ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 2, с. 186-198
УДК 551.596.1:551.551.2; 534.2:551.796
ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДАЛЬНЕГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ
ИНФРАЗВУКА В АТМОСФЕРЕ
© 2008 г. С. Н. Куличков, И. П. Чунчузов, Г. А. Буш, В. Г. Перепелкин
Институт физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН 119017 Москва, Пыжевский пер., 3 E-mail: Snk@ifaran.ru Поступила в редакцию 10.05.2007 г., после доработки 31.08.2007 г.
Представлены результаты экспериментов по физическому моделированию дальнего распространения инфразвука в атмосфере. Основой такого моделирования является возможность совпадения формы вертикальных профилей стратификации эффективной скорости звука в пограничном слое атмосферы (в рассматриваемом ниже случае в слое от 0 до 600 м) и в атмосфере в целом от земной поверхности до высот термосферы (около 150 км). Источником акустических импульсов был генератор детонационного типа, способный за счет детонации газовой смеси воздуха (или кислорода) и пропана вырабатывать короткие мощные (максимальное акустическое давление на расстоянии 50100 м от генератора порядка 30-60 Па) и достаточно стабильные акустические импульсы, имеющие спектральный максимум на частотах 40-60 Гц с периодом посылки 20-30 секунд. Пункты регистрации акустических сигналов располагались на разных расстояниях (до 6.5 км) от источника в различных азимутальных направлениях. Стратификация температуры и ветра в реальном времени проведения экспериментов контролировалась при помощи акустического локатора - содара и температурного профилемера. В работе осуществлен анализ данных физического моделирования дальнего распространения звука в атмосфере с целью верификации физико-математических моделей прогнозирования акустических полей в неоднородной движущейся атмосфере на основе использования параболического уравнения и метода нормальных волн. Получено удовлетворительное согласие расчетных данных с данными эксперимента. Другая задача заключалась в сопоставлении с экспериментальными данными теоретических соотношений между вариациями азимутов и углов наклона к горизонту звуковых лучей и параметрами анизотропной турбулентности в нижней тропосфере и стратосфере. Предложено теоретическое объяснение результатов эксперимента, основанное на результатах теории анизотропной турбулентности в атмосфере. Проведено сопоставление теоретических и экспериментальных данных. Получено удовлетворительное согласие между результатами теории и эксперимента.
1. ВВЕДЕНИЕ
В литературе дальним распространением звука в атмосфере называется прохождение звуком от наземных и других источников расстояний в несколько сотен и тысяч километров [1].
Одним из наиболее цитируемых исторических упоминаний о дальнем (ранее его называли -"аномальным" [2]) распространении звука является пример слышимости звука от мощного артиллерийского салюта, произведенного в Лондоне при коронации королевы Виктории в 1837 г. Этот салют был услышан на материке в 200-300 км от Лондона, хотя на расстояниях 50-100 км его не слышали.
Причиной указанного явления является рефракция звука в атмосфере (зависимость формы траекторий звуковых лучей от вертикального профиля изменения температуры и ветра). Акустические сигналы распространяются в этом случае по циклическим траекториям, формирующим систему звуковых лучей, поворачивающих к зем-
ной поверхности на высотах, на которых эффективная скорость звука (скорость звука плюс скорость ветра в направлении распространения звука) больше своих значений на высоте источника. Такие лучи при последовательных отражениях от земной поверхности (многоцикличность распространения) формируют зоны слышимости на больших расстояниях от источников. Между этими областями образуются зоны молчания (рис. 1).
В атмосфере области увеличения температуры (и адиабатической скорости звука) могут наблюдаться вблизи земной поверхности (так называемая инверсия температуры, особенно ночью летом и зимой), в стратосфере и термосфере. Однако, наиболее важным фактором, влияющим на образование зон молчания и слышимости является угол между направлениями распространения звука и ветра, поскольку в основном (за исключением термосферы) условие поворота лучей к земной поверхности выполняется (за редкими исключениями в нижних слоях атмосферы) лишь в слу-
Рис. 1. Траектории звуковых лучей, профили эффективной скорости звука для его распространения вдоль и против преобладающего ветра.
Рис. 2. Примеры зарегистрированных приземных (волны Лэмба - Ь), стратосферных (Psм), мезосферных (¡м) и тер-мосферных (¡т) инфразвуковых приходов на расстоянии 300 км от взрыва с эквивалентом в 20-70 т тнт.
чаях совпадения этих направлений, либо при слабом ветре (см. рис. 1).
Низкочастотный звук, особенно инфразвук на частотах, меньших 20 Гц, может наблюдаться в областях дальней слышимости также из-за рассеяния на локально слоистых (анизотропных) структурах температуры и ветра в тропосфере и стратосфере [3-5].
