Акустические аномалии в пограничных слоях океана

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Большую роль в структуре океана играют пограничные слои – приповерхностный и придонный. 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. Часто их сопоставляют с наличием газогидратных месторождений либо с выходом газов через трещины в земной коре вблизи активных вулканов. В работе обсуждаются методы и экспериментальные результаты по акустике пограничных слоев в океане, содержащих двухфазную жидкость с газовыми пузырьками, а также методы их диагностики. Показаны возможности акустического зондирования для визуализации сложной структуры, динамики и диагностики аномалий физических свойств пограничных слоев. Представлены и обсуждены типичные экспериментальные результаты, полученные в дальневосточных морях.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Владимир Алексеевич Буланов

Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: bulanov@poi.dvo.ru
ORCID iD: 0000-0002-5504-9042

Доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник

Россия, Владивосток

Список литературы

  1. Бреховских Л.М., Лысанов Ю.П. Теоретические основы акустики океана. М.: Наука, 2007. 370 с.
  2. Hovem J.M. Marine Acoustics: The Physics of Sound in Underwater Environments. Newport Beach, CA, USA: Peninsula Publishing, 2012. 656 p.
  3. Thorpe S.A. The effect of Langmuir circulation on the distribution of submerged bubbles caused by breaking wind waves // J. Fluid Mech. 1984. Vol. 142. P. 151–170.
  4. Deane G.B. Sound generation and air entrainment by breaking waves in the surf zone // J. Acoust. Soc. Amer. 1997. Vol. 102. P. 2671–2689.
  5. Medwin H. Acoustical determination of bubble size spectra // J. Acoust. Soc. Am. 1977. Vol. 62. P. 1041–1044.
  6. Акуличев В.А., Буланов В.А., Кленин С.А. Акустическое зондирование газовых пузырьков в морской среде // Акуст. журн. 1986. Т. 32, № 3. С. 289–295.
  7. Garrett C., Li M., Farmer D. The Connection between Bubble Size Spectra and Energy Dissipation Rates in the Upper Ocean // J. Phys. Ocean. 2000. Vol. 30. P. 2163–2171.
  8. Thorpe S.A., Osborn T.R., Farmer D.M., Vagle S. Bubble Clouds and Langmuir Circulation // J. Phys. Oceanogr. 2003. Vol. 33, No. 9. P. 2013–2031.
  9. Baschek B., Farmer D.M. Gas Bubbles as Oceanographic Tracers // J. of Atmosph. and Oceanic Technol. 2010. Vol. 27. P. 241–245.
  10. Vagle S., McNeil C., Steiner N. Upper ocean bubble measurements from the NE Pacific and estimates of their role in air-sea gas transfer of the weakly soluble gases nitrogen and oxygen // J. Geophys. Res. 2010. Vol. 115. C12054. doi: 10.1029/2009JC005990.
  11. Deane G.B., Preisig J.C., Lavery A.C. The suspension of large bubbles near the seasurface by turbulence and their role in absorbing forward-scattered sound // IEEE Journ. of Oceanic Eng. 2013. Vol. 38, No. 4. P. 632–641. doi: 10.1109/JOE.2013.2257573.
  12. Ainslie M., Leighton T. Review of scattering and extinction cross-sections, damping factors, and resonance frequencies of a spherical gas bubble // J. Acoust. Soc. Am. 2011. Vol. 130. P. 3184–3208.
  13. Апресян Л.А. Об одном «парадоксе» в теории рассеяния // Журнал технической физики. 2023. Т. 93, Вып. 3. С. 332–338.
  14. Акуличев В.А., Буланов В.А. Акустические исследования мелкомасштабных неоднородностей в морской среде. Владивосток: ТОИ ДВО РАН, 2017. 414 С. URL: https://www.poi.dvo.ru/node/470 (дата обращения: 10.04.2024).
  15. Macaulay G.J., Chu D., Ona E. Field measurements of acoustic absorption in seawater from 38 to 360 kHz // J. Acoust. Soc. Am. 2020. Vol. 148. P. 100–107. doi: 10.1121/10.0001498.
  16. Ainslie M.A. Effect of wind-generated bubbles on fixed range acoustic attenuation in shallow water at 1–4 kHz // J. Acoust. Soc. Am. 2005. Vol. 118, No. 6. P. 3513–3523.
  17. Liu R., Li Z. The Effects of Bubble Scattering on Sound Propagation in Shallow Water // J. Mar. Sci. Eng. 2021. Vol. 9. 1441.
  18. Bulanov V.A., Bugaeva L.K., Storozhenko A.V. On sound scattering and acoustic properties of the upper layer of the sea with bubble clouds // J. Mar. Sci. Eng. 2022. Vol. 10. 872.
  19. Зоненшайн Л.П., Мурдмаа И.О., Варанов В.В., Кузнецов А.П., Кузин В.С., Кузьмин М.И., Авдейко Г.П., Стунжас П.А., Лукашин В.П., Бараш М.С., Валяшко Г.М., Демина Л.Л. Подводный газовый источник к западу от о-ва Парамушир // Океанология. 1987. Т. 27, № 5. С. 795–800.
  20. Leifer I., Judd A.G. Oceanic methane layers: the hydrocarbon seep bubble deposition hypothesis // Terra Nova. 2002. Vol. 14. P. 417–424.
  21. Обжиров А.И. История открытия газогидратов в Охотском море // Подводные исследования и робототехника. 2006. № 2. С. 72–80.
  22. Дмитриевский А.Н., Баланюк И.Е. Газогидраты морей и океанов. М.: ИРЦ Газпром, 2009. 416 с.
  23. Саломатин А.С., Юсупов В.И., Верещагина О.Ф., Черных Д.В. Акустическая оценка концентрации метана в водной толще в областях его пузырьковой разгрузки // Акуст. журн. 2014. Т. 60, № 6. С. 636–644
  24. Weidner E., Weber T.C., Mayer L., Jakobsson M., Chernykh D., Semiletov I. A wideband acoustic method for direct assessment of bubble-mediated methane flux // Cont. Shelf Res. 2019. Vol. 173. P. 104–115.
  25. Буланов В.А., Валитов М.Г., Корсков И.В., Шакиров Р.Б. о глубоководных акустических неоднородностях в придонных слоях в Охотском и Японском море // Подводные исследования и робототехника. 2022. № 3 (41). С. 67–78.
  26. Саломатин А.С., Юсупов В.И. Акустические исследования газовых «факелов» Охотского моря // Океанология. 2011. Т. 51, № 5. С. 911–919.
  27. Porter M.B., Reiss E.L. A numerical method for bottom interacting ocean acoustic normal modes // J. Acoust. Soc. Am. 1985. Vol. 77. P. 1760–1767. URL: http://oalib.hlsresearch.com/Modes/index.html (date of application: April 10, 2024).

