Акустические волны помогли зафиксировать падение самолета и метеорита в океан

Если учесть влияние гравитации на распространение в воде низкочастотных звуковых волн, можно определить расстояние до их источника. Международная группа математиков разработала более точную теорию этого явления, экспериментально проверила ее и применила для поиска упавших в океан объектов — метеоритов и Boeing 777 рейса MH370, который пропал в 2014 году. Статья опубликована в Scientific Reports.

Обычно при описании подводных акустических волн влиянием гравитации пренебрегают, поскольку скорость звука в воде значительно превышает фазовую скорость гравитационных волн. Однако для низкочастотных волн, образующихся в результате землетрясений, подводных взрывов или из-за падающих в воду объектов, гравитационными эффектами пренебрегать нельзя. Ранее уже предпринимались попытки теоретически исследовать это влияние и объяснить с его помощью, например, распространения цунами.

В своей работе математики разработали теоретическую модель распространения волн с учетом гравитации и нашли, как меняется с расстоянием от источника давление воды и частота сигнала. С другой стороны, можно решить обратную задачу и найти расстояние до источника, измеряя эту частоту в разные моменты времени и сравнивая, как меняется спектр. С помощью численного моделирования ученые показали, что относительная погрешность определения расстояния таким способом составляет менее 0,02 процента на расстояниях более тысячи километров.

Также ученые проверили полученную ими зависимость экспериментально, роняя в бассейн круглые шары разного размера и массы и наблюдая за спектром расходящихся от них волн. Оказалось, что измеренный спектр совпадает с теоретически предсказанным и имеет несколько ярко выраженных особенностей, отвечающих собственно падению тела в воду, кавитации и реверберации. Потом исследователи сравнили этот спектр со спектром некоторых сигналов, зарегистрированных гидроакустической станцией HA01, принадлежащей Организации Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (CTBTO), и обнаружили, что они имеют ту же форму.

Гидроакустическая станция HA01 находится недалеко от западного берега Австралии и включает в себя три микрофона, которые расположены на разной глубине (от 1400 до 1500 метров) и образуют треугольник со стороной около двух километров. Благодаря этому время регистрации пришедших волн немного отличается для разных микрофонов, что позволяет установить с помощью триангуляции примерное направление, в котором находится источник. Конечно, при таком способе неизбежно возникают ошибки, но с помощью численного моделирования (методом Монте-Карло) математики показали, что для достаточно больших расстояний (много больше стороны треугольника, то есть двух километров) погрешность определения направления составляет не более 0,4 градусов.

В ходе исследования ученые проанализировали около 18 часов записанных на станции HA01 данных и нашли несколько событий, сигналы от которых были очень похожи на предсказанные. Два события отвечали подводным землетрясениям, произошедших 28 ноября 2016 и 7 января 2017. Их эпицентры были определены ранее другими, более точными методами, и это позволило убедиться в правильности предсказаний, даваемых разработанной теорией. Также исследователи зарегистрировали третий сигнал около берегов Антарктиды, который, по их мнению, отвечает падению метеорита. Его положение они дополнительно уточнили с помощью данных станции HA08.

Кроме того, математики применили разработанный ими подход к поиску печально известного малайзийского Боинга MH370. Для этого они более пристально изучили данные станции HA01 за 8 марта 2014 года (день, когда самолет пропал с радаров). В течение промежутка между 00:00 и 2:00 UTC они зарегистрировали два сигнала, и источник одного из этих сигналов (испущенного между 01:11 и 01:16 UTC) как раз находился неподалеку от последнего известного местоположения самолета. К сожалению, из-за низкого качества определить точные координаты события не удалось, и оно может отвечать удару самолета как о воду, так и об океанское дно. Так или иначе, это немного уточняет предполагаемое место катастрофы.

Ученые надеются, что в дальнейшем разработанный ими метод позволит более оперативно и точно определять координаты падения в воду различных интересных тел (например, тех же самолетов или метеоритов).

Ранее мы писали о том, как физики разработали модульный конструктор, с помощью которого можно действовать на звуковую волну и формировать голограмму.

Дмитрий Трунин