Acoustic anomalies in the boundary layers of the ocean

Full Text

Введение

Важное значение для понимания динамики и свойств океанской среды имеют знания о пограничных слоях океана – приповерхностном и придонном. Вовлечение пузырьков в толщу морской воды в поверхностных волнах приводит к появлению пузырьковых облаков, которые при сильном ветре могут достигать значительных глубин. Пузырьки могут также содержаться в придонных слоях в районах выхода подводных газовых факелов.

Приповерхностный слой водной толщи океана существенно изменяется при сильном ветре и развитом поверхностном волнении [1–15]. В этих условиях он характеризуется развитой турбулентностью, аномально высокими концентрациями газовых пузырьков, газонасыщенности воды и большим газообменом между океаном и атмосферой [1, 3, 4, 8–11]. Одновременно также изменяются акустические характеристики, такие, как коэффициенты рассеяния, поглощения и дисперсии скорости звука, параметр нелинейности морской воды, которые становятся зависимыми от наличия воздушных пузырьков и образуемых при обрушении ветровых волн пузырьковых структур [1, 2, 5, 6, 12–15]. Эти структуры при достаточной концентрации влияют в том числе на дальнее распространение звука в океане [13, 16–18].

В 1980-х гг. были открыты новые объекты в океане – подводные газовые (пузырьковые) факелы, образованные газовыми пузырьками, выходящими из дна моря [19–22]. Подводные газовые факелы (ГФ) повсеместно встречаются в районах выброса газов вблизи подводных грязевых вулканических образований, подводных газовых и нефтяных месторождений, подводных залежей газогидратов в толще морских осадков, в районах выгрузки газа при таянии вечной мерзлоты в арктических морях, и к ним проявляется все большее внимание. Большую роль для обнаружения ГФ и изучения их структуры играют акустические методы зондирования на основе рассеяния звука [14, 23–26].

Измерение концентрации пузырьков и их распределения по размерам g(R) в море проводилось различными методами, и результаты представлены в большом количестве работ [1, 2, 5, 6, 10–12]. Тем не менее остались неясными многие вопросы распределения пузырьков по глубине и закономерности эволюции функции g(R) во времени после прохождения различных возмущений, включая эффекты обрушения ветровых волн и их релаксации к невозмущенному состоянию [8–11, 14].

Основная цель настоящей работы – показать возможности акустического зондирования для визуализации сложной структуры, динамики и диагностики аномалий физических свойств пограничных слоев с высоким пространственным разрешением, а также представить краткую информацию о типичных характеристиках рассеяния и распространения звука во взаимосвязи с распределением пузырьков в приповерхностном слое моря и в подводных газовых факелах, исходящих из дна и все чаще встречающихся в океане.

Методы

Теоретические основы акустической спектроскопии. Наиболее часто используемым методом изучения структуры водной толщи является метод акустической спектроскопии на основе обратного рассеяния высоконаправленных пучков звука, который к тому же позволяет дистанционно визуализировать неоднородности структуры [1–3, 6, 12–14]. Имея информацию об амплитудах падающей на объем V волны P_i и рассеянной этим объемом в обратном направлении P_bs, можно в Борновском приближении определить коэффициент объемного рассеяния m_V в виде [1, 14]

$m_V=\frac{2}{\pi {\theta }^{2}c\tau }{\left(\frac{P_{bs}}{P_i}\right)}^2,$ (1)

где θ – ширина характеристики направленности излучателя, c – скорость звука, τ – длительность импульса звука, p_i(r) ≈ Aexp(–αr) / r, A – калибровочное значение амплитуды излучаемого звука, α – коэффициент поглощения звука, когда поглощение звука на расстоянии r невелико. Величина P_bs измеряется непосредственно в эксперименте.

