«Очень вам завидую, но рад, что меня с вами нет»

В январе 1991 года, когда началась операция «Буря в пустыне», взгляды всего мира были прикованы к Ираку, Кувейту и США. В новостях только и говорили что о Войне в заливе, и мало кто обратил внимание на важное событие в мире науки: необычный проект, затеянный группой океанологов, решивших ни много ни мало измерить за один присест температуру всего Мирового океана. В тот момент, когда на Ирак стали падать первые бомбы, два корабля ВМС США, находившихся в 10 000 километрах от района боевых действий, взяли курс в открытое море, прочь от человеческой цивилизации. Пунктом назначения было одно из самых отдаленных и неприветливых мест на Земле – оледенелый вулканический остров Херд, торчащий посреди океана в 1600 километрах от Антарктиды, примерно на одинаковом расстоянии между Южной Африкой и Австралией. Климат здесь холодный и суровый, а единственным средством связи с «большой землей» служили трескучие телефонные линии и пара факс-аппаратов^[170]. Глобальная задача проекта заключалась в оценке температуры океана, но для ее решения требовалось ответить на вполне конкретный вопрос по поводу звука: можно ли передать один-единственный акустический сигнал так, чтобы он прошел через весь океан на другой конец планеты?

Несмотря на удаленность дислокации, корабли все-таки не были полностью отрезаны от остального мира. План состоял в том, чтобы по спутниковому телефону связываться с приемными станциями и уточнять, получили ли они звуковое сообщение, посланное через водную среду. Нечто подобное было на заре электронной почты, когда пользователь отправлял письмо, а потом звонил адресату, чтобы убедиться, что оно дошло. Но в данном случае сообщение как таковое имело второстепенное значение. Исследователей в первую очередь интересовало, какие метаморфозы произойдут с акустическим импульсом во время его путешествия сквозь океанскую толщу и достигнет ли он в итоге получателя.

Хотя все мировые СМИ были заняты совсем иными сюжетами, научное сообщество внимательно следило за работой коллег. Почти ежедневно экипаж рассылал по факсу в разные уголки земного шара 2–3-страничный информационный бюллетень Heard Island Science Daily, извещая о своем местоположении, встречах с морскими млекопитающими и ходе проекта. В самом начале эксперимента прославленный американский океанолог и климатолог Роджер Ревелл, которому тогда был 81 год, отправил находившимся на борту исследователям факс такого содержания: «С УВЛЕЧЕНИЕМ ЧИТАЮ ВАШИ ПОСЛАНИЯ С КРАЯ СВЕТА. ОЧЕНЬ ВАМ ЗАВИДУЮ, НО РАД, ЧТО МЕНЯ С ВАМИ НЕТ». Впрочем, участников мало заботило, куда обращены взоры всего мира. Главным для них было, чтобы мир навострил уши. И действительно, приемные станции за тысячи километров от места базирования кораблей уже приготовились внимать их сигналам.

Эксперимент, о котором идет речь, получил название HIFT (The Heard Island Feasibility Test, «Проверка осуществимости акустических коммуникаций от острова Херд») и опирался на три базовых принципа. Во-первых, в тот период остро встала проблема антропогенного изменения климата и активно обсуждались возможные методы мониторинга глобального потепления. Одна из перспективных идей состояла в том, чтобы попытаться определить среднюю температуру океана: если Земля и правда нагревается, то разумно предположить, что значительная часть избыточной тепловой энергии оседает в водной оболочке планеты. В сущности, ученые хотели изобрести своего рода глобальный океанический термометр.

Второй принцип восходил к эксперименту 1960 года, когда в научных целях американские и австралийские корабли осуществили серию мощных подводных взрывов недалеко от города Перт, в Австралии. Звук от взрывов был зарегистрирован гидрофонами (чувствительными подводными микрофонами) на другом конце света – около Бермудских островов, то есть в 19 820 километрах от источника! Чтобы пересечь южную часть Тихого океана и затем пройти по диагонали через всю Атлантику до Бермуд, сигналу понадобилось примерно три часа и сорок три минуты. Океанологов этот результат несколько удивил: вопреки ожиданиям, звуковая волна явно шла от источника к приемнику не по прямой линии. Очевидно, сам океан скорректировал траекторию движения сигнала, а может, создал для него даже не одну, а несколько траекторий. Это натолкнуло ученых на мысль, что, анализируя пути и время прохождения подводных акустических сигналов, можно будет изучать динамику океанских недр.

