Дальнее распространение инфразвуковых волн в атмосфере

2
Дальнее распространение инфразвуковых волн в атмосфере
Содержание
стр.
Введение........................................................6
Глава 1. Обзор экспериментальных исследований дальнего распространения инфразвуковых волн от естественных и искусственных источников........................20
1.1. Введение..............................................20
1.2. Инфразвуковые волны естественного происхождения.......24
1.2.1.Авроральныс инфразвуковые волны................. 24
1.2.2. Микробаромы.....................................27
1.2.3.Инфразвук от метеоров............................36
1.2.4. Инфразвук от землетрясений......................38
1.2.5. Инфразвук от метеорологических источников
(фронты,ураганы,смерчи, конвективные штормы и т.д.)....41
1.3.Инфразвуковые волны от импульсных источников...........43
Основные результаты главы 1................................57
Глава 2. Основы теории дальнего распространения инфразвуковых волн в неоднородной диссипативной атмосфере. Методы обработки результатов измерений 60
2.1. Введение »............................................60
2.2. Уравнения распространения звука в стратифицированной диссипативной атмосфере................................61
2.3. Основные положения лучевой теории распространения звука в атмосфере......................................66
3
2.4. Решения нелинейного уравнения Бюргерса при больших и малых числах Рейнольдса на восходящем участке лучевых траекторий.............................................75
2.5. Решения нелинейного уравнения Бюргерса на нисходящем участке лучевых траекторий.............................87
2.6. Методы обработки результатов измерений...............91
Основные результаты Главы 2...............................102
Глава 3. Экспериментальное исследование дальнего распространения инфразвуковых волн от взрывов различного типа и энергии......................................104
3.1. Организация экспериментов............................104
3.2. Характеристики аппаратуры............................111
3.3. Мнфразвуковые волны от взрывов на земной поверхности...........................................116
3.3.1.Инфразвуковые волны от взрывов с тротиловым эквивалентом 50-100 кг........................116
3.3.2.Инфразвуковые волны от наземных взрывов с тротиловым эквивалентом 260-500 т........................139
3.4. Мнфразвуковые волны от подземных взрывов.............157
3.5. Мнфразвуковые волны от взрывов в воздухе.............165
3.6 Инфразвуковые волны от взрывов в термосфере. *76
Основные результаты Главы 3...............................189
Глава 4. Пространственно - временная изменчивость инфразвуковых сигналов от однотипных взрывов 191
4.1.Введени е.............................................191
4.2. Методика и условия проведения экспериментов..........192
4.3. Мнфразвуковые волны в зонах акустической тени и слышимости от наземных взрывов с тротиловым эквивалентом 20-70 т..................................196
4
4.4. Флуктуации инфразвуковых приходов от однотипных взрывов, проведённых с различными интервалами времени..208
4.4Д .Временная изменчивость акустического волновода в пограничном слое атмосферы..................................208
4.4.2. Быстрые вариации инфразвуковых приходов в зоне слышимости
и тени для серий экспериментов с однотипными взрывами.......216
4.4.3.Флуктуации инфразвуковых приходов от однотипных взрывов во время экспериментов, проведённых с интервалом времени
в несколько часов...........................................225
4.4.4. Межсезонная и межгодовая изменчивость инфразвуковых приходов, регистрируемых в экспериментах с однотипными взрывами.......225
Основные результаты Главы 4.....................................232
Глава 5. Модель частичного отражения инфразвуковых волн от неоднородной структуры средней атмосферы 233
5.1. Введение...................................................233
5.2. Основные уравнения.........................................241
5.3. Отражение от полупространства..............................243
5.4. Амплитуда и фаза коэффициента отражения звука от неоднородного полупространства при наличии «просачивания».............................................255
5.5. Акустический метод зондирования неоднородной структуры стратосферы и мезосферы..........................261
5.1. Введение.............................................. 261
5.2. Частичное отражение инфразвуковых волн от слоя с билинейным
профилем квадрата акустического показателя преломления......263
5.5.3.Численные оценки вертикальных градиентов акустического показателя преломления в стратосфере и мезосфере............265
Основные результаты Главы 5.....................................276
Глава 6. Проблемы совершенствования метода инфразвукового мониторинга взрывов малой энергии.,278
6.1. Введение........................................278
6.2.Параметры идентификации; азимуты и углы места инфразвуковых волн от взрывов малой энергии......279
6.3.Акустический метод оценки энергии взрывов........290
Основные результаты Главы 6..........................297
Заключение...............................................299
Литература...............................................303
ВВЕДЕНИЕ.
Общая характеристика работы
6
Актуальность.
Атмосфера по своим акустическим свойствам является существенно неоднородной, нелинейной, диссипативной и нестационарной средой, подверженной влиянию внешних и внутренних факторов (солнечные вспышки, межпланетное магнитное поле, метеорологические, сейсмические и другие возмущения). Помимо регулярных сезонных изменений в атмосфере наблюдаются также флуктуации акустических параметров, обусловленные приливными явлениями, планетарными и внутренними гравитационными волнами, наличием турбулентности и т.д., что приводит к значительным искажениям структуры звукового поля в атмосфере, качественным и количественным изменениям его характеристик.
Средний профиль эффективной скорости звука с,ф<р (г) - адиабатическая скорость звука плюс скорость ветра в направлении распространения звуковых волн -определяет условия дальнего (на расстояния в сотни километров ) распространения акустических волн, приводит к формированию на земной поверхности зон акустической слышимости и тени, размеры и пространственная конфигурация которых существенно зависят от типа лучевых траекторий (стратосферные, мезосфсрные и термосферные). Для размеров зон слышимости и тени, сформированных акустическими лучами при одном цикле распространения, отмечаются значения 100 - 500 км.
В то же время для стратомезосферы (10 км < г < 90 км ) характерно наличие мелкомасштабной турбулентности, а также горизонтально - слоистых неоднородностей в полях температуры и ветра, имеющих размеры в десятки и согни метров по вертикали, единицы и десятки километров по горизонтали. Подобное строение атмосферы -сочетание средней и тонкой структур профиля стратификации температуры и ветра -оказывает существенное влияние на особенности дальнего распространения инфразвуковых волн. Наличие тонкой неоднородной структуры атмосферы приводит к рассеянию инфразвука на турбулентности и частичному отражению от слоистых неоднородностей, что обусловливает своеобразную «засветку» зон акустической (геометрической) тени. Благодаря рассеянию и частичному отражению становится возможной регистрация инфразвуковых волн в зонах тени и наблюдается существенное увеличение длительности сигнала в зонах акустической слышимости. Вместе с тем в
зонах слышимости происходит изменение частотных и фазовых характеристик регистрируемых инфразвуковых сигналов, что приводит к ошибкам при определении направления на источник и углов прихода звуковых лучей а о (углов скольжения).