Важным параметром является концентрация – количество пузырьков в единице объема жидкости N, которая связана с функцией распределения пузырьков по размерам g(R) формулой $N={\int }_{R_{\min }}^{R_{\max }}g\left(R\right)dR$, где R_min и R_max – минимальный и максимальный размеры пузырьков в воде. Отличительным свойством пузырьков является наличие резонанса при рассеянии звука на пузырьках, частота которого связана с радиусом пузырька по формуле Миннерта $R_{\omega }\left(\omega \right)=\sqrt{3\gamma P_0/\rho }/\omega$ [5, 6] и позволяет по частотной зависимости коэффициента рассеяния звука m_V(ω) определить g(R) в условиях, когда основной вклад в рассеяние звука вносят резонансные пузырьки g(R_ω) = 2δ_ωm_V(ω)/πR³_ω), где δ_ω – коэффициент резонансного затухания на частоте ω, P₀ – гидростатическое давление, γ – постоянная адиабаты газа внутри пузырька (для воздуха γ ≈ 1.4), ρ – плотность жидкости. При наличии наряду с резонансными пузырьками других нерезонансных включений суммарный коэффициент рассеяния звука от единицы объема среды m_V следует записать в виде [14] m_V = m_V^(b) + m_V^(s), и тогда для определения g(R) требуется предварительно отделить вклад резонансных пузырьков. Такое разделение возможно при учете нестационарности при раскачке пузырька на резонансе, что приводит к зависимости m_V^(b) от длительности импульса τ [18]:

$m_V^{\left(b\right)}\left(\tau \right)=m_V^{\left(b\right)}\left(\infty \right)F\left(\tau /{\tau }_0\right),$ $m_V^{\left(b\right)}\left(\infty \right)=\left(\pi /2\right)R^3{g}^{\left(b\right)}\left(R\right)/\delta \left(R\right)$ (2)

$F\left(\tau /{\tau }_0\right)=1-\left[1-\exp \left(-\tau /{\tau }_0\right)\right]/\left(\tau /{\tau }_0\right),$${\tau }_0=1/\omega \delta =Q/\omega .$ (3)

Функция F(τ/τ₀) помогает на практике отделять резонансное рассеяние от нерезонансного фона, а также определять добротность пузырьков на различных частотах по формуле (3). Коэффициент рассеяния на нерезонансных включениях можно определить по формуле $m_V^{\left(s\right)}=m_V\left(\tau \ll {\tau }_0\right)$. Применение перестраиваемых по частоте излучателей позволяет найти функцию g(R) в виде

$g^{\left(b\right)}\left(R\right)=(2\delta /\pi R^3)\left[m_V\right(\infty )-m_V(0\left)\right].$ (4)

Обозначения m_V (∞) и m_V (0) отвечают условиям τ >> τ₀ и τ << τ₀ соответственно. Таким образом, функция распределения пузырьков по размерам может быть определена по данным обратного линейного рассеяния акустических импульсов большой и малой длительности.

Формула (4) наиболее часто используется в области высоких частот, соответствующих резонансному рассеянию на маленьких пузырьках. На низких частотах обычно наблюдается нерезонансное рассеяние звука, которое наиболее ярко проявляется на пузырьках, составляющих подводные газовые факелы, спектр которых обычно достаточно узкий – гауссовского типа $g\left(R\right) = A_{g}exp[–{(R – \overline{R})}^2/{\sigma }_R^2]$, где $\overline{R}$ – средний размер пузырьков, σ_R – средний разброс размеров. Тогда вклад нерезонансного фона дает величину $A_g=2N/\sqrt{\pi }{\sigma }_R$, откуда можно получить выражение для коэффициента нерезонансного рассеяния звука в виде $m_V^{\left(s\right)}=A_g\sqrt{\pi /2}{\sigma }_R{\overline{R}}^2=N{\overline{R}}^2$. В итоге в нерезонансном случае можно написать соотношение, устанавливающее взаимосвязь между объемной концентрацией газа в пузырьках, объемной концентрацией пузырьков и средним размером пузырьков в виде

