Инфразвуковые деформационные возмущения, вызванные тайфунами

Аннотация

В работе обсуждаются особенности возбуждения мощных инфразвуковых возмущений в диапазоне 7–9 Гц, связанных с прохождением тропических циклонов (тайфунов) в зоне функционирования лазерных деформографов, установленных на м. Шульца Приморского края.

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

В ходе обработки синхронных экспериментальных данных, полученных при регистрации вариаций деформации земной коры береговым лазерным деформографом, вариаций атмосферного давления лазерным нанобарографом, вариаций гидросферного давления лазерным измерителем вариаций гидросферного давления и вариаций скорости ветра метеостанцией, входящих в состав сейсмоакустико-гидрофизического комплекса на морской экспериментальной станции (МЭС) ТОИ ДВО РАН «мыс Шульца» [Долгих, 2002], обнаружено, что в прибрежной области Приморского края наблюдаются инфразвуковые сейсмоакустические возмущения в диапазоне так называемого «голоса моря» 7–9 Гц.

Впервые документированные экспериментальные исследования инфразвуковых колебаний в диапазоне «голоса моря» были осуществлены академиком В.В. Шулейкиным [Шулейкин, 1935; 1968] в 30‑х годах XX века. Так, в работе [Шулейкин, 1935] описаны возникшие над морской поверхностью инфразвуковые колебания в частотном диапазоне 8–13 Гц и проведены первые интерпретации механизмов их появления.

Первые теоретические исследования, описывающие механизмы возникновения «голоса моря» при обтекании волн ветровым потоком, были опубликованы в работе Н.Н. Андреева [Андреев, 1939], в которой обтекание ветром гребней волн моделируется обтеканием цилиндра. Данное допущение считается довольно грубым, хоть и совпадает по порядку величины с экспериментальными данными [Шулейкин, 1935]. Впоследствии появились другие работы, в которых рассматривается механизм возникновения инфразвука при обтекании воздушным потоком взволнованной поверхности моря. Так, в 2013 г. А.Г. Семенов [Semenov, 2013] предлагает и более тщательно описывает физическую модель генерации инфразвуковых волн в диапазоне 2.1–7.5 Гц, где возникновение инфразвуковых волн связывается с обтеканием воздушным потоком трехмерных впадин морской поверхности при сильном шторме.

Экспериментальных наблюдений акустических волн такого диапазона частот в натурных условиях выполнялось достаточно мало и в основном их результаты наблюдения носили описательный характер.

В статье В.Г. Перепёлкина [Перепёлкин, 2015] в 2015 г. описываются колебания высокочастотного инфразвука в диапазоне 2–16 Гц «голоса моря» в акватории Черного моря. Исследованы различные параметры зарегистрированного инфразвукового сигнала, и на основании метеорологических данных сделаны предположения, что для объяснения наблюдаемых инфразвуковых сигналов необходимо исследовать механизм излучения инфразвука в атмосферу стоячими поверхностными морскими волнами, образующимися в результате нелинейного взаимодействия поверхностных ветровых морских волн (или волн зыби), распространяющихся в противоположных друг к другу направлениях.

Роль циклонов в образовании инфразвуковых колебаний вследствии возникновения интерференции волн различного направления и стоячих волн подробным образом рассматривается в работе [Табулевич, 2001]. В своей работе в 2016 г. А.С. Запевалов проводит анализ генерации в водную среду инфразвукового излучения морскими поверхностными волнами. Анализ проводится для ситуации, когда источником инфразвука являются поверхностные волны с частотами, близкими к частотам доминантных волн [Запевалов, 2016].

В иностранной литературе довольно популярной является так же сфера изучения, так называемых, микробаром, в диапазоне от 0.15–0.3 Гц, процесс образования которых был описан в работе [Longuet-Higgin, 1950; Hetzer, 2008] как генерация посредством столкновения поверхностных волн океана с равной длиной волны, а также использовано правило Бернулли для объяснения распространения образованных ими микросейсм по морскому дну до наземных систем наблюдения. Более расширенно теория генерации микросейсм с использованием двухмерной модели генерации волн описана в работе [Bowen, 2003].