Но особое значение имел третий принцип, а именно эффект, за счет которого акустические импульсы в морской воде способны распространяться на такие умопомрачительные расстояния, обходя буквально полсвета. Как было установлено еще в 1940-е годы, невидимая глазу внутренняя структура океанской толщи – отчетливо выраженные слои, отличающиеся температурой и давлением, – создает своеобразные акустические заграждения и как бы загоняет звук в трубу, что формирует благоприятные условия для его путешествий на сверхдальние дистанции. Иначе говоря, сам океан действует как волновод, в котором низкочастотные сигналы могут передаваться на огромные расстояния с минимумом потерь. Этот звуковой канал – любопытнейший феномен природы, который особенно впечатляет по контрасту с проводимостью электромагнитных (световых) волн. Как было показано в начале главы, даже самые «агрессивные» радиоволны сверхнизких частот не способны пробиться сквозь океанскую толщу более чем на сотню метров. А звук той же частоты (порядка 60 Гц) беспрепятственно мчится по скоростной подводной трассе и пробегает, почти не затухая, десятки тысяч километров. Стало быть, людям, заинтересованным в сверхдальних акустических коммуникациях через водную среду, крупно повезло: в океане имеется готовая встроенная система для такого способа связи.

Давайте совершим мысленное погружение в воды Атлантического океана. Наверху ярко сияет солнце. Играя на беспокойной глади, оно разбрасывает во все стороны ослепительные блики, а набегающие волны пенятся белой бахромой. Но стоит удалиться от поверхности всего на несколько метров, и краски начнут стремительно гаснуть. Первым делом, как мы помним, исчезают красные и зеленые лучи, и вот уже вокруг сплошная сине-фиолетовая дымка, постепенно сгущающаяся в черноту. Водная толща поглотила свет, преобразовав его в тепло, поэтому поверхностный слой имеет очень комфортную температуру: около 28 °C. Это уже знакомый нам «перемешанный слой» – сравнительно тонкое защитное одеяло океана. С ростом глубины интенсивность освещения неуклонно убывает, но вода остается теплой. Слой полностью оправдывает свое название: под действием ветра он непрерывно перемешивается, что и обеспечивает его однородность по температуре. Хотя до нижней границы перемешанного слоя доходит лишь малая доля светового потока, вода и тут хорошо прогрета, поскольку регулярно перемешивается с вышележащими массами. Перелом происходит на глубине порядка 80 метров (чуть меньше высоты знаменитой часовой башни с колоколом Биг-Бен в Лондоне). Мы достигли предела перемешанного слоя. Меркнут последние отблески солнца, и характер океана ощутимо меняется. Температура воды с глубиной резко падает. Продолжим наш спуск в холодную пучину, пока не окажемся в 800 метрах от поверхности. Здесь царит непроглядная тьма, изредка прорезаемая биолюминесцентными вспышками. Вот мы и добрались до океанских недр.

На этой глубине можно заметить нечто новое: скорость звука изменилась. Причина в том, что теплая вода передает звуковые волны быстрее, чем холодная. В поверхностном слое, где океан прогрет до 28 °C, акустический сигнал распространялся со скоростью 1542 метра в секунду; а здесь температура всего 10 °C, и скорость падает до 1504 метров в секунду, то есть уменьшается на 2,5 %. Разница как будто небольшая, но с точки зрения прохождения звука принципиальная. Дело в том, что в зонах температурного перепада складываются совершенно особые условия для канализации звука, причем именно за счет изменения скорости. Представьте себе цепочку людей, которые, держась за руки, шагают вперед в одном темпе, – вся шеренга тогда будет дружно двигаться в одном направлении. Но случись, что люди в правой части решат идти быстрее, и цепочку станет заносить влево. То же происходит с акустическим сигналом. Если позвонить в колокол на глубине, где мы сейчас находимся (800 метров), и понаблюдать за поведением звуковой волны, то мы увидим, что верхушка норовит опередить нижнюю область. В результате волна начинает загибаться и сворачивает вниз. Другими словами, звуковые волны на этой глубине как бы «уклоняются» от поверхностного слоя океана, где скорость звука выше.