$x=\frac{4}{3}\pi {\int }_{R_{\min }}^{R_{\max }}{R}^{3}g\left(R\right)dR\approx \left(4\pi /3\right)N{\overline{R}}^3=\left(4\pi /3\right)m_V\overline{R}.$ (5)

Для оценок можно использовать распределения пузырьков в рамках моделей с подгоночными параметрами [14, 25], измеренными в эксперименте. Многочисленные экспериментальные результаты, показанные ниже, позволили записать функцию g(R) в виде [14]

$g\left(R,z\right)=A_g{R}^{-n\left(z\right)}\exp \left[-m\left(\frac{R_p}{R}+\frac{R}{R_m}\right)\right]e^{-z/L},$ (6)

где L ~ (2 ÷ 4)∙10^–3U^2,5₁₀ (здесь L дается в метрах, скорость ветра на высоте 10 м U₁₀ дается в метрах в секунду). Обычно при умеренных состояниях моря , [14, 18], показатель m зависит от состояния моря, для умеренного и спокойного волнения m = 1. Параметры R_p и R_m отвечают соответственно максимуму g(R) и максимальному размеру пузырьков. В качестве этих параметров для пузырьковых облаков в приповерхностных слоях моря выбирают значения R_p = 0,01 мм, R_m = 7 мм [14, 18]. Преимуществом записи g(R) в виде (6) является практичность и быстрота вычислений различных параметров среды.

Эффективные акустические параметры. Для описания акустических свойств микронеоднородной жидкости часто используют эффективные акустические параметры, которые определяют в рамках гомогенной модели сплошной среды [2, 14]. Здесь для формулировки модели важен учет резонансных и релаксационных откликов пузырьков на воздействие внешней силы, и в общем случае сжимаемость одиночного пузырька K оказывается сложной функцией размеров пузырька и частоты звука K = K (R, ω). Эффективная комплексная скорость звука ${\tilde{c}}_e$ в жидкости с пузырьками может быть вычислена на основе обобщения формулы Вуда [14, 18], при этом вещественная часть $c_e = Re\left(\tilde{c}e\right)$ определяет фазовую скорость волны, а мнимая часть с помощью эффективного волнового числа дает коэффициент затухания звука, $\alpha = \mathrm{Im}{k}_e =\omega \mathrm{Im}(1/\tilde{c}e)$ в виде

$c_e/c\approx 1-\left(2\pi \rho c^2/3\gamma P_0\right)\mathrm{Re}{G}_{\omega },$ $\alpha \approx \left(2\pi \rho \omega c/3\gamma P_0\right)\mathrm{Im}{G}_{\omega },$ (7)

где $G_{\omega }={\int }_0^{\infty }dRg\left(R\right)/\left[1-{\left(R/R_{\omega }\right)}^2\left(1+i/Q_{\omega }\right)\right],Q_{\omega }=1/{\delta }_{\omega }$ – добротность пузырька радиуса R_ω.

Экспериментальные методы и аппаратура. Функциональная схема типичного аппаратурного комплекса, используемая в морских экспедициях на НИС «Академик М.А. Лаврентьев» и НИС «Профессор Гагаринский» показана на рис. 1. Цифровые генераторы синхроимпульсов и сигналов ГСПФ-053 формировали сложные импульсы с требуемой частотой и длительностью от 1 до 4 мс. Для усиления сигналов на частотах ниже 100 кГц использовался усилитель мощности либо фирмы Behringer, NX6000D, мощностью 6 кВт, либо QSC RMX 5050 мощностью 5 кВт. На более высоких частотах до 800 кГц использовался специально разработанный в ТОИ ДВО РАН усилитель БИП мощностью 600 Вт. Прием сигналов проводился с применением селективного усилителя SN 233, который обеспечивал усиление 10⁴ при фильтрации сигналов в зависимости от длительности импульсов и дальности в различной полосе 54, 36 и 18 дБ/октаву. Усиленный сигнал оцифровывался 12-разрядной АЦП L873 фирмы Л-Кард (Москва) с максимальной частотой оцифровки до 1.3 МГц.