В 2014 г. Филип Блом в своей работе [Blom, 2014] представил модель генерации и распространения микробаром на расстоянии от центра циклона в горизонтальной плоскости. Экспериментальные данные наблюдения микробаром в период прохождения урагана Эрнесто были представлены в работе [Traer, 2008].

Соответственно в выполненных раннее работах появление различных колебаний инфразвукового диапазона связано с несколькими совпадающими гидрометеорологическими факторами, вызванных крупными циклоническими образованиями.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС И МЕТОДИКА НАБЛЮДЕНИЙ

МЭС ТОИ ДВО РАН «мыс Шульца» находится в южной части Приморья на побережье залива Петра Великого и была основана в 1986 г. для осуществления научных задач, связанных с проведением натурных измерений в области геофизики, гидрофизики, гидроакустики и испытаний инновационных методов и приборов. На полигоне станции расположен сейсмоакустико-гидрофизический комплекс, основная измерительная приборная база которого состоит из устройств, работа которых основана на лазерно-интерференционных методах.

Комплекс включает в себя два подземных 52.5‑метровых горизонтальных лазерных деформографа неравноплечего типа, измеряющих сейсмические колебания на разных геологических образованиях и имеющих расположение вдоль линии «север–юг» [Dolgikh, 2015] и 17.5‑метровый лазерный деформограф с расположением измерительной оси ортогонально к оси деформографов с большей измерительной базой вдоль линии «запад–восток» [Долгих, 2016]. В состав комплекса входит лазерный нанобарограф [Долгих, 2016], предназначенный для измерения вариаций атмосферного давления, и лазерные измерители вариаций давления гидросферы различных модификаций [Долгих, 2016], оснащенные различными системами компенсации температурного воздействия. Входящие в состав комплекса низкочастотные гидроакустические излучатели и инфразвуковые сейсмоакустические излучатели позволили по данным комплекса провести исследования характеристик распространения и преобразования различных колебаний и волн в зоне перехода геосфер [Долгих, 1993; 2005; 2015]; метеорологическая станция контролирует поверхностные измерения температуры, атмосферного давления, влажности воздуха, скорости и направления ветра. Диапазон сбора данных с лазерно-интерференционных устройств в пределах от 0 (условно) до 1000 Гц позволяет исследовать природные явления в широком спектре их проявления.

Данные с приборов и установок, входящих в комплекс, синхронно поступают в вычислительные машины, позволяя выполнить дальнейшую оперативную обработку и организацию базы данных. Программно-вычислительный комплекс включает в себя: аналого-цифровой преобразователь, два компьютера, станции бесперебойного питания, способные обеспечить работу всего комплекса при отсутствии энергопитания в течение длительного времени, программы управления работой комплекса, а также первичной и окончательной обработки экспериментальных данных.

Метеорологическая станция регистрирует данные изменения атмосферного давления, температуры воздуха, влажности, скорости и направления ветра с дискретностью 1 Гц.

Первоначально был проведен анализ базы данных тайфунов, проходящих в северо-западной части Тихого океана и оказавших непосредственное влияние на Дальневосточный регион России. Были подготовлены синхронные данные всех измерительных приборов, входящих в комплекс за периоды времени прохождения тайфунов в районе измерительного полигона. Периоды времени и названия исследуемых тайфунов приведены в табл.

Периоды обработки данных наблюдения за тайфунами.

№	Название тайфуна	Период времени
1	Болавен (Bolaven)	28.08.2012–31.08.2012
2	Санба (Sanba)	17.09.2012–20.09.2012
3	Матмо (Matmo)	25.07.2014–28.07.2014
4	Чан-хом (Chan-hom)	12.07.2015–15.07.2015

