Космос океана – вихри акустической энергии

 К 300-летию РАН

Лауреат премии ДВО РАН имени выдающихся учёных Дальнего Востока России

Известно выражение: «Человечество знает больше о глубинах космоса, нежели о глубинах океана». Природа едина: космические скопления вихрей повторяются и в глубинах океана.

В лаборатории акустических шумов океана ТОИ ДВО РАН обнаружено и исследовано уникальное физическое явление – вихревой перенос акустической энергии в мелком море (вихри). Теоретически доказан механизм устойчивости вихря.

Комбинированная донная низкочастотная четырёхкомпонентная акустическая приёмная система МГУ-ТОИ на борту НИС «Каллисто». Остров Итуруп. Бухта Бархатная. На фото: в центре В. ЩУРОВ (ТОИ) и сотрудники кафедры акустики физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Слева направо: А. СЛУЦКОВ, С. ИЛЬИН, Ф. ТОПОРОВСКИЙ. 1978 год

    

     Продолжаем знакомить наших уважаемых читателей с лауреатами премии ДВО РАН имени выдающихся учёных Дальнего Востока России. Доктор физико-математических наук, профессор Владимир Александрович Щуров – ныне советник, ранее был заведующим лаборатории акустических шумов океана Тихоокеанского океанологического института имени В.И. Ильичёва. Он дважды лауреат премии имени академика В.И. Ильичёва: «За разработку векторно-фазовых методов и их применение при исследовании океанической среды» в 1995 году и «Амплитудно-фазовая структура вихрей акустической интенсивности в волноводе мелкого моря, механизм устойчивости вихревого переноса энергии в области низких частот» в 2023 году.

Владимир Александрович Щуров в 1964-м окончил физико-математический факультет Дальневосточного государственного университета. В 1969 году на физическом факультете Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова защитил диссертацию на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук, в 2006 году стал доктором физико-математических наук.

С 1978 года в Тихоокеанском океанологическом институте ДВО РАН разрабатывает новейшие образцы подводных акустических систем, проводил экспериментальные исследования в Тихом и Индийском океанах, опубликовал пять научных монографий на русском, китайском и английском языках. Сформулировал и разработал новое научное направление «Векторная акустика океана», признанное мировой наукой.

Сделано в СССР. Образец 1980 года. Электродинамический низкочастотный трёхкомпонентный векторный приёмник. Максимальная глубина погружения 1000 м. Рабочий диапазон 1-100 Гц

Время требовало внедрения новых методов

– С середины прошлого века научное направление «Подводная акустика» или как принято говорить «Гидроакустика» получило мощный импульс к развитию, – рассказывает об истории своих исследований Владимир Александрович. – Это, в первую очередь, было связано с развитием подводного флота СССР и США. Время требовало создания новых методов зондирования морской среды с высокой помехоустойчивостью для обнаружения малошумных подводных объектов. Теоретические и экспериментальные разработки нового научного направления проводились на кафедре акустики физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова профессором Сергеем Николаевичем Ржевкиным в 1960-1980 годы. Этот метод он определил как «Векторно-фазовый метод». Директор ТОИ Виктор Иванович Ильичёв (тогда ещё не академик) поручил мне в 1976 году заняться этой проблемой по совместительству. Дело в том, что в это время я занимал должность заведующего кафедрой высшей математики в Дальневосточном институте советской торговли. Встал вопрос о получении допуска меня к закрытым работам по данной тематике, но Виктор Иванович все организационные проблемы решал мгновенно. Я считаю, что оправдал доверие Виктора Ивановича своей последующей деятельностью.

В.И. ИЛЬИЧЁВ и В.А. ЩУРОВ при обсуждении экспериментальных результатов, б. Витязь. 1986 год

В лаборатории акустических шумов океана на основе векторно-фазового метода были созданы приёмные акустические системы с уникальными техническими характеристиками и методология исследований в условиях глубокого океана и мелкого моря. Показана теоретически и в натурных экспериментах высокая помехоустойчивость приёмных систем; обнаружено явление компенсации встречных потоков энергии; исследованы свойства подводного окружающего шума и движение акустической энергии в океане.

