Валерий Родиков - Приключения радиолуча
Между скоростью звука в атмосфере и ее температурой имеется прямая связь — скорость звука уменьшается с понижением температуры. Запуски метеорологических ракет в СССР и США позволили получить полную картину распределения температуры по высоте. Оказалось, что на высотах около 15—80 километров температура достигает своих минимальных значений. Здесь и проходят оси акустических волноводов — верхнего и нижнего. Для земных наблюдателей основную роль играет, конечно, нижний волновод. Звуковые волны от источников, расположенных ниже 50 километров, «захватываются» нижним волноводом и концентрируются им в пределах высот от 3 до 40 километров. Но при определенных условиях (например, при холодной погоде) они прорываются в некоторых местах сквозь «нижнюю стенку» волновода, и тогда там наблюдается эффект «сверхслышимости».
Звуковые волноводы интенсивно изучались и во время Второго Полярного года в 1932—1933 годах. Была проведена серия взрывов на Новой Земле. Звуки от взрывов зарегистрировали на Земле Франца-Иосифа. Изучение звуковых волноводов продолжили по программе Международного геофизического года в 1957— 1959 годах. Во Франции в рамках программы было произведено более 630 взрывов, которые прослушивались на восьми станциях в радиусе 200—250 километров. Наблюдения подтвердили гипотезу о звуковом волноводе.
Мощные ядерные взрывы в атмосфере благодаря звуковому каналу могут быть зарегистрированы практически в любой точке земного шара. Так, мегатонный ядерный взрыв был зарегистрирован на расстоянии 11 500 километров от места испытания.
В земных толщах тоже обнаружен волновод — слой с пониженной скоростью распространения сейсмических волн. Он залегает в верхней мантии на глубинах от 50—100 до 250—400 километров от поверхности. В нем сейсмические волны путешествуют не рассеиваясь, с малыми потерями. Геофизики считают, что вещество волноводного слоя находится в состоянии, близком к плавлению. Высказываются предположения, что в нем сосредоточена почти вся сера Земли. Так можно объяснить диспропорцию, которую заметили ученые: содержание серы в земной коре составляет 0,1 процента, а в метеоритах — в среднем 2 процента.
Мы уже упоминали о попытках использовать земную твердь для передачи электрических сигналов. Но тогда, в XIX веке, они окончились неудачей. В XXI веке эти замыслы, по мнению известного ученого в области радиоэлектроники В. Сифорова, станут реальностью. Оказывается, под землей пролегает еще и волновод для радиоволн. Верхний слой Земли обладает относительно неплохой электропроводимостью. Глубже идет слой, близкий по свойствам к диэлектрикам, а после него, как утверждают геологи, снова следует проводящий слой. Таким образом, получаются как бы две концентрические сферы из проводников, между которыми помешен диэлектрик. А это ведь своего рода диэлектрический волновод. Создана довольно детальная и строгая теория распространения радиоволн в такой среде. Ну а коль скоро есть теория, то открывается путь и к практике.
ЗВУКИ ИЗ ПОДВОДНОГО ЛАБИРИНТА
Это случилось в январе 1966 года. Над Испанией летели два военных американских самолета — реактивный бомбардировщик В-52 с водородными бомбами на борту и заправщик КС-135, баки которого были полны топливом, предназначенным для периодической дозаправки бомбардировщика.
Авария произошла на высоте шести миль. На В-52 загорелся один из двигателей. Бомбардировщик взорвался, причем от взрыва пострадал и КС-135. Оба самолета рухнули на землю. Погибло семь человек. С бомбардировщика В-52 упали четыре водородные бомбы без взрывателей. Три из них найдены на суше. Четвертая упала в Средиземное море.
Для ее поиска у побережья Паломареса собралась большая группа кораблей, подводных лодок и глубоководных аппаратов. Впоследствии один из руководителей поисковых работ сказал, что наибольшие трудности во время работ у берегов Испании представляли проблемы связи и навигации под водой.
