Vestnik of the Far East Branch of the Russian Academy of SciencesVestnik of the Far East Branch of the Russian Academy of SciencesВестник Дальневосточного отделения Российской академии наук0869-7698The Russian Academy of Sciences68722510.31857/S0869769825020021GFQKTGEarth and Environment SciencesНауки о Земле и окружающей средеResearch ArticleAcoustic anomalies in the boundary layers of the oceanАкустические аномалии в пограничных слоях океанаhttps://orcid.org/0000-0002-5504-9042BulanovVladimir A.БулановВладимир Алексеевич
Russian Federation

Doctor of Sciences in Physics and Mathematics, Chief Researcher

Доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник

bulanov@poi.dvo.ruV.I. Il’ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RASТихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН04082025217321007202510072025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0869-7698/article/view/687225

Boundary layers – the near-surface and bottom layers – play an important role in the structure of the ocean. The involvement of bubbles in the sea water column in surface waves leads to the appearance of bubble clouds, which can reach significant depths in strong winds. Bubbles may also be contained in the bottom layers in the areas of the outlet of underwater gas flares. They are often compared with the presence of gas hydrate deposits, or with the release of gases through cracks in the earth’s crust near active volcanoes. The paper discusses methods and experimental results on the acoustics of boundary layers in the ocean containing a two-phase liquid with gas bubbles, as well as methods for their diagnosis. The possibilities of acoustic sounding for visualization of complex structure, dynamics and diagnostics of anomalies of physical properties of boundary layers are shown. Typical experimental results obtained in the Far Eastern seas are presented and discussed.

Большую роль в структуре океана играют пограничные слои – приповерхностный и придонный. Вовлечение пузырьков в толщу морской воды в поверхностных волнах приводит к появлению пузырьковых облаков, которые при сильном ветре могут достигать значительных глубин. Пузырьки могут также содержаться в придонных слоях в районах выхода подводных газовых факелов. Часто их сопоставляют с наличием газогидратных месторождений либо с выходом газов через трещины в земной коре вблизи активных вулканов. В работе обсуждаются методы и экспериментальные результаты по акустике пограничных слоев в океане, содержащих двухфазную жидкость с газовыми пузырьками, а также методы их диагностики. Показаны возможности акустического зондирования для визуализации сложной структуры, динамики и диагностики аномалий физических свойств пограничных слоев. Представлены и обсуждены типичные экспериментальные результаты, полученные в дальневосточных морях.

