Вселенная океана. Как устроена стихия, которая формирует нашу планету - Хелен Черски

и сорок три минуты. Океанологов этот результат несколько удивил: вопреки ожиданиям, звуковая волна явно шла от источника к приемнику не по прямой линии. Очевидно, сам океан скорректировал траекторию движения сигнала, а может, создал для него даже не одну, а несколько траекторий. Это натолкнуло ученых на мысль, что, анализируя пути и время прохождения подводных акустических сигналов, можно будет изучать динамику океанских недр.

Но особое значение имел третий принцип, а именно эффект, за счет которого акустические импульсы в морской воде способны распространяться на такие умопомрачительные расстояния, обходя буквально полсвета. Как было установлено еще в 1940-е годы, невидимая глазу внутренняя структура океанской толщи – отчетливо выраженные слои, отличающиеся температурой и давлением, – создает своеобразные акустические заграждения и как бы загоняет звук в трубу, что формирует благоприятные условия для его путешествий на сверхдальние дистанции. Иначе говоря, сам океан действует как волновод, в котором низкочастотные сигналы могут передаваться на огромные расстояния с минимумом потерь. Этот звуковой канал – любопытнейший феномен природы, который особенно впечатляет по контрасту с проводимостью электромагнитных (световых) волн. Как было показано в начале главы, даже самые «агрессивные» радиоволны сверхнизких частот не способны пробиться сквозь океанскую толщу более чем на сотню метров. А звук той же частоты (порядка 60 Гц) беспрепятственно мчится по скоростной подводной трассе и пробегает, почти не затухая, десятки тысяч километров. Стало быть, людям, заинтересованным в сверхдальних акустических коммуникациях через водную среду, крупно повезло: в океане имеется готовая встроенная система для такого способа связи.

Давайте совершим мысленное погружение в воды Атлантического океана. Наверху ярко сияет солнце. Играя на беспокойной глади, оно разбрасывает во все стороны ослепительные блики, а набегающие волны пенятся белой бахромой. Но стоит удалиться от поверхности всего на несколько метров, и краски начнут стремительно гаснуть. Первым делом, как мы помним, исчезают красные и зеленые лучи, и вот уже вокруг сплошная сине-фиолетовая дымка, постепенно сгущающаяся в черноту. Водная толща поглотила свет, преобразовав его в тепло, поэтому поверхностный слой имеет очень комфортную температуру: около 28 °C. Это уже знакомый нам «перемешанный слой» – сравнительно тонкое защитное одеяло океана. С ростом глубины интенсивность освещения неуклонно убывает, но вода остается теплой. Слой полностью оправдывает свое название: под действием ветра он непрерывно перемешивается, что и обеспечивает его однородность по температуре. Хотя до нижней границы перемешанного слоя доходит лишь малая доля светового потока, вода и тут хорошо прогрета, поскольку регулярно перемешивается с вышележащими массами. Перелом происходит на глубине порядка 80 метров (чуть меньше высоты знаменитой часовой башни с колоколом Биг-Бен в Лондоне). Мы достигли предела перемешанного слоя. Меркнут последние отблески солнца, и характер океана ощутимо меняется. Температура воды с глубиной резко падает. Продолжим наш спуск в холодную пучину, пока не окажемся в 800 метрах от поверхности. Здесь царит непроглядная тьма, изредка прорезаемая биолюминесцентными вспышками. Вот мы и добрались до океанских недр.

На этой глубине можно заметить нечто новое: скорость звука изменилась. Причина в том, что теплая вода передает звуковые волны быстрее, чем холодная. В поверхностном слое, где океан прогрет до 28 °C, акустический сигнал распространялся со скоростью 1542 метра в секунду; а здесь температура всего 10 °C, и скорость падает до 1504 метров в секунду, то есть уменьшается на 2,5 %. Разница как будто небольшая, но с точки зрения прохождения звука принципиальная. Дело в том, что в зонах температурного перепада складываются совершенно особые условия для канализации звука, причем именно за счет изменения скорости. Представьте себе цепочку людей, которые, держась за руки, шагают вперед в одном темпе, – вся шеренга тогда будет дружно двигаться в одном направлении. Но случись, что люди в правой части решат идти быстрее, и цепочку станет заносить влево. То же происходит с акустическим сигналом. Если позвонить в колокол на глубине, где мы сейчас находимся (800 метров), и понаблюдать за поведением звуковой волны, то мы увидим, что верхушка норовит опередить нижнюю область. В результате волна начинает загибаться и сворачивает вниз. Другими словами, звуковые волны на этой глубине как бы «уклоняются» от поверхностного слоя океана, где скорость звука выше.

Продолжим наш спуск в океанскую бездну и посмотрим, как будет проявлять себя звук. По мере погружения мы непременно заметим характерный эффект сжатия: водная толща буквально давит на нас своим весом, и с глубиной давление увеличивается. Но ведь давление тоже влияет на скорость звука! Поэтому примерно в 2000 метрах от поверхности мы заметим, что эта скорость – при стабильной температуре – вновь вышла на прежний уровень и составляет 1542 метра в секунду. Как видим, теперь ситуация обратная: в более глубоком слое океана звук движется быстрее, чем в вышележащем. Соответственно, звуковая волна совершает маневр с точностью до наоборот: загибается обратно вверх, пока не достигнет теплого поверхностного слоя, после чего цикл повторится.

Не нуждаясь ни в каких особых «отражательных экранах», океан умело загоняет звук в ловушку. Внутренняя структура самой водной толщи создает горизонтальный акустический коридор, внутри которого и распространяются, не выходя за его границы, звуковые волны. Осью коридора служит глубина, на которой скорость звука достигает минимума: выше этой глубины скорость звука растет за счет роста температуры, а ниже – из-за увеличивающегося давления. Как правило, ось лежит на глубине порядка 1000 метров, хотя может находиться и ближе к поверхности. Если поместить на эту глубину источник звука и начать посылать вдоль оси сигналы, то акустические волны будут выходить под небольшими углами к оси, многократно ее пересекая и всякий раз к ней возвращаясь, не в силах вырваться за пределы узкого коридора. Данное явление получило название подводного звукового канала, или SOFAR[171], что расшифровывается как sound fixing, ranging channel, «звуковая пеленгация и локация». Вот что бывает, когда за разработку терминологии берутся серьезные люди[172]. Практическая польза удивительного подводного волновода несомненна. Звуковая энергия, концентрируясь вдоль оси канала, не рассеивается и не поглощается толщей вод, а, будучи как бы зажата в трубе, почти без затухания переносится на огромные расстояния. Сама природа создает в морской пучине потайной акустический туннель, который может залегать на разной глубине в зависимости от характеристик океана.

Таков был научный контекст, в котором рождался эксперимент HIFT. И тут вновь отличился уже знакомый нам океанолог Уолтер Манк, неистощимый на смелые выдумки и всегда готовый выдвинуть очередную нестандартную, рискованную идею. Он предположил, что, используя феномен сверхдальней проводимости звука, можно «одним махом» отслеживать средние значения множества самых разных свойств океана, не измеряя их по отдельности. Когда подводный акустический сигнал передается через