В настоящей работе рассматриваются инфразвуковые сигналы от взрывов различного типа (подземных, наземных, воздушных,термосферных)и энергии (от 5 кг тя термосферцьрс источников до 4000 т для подземных взрывов) в диапазоне частот
0.1 Гц - 10 Гц, где длины волн соизмеримы с вертикальными масштабами неоднородной структуры атмосферы. Исследование особенностей частичного отражения инфразвуковых волн такой длины является актуальной задачей при разработке дистанционного акустического метода зондирования тонкой структуры атмосферы. Это особенно важно для исследования стратомезосферы, так как в интервале высот от 30 км до 60 км существующие радиофизические и оптические методы имеют ряд существенных ограничений .
Регистрируемые инфразвуковые сигналы от однотипных источников могут иметь существенно разные характеристики из-за изменчивости во времени среднего профиля эффективной скорости звука и его тонкой структуры, что приводит к ошибкам обнаружения и идентификации взрывов. Заметим, что эта проблема выделена в материалах “Reseach Required to Support Comprehensive Nuclear Test Ban Treaty Monytoring” (National Research Council, National Academy Press. Washington, D.C. 1997) как одна из наиболее важных проблем инфразвукового мониторинга взрывов, решение которой стало особенно актуальным в настоящее время при совершенствовании систем контроля за соблюдением режима выполнения Договора о Всеобъемлющем Запрещении Ядерных Испытаний в связи с необходимостью развития методов мониторинга ядерных взрывов малой (меньшей 1 кт в тротиловом эквиваленте) энергии.
Цель работы.
Целью диссертационной, работы является экспериментальное исследование дальнего распространения инфразвуковых волн в атмосфере - исследование влияния неоднородной структуры атмосферы и сс пространственно-временной изменчивости на
г
инфразвуковые сигналы от взрывов различного типа и энергии, включающее:
- получение и систематизацию новых экспериментальных данных об
инфразвуковых сигналах на больших расстояниях от взрывов;
- исследование проникновения инфразвуковых волн в зоны геометрической акустической тени;
- разработку основ дистанционного акустического метода зондирования
неоднородных структур стратосферы и мезосферы;
- исследование характеристик инфразвуковых сигналов, используемых для обнаружения, идентификации и оценки энергии взрывов в инфразвуковой технологии мониторинга.
Научная новизна.
Предложена и реализована методика целенаправленной систематической регистрации инфразвуковых волн на больших расстояниях от взрывов в зоне геометрической тени при одновременной регистрации в зоне акустической слышимости. Исследовано проникновение инфразвуковых волн в зону геометрической тени на большие расстояния от взрывов. Исследовано явление частичного отражения инфразвуковых волн от неоднородностей стратосферы и мезосферы и обоснована возможность дистанционного акустического метода зондирования указанных структур.
Осуществлена регистрация инфразвуковых волн от серий взрывов, реализованных в разные сезоны с различными временными интервалами в разных географических регионах и при различных азимутальных ориентациях акустических трасс. На больших расстояниях были зарегистрированы инфразвуковые приходы от болсс чем 140 взрывов; в том числе от 62 однотипных поверхностных взрывов с тротиловым эквивалентом 20-70 т.
Впервые предложена теоретическая интерпретация явления проникновения инфразвуковых волн в зону акустической тени на большие расстояния от взрывов. Предложен и обоснован дистанционный акустический метод зондирования неоднородной структуры стратосферы и мезосферы. Получены численные оценки вертикального градиента эффективной скорости звука в стратомсзосферс.
Предложен новый дистанционный метод оценки энергии взрывов, основанный на определении величины «импульса» (произведение площади волнового профиля в переменных давление-время на расстояние до источника), который остаётся неизменным вдоль трассы распространения звука независимо от типа лучевых траекторий (стратосферных, мезосферных, термосфсрных).
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Результаты исследования инфразвуковых волн на больших (до 1000 км) расстояниях от серий взрывов различного типа и энергии, реализованных в разных географических регионах и сезонах для различных пространственных ориентаций акустических трасс при широком диапазоне изменений временного интервала между взрывами (от 1 минуты до нескольких суток).
2. Методика целенаправленной систематической регистрации инфразвуковых волн на больших расстояниях от взрывов в зоне геометрической тени при одновременной регистрации в зоне акустической слышимости. Данные регистрации инфразвуковых волн в зоне геометрической тени.
3. Результаты исследования пространственно - временной изменчивости характеристик инфразвуковых сигналов в зонах слышимости и тени от однотипных взрывов, проведённых сериями в различные сезоны с различными интервалами времени, в том числе, и с интервалами, характерными для диапазона периодов внутренних гравитационных волн.
4. Сезонный ход распределения коэффициента частичного отражения инфразвуковых волн от стратомсзосферы (по результатам наблюдения в зоне геометрической тени).
5. Экспериментальное обоснование нового дистанционного акустического метода зондирования неоднородных структур средней атмосферы, а также полученные этим методом численные оценки вертикального градиента эффективной скорости звука в средней атмосфере.
6. Обоснование необходимости и метод учёта влияния неоднородной структуры атмосферы на параметры инфразвукового сигнала, используемые в инфразвуковой технологии мониторинга взрывов малой энергии.
7. Метод оценки энергии взрыва, основанный на законе сохранения «импульса».
Личный вклад автора.
Из 52-х работ по теме диссертации 14 работ выполнены без соавторов. Одна работа является монографическим обзором. Автору принадлежат вес теоретические разделы в 29 совместных работах, в остальных 9 работах использованы экспериментальные результаты, полученные при непосредственном участии автора. Методика синхронной регистрации инфразвука на больших расстояниях от взрывных источников в зонах акустической тени и слышимости была предложена автором и реализована им совместно с коллективом сотрудников Института физики атмосферы РАН, в котором автор был руководителем и непосредственным участником проведенных исследований. Эксперименты с поверхностными взрывами энергии 50-100 кг были проведены по инициативе и под руководством автора специально для целей акустических исследований (остальные исследованные взрывы осуществлялись другими организациями для иных целей). Теоретический анализ и интерпретация экспериментальных данных выполнены автором.
