Гидродинамика морских течений и гидродинамика волн — поверхностных (ветровых) и приливных — удовлетворяется исследованием вод океана, как некой несжимаемой среды.
Однако есть область физики моря, настоятельно требующая учитывать свойства воды как сжимаемого, упругого тела. Это — акустика моря, учение о распространении акустических волн в океане. Первоначально полагали, что при сжатии вода следует закону Бойля—Мариотта, выведенному применительно к изотермическому изменению объема газа. Однако при таких условиях в воде возникали бы упругие — звуковые — волны, которые распространялись бы со скоростью меньшей, чем действительно наблюдаемая. В действительности она составляет около 1500 м/сек. Отсюда следует, что благодаря большой частоте колебаний тепло, выделяющееся при сжатии воды, не успевает отводиться в окружающую среду и сжатие происходит по адиабатическому закону (по закону Пуассона).
В настоящее время скорость звука в океанской воде измерена очень точно. Такие измерения понадобились для практических целей — для определения расстояния от источника звука до дна по времени, отделяющему посылку сигнала от прихода эха, и для определения расстояний в горизонтальных направлениях при гидроакустическом пеленговании предметов и при гидролокации. С достаточной надежностью можно считать, что скорость звука с в морской воде связана с температурой δ и соленостью S (грамм на литр) посредством эмпирического соотношения
c = 1450+4,206δ — 0,0366δ2 + 1,137 (S — 35) м/сек
Это соотношение справедливо на поверхности океана, где вода находится под нормальным атмосферным давлением, или на небольших глубинах, где изменением давления можно пренебречь. Но на больших глубинах вода оказывается под такими высокими давлениями, что ее плотность заметно возрастает, а вместе с плотностью возрастает и скорость звука. Допустим, например, что температура воды равна 0°, соленость 35%о, т. е. все поправочные члены в написанном соотношении равны нулю. Тогда окажется, что на поверхности океана скорость звука будет 1450 м/сек. При тех же значениях температуры и солености на глубине 2000 м скорость звука окажется равной 1484 м/сек, на глубине 4000 м — 1529, на глубине 6000 м — 1555 и на глубине 8000 м — около 1600 м/сек.
Такая зависимость скорости звука в воде от давления играет решающую роль в одном очень интересном и важном явлении, которое было одновременно открыто Л. М. Бреховеким на глубоком море и иностранными физиками в океане.
Распределение температуры и солености в океане таково, что до глубины около 1200 м, как правило, происходит уменьшение скорости звука под влиянием причин, учитываемых поправочными членами в написанном соотношении. На больших глубинах скорость звука постепенно увеличивается, пройдя через минимум на глубине 1200 м.
Типичное распределение скоростей звука на глубинах представлено на рисунке, справа от диаграммы «акустических лучей».
Звуковой канал в океане
На самой диаграмме точка А указывает местоположение источника звука, посылающего звуковые «лучи» по различным направлениям. Для наглядности и для компактности диаграммы масштабы расстояний по горизонтальному направлению и по вертикали — не одинаковы: по вертикали масштаб крупнее в 10 раз.
Когда световые лучи распространяются в среде, в которой непостоянна скорость света, то эти лучи испытывают преломление по более или менее сложным законам. В данном случае из точки А исходят звуковые волны, распространяющиеся в среде, в которой скорость звука меняется от слоя к слою. Значит, здесь тоже должно наблюдаться искривление путей, по которым распространяются волны: должно происходить преломление «звуковых лучей». На рисунке изображены искривленные пути этих лучей, частично испытывающих отражение от поверхности океана, частично меняющих свое направление по законам преломления. Результат такого поведения лучей отчетливо виден на рисунке: на уровне минимума скорости звука в воде возник своеобразный звуковой канал, в котором сосредоточена преобладающая часть энергии, посылаемой источником звука из точки А.
Если где-то в точке Е на оси этого звукового канала поместить приемник — гидрофон, то он может уловить звуковой сигнал из А на весьма больших расстояниях. Например, при первых опытах в Атлантическом океане звук от взрыва 1,8 кг вещества был зарегистрирован приемным устройством на расстоянии 1700 км, а после усовершенствования аппаратуры — на расстоянии 4200 км. Полагают, что при отсутствии поднятия дна на путях звука дальность приема могла бы дойти до 15 тыс. км. Звуковой канал — одно из наиболее интересных открытий последнего времени в области акустики моря.