Обработка полученных экспериментальных данных лазерно-интерференционного комплекса включала в себя несколько этапов. Для начала был определен временной промежуток относительно полигона наблюдения, когда в данных лазерных деформографов появлялся шум на частоте «голоса моря». При исследовании динамических спектров в исследуемой области частот «голоса моря» первоначально визуально были выявлены непосредственно инфразвуковые возмущения и определены их временные характеристики. Для синхронности интерпретации экспериментальных данных была определена воображаемая линия на земной поверхности, соответствующая 35° с.ш., относительно которой рассматривалось время начала воздействия циклонического вихря и на основании данных Японского метеорологического агентства http://www.jma.go.jp/jma/jma-eng/jma-center/rsmc-hp-pub-eg/besttrack_viewer_2010s.html составлена комплексная карта траекторий движения рассматриваемых тайфунов (рис. 1), с обозначением полусуточных интервалов времени их движения по японскому стандартному времени JST (UTC+09). Также были собраны спутниковые снимки японского спутника Himawari-8 http://weather.is.kochi-u.ac.jp/archive-e.html, принадлежащие этому агентству, позволяющие с дискретностью 1 ч визуально проследить область распределения циклонического вихря.

Рис. 1. Комплексная карта траекторий движения тайфунов: треугольник – место расположения измери-тельного комплекса; черный круг – 00:00 (JST); белый круг – 12:00 (JST); жирная линия – линия начала воз-действия циклонического вихря на полигон (35° с.ш.).

В соответствии с принятой системой были подготовлены осциллограммы и динамические спектрограммы, имеющие начальную точку при пересечении центральной области тайфуна принятой линии.

Обработка данных лазерных деформографов проводилась в нескольких диапазонах с целью выявить проявляющиеся инфразвуковые возмущения диапазона «голос моря» и определить зависимость их проявления.

Первоначально обработка данных с лазерных деформографов включала в себя совмещение данных с частотой дискретизации 1000 Гц за каждый час рассматриваемого временного промежутка в один большой файл, затем проводилось удаление скачков сбросов и анализ сигнала на возможные ошибки в работе установок. В заключение на данные деформографов был наложен низкочастотный фильтр Хэмминга длиной 1500 с граничной частотой 60 Гц и выполнена децимация рядов наблюдения до граничной частоты 60 Гц для выявления инфразвуковых возмущений в частотном диапазоне «голоса моря», и полосовой фильтр Хэмминга с граничными частотами от 0.05 до 0.5 Гц для поиска микросейсм, генерируемых морскими ветровыми волнами (волнами зыби), что позволило устранить избыточность объема данных и исключить влияния высокочастотных спектральных компонент.

ОПИСАНИЕ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В результате объединения данных и поиска зависимости появления сигналов «голоса моря» в данных лазерных деформографов было определено, что в основном это явление начинает наблюдаться во время нахождения центральной области низкого давления тайфунов еще в акватории Желтого моря.

Для каждого тайфуна были выделены три основных периода развития инфразвуковых колебаний: начало, максимальное возмущение и затухание. Приведем частотно-временные характеристики каждого из тайфунов.

Тайфун Болавен. Начало развития инфразвуковых колебаний в диапазоне от 6.5 до 10 Гц приходилось на 28 августа 2012 г. примерно в 12:00 (UTC). В это время центр тайфуна находился в районе измерительного полигона на широте 43° с. ш. с пиковой частотой 8.9 Гц.

Самая высокая активность инфразвуковых колебаний наблюдалась 29 августа в 06:00–07:00 [UTC], в момент, когда центр тайфуна ушел вглубь материковой зоны и двигался на северо-восток в сторону о. Сахалин, на широте 50° с. ш. с пиковой частотой 8.1 Гц.

Затухание инфразвуковых возмущений начиналось 29 августа примерно в 20:20 (UTC) в момент нахождения центра тайфуна около широты 53° с. ш., над о. Сахалин. Пиковая частота составляла 8.2 Гц.

Тайфун Санба. Начало развития инфразвуковых возмущений в диапазоне от 6.5 до 10 Гц приходилось на 17 сентября 2012 г. около 22:00 (UTC). Центр тайфуна в этот период находился над материковой частью Приморского края на широте 44°. Пиковая частота составляла 8.5 Гц.

Самая высокая мощность инфразвуковых возмущений наблюдалась 18 сентября в 8:00 (UTC) в момент, когда тайфун ушел на север Приморского края в районе 50° с. ш. с пиковой частотой 8.28 Гц.

Затухание колебаний началось 18 сентября около 17:00 (UTC). Вихрь тайфуна, уже практически рассеявшись, в этот период двигался на север в Охотское море. Пиковая частота составляла 8.5 Гц.