Приведенное высказывание весьма показательно. Это еще одно из многочисленных подтверждений сложности вопросов подводной связи и навигации. А ведь трудно исследовать глубины на специальных аппаратах без надежной связи с поверхностью. Радиоволны, служащие нам верой и правдой на Земле и в космосе, гаснут в воде, преодолев лишь десятки-сотни метров…
Древним была хорошо известна способность дельфинов и рыб издавать звуки, о чем упоминали в своих трудах Аристотель, Плиний Старший и другие античные ученые. «Те, кто обрекает всех рыб на молчание и глухоту, весьма мало знают природу рыб», — писал древнеримский философ Клавдий Элиан. Но постепенно их замечательные наблюдения были забыты и в науке надолго установилось представление, что океан — «мир безмолвия». Лишь сравнительно недавно богатый мир подводных звуков стал открываться вновь…
Неизвестные звуки порой казались сверхъестественными и ставили в тупик ученых. Нередко чуткие гидрофоны фиксировали, что в глубине, по соседству, чуть ли не рядом находятся неизвестные объекты. Но поиски были безрезультатными, и непрошеные пришельцы словно в воду канули, хотя сигналы с глубин по-прежнему принимались. Порой они напоминали грохот отбойных молотков, скрежет большого числа фрезерных станков. А иногда это были звуковые импульсы, которые повторялись по времени с завидной точностью.
Случалось, что океанские голоса вызывали настоящую панику, сопровождались сенсационными сообщениями в западной прессе. Американские газеты буквально кричали о «новой советской сверхмощной подводной лодке». Два месяца натовские системы обнаружения искали источник неожиданно появившихся в океане звуковых импульсов. Лишь впоследствии установили, что виновником «сенсации» был больной кит. Он периодически открывал пасть — своего рода звуковой излучатель, который как бы транслировал удары его огромного сердца на значительные расстояния. Сердце морского гиганта обладает огромной мощностью — 10—15 киловатт, ведь ему приходится перекачивать восемь тонн крови. Если всего 0,1 процента мощности превратить в акустические волны, то их можно услышать на расстояниях во многие сотни километров.
Можно назвать и другие подобные казусы. В число неопознанных объектов попали стаи волнистого горбыля, которые мигрируя на нерест, «шумели» не хуже целой армады подводных лодок. А вот еще один пример. В 1941 году при нападении на американские корабли в Пирл-Харборе японские подводные лодки выпустили гораздо больше торпед по шумящим скоплениям креветок и морских рачков, чем по боевым кораблям.
Попробуем разобраться в природе подводных звуков.
В первую очередь в причинах, почему они в одном случае тут же затихают, а в другом — распространяются на сотни, а то и тысячи километров, практически не ослабевая за столь долгое путешествие? Вопросы эти носят далеко не праздный интерес. Ведь звуковые волны выполняют ту же роль при освоении Мирового океана, что и радиосигналы при изучении космоса.
Впервые удивительную способность звука пробегать огромные расстояния заметили советские моряки во время Великой Отечественной войны. Взрывы небольших зарядов в районе Кольского залива были зарегистрированы гидрофонами кораблей на расстоянии 180 миль.
В грозном сорок втором году под руководством заведующего лабораторией Физического института, члена-корреспондента АН СССР (впоследствии академика) Н. Н. Андреева началось систематическое изучение актуальной проблемы. Необходимо было найти средства для борьбы с немецкими акустическими минами. Работы проводились на Черном море и вылились в конкретные практические результаты.
Вскоре после войны в 1946 году нашим ученым удалось найти и причину сверхдальних «звуковых путешествий». Оказалось, что в морских и океанических глубинах существует особый слой, который специалисты назвали подводным звуковым каналом. Аналогичное открытие сделали и американцы. Их работы проводились в обстановке строжайшей секретности, а результаты не публиковались.
Теория распространения звука в подводном канале разработана академиком Л. М. Бреховских, которому вместе с коллективом авторов монографии «Акустика океана» была присвоена Государственная премия СССР за 1976 год. В 1977 году советскому ученому Институтом акустики Великобритании присуждена также Золотая медаль выдающегося физика Рэлея.
Уникальные эксперименты по изучению распространения звука в океане были проведены на научно-исследовательских суднах «Сергей Вавилов» и «Петр Лебедев».
Подводный акустический канал также работает наподобие диэлектрического волновода — энергия колебаний фокусируется вокруг оси, где скорость распространения звука минимальна. В приповерхностных слоях океана профиль изменения скорости звука повторяет профиль изменения температуры, которая уменьшается с глубиной. Чем глубже, тем изменение температуры становится все слабее, и на скорость звука решающее влияние оказывает уже гидростатическое давление, которое увеличивает скорость звука с глубиной. Таким образом, от поверхности до дна скорость звука сначала уменьшается, а затем увеличивается. Слой, в котором скорость звука минимальна, совпадает с осью подводного звукового канала. Этот слой довольно устойчив и находится обычно на постоянной глубине, например, 1274 метра в Атлантическом океане, 637 метров в северо-восточной части Тихого океана, 40—60 метров в морях северного полушария.