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Функциональная схема аппаратурного комплекса для измерения рассеяния звука на различных частотах

Скачать (32KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Функциональная схема донной системы

Скачать (44KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Рассеяние звука на приповерхностных пузырьковых облаках и одновременное рассеяние звука на зоопланктоне

Скачать (113KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Функция распределения пузырьков по размерам g(R) на различных глубинах в различные периоды развития шторма

Скачать (64KB)
Метаданные
6. 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

Скачать (54KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Изменения во времени коэффициента поглощения звука на частоте 145 кГц при скорости ветра от 9 до 13 м/с

Скачать (70KB)
Метаданные
8. 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

Скачать (192KB)
Метаданные
9. 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

Скачать (39KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Акустическое изображение пузырьковых факелов в районе зал. Пильтун (Охотское море) на частоте 100 кГц. На врезке показана сила звукорассеивающего пузырькового слоя

Скачать (124KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Экспериментальные и теоретические зависимости затухания звука на частоте 2 кГц при распространении через пузырьковые факелы

Скачать (27KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Глубоководные аномалии рассеяния звука частоты 25 кГц, зарегистрированные вблизи о-ва Атласова 04.05.2021 г.

Скачать (112KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Распределение объемной концентрации газа в пузырьках x в неоднородности вблизи дна

Скачать (90KB)
Метаданные
14. 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»

Скачать (303KB)
Метаданные
15. 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.)

Скачать (51KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025