Рис. 1. Функциональная схема аппаратурного комплекса для измерения рассеяния звука на различных частотах

Для долговременного изучения структуры приповерхностных слоев моря в бух. Витязь зал. Петра Великого Японского моря в 2008 г. была установлена донная система, оснащенная излучателями с различными частотами: 138, 216, 519 кГц, а также 200, 145 и 60 кГц [14, 18]. с помощью этой системы, установленной на глубине около 12 м и на удалении 100 м от береговой черты, были получены результаты по динамике и структуре пузырьковых слоев вблизи поверхности моря при различных гидрометеорологических условиях. На рис. 2 показана функциональная схема донной системы. Режимы излучения задаются из лабораторного помещения по кабелю, программируются цифровым генератором сигналов специальной формы ГСПФ-053, усиливаются и передаются на излучатель.

Рис. 2. Функциональная схема донной системы

Результаты и обсуждение

Рассеяние звука в приповерхностном слое моря. Большое влияние на структуру приповерхностного пузырькового слоя оказывает поверхностное волнение, вызванное ветровыми напряжениями. Изучение изменчивости во времени структуры приповерхностного слоя регулярно проводилось с помощью акустических систем на донной станции в бух. Витязь Японского моря. На рис. 3 представлена подробная картина рассеяния звука частоты 145 кГц на приповерхностных пузырьковых облаках. Здесь же показано одновременное рассеяние звука на планктонных сообществах, вовлеченных в динамику внутренних волн. Слева вверху и справа внизу на рис. 3 представлены соответственно горизонтальный и вертикальный профили коэффициента рассеяния звука m_V вдоль линий, показанных на рисунке. Более подробная картина волновой динамики планктона представлена на верхней врезке. Видно, что вблизи поверхности наблюдается мощный слой пузырьков, простирающийся до глубины около 4–5 м.

Рис. 3. Рассеяние звука на приповерхностных пузырьковых облаках и одновременное рассеяние звука на зоопланктоне

Распределения пузырьков в приповерхностных слоях. Полученные данные по рассеянию звука с помощью формул (1), (3) позволяют получить данные по распределению пузырьков в приповерхностных слоях моря. Отметим, что на практике вместо величины g(R), имеющей размерность [см^–4], часто пользуются величиной g(R), имеющей размерность [м^–3мкм^–1], которая связана с N(R) соотношением N(R) = 10²g(R). Экспериментальные данные по широкополосному рассеянию звука с помощью формул (5)–(7) позволили получить функции N(R), которые для различных глубин представлены на рис. 4 для различных состояний моря. Из рис. 4 видно, что в периоды без шторма наблюдается максимум функции g(R, z), который располагается при R_p>10 мкм, при этом величина R_p зависит от глубины. В целом оказалось возможным предложить формулу (6), которая неплохо описывала полученные экспериментальные результаты. Измерения g(R) на большом фактическом материале в сходных условиях умеренного состояния моря дают значения n в интервале n ≈ 3,3 ÷ 3,8 [3–6, 8–11, 14], что достаточно близко к оценке n ~3,3, полученной для инерционного интервала между размерами R_p, R_m, следующей из теории Гаррета–Ли–Фармера ГЛФ [7].

