Акустические свойства морской воды

9. Акустические свойства морской воды

Морская вода — акустически неоднородная среда. Неоднородность морской воды заключается в изменении плотности с глубиной, присутствии в воде пузырьков газа, взвешенных частиц и планктона. Поэтому распространение акустических колебаний (звука) в морской воде представляет собой сложное явление, зависящее от распределения плотности (температуры, солености, давления), глубины моря, характера грунта, состояния поверхности моря, замутненности воды взвешенными примесями органического и неорганического происхождения и наличия растворенных газов.

Звук в широком смысле — колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде волн в газообразной, жидкой или твёрдой средах; в узком смысле — явление, субъективно воспринимаемое специальным органом чувств человека и животных. Человек слышит звук с частотой от 16 Гц до 16-20×10 3 Гц. Физическое понятие звук охватывает как слышимые, так и неслышимые звуки. Звук с частотой ниже 16 Гц называется инфразвуком, выше 20 ×10 3 Гц — ультразвуком; самые высокочастотные акустические колебания в диапазоне от 10 9 до 10 12 -10 13 Гц относят к гиперзвуку.

Распространение звука в воде представляет собой периодические сжатия и разрежения воды в направлении движения звуковой волны. Скорость передачи колебательного движения от одной частицы воды к другой называется скоростью распространения звука. Теоретическая формула скорости звука для жидкостей и газов имеет вид: с = , гдеα – удельный объем, γ=-отношение теплоемкости воды при постоянном давлении c_p к теплоемкости воды при постоянном объеме c_v, примерно равное единице, k — истинный коэффициент сжимаемости морской воды.

С повышением температуры воды скорость звука растет как за счет увеличения удельного объема, так и за счет уменьшения коэффициента сжимаемости. Поэтому влияние температуры на скорость звука наибольшее по сравнению с другими факторами. При изменении солености воды также изменяются удельный объем и коэффициент сжимаемости. Но поправки на скорость звука от этих изменений имеют разные знаки. Поэтому влияние изменения солености на скорость звука меньше, чем влияние температуры. Гидростатическое давление оказывает влияние только на вер­тикальное изменение скорости звука, с глубиной скорость звука возрастает.

Скорость звука не зависит от силы источника звука.

По теоретической формуле составлены таблицы, дающие возможность по температуре и солености воды определить скорость звука и исправить ее на давление. Однако теоретическая формула дает величины скорости звука, отличающиеся от измеренных в среднем на ±4 м·с -1 . Поэтому на практике используются эмпирические формулы, из которых наибольшее распространение получили формулы Дель-Гроссо и У. Вильсона, обеспечивающие наименьшие ошибки.

Ошибка в скорости звука, рассчитываемая по формуле Дель­-Гроссо, не превышает 0.5 м·с -1 для вод соленостью больше 15‰ и 0.8 м·с -1 для вод соленостью меньше 15‰.

Формула Вильсона, предложенная им в 1960 году, дает более высокую точность, чем формула Дель-Гроссо. Она построена по принципу построения формулы Бьеркнеса для расчета условного удельного объема in situ и имеет вид:

с = 1449,14 + δс_p + δс_t + δс_s + δс_stp,

где δс_p – поправка на давление, δс_t – поправка на температуру, δс_s – поправка на соленость и δс_stp — суммарная поправка на давление, температуру и соленость.

Среднеквадратичная погрешность расчета скорости звука по формуле Вильсона составляет 0.3 м·с -1 .

В 1971 году была предложена другая формула для вычисления скорости звука по измеренным значениям T, S и P и несколько иными значениями поправок:

с = 1449,30 + δс_p + δс_t + δс_s + δс_stp,

При измерении глубин эхолотом рассчитывается осредненная по слоям скорость звука, которую назы­вают вертикальной скоростью звука. Она определяется по формуле с_stp,

где с_i — средняя скорость звука в слое толщиной h_i.

Скорость звука в морской воде при температуре 13 0 С, давлении 1 атм и солености 35‰ равна 1494 м·с -1 ; как уже указывалось, она увеличивается с ростом температуры (3 м·с -1 на 1 0 С), солености (1,3 м·с -1 на 1 ‰) и давления (0,016 м·с -1 на 1 м глубины). Она примерно в 4.5 раза больше скорости звука в атмосфере (334 м·с -1 ). Среднее значение скорости звука в Мировом океане около 1500 м·с -1 , а диапазон ее изменчивости от 1430 до 1540 м·с -1 на поверхности океана и от 1570 до 1580 м·с -1 — на глубинах более 7 км.

