Акустический курьез

В июне 1942 года стайка небольших морских организмов привычно рыскала в темных океанских глубинах у берегов Сан-Диего в Калифорнии. Внезапно послышался какой-то странный шум, заставивший их на секунду насторожиться и прервать поиски пищи. Но поскольку ничто не указывало на близость хищников, они тут же вернулись к своему занятию, даже не подозревая, что только что озадачили ученых одним из самых невероятных парадоксов за всю историю океанологии.

Мысль о том, что неплохо было бы найти способ подслушивать и подглядывать за тем, что творится в подводном мире, впервые посетила людей тридцатью годами ранее. Крушение «Титаника» в 1912 году и Первая мировая война, доказавшая огромный боевой потенциал подводных лодок, выявили серьезный пробел в человеческих знаниях об окружающем мире. Невозможность «прощупать» океанскую толщу стала восприниматься как проблема. Чисто теоретически решение существовало, но реализовать его на практике было затруднительно. Известно, что морские звуки отражаются от объектов, имеющих иную плотность по сравнению с водной толщей (а субмарина явно попадает в эту категорию). А значит, если послать в океан акустический импульс, то он отскочит от встреченного на пути препятствия и можно будет услышать возвращенное эхо. Более того, если засечь время между отправкой сигнала и приемом эха, тем самым можно определить расстояние до препятствия. В случае со звуком проделать это намного проще, чем со светом, благо звук распространяется под водой сравнительно медленно – быстрее, чем в воздухе, но все-таки измерить его скорость вполне реально^[166]. К началу Второй мировой войны в арсенале инженеров и ученых уже имелось соответствующее оборудование (примитивные гидролокаторы, или эхолоты), однако задача оказалась куда более каверзной, чем можно было подумать. Люди посылали звуковой сигнал в неведомые океанские пучины и пытались расшифровать отклик. Но ведь источниками эха могут быть не только подводные лодки…

В 1942 году трое ученых – Карл Эйринг, Ральф Кристенсен и Рассел Рэйтт – работали у побережья Сан-Диего на борту судна «Джеспер», построенного как яхта, но с началом войны включенного в состав американских ВМС для использования в специальных исследовательских целях. Миссия состояла в том, чтобы провести ряд экспериментов с эхолотами и оценить возможности их применения. Но вот что обескураживало: приборы как будто не могли определить истинный уровень морского дна. Какое-то неясное эхо приходило с глубины 300 метров, хотя было доподлинно известно, что глубина океана здесь составляет 1300 метров. Часто удавалось зафиксировать и реальное дно, но на всех эхограммах обязательно присутствовал и этот странный «теневой» слой. С таким же необъяснимым явлением вскоре столкнулись и другие специалисты, имевшие дело с гидролокаторами или эхолотами. Не вызывало сомнений, что отраженный сигнал исходит от какого-то подводного объекта. Это «нечто» стали обнаруживать во всех акваториях, причем всегда на глубине от 300 до 1500 метров, на порядочном расстоянии от дна. Но ведь там нет ничего твердого! Учитывая, что под невнятной пеленой могли скрываться вражеские субмарины, вопрос имел не только теоретическое значение. Гидролокаторы тем временем продолжали использоваться для других важных задач. А ученые продолжали ломать голову, понимая, что дело тут вряд ли в температуре или ином физическом свойстве морской воды. И вдруг кто-то заметил, что загадочная пелена совершает суточные вертикальные миграции: с наступлением сумерек она поднимается ближе к поверхности, а перед восходом опускается обратно. Наблюдалось это во всех географических зонах. «Ложный грунт» получил название звукорассеивающего слоя, поскольку было очевидно, что работает он, собственно, как рассеиватель акустической энергии, но природа явления оставалась неясна. Раз за разом исследователи вытаскивали из морских глубин полупустые сети: несколько случайных креветок, десяток медуз, пара мелких рыбешек. Ничего, что могло бы действовать как экран или преграда для мощной звуковой волны.