Коллектив лаборатории акустических шумов океана. Слева направо: А.С. ЛЯШКОВ, С.Г. ЩЕГЛОВ, Л.Ф. ШИКОВ, В.А. ЩУРОВ, Е.С. ТКАЧЕНКО, В.П. КУЛЕШОВ. 2012 год

Уникальное физическое явление природы

– В 1978 году учёные ТОИ первыми провели в Северо-Западной части Тихого океана акустические эксперименты в диапазоне низких частот с новыми средствами, недоступными специалистам других стран. Наши результаты были высоко оценены заказчиком, – продолжает свой рассказ В.А. Щуров. – Развитие и совершенствование техники векторно-фазового метода позволили нам достичь успехов в исследовании в реальных условиях океана.

Заключение контракта между ТОИ и Харбинским инженерным университетом.
На снимке: академик Янг Ши-е и В.А. ЩУРОВ, г. Харбин, 1996 год

Одна из новых областей подводной акустики, которой мы занимаемся, начиная с 2008 года, – изучение вихрей вектора акустической интенсивности (далее вихри). В 2008 году вихри впервые были нами обнаружены (В.А. Щуров, Е.С. Ткаченко, В.П. Кулешов) в заливе Петра Великого Японского моря. Вихрь – уникальное физическое явление природы, возникающее в вечно изменяющейся океанической среде. Наглядно вихрь можно представить, как вращение потока энергии относительно особой точки (центра), связанное с обращением волнового фронта. В некоторой области вихря поток энергии направлен в обратную сторону, то есть на источник энергии.

Явление вихреобразования давно известно в гидродинамике, механизм которого обусловлен вязкостью среды. Гидродинамические вихри со временем распадаются, образуя турбулентную среду. Акустические вихри устойчивы и существуют, пока работает источник излучения. Механизм образования и устойчивости вихрей исследован и опубликован в наших работах.

Где возникают вихри?

Образование вихрей – фундаментальное свойство периодических структур, независимо от того, какова среда – периодическая решётка кристалла, электромагнитное поле оптического диапазона, акустическое поле в ограниченной воздушной или морской среде. В шестидесятых годах прошлого века в когерентном лазерном излучении обнаружены дефекты фазового поля («нули поля»), в которых энергия электромагнитного поля обращалась в нуль. Это явление получило название «дислокаций», по аналогии с дислокациями в кристаллах. Дислокации в кристаллах обладают знаком плюс или минус и являются дефектами, вызванными смещениями атомов кристаллической решетки на целое число её периодов внутри кристалла. В оптическом когерентном поле в точках «нуля поля» наблюдается обращения волнового фронта, то есть вихри энергии электромагнитного поля со знаком плюс или минус.

В 1993 году российскими учёными (Кравцов и др.) теоретически показано, что такие же дислокации, вызывающие вихри, могут возникать в мелком море. Через пятнадцать лет в 2008 году вихри обнаружены лабораторией акустических шумов океана ТОИ в заливе Петра Великого Японского моря. С этого времени данное явление интенсивно исследуется в России, Китае, США.

Первая международная конференция по глобальному акустическому мониторингу океана.
Институт Скриппса. США, 1992 год. Фото В.А. АКУЛИЧЕВА

Инструмент исследования мелкого моря

– С момента обнаружения вихрей в реальном волноводе прошло пятнадцать лет. Нами исследованы различные типы вихрей при различных глубинах волновода, различных гидродинамических условиях поверхности моря. Показано: вихрь представляет собой топологически устойчивую осесимметричную систему, то есть является самостоятельным изолированным физическим объектом, существующим, пока работает источник звука. Отсюда следует, что вихрь может быть использован как инструмент исследования свойств волновода мелкого моря, то есть его можно использовать как физический инструментарий, созданный самой природой. Например, в задачах обнаружения подводных объектов, внутренних волн, приливных течений. Для развития современного уровня экспериментальных работ необходимо совершенствовать технику и методологию исследования реального океана, – подвёл итог своим исследованиям на сегодняшний день профессор Щуров.

Сделано в России. Восьмиканальный комбинированный приёмный модуль нейтральной плавучести. Конструкция ведущего инженера лаборатории С. ЩЕГЛОВА. 2013 год

Фото из личного архива Владимира ЩУРОВА