Источник

Химический состав морской воды.

К физическим свойствам морской воды относятся: соленость, температура плотность, оптические и акустические свойства. Морская вода обладает горько-солёным вкусом и большим, чем у пресной воды, удельным весом. Соленый вкус морской воде придает хлористый натрий (поваренная соль), а горький – хлористый магний. Соленостью называется количество солей в граммах, растворённых в килограмме морской воды.Средняя солёность воды Мирового океана 35г на 1кг воды или 35%О (промилле). В отдельных районах в зависимости от гидрологических и климатических условий соленость может резко отклоняться от средней. Солёность Чорного моря у поверхности состаляет18%О, на глубине > 1км — 22%О, Азовского — 12%О Средиземного 38-39%О , Персидского залива 38-40%О.Минимум солёности расположен в высоких широтах (на широте 10º–34,72%О), максимум на широте 30°–35,56%О. Установлена связь между соленостью и относительной электропроводностью морской воды: S = ∑ ƒ (R₁₅) (1) где S — соленость. %О. R_{15 —} относительная электропроводность при температуре 15 о С. Под относительной электропроводностью понимается отношение удельной электропроводности проб морской воды к удельной электропроводности воды, имеющей соленость 35 %О. На основе зависимости (1) сконструированы судовые солемеры ГМ-55, ГМ-56, ГМ-65, которые определяют соленость воды по ее относительной электропроводности. Основными причинами уменьшения солености морской воды за счет ее опреснения являются выпадение атмосферных осадков и интенсивные таяния льда в высоких широтах , а увеличение ее солености происходит вследствие испарения частиц чистой воды с поверхности морей и океанов. Изменение солёности с глубиной зависит в основном от перемешивания водных масс при движении. Существенное увеличение солёности с глубиной происходит до 1000–5000м. Ниже – колебание солёности малы. Например, в полярных областях, начиная с глубины 200м и до дна, солёность не меняется. В морях величина солености, как на поверхности, так и на глубине, меняется в значительно больших пределах, чем в океанах. Температура морской воды. Основными факторами, которые непрерывно изменяют температуру морской воды являются: суммарное действие прямой и рассеянной солнечной радиации, эффективное излучение системы вода- атмосфера, конвекция и испарение. В прибрежной зоне на температуру морской воды оказывает влияние еще и сток речных вод. Повышению температуры морской воды способствуют:

• поглощение морем прямой и рассеянной солнечной радиации,
• излучение из более теплой атмосферы в более холодный океан.
• конденсация влаги из атмосферы над более холодным океаном,
• выпадение осадков, более теплых, чем поверхностные слои океанов.

Понижение температуры воды происходит за счет:

• излучения океана в атмосферу,
• испарения,
• конвекции в атмосфере,
• выпадения на поверхность океанов более холодных осадков.

