослабляется, как и любой путь луча, пересекающий поверхность или дно. [16] [17] [18] [примечание 4]
Ось канала больше всего меняется: ее местоположение достигает поверхности и исчезает в высоких широтах (выше примерно 60 ° с.ш. или ниже 60 ° ю.ш.), но затем звук распространяется в поверхностном канале. В отчете Центра военно-морских океанских систем за 1980 год приводятся примеры исследования акустической трассы по большому кругу между Пертом, Австралия , и Бермудскими островами, с данными из восьми мест на этом пути. И в Перте, и на Бермудских островах ось звукового канала проходит на глубине около 1200 м (3937 футов). Там, где путь пересекает антарктическую конвергенцию на 52° южной широты, нет глубокого звукового канала, но есть поверхностный канал глубиной 30 м (98 футов) и неглубокий звуковой канал на высоте 200 м (656 футов). Когда трасса поворачивает на север, станция на 43 градусах южной широты и 16 градусах восточной долготы показала, что профиль возвращается к типу ГНФАР на высоте 800 м (2625 футов). [19] [20]
Приложения [ править ]
Первое практическое применение началось во время Второй мировой войны , когда ВМС США начали экспериментировать и внедрять возможности определения места взрыва бомбы ГНФАР, используемой сбитыми пилотами в качестве сигнала бедствия. Разница во времени прибытия источника в неизвестное место в известных местах позволила вычислить общее местоположение источника. [10] Времена прибытия образуют гиперболические линии положения, подобные LORAN . Обратное, обнаружение синхронизированных сигналов от известных позиций на берегу в неизвестной точке, позволило вычислить позицию в этой точке. Эта техника получила название ГНФАР наоборот: РАФОС. RAFOS определен в издании «Американский практический навигатор» 1962 года среди гиперболических навигационных систем. [10] [21] [22]
Первые приложения основывались на стационарных береговых станциях, часто называемых станциями ГНФАР. Некоторые из них стали центрами акустических исследований, как и Бермудская станция SOFAR, которая участвовала в эксперименте Перт-Бермудские острова. [19] [20] Записи о Бермудской станции ведутся Океанографическим институтом Вудс-Хоул (WHOI). [23] В недавнем прошлом источники ГНФАР использовались для специальных целей в приложении РАФОС. Одна такая система развернула донные источники у мыса Хаттерас , у Бермудских островов и один на подводной горе для отправки трех точно рассчитанных сигналов в день, чтобы обеспечить точность примерно на пять километров (3,1 мили; 2,7 морских миль). [24]
Первое применение быстро вызвало большой интерес у ВМФ не только по причинам, связанным с поиском экипажей сбитых самолетов. Решение ВМФ в 1949 году привело к проведению исследований к 1950 году, в которых рекомендовалось использовать потенциал пассивного гидролокатора канала ГНФАР для противолодочной борьбы ВМФ (ПЛО). Рекомендация включала в себя трату 10 миллионов долларов в год на исследования и разработку системы. К 1951 году испытательная установка подтвердила эту концепцию, а к 1952 году были заказаны дополнительные станции для Атлантики. Первым крупным использованием канала ГНФАР было наблюдение за океаном в рамках секретной программы, которая привела к созданию системы звукового наблюдения (SOSUS). Эта система оставалась засекреченной с момента создания до тех пор, пока стационарные системы не были дополнены мобильными массивами и не превратились в Интегрированную систему подводного наблюдения, предназначение и характер которой были рассекречены в 1991 году. [7] [25] [примечание 5]
Мониторинг землетрясений с использованием SOSUS после того, как ограниченный гражданский доступ был предоставлен Тихоокеанской лаборатории морской окружающей среды (PMEL) Национального управления океанических и атмосферных исследований в 1991 году, выявил в десять раз больше морских землетрясений с лучшей локализацией, чем с помощью наземных датчиков. Обнаружение SOSUS может обнаружить землетрясения магнитудой около двух, а не четырех. Система обнаружила распространение морского дна и явления магмы на хребте Хуан-де-Фука как раз вовремя, чтобы исследовательские суда могли их исследовать. В результате этого успеха компания PMEL разработала собственные гидрофоны для развертывания по всему миру, которые будут подвешиваться в канале ГНФАР с помощью поплавковой и якорной системы. [26]
Другие приложения [ править ]
- Организация Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ОДВЗЯИ) - Международная система мониторинга (МСМ) [27]
- Система определения местоположения ракетного удара (MILS): система для локализации удара и определения местоположения носовых обтекателей испытательных ракет. [5]
- Акустическая томография океана : метод измерения температуры и течений океана по временной задержке звука между двумя удаленными инструментами.
- Проект «Могол» , основанный на предположении о существовании аналогичного канала в верхних слоях атмосферы.
- Поиск рейса 370 Malaysia Airlines : звуки, передаваемые по каналу SOFAR, были проанализированы, чтобы определить, было ли обнаружено возможное столкновение с океаном пассажирского самолета, исчезнувшего в южной части Индийского океана.