Рис. 4. Функция распределения пузырьков по размерам g(R) на различных глубинах в различные периоды развития шторма

Важным для практических применений является информация о газосодержании и структуре пузырьковых облаков, возникающих за счет обрушения поверхностных волн. Используя рассеяние звука, можно получить данные по изменению во времени средней объемной концентрации газа x(t), заключенного в пузырьках во всей толще слоя морской воды. Типичное изменение x(t) при скорости ветра, меняющегося в пределах от 9 до 13 м/с, представлено на рис. 5, а. Частотный спектр x_f функции концентрации газа x(t) изображен на рис. 5, b. Видно, что концентрация пузырьков достаточно велика, при этом следует отметить значительную изменчивость во времени x(t) средней концентрации газа, заключенного в пузырьках. Она обусловлена периодическим обрушением ветровых поверхностных волн и образованием пузырьковых облаков, которые достигают глубины 7–8 м. Из рис. 5, b видны характерные спектральные пики, отвечающие периодам усиления ветра над поверхностью моря.

Рис. 5. Изменчивость во времени средней объемной концентрации газа x(t), заключенного в пузырьках (a), и спектр функции концентрации газа (b) при наличии пузырьковых облаков, образующихся при обрушении ветровых волн

Акустические аномалии и распространение звука. Появление пузырьковых облаков в приповерхностных слоях моря приводит к повышенной диссипации акустических волн. На рис. 6 представлены данные для коэффициента поглощения звука на частоте 145 кГц в приповерхностном слое пузырьков при скорости ветра от 9 до 13 м/с примерно в течение суток. Видно значительное избыточное поглощение звука в пузырьковом слое. Вблизи поверхности моря поглощение звука в 100 раз превышает поглощение звука в чистой воде α₀ ≈ 10^–6 1/м, в то время как на больших глубинах поглощение звука стремится к значению поглощения звука в чистой воде.

Рис. 6. Изменения во времени коэффициента поглощения звука на частоте 145 кГц при скорости ветра от 9 до 13 м/с

Для изучения влияния приповерхностного слоя пузырьков на дальнее распространение звука было проведено численное моделирование для мелкого моря при использовании приближения нормальных мод [18, 27]. Для простоты анализа была выбрана модель простейшего горизонтально однородного, без пузырьков изоскоростного подводного звукового канала с абсолютно отражающими границами (верхняя граница – мягкая, нижняя – жесткая). Звуковое давление представляется в виде суммы нормальных мод. Дополнительное затухание, вызванное наличием пузырькового слоя, описывается мнимой частью собственных значений мод. Расчеты звукового поля были выполнены по программе KRAKENC [27] для взаимодействующих мод. Толщина слоя пузырьков выбиралась равной 7 м. Излучатель с частотой 1 кГц располагался на глубине 10 м при глубине моря 42 м.

На рис. 7 представлено 2D изображение акустического поля для различных концентраций пузырьков в приповерхностном слое. Видно сильное изменение структуры акустического поля при превышении концентрации пузырьков, равной 10^–7. При этой концентрации пузырьков акустическое поле вблизи поверхности затухает на расстоянии около 400 м. Одновременно резко изменяется общая структура акустического поля в толще волновода.

Рис. 7. Структура акустического поля с частотой f = 1 кГц в канале с приповерхностным слоем пузырьков толщиной 7 м при различной концентрации пузырьков: х = 0, х = 10^-8, х = 10^-7, х = 10^-6. Излучатель на глубине 10 м

Ослабление акустического поля в глубоком море с отрицательным градиентом скорости звука, типичным для северных морей, показано на рис. 8, где изображена функция |P(r)| при излучении звука различной частоты на глубине 100 м в море без пузырьков и в присутствии слоя пузырьков.

Рис. 8. Пространственный спад акустического поля при наличии и отсутствии приповерхностного слоя пузырьков на частотах 800 Гц (кривые 1, 2) и 100 Гц (кривые 3, 4) при различной концентрации пузырьков: a) x = 10^-7, b) x = 10^-6

Из полученных результатов можно сделать вывод, что влияние приповерхностного слоя пузырьков заключается в своеобразной экранировке поля распространяющегося звука на близких дистанциях. Именно здесь наблюдается дополнительный спад поля, вызванный затуханием звука, распространяющегося вдоль лучей при малых углах скольжения. Вся энергия, сосредоточенная в поле при малых углах, постепенно затухает и на больших расстояниях не дает никакого вклада в суммарное поле. Пузырьковый слой создает экранировку на близких дистанциях, и на больших расстояниях остаются только те лучи, которые практически не заходят в пограничные слои с пузырьками.