oceanacousticsboundary layerbubblessoundingокеанакустикапограничный слойпузырькизондированиеПравительство РФGovernment of the Russian Federation124022100075-6Российский научный фондRussian Science Foundation22-22-00499Brekhovskikh L.M., Lysanov Y.P. Fundamentals of Ocean Acoustics. Berlin, Germany: Springer; 2013. 250 p.Бреховских Л.М., Лысанов Ю.П. Теоретические основы акустики океана. М.: Наука, 2007. 370 с.Hovem J.M. Marine Acoustics: The Physics of Sound in Underwater Environments. Newport Beach, CA, USA: Peninsula Publishing; 2012. 656 p.Hovem J.M. Marine Acoustics: The Physics of Sound in Underwater Environments. Newport Beach, CA, USA: Peninsula Publishing, 2012. 656 p.Thorpe S.A. The effect of Langmuir circulation on the distribution of submerged bubbles caused by breaking wind waves. J. Fluid Mech. 1984;142:151–170.Thorpe S.A. The effect of Langmuir circulation on the distribution of submerged bubbles caused by breaking wind waves // J. Fluid Mech. 1984. Vol. 142. P. 151–170.Deane G.B. Sound generation and air entrainment by breaking waves in the surf zone. J. Acoust. Soc. Amer. 1997;102:2671–2689.Deane G.B. Sound generation and air entrainment by breaking waves in the surf zone // J. Acoust. Soc. Amer. 1997. Vol. 102. P. 2671–2689.Medwin H. Acoustical determination of bubble size spectra. J. Acoust. Soc. Am. 1977;62:1041–1044.Medwin H. Acoustical determination of bubble size spectra // J. Acoust. Soc. Am. 1977. Vol. 62. P. 1041–1044.Akulichev V., Bulanov V., Klenin S. Acoustic sensing of gas bubbles in the ocean medium. Soviet Physics. Acoustics. 1986;32(3):177–180.Акуличев В.А., Буланов В.А., Кленин С.А. Акустическое зондирование газовых пузырьков в морской среде // Акуст. журн. 1986. Т. 32, № 3. С. 289–295.Garrett C., Li M., Farmer D. The Connection between Bubble Size Spectra and Energy Dissipation Rates in the Upper Ocean. J. Phys. Ocean. 2000;30:2163–2171.Garrett C., Li M., Farmer D. The Connection between Bubble Size Spectra and Energy Dissipation Rates in the Upper Ocean // J. Phys. Ocean. 2000. Vol. 30. P. 2163–2171.Thorpe S.A., Osborn T.R., Farmer D.M., Vagle S. Bubble Clouds and Langmuir Circulation. J. Phys. Oceanogr. 2003;33(9):2013–2031.Thorpe S.A., Osborn T.R., Farmer D.M., Vagle S. Bubble Clouds and Langmuir Circulation // J. Phys. Oceanogr. 2003. Vol. 33, No. 9. P. 2013–2031.Baschek B., Farmer D.M. Gas Bubbles as Oceanographic Tracers. J. of Atmosph. and Oceanic Technol. 2010;27:241–245.Baschek B., Farmer D.M. Gas Bubbles as Oceanographic Tracers // J. of Atmosph. and Oceanic Technol. 2010. Vol. 27. P. 241–245.Vagle S., McNeil C., Steiner N. Upper ocean bubble measurements from the NE Pacific and estimates of their role in air-sea gas transfer of the weakly soluble gases nitrogen and oxygen. J. Geophys. Res. 2010;115. C12054. DOI: 10.1029/2009JC005990.Vagle S., McNeil C., Steiner N. Upper ocean bubble measurements from the NE Pacific and estimates of their role in air-sea gas transfer of the weakly soluble gases nitrogen and oxygen // J. Geophys. Res. 2010. Vol. 115. C12054. DOI: 10.1029/2009JC005990.Deane G.B., Preisig J.C., Lavery A.C. The suspension of large bubbles near the seasurface by turbulence and their role in absorbing forward-scattered sound. IEEE Journ. of Oceanic Eng. 2013;38(4):632–641. DOI: 10.1109/JOE.2013.2257573.Deane G.B., Preisig J.C., Lavery A.C. The suspension of large bubbles near the seasurface by turbulence and their role in absorbing forward-scattered sound // IEEE Journ. of Oceanic Eng. 2013. Vol. 38, No. 4. P. 632–641. DOI: 10.1109/JOE.2013.2257573.Ainslie M., Leighton T. Review of scattering and extinction cross-sections, damping factors, and resonance frequencies of a spherical gas bubble. J. Acoust. Soc. Am. 2011;130:3184–3208.Ainslie M., Leighton T. Review of scattering and extinction cross-sections, damping factors, and resonance frequencies of a spherical gas bubble // J. Acoust. Soc. Am. 2011. Vol. 130. P. 3184–3208.Apresyan L.A. Ob odnom “paradokse” v teorii rasseyaniya. Zhurnal Tekhnicheskoi Fiziki. 2023;93(3):332–338. (In Russ.). DOI: 10.21883/JTF.2023.03.54843.254-22.Апресян Л.А. Об одном «парадоксе» в теории рассеяния // Журнал технической физики. 2023. Т. 93, Вып. 3. С. 332–338.Akulichev V.A., Bulanov V.A. Akusticheskie issledovaniya melkomasshtabnykh neodnorodnostei v morskoi srede = [Acoustic study of small-scale heterogeneities in the marine environment]. Vladivostok: TOI DVO RAN; 2017. 414 s. (In Russ.). URL: https://www.poi.dvo.ru/node/470 (date of application: April 10, 2024).Акуличев В.А., Буланов В.