В природе [ править ]
Загадочные низкочастотные звуки , приписываемые финвалам ( Balaenoptera physalus ), — обычное явление в протоке. Ученые полагают, что финвалы могут нырять в этот канал и петь, чтобы общаться с другими финвалами, находящимися на расстоянии многих километров. [28]
культура Популярная
В романе « Охота за «Красным Октябрем» описывается использование канала ГНФАР для обнаружения подводных лодок.
Сноски [ править ]
- ^ На рисунке 1 справочника «Технико-экономическое обоснование острова Херд» (Манк) показаны пути лучей к местам приема. В Таблице 1 перечислены места, одно из которых представляет собой канадское исследовательское судно с буксируемой установкой у Кейп-Кода .
- ^ В справочнике «История канала ГНФАР» есть запись и сонограмма эффекта.
- ^ Этот термин также имеет применение в биологической океанографии .
- ^ Рисунок 2 на третьей странице справочника Уильямса/Стивена/Смита полезен для понимания критической глубины, канала ГНФАР, всего канала и задействованных траекторий лучей.
- ^ Не совсем случайно, что некоторые береговые объекты SOSUS, называемые военно-морскими объектами (NAVFAC), располагались вблизи старых станций ГНФАР. Например, военно-морской комплекс Бермуды и военно-морской комплекс Пойнт-Сур . Местная акустика уже была хорошо известна.
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Дополнение военно-морского флота к словарю военных и связанных с ними терминов Министерства обороны США (PDF) . Департамент Военно-Морского Флота . Июнь 2012 г. Архивировано (PDF) из оригинала 15 апреля 2021 г. . Проверено 23 октября 2021 г.
- ^ Мунк, Уолтер Х.; Шпиндел, Роберт С.; Баггерер, Артур; Бердсолл, Теодор Г. (20 мая 1994 г.). «Технико-экономическое обоснование острова Херд» (PDF) . Журнал Акустического общества Америки . 96 (4). Акустическое общество Америки: 2330–2342. Бибкод : 1994ASAJ...96.2330M . дои : 10.1121/1.410105 . Проверено 26 сентября 2020 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б НОАА AOML (февраль 1993 г.). Прием на острове Вознесения в Южной Атлантике передач с технико-экономического обоснования острова Херд (Технический меморандум NOAA ERL AOML-73) (PDF) (Отчет). Майами, Флорида: Национальное управление океанических и атмосферных исследований, Атлантическая океанографическая и метеорологическая лаборатория . Проверено 26 сентября 2020 г. [ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ Военное командование морских перевозок (2008 г.). «Обзор MSC 2008 — корабли наблюдения за океаном» . Военное командование морских перевозок. Архивировано из оригинала 10 февраля 2018 года . Проверено 28 сентября 2020 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Коун, Брюс Э. (1 июля 1976 г.). Восточный испытательный полигон ВВС США — Справочник по приборному обеспечению (PDF) . База ВВС Патрик, Флорида: Восточный испытательный полигон, Управление полигонов. п. 1-1. Архивировано (PDF) из оригинала 27 февраля 2021 г. Проверено 12 сентября 2020 г.
- ^ Де Гир, Ларс-Эрик; Райт, Кристофер (22 сентября 2019 г.). «От овец до звуковых волн: данные подтверждают ядерное испытание» . Внешняя политика . Вашингтон, округ Колумбия: FP Group, Graham Holdings Company . Проверено 23 сентября 2020 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б «История Интегрированной системы подводного наблюдения (IUSS) 1950–2010 гг.» . Ассоциация выпускников IUSS/CAESAR . Проверено 25 сентября 2020 г.
- ^ «Уильям Морис Юинг (1906–1974)» (PDF) . Вашингтон, округ Колумбия: Национальная академия наук. 1980: 136–137 . Проверено 25 сентября 2020 г.
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Кахарл, Виктория (март 1999 г.). «Исследование тайн океана» (PDF) . Вашингтон, округ Колумбия: Национальная академия наук . Проверено 25 сентября 2020 г.
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д «История канала ГНФАР» . Университет Род-Айленда и Центр внутреннего космоса. 2020 . Проверено 26 сентября 2020 г.
- ^ Командование военно-морской историей и наследием. «Салуда» . Словарь боевых кораблей американского флота . Командование военно-морской историей и наследием . Проверено 26 сентября 2020 г.
- ^ Хелбер, Роберт; Бэррон, Чарли Н.; Карнс, Майкл Р.; Зингарелли, Р.А. Оценка глубины звукового слоя относительно глубины смешанного слоя (PDF) (Отчет). Космический центр Стенниса, MS: Военно-морская исследовательская лаборатория, Отдел океанографии. Архивировано (PDF) из оригинала 11 сентября 2021 г. Проверено 26 сентября 2020 г.