Пузырьковые факелы на шельфе Охотского моря. Пузырьковые облака встречаются не только вблизи поверхности моря, но также возникают в областях массового появления пузырьковых факелов, выходящих из донных осадков [21, 22]. В 2004 и 2006 гг. на паруснике «Надежда» были проведены экспедиции ТОИ ДВО РАН совместно с МГУ им. адм. Г.И. Невельского по изучению подводных пузырьковых газовых аномалий на северо-восточном шельфе Сахалина в зал. Пильтун вблизи нефтяной платформы «Моликпак». На рис. 9 представлены выходы газа в виде многочисленных факелов, которые были зарегистрированы методом обратного рассеяния звука при движении судна вдоль шельфа. На врезке рис. 9 представлена силы слоя S_l(r) в пузырьковых аномалиях толщиной 12 м.

Рис. 9. Акустическое изображение пузырьковых факелов в районе зал. Пильтун (Охотское море) на частоте 100 кГц. На врезке показана сила звукорассеивающего пузырькового слоя

Одновременно велись исследования распространения звука на различных частотах. Излучение звука проводилось с движущегося судна на фиксированной частоте 400 Гц, а также методом частотной модуляции на частотах в интервале 2–3,5 кГц. Прием акустических сигналов осуществлялся на стационарные донные приемные станции ИО РАН (зав. лаб. А.И. Веденев) с автономной записью сигналов [14]. На рис. 10 представлены экспериментальные результаты изменения уровня звука на частоте 2 кГц, полученные на донной приемной станции, находящейся вблизи границы пузырькового облака.

Рис. 10. Экспериментальные и теоретические зависимости затухания звука на частоте 2 кГц при распространении через пузырьковые факелы

Оказалось, что на всех частотах имеется большой спад поля. Здесь же представлены результаты моделирования распространения звука, которое показало, что для получения соответствия с экспериментальными результатами следует задать коэффициент затухания звука на частоте 2 кГц равным β = 4,4 дБ/км (0.5 м^–1). Для сравнения укажем, что экспериментальные значения коэффициента затухания звука β = 3,5 дБ/км, они хорошо соответствуют результатам численного моделирования. Следует обратить внимание, что данные величины на порядок превышают значения коэффициентов поглощения звука, полученных различными авторами для морских условий без пузырьковых облаков [1].

Акустические аномалии в придонных слоях. Весной 2021 г. были проведены исследования рассеяния звука на частоте 25 кГц вблизи о-ва Парамушир и о-ва Атласова. На врезке рис. 11 показаны типичные трассы, по которым проводились непрерывные исследования рассеяния звука. Очень часто вдоль трасс наблюдаются придонные пузырьковые неоднородности достаточно больших размеров, достигающих в высоту 40–60 м, как это видно из рис. 11. Экспериментальные результаты по измерениям коэффициента рассеяния звука на частоте 25 кГц позволили оценить концентрацию пузырьков и объемную концентрацию свободного газа, заключенного в придонных неоднородностях. За основу были взяты предположения, что размеры пузырьков вблизи дна достаточно большие ~0,5–7 мм; а также имеется одновременно как нерезонансное высокочастотное рассеяние, так и резонансное рассеяние на высокочастотной ветви функции распределения пузырьков g(R), отвечающей формуле (6). Для оценок были взяты 2 типа функции g(R) – гауссовская и полуэмпирическая вида (6). Оценки показали, что основной вклад в результаты вносит нерезонансное рассеяние, позволяющее сделать оценки коэффициента рассеяния звука, количества пузырьков со средним размером $\overline{R}$ ~ 4 мм и объемной концентрации газа в пузырьках x по формулам (5), (6).