10
Научное и практическое значение работы.
Результаты экспериментов по частичному отражению инфразвуковых волн от неоднородностей полей температуры и ветра позволили обосновать и разработать основы высокоэффективного метода зондирования средней атмосферы, который является важным дополнением к существующим способам зондирования и обеспечивает получение новых данных о малоизученной до настоящего времени неоднородной структуре средней атмосферы и её пространственно-временной изменчивости.
Предложенная методика учета влияния неоднородной структуры атмосферы на характеристики инфразвукового сигнала на большом расстоянии от места взрыва позволяет усовершенствовать способы обнаружения взрывов и оценки их энергии в инфразвуковом мониторинге соблюдения режима Договора о Всеобъемлющем Запрещении Ядерных Испытаний.
Накопленные данные могут быть использованы в качестве экспериментального основания для дальнейшего развития теории распространения звука в неоднородной движущейся атмосфере при совместном действии нелинейных и диссипативных эффектов, а также эффектов рассеяния на турбулентности и частичного отражения от неоднородностей средней атмосферы.
Достоверность полученных результатов обеспечивается достигнутой в экспериментах устойчивой регистрацией инфразвуковых сигналов от серий взрывов, использованием в анализе экспериментальных данных общепризнанных современных представлений о структуре стратосферы и мезосферы и применением канонических методов решения задач распространения звука в слоистых средах.
Апробация результатов.
Представленные в диссертации материалы докладывались и обсуждались на: сессиях Отделения океанологии, физики атмосферы и географии АН СССР в 1984 и 1991 г.г.; сессиях Научного Совета Ali СССР по проблеме «Физическая и техническая акустика», Москва, 1985 и 1988 г.г.; Международном симпозиуме по нелинейной акустике, Новосибирск, 1987; III Алма-Атинском международном совещании по ВАГС (глобальные акустико-гравитационные волны), Алма-Ата, 1989; XI Всесоюзной акустической конференции, Москва, 1991; Сессиях Российского акустического общества, Москва, 1994 и 1997 г.г.; Международном Симпозиуме «Мониторинг и обнаружение подземных ядерных взрывов и землетрясений», Москва, 1997; International Symposium on Middle Atmosphere Study, Dushanbe, 1989; XXI General Assembly of the International Union of Geodesy and Geophysics, Boulder, USA, 1995; 8 th and 9 th
11
International Symposiums on Acoustic Remote Sensing and Associated Techniques ot the Atmosphere and Oceans, Moscow, 1996; Vienna, Austria, 1998; Fall Meetings of American Geophysical Union (AGU), San Francisco, 1997; Infrasound Workshop, Santa Fe, USA, 1997; Paris, 1998; 8 th International Symposium: Long Range Sound Propagation, PSU, State College, PA, USA, 1998; Forum Acusticum , Berlin, 1999.
На результаты автора по исследованию изменчивости инфразвуковых сигналов от однотипных взрывов, произведённых с различными интервалами времени, указывается в материалах “Reseach Required to Support Comprehensive Nuclear Test Ban Treaty Monytoring” (National Research Council, National Academy Press. Washington, D.C. 1997) при формулировке основных проблем инфразвукового мониторинга взрывов малой энергии.
По теме диссертации опубликовано 52 работы (*чонографический обзор, статьи и краткие сообщения в центральных отечественных и зарубежных научных журналах, доклады и тезисы докладов в трудах отечественных и международных научных конференций).
Структура и объём диссертации.
Диссертация состоит из введения, тести глав и заключения. Её общий объём составляет 326 страниц, включая 143 рисунка на 124 страницах и список литературы из 320 названий на 24 страницах.
Краткое содержание диссертации.
В работе автор использовал результаты опубликованные в фундаментальных монографиях, посвященных различным направлениям современной акустики:
• историческим сведениям о результатах исследований дальнего распространения звука в атмосфере: Хргиана [1];
• распространению звука в неоднородной движущейся атмосфере -Блохинцева [2], Бреховских [3-4], Бреховских и Година [5], Бреховских и Лысанова [6], Осташева [7];
• нелинейным эффектам при распространении интенсивных акустических волн -Ландау и Лившица [8]; Уизема [9]; Зарембо и Красильникова [10]; Руденко и Солуяна [11]; Виноградовой, Сухорукова, Руденко [12];
12
Гурбатова, Малахова, Саичсва [13];
• теории и практическому приложению акустического и радиоакустического зондирования атмосферы- Татарского [14]; Каллистратовой и Кона [15].
е
В первой главе представлен обзор экспериментальных исследований инфразвуковых волн от естественных и искусственных источников. Рассмотрены результаты наблюдений инфразвуковых волн от штормовых волнений в океане; полярных сияний; извержений вулканов; метеорологических источников; метеоров; взрывов и звуковых ударов от самолетов и ракет.
Отмечается, что начало систематического изучения явления дальнего распространения звука в атмосфере можно отнести ко второй половине XIX века. К этому времени относится работа Стокса [16], который изучал влияние стратификации температуры и ветра в атмосфере на распространение звуковых волн. Потребность в объяснении усиления слышимости звука в направлении ветра и её ухудшении против ветра послужила толчком к появлению работ Рейнольдса [17] и Релея [18], в которых впервые было введено понятие звукового луча и сформулирован закон преломления нормали к фазовому фронту в стратифицированной движущейся атмосфере. Эти понятия имеют огромное значение для акустики в целом.
Представлены результаты работ, осуществлённых в начале 20-го столетия
и незаслуженно забытых к настоящему времени. К этим работам, например,
относятся исследования Фудживара [19-20], Дуккерта [21], Волкена [22], в
которых было проведено несколько сотен экспериментов но определению
профилей стратификации температуры и ветра, в результате которых была
обнаружена область увеличения температуры в стратосфере и наличие в ней
сильных ветров. Кроме тдго, отмечается, что экспериментальные данные,
полученные в цитируемых работах свидетельствовали также и об увеличении
температуры в области высот, превышающей 100 км. Указанная область, была,
¥
„впоследствии, обнаружена в 50-е годы и названа термосферой. Приводятся экспериментальные результаты исследования дальнего распространения звука в атмосфере, полученные к настоящему времени. В заключение первой главы формулируются цели и задачи диссертационной работы.