Тайфун Матмо. В спектрограммах инфразвуковых возмущений, генерируемых этим тайфуном, мы наблюдаем самые слабые проявления исследуемых сигналов в низкочастотном диапазоне, которые начали развиваться 26 июля 2014 г. около 10:00 (UTC) утра и имели примерно одинаковую интенсивность в течение всего временного промежутка его проявления. Центр тайфуна в этот период находился в Японском море ближе к о. Хоккайдо на широте 45° с. ш. Пиковая частота составляла 7.8 Гц. Полное затухание возмущений произошло 26 июля в 23:00 (UTC).

Тайфун Чан-хом. Начало развития инфразвуковых колебаний приходилось на 13 июля 2015 г. около 00:45 (UTC). Центр тайфуна в этот период находился над материковой частью Приморского края на широте 44° с. ш. Пиковая частота составляла 7.9 Гц.

Самая высокая активность инфразвуковых колебаний наблюдалась 13 июля в 10:00 (UTC) утра с пиковой частотой 7.8 Гц. Тайфун в этот период двигался на северо-восток в сторону Охотского моря.

Затухание произошло 13 июля около 19:30 (UTC) в момент нахождения центра тайфуна над Охотским морем с пиковой частотой 8.1 Гц.

Рис. 2. Динамические спектрограммы экспериментальных данных одного из лазерных деформографов, направленного по оси «север–юг», с длиной измерительного плеча 52.5 м в диапазоне «голоса моря», в периоды воздействия тайфунов на регион. Сверху вниз: тайфун Болавен, тайфун Санба, тайфун Матмо, тайфун Чан-хом.

В результате исследования синхронных спектрограмм данных наблюдения измерительных приборов и данных спутникового наблюдения, на которых видно, что ветер в периоды проявлений колебаний в низкочастотном диапазоне был направлен в противоположную сторону остаточных волн зыби циклона, т. е. имела место интерференция противоположно направленных волн, что генерировало стоячие морские волны, что, в свою очередь, согласно работам [Табулевич, 2001; Запевалов, 2016] стало причиной образования инфразвуковых колебаний, которые были зафиксированы. Так же в работе [Bowen, 2003] проводятся подобные исследования возникновения инфразвуковых сигналов, связанных с прохождением тайфунов и влиянием на них поверхности океана.

В соответствии с данными о тайфунах, возбуждение инфразвуковых колебаний проявляется при движении тайфуна в направлении региона наблюдения и при нахождении его центральной области на расстоянии до 900 км от точки наблюдения.

В результате анализа траектории движения тайфунов были определены пространственно-временные характеристики низкочастотного акустического влияния на регион и в соответствии с этим построены синхронные динамические спектрограммы данных лазерного деформографа в диапазоне частот от 3 до 15 Гц, представляющих проявление сигналов в диапазоне «голоса моря» на измерительном полигоне (рис. 2). Полученные спектрограммы иллюстрируют периоды проявления исследуемого сигнала при движении источника относительно измерительной системы. Проведено сравнение появления инфразвуковых возмущений на исследуемых частотах в соответствии с ветровым воздействием на полуостров, где расположен измерительный комплекс, и влияния морских волн зыби, вызванных тайфуном. Для этого были получены динамические спектрограммы лазерного деформографа в диапазоне частот от 0.01 до 0.5 Гц (рис. 3), демонстрирующие инфразвуковые сейсмические сигналы (микросейсмы), связанные с влиянием морского волнения на береговую линию в зоне перехода.

Рис. 3. Динамические спектрограммы экспериментальных данных одного из лазерных деформографов, направленного по оси «север–юг», с длиной измерительного плеча 52.5 м в диапазоне частот морского волнения, в периоды воздействия тайфунов на регион. Сверху вниз: тайфун Болавен, тайфун Санба, тай-фун Матмо, тайфун Чан-хом.