Рис. 11. Глубоководные аномалии рассеяния звука частоты 25 кГц, зарегистрированные вблизи о-ва Атласова 04.05.2021 г.

Результаты вычислений объемной концентрации газа в пузырьках x, представленные на рис. 12, показывают, что в пределах 30–40 м над дном величина x превышает фоновую концентрацию и непосредственно вблизи дна может достигать значений x ~10^–7 ÷ 10^–6.

Рис. 12. Распределение объемной концентрации газа в пузырьках x в неоднородности вблизи дна

Подводные пузырьковые факелы на шельфе Японского моря. Многочисленные подводные пузырьковые факелы ГФ были обнаружены также на шельфе Японского моря. В экспедициях НИС «Профессор Гагаринский» (рейс № 29, 15.07.2000 г., рейс № 83, 20–23.10.2022 г.) с использованием рассеяния звука на частоте 12.4 кГц пузырьковые факелы были зарегистрированы недалеко от морской экспериментальной станции ТОИ ДВО РАН на мысе Шульца, располагающейся в бух. Витязь зал. Петра Великого.

На рис. 13 и на врезке рис. 14 показано типичное распределение коэффициента рассеяния звука на пузырьковых структурах ГФ, полученное 20–23.10.2022 г. и 15.07.2000 г. на НИС «Профессор Гагаринский». Во врезке на рис. 13 показана схема маршрута НИС 15.07.2000 г. от бух. Витязь (МЭС ТОИ ДВО РАН на мысе Шульца) через область расположения ГФ, выделенную пунктирной линией. Таким образом, в указанном районе пузырьковые факелы наблюдаются в течение длительного периода. Можно оценить их вклад в долю переноса газа через поверхность океана в атмосферу. Вблизи дна моря типичные пузырьки, составляющие пузырьковые факелы, известные из литературы, имеют размеры 0,5–7 мм [20, 22, 26]. Для поверхности моря это соответствует резонансным частотам от 460 Гц до 6.4 кГц. Учитывая зависимость от глубины в формуле Миннерта, можно видеть, что на большой глубине резонанс смещается в сторону увеличения частоты [14]. В этом случае вклад в результаты может вносить резонансное рассеяние при зондировании на низкой частоте 12 кГц.

Рис. 13. Распределение рассеяния звука частоты 12,4 кГц на пузырьковых структурах на шельфе Японского моря в 15.07.2000 г. на НИС «Профессор Гагаринский»

Из данных на рис. 14 можно определить суммарный объем выходящих газов в пузырьках, образующих факелы. Если предполагать, что основу содержимого пузырьков составляет метан, можно получить оценку массы выходящего метана в течение 840 с M_Σ = 0,3 кг. Таким образом, производительность выделения газа пузырьковым факелом составляет 0,49 л/с, или 0,35 г/с. В сутки выброс метана может составить величину 42,3 м³, или 30 кг. Учитывая, что регистрация проводилась вдоль трассы протяженностью около 1 км с поперечным захватом зондирования около 20 м, можно оценить выход метана в районе зарегистрированных ГФ, приходящийся на 1 км², примерно величиной 2100 м^3/сут·км², или 1,5 т/сут·км².

Рис. 14. Зависимость объема выходящих газов в пузырьках, составляющих ГФ, от времени вдоль трассы. На врезке – распределение коэффициента рассеяния звука частоты 12,4 кГц в зал. Петра Великого Японского моря (20–23.10.2022 г.)

Заключение

Представлены акустические методы на основе широкополосного обратного рассеяния звука, позволяющие осуществлять акустическую спектроскопию гетерогенных неоднородностей. Показана аномальная структура рассеяния и распространения звука в приповерхностном слое моря, связанная с наличием пузырьковых облаков при сильном ветре. Пузырьковые облака могут увеличивать потери звука и изменять структуру акустического поля.

