Шумные воды: что такое гидроакустический мониторинг океана

Моря и океаны чаще всего ассоциируются у нас со спокойствием и безмятежностью. Оказавшись на побережье, мы можем насладиться мягким шумом прибоя. Хотя на самом деле под водой скрывается настоящая звуковая буря: грохочут подводные землетрясения, трещат ледники, «общаются» морские обитатели. В этот «хор» человечество добавило гул судовых двигателей и буровых установок, щелчки сонаров и взрывы сейсморазведочных излучателей. Чтобы прислушаться ко всем этим колебаниям, ученые проводят гидроакустический мониторинг. Как акустика помогает специалистам исследовать морские глубины? Грозит ли океану шумовое загрязнение? Рассказываем в нашем материале.

Непрозрачный океан

В экспертных дискуссиях нередко звучит мнение, что о космосе мы знаем гораздо больше, чем об океане. Такое высказывание кажется противоречивым, но логичные основания у него есть. Свет и радиоволны легко проникают сквозь космическую пустоту, позволяя ученым исследовать далекие объекты с помощью телескопов и спутников. В то время, как в воде электромагнитные волны проходят слабо, а световые лучи рассеиваются на протяжении нескольких десятков метров. Поэтому главную роль в исследованиях морей и океанов берут на себя акустические волны.

«В воде звуковые колебания распространяются в виде продольных волн, в которых частицы жидкости движутся параллельно направлению распространения волны. Вода обладает высокой плотностью и способностью передавать звуковые волны на гораздо большие расстояния, чем в воздухе. Это позволяет использовать гидроакустические системы для дальнего обнаружения объектов и коммуникации», — рассказывает доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией статистических методов в акустике океана Института прикладной физики РАН, заместитель руководителя Центра гидроакустики ИПФ по научной работе Анатолий Вировлянский.

На распространение звуковых волн в морях и океанах влияют температура, давление, соленость и другие факторы. В 1940-х годах ученые обнаружили, что в морской среде может образовываться подводный звуковой канал, по которому звук способен распространяться на тысячи километров. Такое явление возникает из-за особого вида зависимости скорости звука от глубины.

«Этот рефракционный волновод захватывает звуковые волны и „предохраняет“ их от ослабления при отражении от дна моря. В подводных звуковых каналах в глубоком море волны на частотах порядка 100 Гц могут распространяться и минимально затухать даже на тысячекилометровых звуковых трассах», — объясняет Анатолий Вировлянский.

Гидрофоны, сонары, эхолоты

Благодаря специальным технологиям ученые могут исследовать особенности подводной среды. Например, наблюдать за морскими млекопитающими и их миграцией, контролировать состояние морской экосистемы, анализировать подводный рельеф, искать полезные ископаемые, обеспечивать морскую безопасность.

Различают два вида гидроакустического мониторинга. При активном мониторинге специалисты искусственно излучают акустические сигналы (импульсы) и регистрируют их отражения от объектов. Для этого используют сонары, эхолоты, излучатели и другие устройства. Такой метод помогает отслеживать подводные объекты и картировать дно. При пассивном мониторинге звуки регистрируют без излучения собственных сигналов. Таким образом определяют объекты, излучающие собственные сигналы и шумы — суда, подводные лодки и морских млекопитающих.

Результаты мониторинга можно использовать в режиме реального времени, например, для управления сейсморазведкой. При этом, чтобы передать сигнал на приемный пост, применяют телеметрические буи (радио, спутниковые, сотовые) и кабельные системы, рассказывает кандидат технических наук, заведующий лабораторией акустического зондирования океана Тихоокеанского океанологического института имени В. И. Ильичева ДВО РАН Дмитрий Ковзель.

«Результаты мониторинга также можно получить после обработки длительных записей акустических сигналов и сопутствующей информации, в том числе данных гидрологических измерений. В таком случае для записи принимаемых сигналов используют различные регистраторы. Отдельного упоминания заслуживает гидроакустическая томография», — добавляет ученый.

