Влияние изменения климата на распространение сигналов сонаров в морской среде

Изменение климата меняет облик Мирового океана способами, которые выходят далеко за рамки повышения уровня моря и обесцвечивания кораллов. Среди менее заметных, но критически важных преобразований — изменение распространения подводного звука. Морские гидроакустические системы, коммерческие эхо-звуковые устройства и исследовательские гидрофоны — все полагаются на точную, предсказуемую передачу акустических сигналов через водную колонну. По мере повышения температуры океана, изменения солености и ледового покрова коренным образом изменяются скорость и путь звуковых волн. В этой статье рассматриваются механизмы, с помощью которых изменение климата влияет на распространение сонарного сигнала, возникающие проблемы для морских операций и возникающие стратегии поддержания подводной акустической надежности в развивающемся океане.

Физика гидролокатора и распространения звука под водой

Сонар — аббревиатура от SOund NA, испускающий акустические импульсы и анализирующий их эхо для обнаружения и определения местоположения объектов. Производительность любой гидроакустической системы регулируется поведением звука в морской воде, которое зависит от трех основных переменных: температуры, солености и давления (глубина). Эти факторы определяют профиль скорости звука (SSP), вертикальный градиент скорости звука, который определяет, как изгибаются и перемещаются акустические лучи.

Звук быстрее перемещается в более теплой, соленой и более высокого давления воде. Как правило, скорость звука увеличивается с глубиной из-за повышения давления, но температура и соленость могут создавать слои, где скорость звука либо увеличивается или уменьшается. Эти слои могут образовывать звуковые каналы - области, где акустическая энергия захвачена и может распространяться на сотни или даже тысячи километров. Самый известный из них - глубокий звуковой канал (SOFAR канал), который лежит на глубинах, где температура и давление объединяются, чтобы произвести минимальную скорость звука.

Любое нарушение естественного баланса температуры и солености изменит профиль скорости звука, потенциально ослабив или сместив эти естественные каналы. Понимание этих изменений имеет важное значение для прогнозирования производительности гидролокатора в нагревающемся океане.

Как изменение климата изменяет условия океана, связанные с распространением звука

Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) сообщает, что с 1970-х годов глобальный океан поглотил более 90% избыточного тепла от антропогенного потепления. Это поглощение тепла вызвало несколько каскадных эффектов, которые непосредственно влияют на акустическое распространение:

• Повышение температуры поверхности моря: Верхние слои океана нагреваются быстрее, чем более глубокие слои, что повышает температурный градиент во многих регионах.
• Освещение от таяния льда: Увеличение талой воды от ледников и полярных ледяных шапок снижает соленость поверхности, особенно в Арктике и вокруг Гренландии.
• Изменения в стратификации: Более теплая, пресная поверхностные воды создают более стабильный, стратифицированный верхний океан, влияя на смешивание и вертикальное распределение температуры и солености.
• Подкисление океана: Повышение уровня СО2 снижает рН, что может влиять на поглощение низкочастотного звука в морской воде, хотя эффект является вторичным по отношению к температуре и солености.

Эти сдвиги не являются однородными: некоторые регионы, такие как Арктика, испытывают драматические изменения, в то время как другие, такие как тропики, наблюдают более постепенное, но устойчивое потепление.

Потепление океана и его прямое влияние на скорость звука

Температура поверхности моря увеличилась примерно на 0,13 ° C за десятилетие с начала 20-го века, причем последние десятилетия демонстрируют ускоренное потепление. Поскольку скорость звука в морской воде увеличивается примерно на 4,0-4,5 м/с на каждые 1 ° C подъем (при типичных температурах океана), устойчивое потепление поверхности даже на 1-2 ° C может вызвать заметное увеличение скорости звука в верхних слоях. Это усиливает положительный градиент вблизи поверхности, потенциально сдвигая глубину оси звукового канала.

В регионах, где смешанный слой является мелким, более сильный градиент ближнего слоя поверхности может вызвать более низкое преломление лучей гидролокатора, сокращая эффективный диапазон для распространения поверхностного протока. И наоборот, в областях, где образуются слои инверсии температуры, звук может быть захвачен в поверхностном протоке, продлевая расстояния передачи. Прогнозирование того, какой сценарий будет доминировать в данном месте, требует мониторинга тепловой структуры с высоким разрешением.

Изменение солености от ледяного таяния и измененных осадков

Климатические модели прогнозируют, что высокоширотные океаны станут более свежими из-за увеличения стока от таяния ледников и ледников, а также изменения в структуре осадков. Например, в проливе Бофорт в Арктике накопился большой объем пресной воды из таяния морского льда и притока рек. Пресная вода менее плотная и имеет иную звуковую характеристику, чем соленая вода: скорость звука увеличивается примерно на 1,3 м/с на 1 единицу практической солености (ПГУ). Падение нескольких ПГУ в поверхностных водах может снизить скорость звука на 5-10 м/с, противодействуя эффекту потепления в некоторых районах.

Это освежение часто создает резкий галоклин — сильный градиент солености с глубиной — который может выступать в качестве барьера для передачи звука. Акустические волны, проходящие через такой галоклин, могут испытывать частичное отражение и преломление, что приводит к потере сигнала или многолучевой интерференции. Для операторов морских гидролокаторов это означает более тихую акустическую среду в верхнем слое, но потенциально более громкий шум из зон, свободных ото льда, где волны, управляемые ветром, генерируют окружающий шум.

Влияние на профили скорости звука и акустическое распространение

Комбинированный эффект потепления и освежения на профилях скорости звука сложен и зависит от региона. В Северной Атлантике, например, модели показывают, что ось звукового канала становится более мелкой в некоторых районах, поскольку верхний океан нагревается быстрее, чем глубокий океан. Более мелкая ось означает, что акустическая энергия захвачена на более высокой глубине, что может уменьшить диапазон обнаружения для глубоководных подводных лодок или увеличить диапазон для поверхностных судов, в зависимости от глубины источника и приемника.

Одна из важнейших концепций — критическая глубина — глубина, ниже которой скорость звука превышает поверхностное значение, что позволяет распространяться в глубоководном океане. В мире потепления критическая глубина может стать более переменной, влияя на акустическую связь и навигацию на большие расстояния. Исследования, опубликованные в Научные отчеты , задокументировали, что градиент скорости звука в верхних 500 метрах восточной части Тихого океана усилился за последние 30 лет, что привело к более выраженному преломлению звуковых лучей Дюшау и Вустер, 2020 .