Продолжим наш спуск в океанскую бездну и посмотрим, как будет проявлять себя звук. По мере погружения мы непременно заметим характерный эффект сжатия: водная толща буквально давит на нас своим весом, и с глубиной давление увеличивается. Но ведь давление тоже влияет на скорость звука! Поэтому примерно в 2000 метрах от поверхности мы заметим, что эта скорость – при стабильной температуре – вновь вышла на прежний уровень и составляет 1542 метра в секунду. Как видим, теперь ситуация обратная: в более глубоком слое океана звук движется быстрее, чем в вышележащем. Соответственно, звуковая волна совершает маневр с точностью до наоборот: загибается обратно вверх, пока не достигнет теплого поверхностного слоя, после чего цикл повторится.

Не нуждаясь ни в каких особых «отражательных экранах», океан умело загоняет звук в ловушку. Внутренняя структура самой водной толщи создает горизонтальный акустический коридор, внутри которого и распространяются, не выходя за его границы, звуковые волны. Осью коридора служит глубина, на которой скорость звука достигает минимума: выше этой глубины скорость звука растет за счет роста температуры, а ниже – из-за увеличивающегося давления. Как правило, ось лежит на глубине порядка 1000 метров, хотя может находиться и ближе к поверхности. Если поместить на эту глубину источник звука и начать посылать вдоль оси сигналы, то акустические волны будут выходить под небольшими углами к оси, многократно ее пересекая и всякий раз к ней возвращаясь, не в силах вырваться за пределы узкого коридора. Данное явление получило название подводного звукового канала, или SOFAR^[171], что расшифровывается как sound fixing, ranging channel, «звуковая пеленгация и локация». Вот что бывает, когда за разработку терминологии берутся серьезные люди^[172]. Практическая польза удивительного подводного волновода несомненна. Звуковая энергия, концентрируясь вдоль оси канала, не рассеивается и не поглощается толщей вод, а, будучи как бы зажата в трубе, почти без затухания переносится на огромные расстояния. Сама природа создает в морской пучине потайной акустический туннель, который может залегать на разной глубине в зависимости от характеристик океана.

Таков был научный контекст, в котором рождался эксперимент HIFT. И тут вновь отличился уже знакомый нам океанолог Уолтер Манк, неистощимый на смелые выдумки и всегда готовый выдвинуть очередную нестандартную, рискованную идею. Он предположил, что, используя феномен сверхдальней проводимости звука, можно «одним махом» отслеживать средние значения множества самых разных свойств океана, не измеряя их по отдельности. Когда подводный акустический сигнал передается через акваторию протяженностью в десятки тысяч километров, то звук, воспринимаемый на другом конце, сразу дает «слепок» состояния океана в глобальном масштабе: все локальные вариации неизбежно сглаживаются. А скорость звука, как сказано, напрямую зависит от температуры среды. Выходит, если, посылая звук на приемные станции в отдаленных частях планеты, мы сумеем с достаточной точностью^[173] измерить разницу во времени прихода сигнала, это позволит нам определить среднюю температуру Мирового океана и в дальнейшем осуществлять долгосрочный мониторинг климатических тенденций. Если океан действительно нагревается, то звуковые волны будут с каждым годом распространяться все быстрее, то есть достигать станций за более короткое время. Попросту говоря, замысел Манка состоял в том, чтобы использовать акустику для оценки эффектов глобального потепления.

Идея казалась привлекательной, только вот насколько осуществимой?.. Выяснить это можно было только одним способом: опробовать на практике. К участию в проекте привлекли большую команду специалистов, убедили командование американских ВМС выделить подходящий корабль и приступили к планированию эксперимента. Когда подготовка вступила в активную фазу, многие страны добровольно вызвались предоставить глубоководные приемные станции в подконтрольных им районах океана. Наконец в январе 1991 года оснащенное мощными звуковыми генераторами судно Cory Chouest отплыло от берегов Австралии. Руководителем основной научной группы был назначен Манк. На борту второго корабля, Amy Chouest, находились биологи, отвечавшие за наблюдение за китами и дельфинами: в случае малейших признаков вредного влияния на морских млекопитающих эксперимент требовалось немедленно прекратить^[174]. Место у острова Херд выбрали по двум причинам. Во-первых, отсюда удобно было передавать сигналы по сверхдлинным акустическим трассам через бассейны сразу трех океанов: Атлантического, Тихого и Индийского. Во-вторых, подводный звуковой канал в этой субантарктической зоне подходит сравнительно близко к поверхности.