В восточных частях океана обоих полушарий в тропической зоне изотермы сходятся к экватору, в западных частях – отходят от него. Такое расположение изотерм связывает с режимом поверхностных течений воды – с востока на запад к северу и к югу — пассатные течения. Здесь температура поверхностных вод океана составляет в среднем 28°, к югу и северу понижается до 0 на широтах 60º Ю.Ш. и 75° С.Ш. Средняя температура океана летом +18°, зимой +10. Температура замерзания морской воды при S=35%О равна – 1,9°С, кипения 100,53°. В северном полушарии температура выше на соответствующих высотах. Разница объясняется постоянным охлаждающим влиянием Антарктики, льды которой доходят до умеренных широт всех 3 х океанов. В Атлантическом океане заметное влияние на режим температуры показывает тёплое течение Гольфстрим, в Тихом океане Куро-Сио. Суточные колебания температуры воды редко превышают 1°С. Наибольшая температура в северном полушарии наблюдается в августе, в южном — в феврале. Изменение температуры воды с глубиной зависит как от лучистой энергии солнца (прямая теплопередача) так и от вертикального перемешивания воды при штормовой погоде. Тепло солнечной радиации распространяется на глубину до 100м (глубже темнота), а ветровое перемешивание захватывает слои воды не более 200м. Суточное колебание температуры прослеживаются до глубины не более 30м от поверхности, а годовые колебания до глубины 350–450м. Ниже температура постоянна. На глубине 3000–4000м температура в разных местах океанов находится в пределах от +2 до -1°. Тепловой режим океана оказывает существенное влияние на годовой ход температуры воздуха над океаном и материками. Плотность морской воды. Под плотностью понимается отношение массы вещества к его объему, т.е это масса единицы объема. кг/м 3 (2). В океанографии и судовождении для решения практических задач используется относительная плотностьd , под которой понимают отношение массы единицы объема воды при температуре t о С к массе единицы объема дистиллированной воды при 4 о С, обозначается S . Относительная плотность морской воды зависит от солёности и температуры. При t=0°C, S=35 %О ρ=1.028г/м 3 . Плотность уменьшается от полюсов к экватору. Наименьшая плотность в тропиках, там же и наименьшая солёность. Для удобства записи применяют величину условной плотности σ_t = (d — 1)10 3 (3) Так, например, если по «Океанологическим таблицам» относительная плотность морской воды d при t = 20 о С и солености S = 35 %О в полном выражении составляет 1,0247781, то условная плотность в этом случае будет иметь вид 24,7781. Плотность имеет большое значение при расчете изменения осадки судов в водах различной плотности. Для этого используется формула: ∆d = , (4) где ∆d — изменение осадки, ∆ — объемное водоизмещение, ρ₁ и ρ_{2 —} относительные плотности морской воды. В Мировом океане встречаются следующие характерные изменения относительной плотности морской воды и соответствующие осадки судов. 1. Вода малой солености ( 20 о С, относительная плотность d = 1.0009, характерна для устьев рек. Осадка судов в таких районах наибольшая. 2. Вода малой солености (30 ‰) и сильно прогретая, d =1,0217. Такие условия наблюдаются в тропической и экваториальной зонах океанов. Осадка судов близка к минимальной. 4. Вода имеет высокую соленость (>30 ‰) и низкую температуру (1-3 о С). Относительная плотность максимальная — d = 1,0264. Такие условия встречаются у Мурманского побережья в осенне- зимний период. Осадка судов минимальная. 5. Вода имеет соленость менее 20 ‰ и высокую температуру порядка 20-30 о С. Относительная плотность близка к среднему значению. Такие условия характерны для Азовского и Черного морей. Осадка судов средняя. Сведения о плотности воды в открытых морях снять с карт №19 и№20 2-го тома Морского Атласа или с карт «Атласов океанов». В портах сведения о фактической плотности морской воды могут быть получены на портовой гидрометеостанции. Оптические свойства морской воды отличаются тем, что морская вода вдали от берегов более прозрачна, чем пресная речная. Однако, даже в наиболее чистой океанической воде только 1% световой энергии проникает ниже 100м. Солнечный свет можно увидеть только в верхнем 100 метровом слое океана; более 97% объёма Мирового океана находится в состоянии вечной темноты. По мере погружения в глубь океана солнечный свет быстро исчезает, и цвет его изменяется от белого к голубому. Многие из обитателей морского дна окрашены в яркие цвета. Однако они невидимы при естественном освещении и обнаруживаются только при искусственном освещении. Поглощение света значительно ограничивает видимость с подводных лодок. В чистой океанической воды можно получить отчётливые фотографии предметов только на расстоянии 5–7м от камеры, а на расстоянии до 10м картина резко ухудшается. Во многих прибрежных районах оптические наблюдения практически невозможны. В 10 метровом слое морской воды наблюдается полное поглощение 100% коротких (ультрафиолетовых) и длинных (инфракрасных) волн. Минимальное поглощение наблюдается вблизи 0,47мкн (окно прозрачности), в голубой части спектра, но даже энергия голубого света уменьшается вдвое на глубине 47м. Акустические свойства морской воды несколько отличаются от акустических свойств пресной воды. Так, если скорость звука в пресной воде в среднем составляет при температуре 15 0 С –1462 м/с, то в морской воде –1500м/с. В зависимости от давления, температуры и солёности она изменяется следующим образом: — при увеличении глубины на 1км на +11%, — при увеличении температуры на 1°С на +0,3%, — при увеличении солёности на 1%О на +0,09%. Для измерения глубины используются эхолоты, принцип действия которых основан на измерении времени прохождения ультразвукового сигнала от излучателя до приёмника, отразившегося от дна океана.

Источник