Во второй главе изложены элементы теории дальнего распространения инфразвука в атмосфере и принятые в диссертации методы обработки экспериментальных данных. Основные теоретические положения
иллюстрируются полученными в диссертации экспериментальными данными.
13
Особенностью атмосферы по сравнению с другими геофизическими средами (океаном и землёй) является экспоненциальное уменьшение плотности воздуха с высотой из-за чего, на восходящем участке лучевых траекторий амплитуда колебательной скорости в инфразвуковых волнах экспоненциально растёт с высотой, что приводит к существенным нелинейным искажениям формы и амплитуды начальных сигналов. Коэффициент молекулярной диссипации также увеличивается с высотой экспоненциально.
Традиционно, для анализа дальнего распространения инфразвуковых волн в атмосфере используется нелинейное уравнения Бюргерса [11-13]. Решения которого на восходящем и нисходящем участках лучевых траекторий проводится раздельно для случаев, когда акустическое число Рейнольдса {Яе= [хо р/X Ро ]*2 х [р0 т0/ 1о ро с0 ]; где ро, ро, со , Хо - приземные значения акустического давления, плотности воздуха(р), адиабатическая скорость звука и площади поперечного сечения лучевой трубки( х ) соответственно; 10 - длина свободного пробега у земной поверхности; То -длительность положительной фазы акустического импульса вблизи источника) принимает значения большие или меньшие единицы.
На восходящем участке при Яе »1 решение этого уравнения хорошо известно в виде простых волн Римана [9-12]. При достижении высот в атмосфере, на которых нелинейные эффекты проявляются существенным образом, профиль волны Римана становится разрывным и его эволюция описывается уравнениями для слабых ударных волн. Начальный биполярный акустический сигнал трансформируется в Л^-волну, амплитуда и длительность положительной и отрицательной фаз которой определяется следующими выражениями:
где Я0 - площадь волнового профиля в переменных р (давление ); г( время );
/ = г2К0 /Кг02- фактор фокусировки лучей; 2/ - высота поворота луча); є = 1.2 -
параметр нелинейности среды; К и Ко - площадь поперечного сечения лучевой трубки и её начальные значения.
Из представленных соотношений (1) следует важный, но ранее практически не используемый, вывод о том, что на больших расстояниях
14
длительность и • амплитуда А'- волны определяются начальными значениями величины «импульса» (/)
и не зависят непосредственно от начальных значений амплитуды и длительности акустического сигнала вблизи источника. Соответствующие примеры представлены во второй главе.
При достижении акустическими сигналами высот і- на которых К.е (г</)=1, . диссипативные эффекты начинают преобладать над нелинейными, а само нелинейное уравнение Бюргерса становится аналогом параболического уравнения теплопроводности [12-13]. Соответствующее решение для /У-волны с начальными параметрами ра и тл на высоте имеет вид плавного уединенного импульса, который описывается функциями
На нисходящем участке лучевых траекторий звуковые лучи касаются каустики, а N - волна трансформируется в II- волну. Некоторые примеры регистрируемых V- волн от различных взрывов также показаны во второй главе.
В третьей главе проведено экспериментальное исследование дальнего распространения инфразвуковых волн от взрывов различного типа и энергии [25-26]. Описана аппаратура и основные методы обработки результатов экспериментов.
Получен и систематизирован большой объем экспериментальных данных регистрации инфразвуковых волн на больших (до 635 км) расстояниях от подземных, поверхностных* воздушных, термосферных взрывов, проведённых сериями в разных географических регионах, в разные сезоны года в широком диапазоне временных интервалов между взрывами (от 1 минуты до нескольких суток). Зарегистрированы приземные, стратосферные, мезосферные и термосфсрныс акустические приходы от взрывов. Экспериментальные данные хорошо согласуются с существующими теоретическими представлениями (глава 2) об изменении амплитуды и формы инфразвуковых импульсов при их распространении вдоль лучевых траекторий, поворачивающих к земной поверхности на больших высотах.
В работе было исследовано, не изученное до настоящего времени, влияние пространственно-временной изменчивости атмосферы на характеристики инфразвуковых сигналов, регистрируемых на больших расстояниях от
1 = {280го)ш ~(ро то г0)ш
(2)
>Г
15
источников. Получены данные об изменчивости ннфразвуковых сигналов, регистрируемых в областях слышимости от однотипных взрывов, проведённых с различными интервалами времени (суточными, часовыми), в том числе и интервалами характерными для диапазона периодов внутренних гравитационных волн). Показано, что тонкая структура стратосферных инфразвуковых приходов формируется из-за соответствующей структуры в стратификации температуры и ветра на стратосферных высотах. Указанная тонкая структура стратосферы может оставаться стабильной в среднем в течении интервала времени не менее чем один час, что проявляется в соответствующей повторяемости количества и общей структуры регистрируемых стратосферных акустических приходов. Для экспериментов, проведённых с интервалами времени около одной минуты форма и структура инфразвуковых приходов практически не изменяется. Показано, что лучевая теория не позволяет объяснить общую длительность регистрируемых приходов, а также случаи наблюдения отдельных приходов в ■ зоне геометрической тени.
Впервые были проведены серии экспериментов по регистрации инфразвука от взрывов с энергией 5-15 кг и инжекций вещества на высотах нижней ионосферы. Всего было проведено 9 экспериментов; дополнительно фиксировались акустические импульсы, соответствующие переходу ракет через звуковой барьер, а также инфразвуковые сигналы от метеора [26]. Экспериментально установлена возможность переноса энергии импульсных возмущений с высот нижней ионосферы (120-150 км) до земной поверхности без существенного ослабления из-за молекулярной диссипации. Отсутствие видимого проявления диссипации при распространении инфразвука из нижней ионосферы до земной поверхности указывает на необходимость более углублённого исследования физических механизмов диссипации при распространении звука в сильно разрежённой атмосфере
В четвёртой главе приведены результаты пионерских систематических экспериментов для исследования проникновения инфразвуковых волн в зону акустической тени на большие расстояния от наземных взрывов. Одновременно регистрировались инфразвуковые сигналы в области акустической слышимости. Исследовалась пространственно-временная изменчивость инфразвуковых сигналов [30-31].