- ^ Томпсон, Скотт Р. (декабрь 2009 г.). Аспекты распространения звука в глубоководной акустической сети (PDF) (магистерская диссертация). Монтерей, Калифорния: Военно-морская аспирантура. Архивировано (PDF) из оригинала 11 сентября 2021 г. Проверено 26 сентября 2020 г.
- ^ Шпиндел, Роберт К. (2004). «Пятнадцать лет экспериментов по распространению радиоволн на большие расстояния в северной части Тихого океана» . Журнал Акустического общества Америки . 116 (4): 2608. Бибкод : 2004ASAJ..116.2608S . дои : 10.1121/1.4785400 . Проверено 26 сентября 2020 г.
- ^ Дзечух, Мэтью; Мунк, Уолтер; Рудник, Дэниел Л. (2004). «Распространение звука через пряный океан, увертюра ГНФАР» . Журнал Акустического общества Америки . 116 (3): 1447–1462. Бибкод : 2004ASAJ..116.1447D . дои : 10.1121/1.1772397 . Проверено 26 сентября 2020 г.
- ^ Уильямс, Клэр М.; Стивен, Ральф А.; Смит, Дебора К. (15 июня 2006 г.). «Гидроакустические явления, расположенные на пересечении разломов Атлантида (30 ° с.ш.) и Кейн (23 ° 40′ с.ш.) Трансформации со Срединно-Атлантическим хребтом» . Геохимия, геофизика, геосистемы . 7 (6). Американский геофизический союз: 3–4. дои : 10.1029/2005GC001127 . S2CID 128431632 .
- ^ Феннер, Дон Ф.; Кронин, Уильям младший (1978). Упражнение на подшипниковый столб: скорость звука и другие изменения окружающей среды (PDF) (отчет). Станция NSTL, MS: Деятельность военно-морских исследований и разработок океана (NORDA). п. 3. Архивировано (PDF) из оригинала 4 марта 2016 г. Проверено 26 сентября 2020 г.
- ^ Баггерер, Артур Б.; Шир, Эдвард К. (2010). Океанографическая изменчивость и характеристики пассивных и активных гидролокаторов в Филиппинском море (PDF) (Отчет) . Проверено 27 сентября 2020 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Душо, Брайан Д. (10 апреля 2012 г.). Эксперимент по антиподальному распространению акустической энергии от Перта до Бермудских островов 1960 года: мера полувекового потепления океана? (PDF) (Отчет) . Проверено 26 сентября 2020 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Нортроп, Дж.; Хартдеген, К. (август 1980 г.). Подводные пути распространения звука между Пертом, Австралия, и Бермудскими островами: теория и эксперимент (PDF) (Отчет). Сан-Диего, Калифорния: Центр военно-морских океанских систем. стр. 3–6. Архивировано (PDF) из оригинала 9 ноября 2020 г. Проверено 24 сентября 2020 г.
{{cite report}}: CS1 maint: дата и год ( ссылка ) - ^ Томас, Пол Д. (1960). Использование искусственных спутников для навигации и океанографических исследований (Доклад). Вашингтон, округ Колумбия: Береговая и геодезическая служба США. п. 7 . Проверено 26 сентября 2020 г.
- ^ Американский практический навигатор . Вашингтон, округ Колумбия: Гидрографическое управление ВМС США. 1962. с. 347.
- ^ "Бермудские станции SOFAR Drum Records" . Библиотека и архивы данных WHOI . Проверено 26 сентября 2020 г.
- ^ Томас, Россби Х. (1987). «Навигационная система РАФОС» . Труды Международного симпозиума по морскому позиционированию . Дордрехт: Спрингер. п. 311. дои : 10.1007/978-94-009-3885-4_30 . ISBN 978-94-010-8226-6 .
- ^ Смит, Дебора Х. (3 августа 2004 г.). «Уши в океане» . Океан . Океанографический институт Вудс-Хоул . Проверено 26 сентября 2020 г.
- ^ Дзиак, Боб (август 2008 г.). PMEL/Vents Ocean Acoustics (PDF) (Отчет). Тихоокеанская лаборатория морской окружающей среды . Проверено 26 сентября 2020 г.
- ^ Лоуренс, Мартин В. (ноябрь 2004 г.). «Акустический мониторинг Мирового океана для ДВЗЯИ» (PDF) . Проверено 25 сентября 2020 г.
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Ориентация с помощью акустической сигнализации дальнего действия у усатых китов , Р. Пейн, Д. Уэбб, в Annals NY Acad. Sci., 188 : 110–41 (1971).
Внешние ссылки [ править ]
- SOFAR или канал глубокого звука от NOAA.
- Как звук используется для изучения подводных землетрясений? (Запись землетрясения 11 марта 2011 г., Хонсю, Япония, записанная с помощью гидрофона, расположенного недалеко от Алеутских островов)
- Звуковой трубопровод от Национальной академии наук.
- SOSUS, «Секретное оружие» подводного наблюдения Эдварда К. Уитмена. Подводная война
- Ричард Мюллер, Калифорнийский университет в Беркли – лекция о волнах, ГНФАР и инциденте с НЛО в Розуэлле