Представлены акустические оценки газа в пузырьковых факелах, выходящих из дна моря, которые согласуются с результатами других авторов, полученных в том числе неакустическими методами in situ.

Важно обратить внимание на то, что пузырьковые неоднородности наиболее сильно влияют на структуру низкочастотных полей, для которых эффективная скорость звука определяется нерезонансными пузырьками и в пределе низких частот для них пропадает частотная зависимость.

Метод рассеяния звука позволяет выполнять оценки структуры неоднородностей различного масштаба морской среды непосредственно на ходу судна с высоким пространственным разрешением. Мониторинг структуры морской среды по данным рассеяния звука особенно важен вблизи резких границ неоднородностей, когда характеристики среды изменяются на небольшом расстоянии и поэтому никакие контактные методы не позволяют осуществлять подробную пространственную съемку структуры среды вблизи таких границ.

About the authors

Vladimir A. Bulanov

Author for correspondence.
Email: bulanov@poi.dvo.ru
ORCID iD: 0000-0002-5504-9042

Doctor of Sciences in Physics and Mathematics, Chief Researcher

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Functional diagram of the hardware complex for measuring sound scattering at different frequencies

Download (32KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Functional diagram of the bottom system

Download (44KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Sound scattering by surface bubble clouds and simultaneous sound scattering by zooplankton

Download (113KB)

Indexing metadata

5. Fig. 4. Bubble size distribution function g(R) at different depths during different periods of storm development

Download (64KB)

Indexing metadata

6. Fig. 5. Variability over time of the average volume concentration of gas x(t) enclosed in bubbles (a) and the spectrum of the gas concentration function (b) in the presence of bubble clouds formed by the collapse of wind waves

Download (54KB)

Indexing metadata

7. Fig. 6. Changes in the sound absorption coefficient over time at a frequency of 145 kHz at wind speeds from 9 to 13 m/s

Download (70KB)

Indexing metadata

8. Fig. 7. Structure of the acoustic field with a frequency f = 1 kHz in a channel with a surface layer of bubbles 7 m thick at different bubble concentrations: х = 0, х = 10^-8, х = 10^-7, х = 10^-6. Emitter at a depth of 10 m

Download (192KB)

Indexing metadata

9. Fig. 8. Spatial decay of the acoustic field in the presence and absence of a surface layer of bubbles at frequencies of 800 Hz (curves 1, 2) and 100 Hz (curves 3, 4) at different bubble concentrations: a) x = 10^-7, b) x = 10^-6

Download (39KB)

Indexing metadata

10. Fig. 9. Acoustic image of bubble plumes in the Piltun Bay area (Sea of ​​Okhotsk) at a frequency of 100 kHz. The inset shows the strength of the sound-scattering bubble layer.

Download (124KB)

Indexing metadata

11. Fig. 10. Experimental and theoretical dependences of sound attenuation at a frequency of 2 kHz during propagation through bubble torches

Download (27KB)

Indexing metadata

12. Fig. 11. Deep-sea 25 kHz sound scattering anomalies recorded near Atlasov Island on 04.05.2021.

Download (112KB)

Indexing metadata

13. Fig. 12. Distribution of the volume concentration of gas in bubbles x in the inhomogeneity near the bottom

Download (90KB)

Indexing metadata

14. Fig. 13. Distribution of scattering of sound with a frequency of 12.4 kHz on bubble structures on the shelf of the Sea of ​​Japan on 15.07.2000 on the research vessel Professor Gagarinsky

Download (303KB)

Indexing metadata

15. Fig. 14. Dependence of the volume of outgoing gases in the bubbles that make up the GF on time along the route. The inset shows the distribution of the scattering coefficient of sound with a frequency of 12.4 kHz in Peter the Great Bay, Sea of ​​Japan (20–23.10.2022).

Download (51KB)

Indexing metadata