В качестве источников использовались наземные взрывы с тротиловым эквивалентом 20-70 т., реализованные сериями в различные сезоны года на протяжении 1989-91 г.г. при уничтожении ракет средней дальности СС-20 [28].
16
Уникальность экспериментов заключается в том, что они проводились в различные сезоны года сериями из 3-5 взрывов подряд с временными интервалами между ними 10-30 минут. В отдельных случаях серии взрывов реализовывались в один день в утреннее и вечернее время, либо два дня подряд. Пункты регистрации инфразвуковых волн располагались в зонах геометрической тени (для стратосферных и мезосферных лучевых траекторий) и рефракционной слышимости в северном и западном направлениях от источников на горизонтальных расстояниях от них около 300 километров. Северный пункт регистрации располагался в зоне акустической тени во время проведения большинства экспериментов. В мае 1990 и 1991 года регистрация инфразвука осуществлялась дополнительно в Московском регионе на расстоянии около М00 километров от взрывов.
В экспериментах были зарегистрированы инфразвуковые приходы от взрывов, соответствующие распространению вдоль земной поверхности, отражениям от стратосферы, мезосферы и термосферы. Обнаружена пространственная изменчивость амплитуды, формы и структуры инфразвуковых приходов, зарегистрированных в различных азимутальных направлениях от одних и тех же взрывов. Обнаружена изменчивость во времени инфразвуковых сигналов с интервалами времени, характерными для приливных явлений и внутренних гравитационных волн. Обнаружено наличие локального экстремума сезонного распределения (в июле) амплитуды инфразвуковых волн в зонах геометрической тени. Подобная изменчивость наблюдается и в исследованиях мезосферы с использованием радаров [32].
Впервые дистанционным акустическим методом получены систематические экспериментальные данные, свидетельствующие о наличии в стратосфере и мезосфере долгоживущих неоднородных структур, имеющих значительную отражающую способность из-за больших величин вертикального градиента эффективной скорости звука. Полученные данные свидетельствуют о том, что отражающая область в стратосфере является весьма протяженной по высоте структурой, а в мезосфере она имеет форму локализованного слоя с большим значением вертикального градиента эффективной скорости звука.
В пятой главе поставлена и решена задача теоретической интерпретации экспериментальных данных регистрации инфразвуковых волн в зоне акустической тени. При анализе использованы современные знания о структуре стратосферы и мезосферы.
17
Для стратосферы и мезосферы, как установлено в последние годы, характерно наличие регулярных долгоживущих анизотропных (горизонтальнослоистых) неоднородностей в поле температуры и ветра, имеющих масштабы в десятки и сотни метров по вертикали, единицы и десятки километров по горизонтали. Параметр анизотропии неоднородностей ;/ (отношение горизонтального масштаба к вертикальному) имеет значения порядка т/ » 100 [29]. Наличие подобных структур подтверждается результатами зондирования средней атмосферы с использованием ракетных (метод падающих сфер), радиофизических (MST радары) и оптических (лидарных и рефракционных) методов. Вертикальные градиенты скорости ветра внутри неоднородностей с вертикальными масштабами 60-200 м. могут достигать значений около 70 м /сек/ км. Частичное отражение инфразвуковых волн от неоднородностей средней атмосферы, имеющих значительную горизонтальную протяжённость и такие большие значения вертикальных градиентов скорости ветра приведёт к существенным изменениям структуры акустического поля в атмосфере и проникновению инфразвуковых волн в зону геометрической тени на большие расстояния от взрывов. Указанный механизм частичного отражения рассмотрен в пятой главе с целью объяснения данных регистрации инфразвуковых сигналов в зонах геометрической тени на больших расстояниях от наземных взрывов. В качестве моделей неоднородностей выбраны кусочно- линейные профили акустического показателя преломления. Рассмотрены случаи отражения от полупространства, а также от отражающего слоя в виде билинейного профиля квадрата эффективного показателя преломления звуковых волн. Подобные модели допускают точное решение волнового уравнения для задачи частичного отражения звука от неоднородных слоёв. Сами решения получаются путём применения канонических методов решения задач распространения звука в слоистых средах, опубликованных в монографиях [3-6].
Получены аналитические выражения для модулей и фазы коэффициентов отражения акустических волн от неоднородных структур моделируемых в рамках используемых моделей. Теоретические результаты сравниваются с результатами экспериментов. Показано, что наблюдаемые значения амплитуд, а также форма и длительность регистрируемых инфразвуковых сигналов в зоне тени, в основном, соответствуют результатам, полученным в приближении модели частичного отражения звука от горизонтально-слоистых структур на горизонтах отражения в средней атмосфере [30-31].
18
Рассмотрено и экспериментально подтверждено явление «просачивания» акустической энергии в вышележащие слои атмосферы в случае если высоты поворота лучей расположены вблизи минимума квадрата акустического показателя преломления в стратосфере.
Предложен и экспериментально обоснован акустический метод дистанционного зондирования неоднородной структуры стратосферы и мезосферы. Ранее, методика акустического зондирования турбулентности использовалась только в исследованиях пограничного слоя атмосферы. Впервые дистанционным акустическим методом получены численные оценки для вертикальных градиентов эффективной скорости звука в стратосфере и мезосфере. Для величин вертикальных градиентов эффективной скорости звука на высотах 40-60 км получены значения около и более 30 м/сек/км. Эти оценки по порядку величин находятся в соответствии с результатами других методов.
В шестой главе предложены и обоснованы основные положения метода учёта влияния неоднородной структуры атмосферы на информативные параметры, азимуты и углы приходов ипфразвуковых сигналов, регистрируемых на больших расстояниях от взрывов и используемых для их обнаружения, идентификации и оценки энергии.
Показано, что основным физическим механизмом влияния неоднородной структуры атмосферы на параметры регистрируемых инфразвуковых сигналов, является, не учитываемое ранее, частичное отражение инфразвуковых волн от слоистой структуры стратификации акустического показателя преломления в средней атмосфере (высоты г=20-80 км.). Частичное отражение оказывает существенное влияние не только на форму и длительность регистрируемых сигналов, но также и на определяемые в инфразвуковом мониторинге их азимуты и углы приходов. Для взрывов малой энергии это влияние может быть определяющим.