Попытки разгадать феномен «призрачного дна» стали навязчивой идеей для целого поколения гидроакустиков и особенно морских биологов: слой перемещался с такой быстротой и регулярностью, что секрет явно был связан с поведением каких-то организмов, а не просто слоя океанской толщи. Может, виной всему мелкие планктонные хищники, известные как сифонофоры? Они составляют сложную разветвленную колонию, в вершине которой находится газовый пузырь, и не исключено, что звук отражается от этого «поплавка». А может, эффект создается светящимися анчоусами, чьи плавательные пузыри играют роль акустического резонатора? Но траление по-прежнему не давало результатов. Тогда исследователи стали совершать погружения на подводных аппаратах – и тоже возвращались с пустыми руками. Всякий раз при достижении заданной глубины искомый слой оказывался неотличим от выше- и нижележащих. Иногда при подъеме к поверхности он распадался на два пласта. Иногда удавалось вычленить две или три отдельные прослойки (в зависимости от частоты звука, излучаемого эхолотом). Но, каковы бы ни были локальные вариации, приборы повсеместно фиксировали характерное суточное перемещение звукорассеивающего слоя.

Наконец океанологи убедились, что за акустический ребус ответственны рыбы.

Светящиеся анчоусы, или микто́фовые, населяют моря нашей планеты уже более 50 миллионов лет. В семейство входит около 250 видов, распространенных по всему земному шару. Это небольшие рыбки с серебристым телом размером с мизинец, крупными глазами и тонкими плавниками. Укрываясь от хищников, они держатся плотными скоплениями в толще воды. Поскольку им постоянно грозит опасность стать добычей более крупных видов, светящиеся анчоусы необычайно пугливы и при малейшем шорохе молниеносно уходят на глубину. В полном соответствии со своим названием они обладают особыми «фонариками», которые расположены правильными группами на голове и туловище и способны испускать синий, зеленый или желтоватый свет. Это обеспечивает маскировку на фоне нисходящего с поверхности света. Миктофовые – исключительно юркие создания. С миром людей они почти не контактируют, а, как и множество их соседей, просто стараются по возможности защититься от естественных врагов.

Умение быстро спрятаться – жизненно важный навык для любой маленькой рыбки, обитающей в подводном сумраке. Спору нет, ближе к поверхности лучше обстановка с кормом, но и уязвимость возрастает. Поэтому в наиболее рискованное светлое время суток миктофовые стараются затаиться в глубине, а под покровом ночи мигрируют вверх в погоне за зоопланктоном. Их плавательный пузырь при прохождении через него звуковой волны начинает резонировать, отбирая у волны акустическую энергию и затем рассеивая ее в окружающую среду. Светящиеся анчоусы не способны опередить звук, но очень чутко реагируют на любые другие раздражители и спасаются бегством, едва заметив что-нибудь подозрительное в радиусе 20 метров. Ученые потому и бились над разгадкой феномена так долго: к моменту, когда тралы достигали нужной глубины, рыб там уже давно не было. Первостепенная задача миктофовых – идеальная скрытность. В этом искусстве им нет равных. И только от звука они уйти не в состоянии.

Так и получилось, что исследователи «видели» эти организмы по показаниям приборов, но не догадывались, с чем имеют дело. Физики и биологи во все глаза смотрели на записи эхолотов и недоумевали. Они бесконечно спорили о причинах, выдвигали всё новые гипотезы и новые опровержения. И лишь в середине 1960-х годов картина стала проясняться. Сегодня установлено, что именно плотные скопления светящихся анчоусов – основной компонент глубоководного звукорассеивающего слоя, но из-за пугливости этих существ ученым долго не удавалось их обнаружить. Миллионы крошечных плавательных пузырей служат мощной акустической преградой: биология в некотором смысле дает фору физике^[167]. Определенный вклад в создание описанного эффекта вносят и другие животные. Если слоев два и более, они чаще всего образованы несколькими автономными видами. Любые массовые организмы, совершающие вертикальные миграции с глубины порядка 1000 метров к солнечному свету, выступают связующим звеном между экосистемами поверхностных и глубоководных слоев, играя роль своеобразного лифта для доставки питательных веществ.

Итак, живой звукорассеивающий слой, опускающийся и поднимающийся по суточному графику, есть повсеместно. Хотя это явление составляет одну из важнейших биологических особенностей Мирового океана, обнаружить его удалось далеко не сразу – и только благодаря звуковым эффектам. Если бы ученые полагались исключительно на траловые уловы и собственное зрение, мы, возможно, до сих пор не подозревали бы о существовании такого количества светящихся анчоусов. Целый пласт подводной фауны оставался неизвестным, пока исследователи не воспользовались правильным «посредником». Гидроакустические методы дали нам ключ к сокровищнице новых знаний об океане. Однако у нас никогда не было возможности изучать акустику океана в ее первозданном виде: люди начали сами производить подводные шумы задолго до того, как научились их улавливать. Конечно, они их даже не замечали, ведь человек к этим звукам нечувствителен. Чего не сказать о морских обитателях.