В гидроакустике звуковые волны принимаются специальными приемниками. Гидрофоны — подводный аналог микрофонов — преобразуют колебания давления в звуковой волне в электрический сигнал. Приемники колебательной скорости и акселерометры делают то же самое с микроскопическими смещениями частиц воды при прохождении волны. Затем эти сигналы оцифровывают с помощью аналого-цифровых преобразователей и анализируют в компьютерных программах.

«Во время мониторинга измеряют уровень звука (амплитуду), частотный спектр, временные характеристики сигналов. Для анализа этих измерений используются как классические методы обработки сигналов, так и новые методы, основанные на машинном обучении», — поясняет доктор физико-математических наук Анатолий Вировлянский.

Песни, крики и щелчки

Чаще всего в подводном мире можно услышать морских обитателей. Звуки, которые они издают, могут быть постоянными (например, у ракообразных), либо кратковременными и мощными (крики китов или щелчки дельфинов). У раков и крабов они похожи на треск, у рыб — на барабанную дробь, а у морских животных — на пение.

Звуки биологического происхождения чрезвычайно многообразны, отмечает Дмитрий Ковзель. Многие из них превышают диапазон частот, воспринимаемый человеком.

«Например, лоцирующие сигналы морских животных представляют собой последовательности импульсов в диапазоне десятков и даже сотен килогерц. Для их регистрации применяются все виды акустических приемников. Запись ведется непрерывно, либо по срабатыванию специальных, порой весьма изощренных детекторов», — комментирует эксперт.

У каждого морского обитателя есть своя акустическая подпись, по которой ученые могут определить вид организма. Для этого все чаще применяют алгоритмы машинного обучения. Существуют целые базы данных с типичными звуковыми образцами различных видов. Чем обширнее такие базы, и чем лучше качество записей и условия среды, тем точнее удается распознать вид организма.

«У звуков китов есть свои особенности. Они достаточно разнообразны: это могут быть пульсирующие „песни“, щелчки, рычания. Каждая популяция или вид имеет свои уникальные акустические подписи. Их распознают на основе анализа спектрограмм для выявления уникальных паттернов, а также с использованием уже упомянутых методов машинного обучения», — делится Анатолий Вировлянский.

Треск льда и движение плит

Помимо биологических источников шума, в подводном звуковом ландшафте есть природные: треск айсбергов, грохот вулканов, движение тектонических плит, разрушение волн, кавитация воздушных пузырьков. Сигналы от природных источников регистрируют сети гидрофонов (обычно они установлены на дне), покрывающих значительные акватории морей и океанов, говорит заведующий лабораторией статистических методов в акустике океана ИПФ РАН Анатолий Вировлянский.

Например, звуки оползней и расколов айсбергов обладают характерными низкочастотными сигналами с резким началом. Взрывы и извержения вулканов создают шумовые сигналы с высокой интенсивностью и специфическими спектрами. Изучая временные и спектральные характеристики, ученые могут определить стадию вулканической активности.

Кроме того, гидроакустические технологии позволяют обнаруживать землетрясения и их предвестников. Это одна из главных задач в области морской сейсмологии и мониторинга подводных процессов.

«Для этого регистрируют низкочастотные компоненты звуковых сигналов (обычно в диапазоне от нескольких до десятков Гц). Сравнение времен прихода сигналов на разные гидрофоны позволяет определить эпицентр землетрясения. Задачу упрощает то, что спектры и временные характеристики у звуковых сигналов землетрясений отличаются от шума моря», — отмечает эксперт.

Шумовое загрязнение

Из всех самых мощных источников подводного шума лидируют антропогенные — морские суда, буровые установки и платформы. К этой же категории относятся поиск полезных ископаемых, прокладка кабелей, военные корабли и подводные лодки. Шум от этих объектов может достигать десятков и даже сотен децибел. Особенно громкими оказываются сейсморазведка и строительство.