Получено аналитическое соотношение устанавливающее взаимосвязь между длительностью регистрируемых сигналов и параметрами лучевых траекторий.
Получено аналитическое выражение для регистрируемой скорости следа инфразвуковых волн, указывающее на возможность случаев, когда измеряемые в эксперименте величины для скоростей следа звуковых волн могут принимать значения, меньшие значений скорости звука у земной поверхности
Показано, что присутствие частичного отражения существенно расширяет возможности инфразвукового мониторинга взрывов малой энергии, вследствие
19
того что оно приводит к значительному увеличению длительности инфразвуковых приходов, регистрируемых в дальней зоне от взрывов, тем самым значительно облегчая их идентификацию на фоне естественных помех. Из-за частичного отражения возможна также регистрация инфразвуковых волн от взрывов в зонах геометрической тени, независимо от пространственной ориентации акустических трасс, по аналогии с явлением загоризонтного распространения радиоволн, используемого при тропосферной радиосвязи.
Предложен основанный на законе сохранения импульса метод оценки энергии взрывов малой энергии (меньшей 1 кт в тротиловом эквиваленте) по данным регистрации инфразвуковых сигналов в зонах слышимости на больших расстояниях от взрывов. Этот метод, в отличии от других методов, используемых в настоящее время, может применяться для оценки энергии взрывов независимо вертикальных размеров акустических трасс.
Проведено сопоставление значений энергии различных взрывов, определённых из акустических измерений как вблизи источников R0, так и на расстояниях R . от них при использовании традиционных эмпирических соотношений типа E(p,R) и соотношения Е(Г), основанного на законе сохранения импульса. Преимущество соотношения Е(Г) для оценки энергии взрывов по сравнению с эмпирическими зависимостями типа E(p,R) подтверждается экспериментальными данными, полученными в главах 3-4.
В Заключении сформулированы основные выводы из проделанной работы.
Замечания об оформлении. Нумерация ссылок и рисунков сквозная и составлена в порядке цитирования. Нумерация формул поглавная: первое число определяет номер главы, второе - номер ссылки.
20
Глава 1. Обзор экспериментальных исследований дальнего распространения инфразвуковых волн от естественных и искусственных источников.
1.1. Введение.
В литературе, под дальним распространением звука в атмосфере (ДРЗ) понимается прохождение звуком расстояний в сотни и тысячи километров от источников. Физической основой дальнего распространения является рефракция звуковых лучей в неоднородно стратифицированной по температуре и ветру атмосфере. Из-за рефракции акустические сигналы от источников распространяются в атмосфере по циклическим лучевым траекториям, поворачивающим к земной поверхности на различных высотных уровнях в тропосфере, средней и верхней атмосфере. Источники звука могут быть импульсными и непрерывными.
К импульсным источникам относятся взрывы различного типа и энергии [25], звуковые удары от самолетов и ракет [36-39], извержения вулканов [19-20,40-42] и т.д. Инфразвуковые колебания от таких источников распространятся в атмосфере на расстояния в сотни и тысячи километров [43] и могут использоваться для зондирования средней и верхней атмосферы [44].
Непрерывными источниками инфразвука являются катастрофические возмущения атмосферы в виде смерчей, тайфунов, ураганов, гроз и т.д., а также возмущения поверхности морей и океанов [45]. Инфразвуковые волны могут являться предвестниками землетрясений [46-47], цунами [48-49]; использоваться для дистанционного мониторинга штормов в океане [50], крупных пожаров [51-52], геомагнитных возмущений [53-54] и ряда других целей.
Одним из наиболее цитируемых исторических упоминаний об аномальном распространении звука в атмосфере является пример распространения звука от мощного артиллерийского салюта, произведенного в Лондоне при коронации королевы Виктории в 1837 году. Этот салют был услышан на материке в 200-300 км от Лондона, хотя на расстояниях 50-100 км его не слышали.
Начало систематического изучения явления дальнего распространения звука в атмосфере можно отнести ко второй половине XIX века. В это время была опубликована работы Стокса [16], в которой исследовалось влияние стратификации температуры и ветра в атмосфере на распространение звуковых
21
воли. В дальнейшем, потребность в объяснении усиления слышимости звука в направлении ветра и её ухудшении против ветра послужила толчком к появлению работ Рейнольдса [17] и Релея [18], где впервые введено понятие звукового луча и сформулирован закон преломления нормали к фазовому фронту в стратифицированной движущейся атмосфере. Эти понятия имеют значение для акустики в целом.
Позже, вплоть до окончания Второй мировой войны, интерес к изучению явления дальнего распространения звука в атмосфере был связан, прежде всего, с решением практических задач зондирования средней и верхней атмосферы [19-21,55-56].
После Второй мировой войны, исследования поля ветра в стратосфере с помошью инфразвука от наземных взрывов с энергией Е ~ 100 кг.тнт. были продолжены [55, 57]. Дополнительно к этому развивался ракетно-гранатный метод зондирования атмосферы [58], с помощью которого были получены данные о структуре поля температуры и ветра в средней и верхней атмосферы вплоть до высот около 90 км. Эти данные использовались при построении модели атмосферы, которая не утратила своего значения и в настоящее время. Далее, с интенсивным развитием аэрологических, ракетных, радиофизических и оптических методов зондирования средней и верхней атмосферы, интерес к акустическим методам в значительной мере уменьшился. В связи с чем, вплоть до настоящего времени, явление дальнего распространения звука в атмосфере изучалось, главным образом, в интересах мониторинга за проведением ядерных испытаний [23-25, 55, 57].