Звук, который предстояло транслировать, был достаточно сложным – не чета банальному грохоту от взрывов близ Перта в 1960 году. На борту Cory Chouest имелся десяток мощных подводных «громкоговорителей» размером с телефонную будку, каждый из которых был настроен на излучение кодированных акустических сигналов частотой 57 Гц (примерно на октаву выше самой низкой ноты на стандартном фортепиано). Характеристики импульсов тщательно выверялись, чтобы обеспечить высокую информативность сигнала. Никто не мог заранее сказать, насколько далеко сможет пройти звук^[175], но за день до начала испытаний инженеры решили спросить у Манка: а нельзя ли на пять минут включить генераторы, чтобы проверить их исправность? Добро было получено, а несколько часов спустя с Бермудских островов пришел недоуменный факс. Коллеги на приемной станции зафиксировали акустические импульсы и не поняли, что это за сигналы к ним поступают раньше времени. Итак, ответ на первый вопрос проекта – о принципиальной возможности передавать искусственно сгенерированный звук на сверхдальние расстояния – был получен еще до официального начала эксперимента. Наконец 26 января эксперимент стартовал по всей форме. Сигналы генераторов, попав в подводный звуковой канал, неслись по акустическим магистралям океана, пока через несколько часов их не перехватывали на далеких континентах. «Вестники» разлетались по разным уголкам земного шара, и вопрос теперь заключался лишь в том, много ли информации они сумеют доставить.

Результаты воодушевляли. Далекие береговые станции одна за другой отзванивались и подтверждали успешный прием сигнала. Бермуды, Новая Шотландия, штат Вашингтон, остров Вознесения… Радости ученых не было предела: остров Херд услышали по всему миру. Но вскоре восторг омрачился новостью о выходе из строя одного из генераторов. Потом отказал другой, затем третий. Ненастная штормовая погода, характерная для этих суровых краев, явно давала о себе знать. Мастера круглосуточно занимались ремонтом этой и другой аппаратуры, но климат оказался сильнее. В последнем номере бюллетеня Heard Island Science Daily от 31 января появился нарисованный от руки шуточный график, отражавший плачевную динамику поломки генераторов как функцию от времени. Вскоре не осталось ни одного исправного, и эксперимент пришлось свернуть на четыре дня раньше срока. И все-таки главное было сделано. Звук, обойдя полсвета, за редким исключением благополучно достигал станций. Конечно, еще предстояло «разобрать по косточкам» принятые сигналы и в деталях проанализировать их траекторию, но не вызывало сомнений, что ценной информации в них масса. Итак, звук доходил, причем с минимумом помех. А это означало, что, измеряя время его путешествия до разных точек, можно будет отслеживать изменчивость средней температуры океана.

Участники эксперимента рассчитывали, что их наработки вот-вот выльются в развертывание общемировой системы источников и приемников, позволяющей изучать, как от года к году меняется скорость распространения звука на больших акваториях, то есть проводить климатическую «диагностику» океана. Однако надежды пошли прахом. Во-первых, сохранялись опасения по поводу неблагоприятных последствий для китов и других морских млекопитающих. Во-вторых, трудно было создать надежные подводные генераторы, способные излучать звуковые сигналы нужной частоты. Амбициозные планы по температурному мониторингу океана с помощью этой методологии так и остались неосуществленными.

Но развитие науки часто идет по спирали, и в последние годы случилась реинкарнация исходной идеи. Привлекательность новой версии в том, что она обходит обе названные проблемы. Как пишут авторы одного недавнего исследования, зачем нам громкие искусственные сигналы, когда для той же цели можно использовать шумы, которые регулярно производит сама природа: подводный грохот далеких землетрясений. Речь идет о том, чтобы регистрировать землетрясения и засекать время прохождения соответствующих звуков в разные точки планеты. Теоретически это должно дать ключ к динамике потепления океана. Не исключено даже, что гидроакустики научатся применять тот же способ для анализа ретроспективных данных о сейсмических шумах и тем самым смогут восстановить температурную картину океана в недавнем прошлом. И как знать, быть может, однажды эта «сейсмическая термометрия» станет общепринятым научным методом.