Характерный пример регистрации инфразвука на расстоянии около 300 км от места проведения наземного взрыва (тротиловый эквивалент 20-70 т) приведен на рис. 2 [5]. Видно, что регистрируемый сигнал представляет из себя последовательность акустических приходов, соответству-
ющих рефракционному повороту лучей в тропосфере ("волны Лэмба" - Ь) и термосфере (1Т), а также рассеянию звука от анизотропных неодно-родностей стратосферы (Р5м) и мезосферы (1м). В рассматриваемом случае акустический волновод в нижней тропосфере был сформирован благодаря совпадению направления скорости ветра с направлением распространения звука в слое от 0 до 2 км. В то же время следует заметить, что в области высот стратосферы (20-50 км) и мезосферы (50-80 км) эффективная скорость звука не превышала своих значений у земной поверхности.
Исследование дальнего распространения звука оказало огромное влияние на акустику в це-
Рис. 3. План размещения инфразвуковых станций на территории земного шара (по данным [10]). * - сертифицированные станции; О, О - станции, подготовленные к сертификации либо находящиеся в стадии размещения.
лом, когда появились классические работы [6, 8], в которых было впервые рассмотрено влияние стратификации температуры и ветра на распространение звука, введено понятие звукового луча и сформулированы законы их преломления. Такие исследования позволили еще в начале 20-го столетия (задолго до появления метеорологических ракет) обнаружить область увеличения температуры с высотой в стратосфере и наличие в ней сильных ветров [1, 2].
2. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДАЛЬНЕГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ ИНФРАЗВУКА В АТМОСФЕРЕ. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
В настоящее время основной интерес к явлению дальнего распространения звука в атмосфере определяется потребностями в разработке ин-фразвукового метода мониторинга взрывов с целью соблюдения выполнения Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ДВЗЯИ). Для реализации этой цели создается Международная система мониторинга (МСМ), охватывающая весь Земной шар и объединяющая сейсмическую, инфразвуковую и гидроакустическую компоненты, а также инспекцию на месте. Данные, полученные в МСМ, передаются в Международный центр данных (МЦД), расположенный в г. Вене (Австрия).
Одной из компонент системы МСМ является инфразвуковая компонента. В рамках инфразву-ковой системы мониторинга ДВЗЯИ планирует-
ся разместить по территории Земного шара шестьдесят инфразвуковых станций, показанных на рис. 3 (официальный диапазон регистрируемых частот 0.02-4 Гц [9]).
Задачей МСМ является обнаружение несанкционированного международным сообществом нарушения ДВЗЯИ путем осуществления ядерных взрывов в диапазоне энергий 0.5-4 кт тнт [9]. К настоящему времени введено в эксплуатацию 36 инфразвуковых станций [10], на которых уже зарегистрированы инфразвуковые сигналы от более миллиона разнообразных событий (взрывы, пожары, болиды, штормовые волнения в океане, извержения вулканов, цунами, грозы, другие метеорологические источники и т.д.).
Основной проблемой анализа данных, получаемых на инфразвуковых и других системах станций МСМ, является проблема обнаружения местоположения и идентификации различных событий [11]. Сложность этой проблемы для случая инфразвукового мониторинга определяется, главным образом, влиянием неоднородной стратификации атмосферы на характеристики регистрируемых сигналов азимута (рис. 4а) и угла места (рис. 4б) для звуковых лучей, а также отсутствием общепринятых адекватных физико-математических моделей, позволяющих прогнозировать акустические поля на различных расстояниях от источников.
Более того, даже при наличии эффективных прогностических моделей существенно затруднена их верификация, поскольку очевидна невозможность получения данных о вертикальном профиле стратификации атмосферы в области высот 0-150 км, а также об изменении этого профиля
вдоль трассы распространения инфразвука во время регистрации сигналов от неизвестных событий.
Здесь существенную помощь может оказать натурное физическое моделирование явления дальнего распространения звука в атмосфере при условии непрерывного контроля вертикальных профилей температуры и ветра во время проведения экспериментов.
Основой такого моделирования является возможность совпадения формы профилей стратификации эффективной скорости звука в пограничном слое атмосферы (в рассматриваемом ниже случае в слое от 0 до 600 м) и в атмосфере в целом, от земной поверхности до высот термосферы. Один из примеров такого совпадения показан на рис. 5. На рис. 5 а приведен вертикальный профиль эффективной скорости звука и лучевые траектории в области высот земля-нижняя термосфера. Соответствующие профиль стратификации и лучевые траектории для атмосферного пограничного слоя представлены на рис. 56. Из сопоставления рис. 5 а и 56 наглядно видно подобие вертикальных профилей эффективной скорости звука и типов лучевых траекторий для случаев распространения акустических волн в слое земля-нижняя термосфера и атмосферном пограничном слое.
В качестве источника звука при таком физическом моделировании можно использовать различные импульсные источн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.