Выше отмечалось, что дальнее распространение звука возможно из-за рефракции звуковых лучей в неоднородной атмосфере. Температура (адиабатическая скорость звука) уменьшается в тропосфере (0 <г< 11 км ), ветер на этих высотах в северном полушарии имеет преимущественное направление с запада на восток. Звуковые лучи от наземных источников отклоняются в тропосфере в направлении вертикали, в следствие чего, область прямой (нормальной) слышимости звука на земной поверхности ограничена расстояниями порядка 50 км. от источников. В стратосфере ( высоты 2 ~ 20-50 км) и в термосфере {г > 90 км) температура растет с высотой. Из-за этого звуковые лучи от наземных источников могут иметь на некоторых высотах гп точки поворота и возвращаться к поверхности, но уже на значительных
22
расстояниях от источников. На земной поверхности формируются области слышимости, которые иногда называют областями аномальной слышимости звука. Области слышимости сформированные термосферными лучами (г.е. лучами, имеющими поворот на термосфсрных высотах) являются замкнутыми и вытянутыми вдоль преобладающего ветра. Для соответствующих областей, сформированных стратосферными и мезосферными (г ~ 60-80 км) лучевыми траекториями характерна очаговая структура. Очаги акустической слышимости формируются лишь в случаях, когда преобладающий ветер имеет составляющую вдоль трассы распространения звука.
Как уже отмечалось во введении, в поле ветра на стратосферных, мезосферных и термосферных высотах наблюдаются значительные сезонные изменения, а также флуктуации, обусловленные действием приливных явлений, планетарных и внутренних гравитационных волн. Следствием этого являются заметные изменения в конфигурации областей слышимости и тени. Для внутренних и внешних размеров областей слышимости и тени, сформированных стратомезосферными и термосферными акустическими лучами при одном цикле распространения, характерны размеры 100 км и 500 км соответственно. Характерный пример распределения зон областей и слышимости звука от взрыва показан на рис. 1 [55].
Следует отметить, что вопросы обобщения имеющихся экспериментальных и теоретических результатов исследования ДРЗ в атмосфере затронуты в монографиях [1,56-58]. Например, в [57] большое внимание уделяется инфразвуковым волнам (ИЗВ) естественного происхождения, а в [56, 58] приведены некоторые результаты использования иифразвукового метода в целях зондирования верхней атмосферы. Из обзоров, посвященных результатам исследования ДРЗ необходимо выделить [55].
Наиболее подробно теория распространения звука в неоднородной движущейся' среде изложена в монографиях [2-7]. В [7] проанализированы различные аналитические модели для изучения влияния температуры, ветра, молекулярной и турбулентной диссипации, влажности воздуха, поглощения звука из-за конечной величины импеданса подстилающей поверхности на распространение звука в атмосфере. Обзор соответствующих этому экспериментальных результатов представлен в [59]. В обзоре [60] проведен анализ техники экспериментальной регистрации инфразвука, а также
23
Г У'
+SOUND HEARD - SOUND NOT HEARD
1 HC.l. Распределение зол слышимости и зсип от изрыиа с тротшкшым экш шал ситом 5000 кг. (но данным [55]).
24
проанализированы различные источники инфразвука. Из обзоров, опубликованных в последние годы выделим [55].
Ниже мы проведем анализ экспериментальных исследований ДРЗ следуя , в основном, нашему обзору [25], а также обзору [55] с учетом работ, ставших известных автору со времени написания им обзора [25]. Обзор теоретических исследований в применении для целей изучения дальнего распространения инфразвуковых волн в атмосфере представлен во второй главе.
Обзор экспериментальных исследований ДРЗ состоит из двух частей. В первой части (1.2) кратко изложены экспериментальные данные об инфразвуковых волнах естественного происхождения. Во второй части (1.3) особое внимание уделяется инфразвуковым волнам от импульсных источников: взрывов, извержений вулканов, звуковых ударов.
1.2. Инфразвуковые волны естественного происхождения.
1.2.1. Авроральные инфразвуковые волны.
Одним из ярких примеров естественного инфразвука являются авроральные инфразвуковые волны (АИВ), связанные как с движением со сверхзвуковой скоростью в Е-области ионосферы крупных образований: дуг, изгибов, полос; так и с другими формами геомагнитной активности (рис.2). Указанному типу инфразвука посвящено большое количество теоретических и экспериментальных работ [53,61-88]. В России исследования АИВ проводились группой сотрудников ИСЗФ СО РАН [53, 61-63]. Впервые об инфразвуковых волнах, приходящих с северного направления и связанных с геомагнитной активностью, сообщалось по наблюдением на среднеширотной станции, расположенной вблизи Вашингтона [53]. Зарегистрированные волны имели скорости следа сса ( ссх = cq/ cos ао ^со- скорость звука на земной поверхности, ссо - угол между лучом и земной поверхностью) 400-500 м/с; среднюю амплитуду 0,1-0,3 Па; периоды 20-80 с, 100-300 с. Наиболее часто (53%) регистрируемые авроральных инфразвуковых волны появлялись при планетарном геомагнитном индексе Кр , равном пяти. Возрастание Кр от двух до шести, в 78% случаях сопровождались появлением характерных электромагнитных волн. Волны приходили вечером по местному времени, преимущественно, с севера-востока; в полночь - с севера, утром - с севера-запада. Днем с 08-14 ч наблюдалось очень
25
г ft
1 МІНІ
Рііс.2. Авроральпыс илфразвуковыс волны после прохождения через зенит дуги полярных сияний (но данным [53] ).
26
мало сигналов. Подобные инфразвуковые сигналы отмечались также в средних и низких широтах [65,78]. Так, в [78] проанализирована корреляция между геомагнитными возмущениями и ИЗВ на широте Хайдеробада и Дели за период с февраля 1980 г. по февраль 1981 г. Было найдено, что с большой вероятностью наблюдаемые колебания генерируется магнитными бурями и суббурями в полярной области, откуда ИЗВ распространяются к низким широтам со скоростью 400-500 м/с.
Наблюдения авроральных инфразвуковых волн проводились также в Антарктиде [74-77]. В [75] было обнаружено, что АИВ в Антарктиде имели горизонтальную скорость следа 450-1100 м/с в диапазоне периодов 10-100 с, а азимут прихода находился в пределах 94-154°. В [74] была исследована связь между появлением АИВ и суббурями отдельно для рассвета, вечерних сумерок и для полуночи. Установлено, что активность суббурь всегда наблюдается во время излучения АИВ, но интесивиость суббурь с появлением АИВ связано слабо. Условия генерации АИВ сильно зависят от движения возмущающей области, они излучаются, когда возмущенная область движется со сверхзвуковой скоростью. Утренние и вечерние АИВ излучатся задней областью перемещающегося возмущения, ночные - передней областью. Временная задержка между прохождением дуги полярного сияния через зенит и приходом АИВ на станцию составляет 6-8 мин. Подобный интервал времени характерен для прохождения звука из нижней ионосферы до земной поверхности.