Подготовлены графики скорости ветра, синхронные по времени со спектрограммами сейсмических колебаний, зарегистрированные метеорологической станцией на МЭС м. Шульца, в период прохождения тайфунов (рис. 4). При сопоставлении этих данных были выделены импульсные возмущения инфразвукового диапазона частот, влияющие на весь низкочастотный спектр данных, происходящих во время превышения скорости ветра отметки 15 м/с, что вероятнее всего связано с резонансными явлениями при взаимодействии сильного ветра с сооружениями и постройками на мысе Шульца. Резонирующие частоты 8 и 11 Гц проявляются на лазерном деформографе «запад–восток», 12.3 и 14.3 Гц – на лазерном нанобарографе, и 12 Гц – на лазерном деформографе «север–юг». Эти возмущения соответствуют началу ветрового влияния при подходе зоны низкого давления тайфуна к измерительному полигону.

Как известно, на внешней части тропического циклона наблюдается наиболее сильный ветер. Возникновение инфразвуковых возмущений «голоса моря» всегда происходит после начала действия тайфуна и продолжительного времени (до суток) после прохода центральной зоны тайфуна далеко от области нахождения измерительного полигона.

Рис. 4. Осциллограммы скорости ветра в периоды воздействия тайфунов на регион.

В результате исследования частотно-временной зависимости генерируемого инфразвукового возмущения первоначально при проявлении сигналов «голоса моря» происходит удаление области его возбуждения от региона наблюдения, что подтверждается из теории эффекта Доплера, наблюдаемой в графиках зависимости проявления частоты от времени наблюдения, имеющей максимальную амплитуду, в общем шумовом диапазоне проявления (рис. 5). Графики частотно-временной зависимости были составлены по данным регистрации лазерных деформографов. В качестве характеристики изменения частоты на графиках приведены полиномиальные линии трендов.

По результатам комплексного анализа всех собранных данных, в области от западного побережья и к центральной части Японского моря, происходит генерация волн зыби с периодом от 12 с. Период морских волн постепенно уменьшается со временем при движении тайфуна в сторону Охотского моря. При прохождении центра основного вихря по материку в море возникает так называемый вихревой хвост, первоначально оказывающий ветровое влияние, начиная от западной части Японского моря, при входе тайфуна в его акваторию, к его центральной части. Далее вихревой хвост географически перемещается ближе к восточной части Японского моря и вытягивается по направлению к северной части моря. Данные этих наблюдений также получены при анализе данных спутникового наблюдения. При расположении вихревого хвоста по направлению юго-запад–северо-восток, происходит наибольшее взаимодействие возбуждаемого им ветра с волнами зыби и генерация сигналов «голоса моря», что подтверждает синхронность спектрограмм диапазона ветровых волн и диапазона «голоса моря».

Рис. 5. Графики зависимости доминирующей частоты от времени и места нахождения центра тайфунов: (а) – Тайфун Болавен; (б) – Тайфун Санба.

Согласно выдвинутой теории [Табулевич, 2001] наиболее эффективная генерация акустического излучения в низкочастотном диапазоне происходит именно в ситуации, когда поле поверхностных волн является суперпозицией двух волновых систем, распространяющихся во встречных направлениях с близкими друг к другу доминантными частотами. Данный эффект возникает при взаимодействии ветровых волн и волн зыби, в основном, в тыловой части тайфунов, что подтверждается нашими наблюдениями.

При прохождении тайфуна Матмо в 2014 г., пространственное положение остаточного вихря было направлено от Корейского полуострова к Сангарскому проливу. В результате направление хвостового вихря, а соответственно и ветра, располагалось по линии запад–восток. В связи с этим на спектрограммах лазерного деформографа отмечено слабое влияние в диапазоне «голоса моря», в котором присутствует сигнал достаточно малой амплитуды.

ВЫВОДЫ

На сейсмоакустико-гидрофизическом полигоне в Приморском крае были получены многолетние натурные наблюдения сейсмических и гидрометеорологических явлений. По результатам обработки полученных данных лазерных деформографов выявлено сейсмоакустическое воздействие в низкочастотном диапазоне четырех тайфунов на Дальневосточный регион России. После сопоставления комплексных динамических спектрограмм и осциллограмм экспериментальных данных был произведен их совместный анализ. Выявлена четкая взаимозависимость между колебаниями, вызванными морскими волнами зыби с инфразвуковыми колебаниями «голоса моря» в диапазоне 7–9 Гц. Определены локальные частотные шумы, вызванные скоростью и направлением ветра.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (грант № 18-05-80011_Опасные явления).