В наши дни шумовое загрязнение морей и океанов становится все более актуальной проблемой. Естественные источники — такие, как волны, ветер и морские млекопитающие — создают акустический фон. Это важная часть морской экосистемы. Антропогенные объекты значительно увеличивают уровень шума.

«Исследования показывают, что уровень шума в некоторых районах океана достиг таких значений, что может навредить морским животным и иметь негативные последствия для морской экосистемы. Многие виды морских млекопитающих используют звук для навигации, поиска пищи и общения. Усиленный шум мешает этим процессам, вызывает стресс, дезориентацию и даже потерю способности к воспроизводству. Есть случаи массовых гибелей или миграционных сбоев из-за чрезмерного шума», — подчеркивает Анатолий Вировлянский.

Например, короткие, но мощные импульсы сонаров или взрывные работы могут повредить кровеносные сосуды животного. Сильные импульсные сигналы уничтожают планктон. Более слабый, но долговременный шум может нарушать коммуникацию между морскими животными и вытеснять их из привычных районов обитания, объясняет заведующий лабораторией акустического зондирования океана ТОИ ДВО РАН Дмитрий Ковзель.

Решить проблему можно с помощью регулирующих законов, а также постоянного акустического мониторинга критических акваторий, считает эксперт. Это позволит принять необходимые технические и организационные меры, и свести последствия человеческой деятельности к минимуму.

«В Сахалинской области есть хороший пример: в регионе появились суда с азиподами (это такая безредукторная схема привода судового винта), что резко снизило шумы в районах нефтедобывающих платформ. На ходу снижение скорости судна на 10% снижает его шум приблизительно на 40%», — подчеркивает специалист.

На волне инноваций

Сегодня исследованиями в области гидроакустики занимаются в Тихоокеанском океанологическом институте, Институте прикладной физики и Институте океанологии им. П. П. Ширшова РАН и других организациях.

Например, в Институте прикладной физики создают оборудование для освоения океана, разрабатывают гидроакустические системы и методы для автоматического распознавания источников звука. В Тихоокеанском океанологическом институте ДВО РАН изучают звукоподводную связь и акустику естественных шумов моря, работают над новыми методами мониторинга, изготавливают автономные подводные акустические регистраторы, системы передачи данных и другие технологии.

«Основным направлением работы нашей лаборатории с 1999 года было участие в экологических программах фирм-операторов проектов „Сахалин-1“ и „Сахалин-2“. Основная цель этих программ — сохранение охотско-корейской популяции серых китов, занесенных в Красную книгу РФ. Районы их летне-осеннего нагула примыкают к месторождениям нефти и газа на Сахалинском шельфе», — рассказывает кандидат технических наук Дмитрий Ковзель.

Однако в последние годы, по его словам, число исследований в области гидроакустики сократилось. Несмотря на высокий уровень специалистов, эта сфера нуждается в поддержке, в том числе в материально-техническом оснащении, замечает эксперт. Также нужны расширенные базы данных, новые алгоритмы анализа сигналов и международные стандарты исследований. Многое зависит от междисциплинарных проектов на стыке акустики, биологии, экологии и ИТ.

Тем не менее, исследования в этой области продолжаются. Ежегодно публикуются тысячи статей, диссертаций, отчетов и патентов, посвященных различным аспектам гидроакустики.

«Исследования охватывают как фундаментальные вопросы (например, распространение звука и акустические свойства среды), так и прикладные задачи — мониторинг морской жизни, безопасность судоходства, подводная связь. Ведутся крупные международные проекты по мониторингу океана и охране морской среды, в том числе при поддержке ЮНЕСКО и Международной морской организации», — говорит Анатолий Вировлянский. 

Гидроакустический мониторинг остается одним из наиболее перспективных научных направлений. Люди веками стремились познать тайны морских глубин, и эта тенденция продолжается сегодня, вдохновляя молодых ученых на исследования. Океан действительно может показаться более сложной средой, чем космос, он хранит немало загадок, которые еще ждут своих открывателей.

Анна Шиховец