А. Акустические исследования мелкомасштабных неоднородностей в морской среде. Владивосток: ТОИ ДВО РАН, 2017. 414 С. URL: https://www.poi.dvo.ru/node/470 (дата обращения: 10.04.2024).Macaulay G.J., Chu D., Ona E. Field measurements of acoustic absorption in seawater from 38 to 360 kHz. J. Acoust. Soc. Am. 2020;148:100–107. DOI: 10.1121/10.0001498.Macaulay G.J., Chu D., Ona E. Field measurements of acoustic absorption in seawater from 38 to 360 kHz // J. Acoust. Soc. Am. 2020. Vol. 148. P. 100–107. DOI: 10.1121/10.0001498.Ainslie M.A. Effect of wind-generated bubbles on fixed range acoustic attenuation in shallow water at 1–4 kHz. J. Acoust. Soc. Am. 2005;118(6):3513–3523.Ainslie M.A. Effect of wind-generated bubbles on fixed range acoustic attenuation in shallow water at 1–4 kHz // J. Acoust. Soc. Am. 2005. Vol. 118, No. 6. P. 3513–3523.Liu R., Li, Z. The Effects of Bubble Scattering on Sound Propagation in Shallow Water. J. Mar. Sci. Eng. 202;9. 1441.Liu R., Li Z. The Effects of Bubble Scattering on Sound Propagation in Shallow Water // J. Mar. Sci. Eng. 2021. Vol. 9. 1441.Bulanov V.A., Bugaeva L.K., Storozhenko A.V. On sound scattering and acoustic properties of the upper layer of the sea with bubble clouds. J. Mar. Sci. Eng. 2022;10. 872.Bulanov V.A., Bugaeva L.K., Storozhenko A.V. On sound scattering and acoustic properties of the upper layer of the sea with bubble clouds // J. Mar. Sci. Eng. 2022. Vol. 10. 872.Zonenshain L.P., Murdmaa I.O., Varanov V.V., Kuznetsov A.P., Kuzin V.S., Kuz’min M.I., Avdeiko G.P., Stunzhas P.A., Lukashin V.P., Barash M.S., Valyashko G.M., Demina L.L. Podvodnyi gazovyi istochnik k zapadu ot o-va Paramushir. Okeanologiya. 1987;27(5):795–800. (In Russ.).Зоненшайн Л.П., Мурдмаа И.О., Варанов В.В., Кузнецов А.П., Кузин В.С., Кузьмин М.И., Авдейко Г.П., Стунжас П.А., Лукашин В.П., Бараш М.С., Валяшко Г.М., Демина Л.Л. Подводный газовый источник к западу от о-ва Парамушир // Океанология. 1987. Т. 27, № 5. С. 795–800.Leifer I., Judd A.G. Oceanic methane layers: the hydrocarbon seep bubble deposition hypothesis. Terra Nova. 2002;14:417–424.Leifer I., Judd A.G. Oceanic methane layers: the hydrocarbon seep bubble deposition hypothesis // Terra Nova. 2002. Vol. 14. P. 417–424.Obzhirov A.I. Istoriya otkrytiya gazogidratov v Okhotskom more. Podvodnye Issledovaniya i Robototekhnika. 2006;2:72–80. (In Russ.).Обжиров А.И. История открытия газогидратов в Охотском море // Подводные исследования и робототехника. 2006. № 2. С. 72–80.Dmitrievskii A.N., Balanyuk I.E. Gazogidraty morei i okeanov. Moscow: IRTS Gazprom; 2009. 416 s. (In Russ.).Дмитриевский А.Н., Баланюк И.Е. Газогидраты морей и океанов. М.: ИРЦ Газпром, 2009. 416 с.Salomatin A.S., Yusupov V.I., Vereshchagina O.F., Chernykh D.V. Akusticheskaya otsenka kontsentratsii metana v vodnoi tolshche v oblastyakh ego puzyr‘kovoi razgruzki. Akust. Zhurn. 2014;60(6):636–644. (In Russ.).Саломатин А.С., Юсупов В.И., Верещагина О.Ф., Черных Д.В. Акустическая оценка концентрации метана в водной толще в областях его пузырьковой разгрузки // Акуст. журн. 2014. Т. 60, № 6. С. 636–644Weidner E., Weber T.C., Mayer L., Jakobsson M., Chernykh D., Semiletov I. A wideband acoustic method for direct assessment of bubble-mediated methane flux. Cont. Shelf Res. 2019;173:104–115.Weidner E., Weber T.C., Mayer L., Jakobsson M., Chernykh D., Semiletov I. A wideband acoustic method for direct assessment of bubble-mediated methane flux // Cont. Shelf Res. 2019. Vol. 173. P. 104–115.Bulanov V.A., Valitov M.G., Korskov I.V., Shakirov R.B. O glubokovodnykh akusticheskikh neodnorodnostyakh v pridonnykh sloyakh v Okhotskom i Yaponskom more // Podvodnye Issledovaniya i Robototekhnika. 2022;41(3):67–78. (In Russ.).Буланов В.А., Валитов М.Г., Корсков И.В., Шакиров Р.Б. о глубоководных акустических неоднородностях в придонных слоях в Охотском и Японском море // Подводные исследования и робототехника. 2022. № 3 (41). С. 67–78.Salomatin A.S., Yusupov V.I. Acoustic investigations of gas “Flares” in the Sea of Okhotsk. Oceanology, 2011;51(5):857–865.Саломатин А.С., Юсупов В.И. Акустические исследования газовых «факелов» Охотского моря // Океанология. 2011. Т. 51, № 5. С. 911–919.Porter M.B., Reiss E.L. A numerical method for bottom interacting ocean acoustic normal modes. J. Acoust. Soc. Am. 1985;77:1760–1767. URL: http://oalib.hlsresearch.com/Modes/index.html (date of application: April 10, 2024).Porter M.B., Reiss E.L. A numerical method for bottom interacting ocean acoustic normal modes // J. Acoust. Soc. Am. 1985. Vol. 77. P. 1760–1767. URL: http://oalib.hlsresearch.com/Modes/index.html (date of application: April 10, 2024).