Из рис.2 видно, что АИВ имеют вид уединенной волны, типичной для источников, движущихся со сверхзвуковой скоростью. Наряду с уединенными волнами дуг полярных сияний, которые обозначены в [53] как АИВ-1, наблюдаются также длительные низкочастотные волны АИВ-2 (рис.2). Эти волны имеют неправильную форму и существуют длительное время, их преимущественный период порядка 50 секунд , максимальные амплитуды 0,1 Па, причём, амплитуда АИВ-2 имеет суточный ход с минимумом в 12.00 и максимумом в 20.00 местного времени. Такие АИВ-2 появляется часто, а их амплитуда и частота появления зависят от уровня геомагнитной активности. Природа подобных волн пока не выяснена. В [53] высказывается гипотеза о связи АИВ-2 с процессом взаимодействия потоков авроральных частиц с нейтральной атмосферой.
В полярных областях наблюдались также и высокочастотные ИЗВ в диапазоне периодов 10-0,1 Гц [61-63, 71-72], в качестве механизма генерации
27
которых предложены пульсирующие авроральные токи, джоулев нагрев и электродинамический дрейф для связи ионизованной компоненты с нейтральным газом. Теория генерации АИВ в различных частотных диапазонах рассмотрена в [66,79-88].
1.2.2.Микробаромы.
Наиболее распространенным и постоянно существующим типом естественных инфразвуковых волн являются инфразвуковые волны от штормовых волнений в океане - микробаромы [89, 90-101]. Экспериментальные регистрации микробаром (рис.З) показывают, что они имеют вид устойчиво повторяющихся в течение длительного промежутка времени узкополосных цугов колебаний с центральной частотой, соответствующей периоду 6 секунд, и амплитудой от долей до единиц паскаля. Пример спектральной плотности для микробаром показан на рис.4.
В [56] отмечалось, что первые сообщения о микробаромах были опубликованы в [91], а связь между микробаромами и сосгоянием морской поверхности установлена из данных измерений, проведённых в Швейцарии, где было показано, что микробаромы приходят из Северной Атлантики и хорошо коррелируют с состоянием поверхности моря в этом районе. Проведенный спектральный анализ микробаром и колебаний поверхности океана показал, что характерная частота микробаром примерно в 2 раза выше частоты максимума спектров океанских волн, что согласуется с теорией [96-99].
Устойчивость появления микробаром в течение длительного времени наблюдений является объективным основанием для их использования в целях мониторинга динамического режима верхней стратосферы. Примером подобных исследований служат работы [89,93-94], в которых строились различные модели суточных и сезонных изменений стратификации стратосферы. Так, в [93] сообщалось .о результатах круглосуточной регистрации микробаром в течение нескольких лет на сети измерительных микрофонов. При этом отмечались скорости следа, изменяющиеся в пределах от 350 зимой до 365 м/с летом. Подобные скорости следа соответствуют высотам отражений, расположенным в верхней стратосфере и нижней термосфере. На основании результатов обработки огромного количества экспериментального материала были построены модели сезонного распределения температуры и ветра до высот 120 км, а также модели суточного и полусуточного приливов для указанных
CH 4 CH З CH 2
Fairbanks Data - f840126G.mat 01/26/84 PSF Т-Data dT=0.293
28
500 г
!
r
о
-500
13:40
13:41
13:42
500 г
vVWVW/'Y'\f\
-500 500 r
r
01-
-500’
500
Phase Aligned Overla/ vel=207 az=194 cmax-[0.776 0.723 0.839 )
-500'
20
40 60 80 100 120
MICRODAROMS at Fairbanks. 01/26/84 PSF data
140
Рис. 3. Пример микробаром, регистрируемых на сети приемных микрофонов в Fairbanks,AJaska (но данным [117]).
Frequency (Hz)
Частота і ц.
Рис.4. Спектр мікробаром, прсдсташісниьіх на рис. 6 (по даїшьім [117}).
30
параметров стратификации атмосферы. Авторами [93] показано, что зимой полусуточный прилив определяется, по крайней мере, в 62% времени регистрации микробаром, а суточный - не менее чем в 42% времени. Теми же авторами был проделан анализ измерений циркуляции в течение каждого года за период с 1967-1977 гг. [89, 94]. Установлено, что во время стратосферных потеплений эффективная скорость звука может меняться очень значительно, а её изменения могут достигать 60 м/с за несколько часов. Наблюдения подобных короткопериодных вариаций скоростей следа стали возможными только благодаря непрерывному характеру регистрации микробаром.
В [50] показаны примеры использования микробаром и в качестве средства контроля перемещения крупных атмосферных вихрей. Например, в этой работе отмечается, что начало движения циклона характеризуется нарастанием амплитуды и периодов инфразвука и микросейсм. В [100] исследовался сезонный ход интенсивности и углов прихода микробаром в зависимости от метеорологической обстановки и было предложено использовать результаты регистрации микробаром дня целей диагностики атмосферных акустических волноводов.
Как известно, основные источники микробаром расположены в центрах пониженного давления в Атлантическом (Исландский минимум) и Тихом (Алеутский минимум) океанах , интенсивность которых зимой заметно выше чем летом. На рис.5 представлен сезонный ход среднесуточных значений микробаром (кривая 1) и микросейсм (кривая 2) за период с 1 января по 31
декабря 1986 г. Видно, что, в целом, характер сезонного хода микробаром и
микросейсм подобен друг другу, что обусловлено условиями возникновения наиболее мощных штормовых источников в зимнее время, когда на уровне моря существует значительный перепад температуры между водной поверхностью и атмосферой. Такие перепады способствуют возникновению штормов, являющихся, в свою очередь, источниками микробаром и микросейсм.
Взаимосвязь между характеристиками микробаром и микросейсм наглядно проявляется на рис. 6 , на котором приведены графики изменения периодов микробаром и микросейсм по данным инфразвукометрической станции «Бадары» ИСЗФ СО РАН и внутриконтинентальных сейсмических станций [50,100]. Синхронные изменения периодов микробаром и микросейсм,
регистрируемых в различных областях на земной поверхности является наглядным подтверждением общности их источников.