Акустичні хвилі допомогли зафіксувати падіння літака і метеорита в океан

Якщо врахувати вплив гравітації на поширення у воді низькочастотних звукових хвиль, можна визначити відстань до їх джерела. Міжнародна група математиків розробила більш точну теорію цього явища, експериментально перевірила її і застосувала для пошуку впали в океан об'єктів - метеоритів і Boeing 777 рейсу MH370, який зник у 2014 році. Стаття опублікована в.

Зазвичай при описі підводних акустичних хвиль впливом гравітації нехтують, оскільки швидкість звуку у воді значно перевищує фазову швидкість гравітаційних хвиль. Однак для низькочастотних хвиль, що утворюються в результаті землетрусів, підводних вибухів або через падаючі у воду об'єкти, гравітаційними ефектами нехтувати не можна. Раніше вже робилися спроби теоретично дослідити цей вплив і пояснити з його допомогою, наприклад, поширення цунамі.

У своїй роботі математики розробили теоретичну модель поширення хвиль з урахуванням гравітації і знайшли, як змінюється з відстанню від джерела тиск води і частота сигналу. З іншого боку, можна вирішити зворотне завдання і знайти відстань до джерела, вимірюючи цю частоту в різні моменти часу і порівнюючи, як змінюється спектр. За допомогою чисельного моделювання вчені показали, що відносна похибка визначення відстані таким способом становить менше 0,02 відсотка на відстанях більше тисячі кілометрів.

Також вчені перевірили отриману ними залежність експериментально, роняючи в басейн круглі кулі різного розміру і маси і спостерігаючи за спектром витратних від них хвиль. Виявилося, що вимірений спектр збігається з теоретично передбаченим і має кілька яскраво виражених особливостей, що відповідають власне падінню тіла у воду, кавітації та реверберації. Потім дослідники порівняли цей спектр зі спектром деяких сигналів, зареєстрованих гідроакустичною станцією HA01, що належить Організації Договору про всеосяжну заборону ядерних випробувань (CTBTO), і виявили, що вони мають ту ж форму.

Гідроакустична станція HA01 розташована недалеко від західного берега Австралії і включає три мікрофони, які розташовані на різній глибині (від 1400 до 1500 метрів) і утворюють трикутник зі стороною близько двох кілометрів. Завдяки цьому час реєстрації прийшли хвиль трохи відрізняється для різних мікрофонів, що дозволяє встановити за допомогою триангуляції приблизний напрямок, в якому знаходиться джерело. Звичайно, при такому способі неминуче виникають помилки, але за допомогою чисельного моделювання (методом Монте-Карло) математики показали, що для досить великих відстаней (багато більше сторони трикутника, тобто двох кілометрів) похибка визначення напрямку становить не більше 0,4 градусів.

Під час дослідження вчені проаналізували близько 18 годин записаних на станції HA01 даних і знайшли кілька подій, сигнали від яких були дуже схожі на передбачені. Дві події відповідали підводним землетрусам, що сталися 28 листопада 2016 і 7 січня 2017. Їх епіцентри були визначені раніше іншими, більш точними методами, і це дозволило переконатися в правильності передбачень, що даються розробленою теорією. Також дослідники зареєстрували третій сигнал біля берегів Антарктиди, який, на їхню думку, відповідає падінню метеорита. Його положення вони додатково уточнили за допомогою даних станції HA08.

Крім того, математики застосували розроблений ними підхід до пошуку сумнозвісного малайзійського Боїнга MH370. Для цього вони більш пильно вивчили дані станції HA01 за 8 березня 2014 року (день, коли літак зник з радарів). Протягом проміжку між 00:00 і 2:00 UTC вони зареєстрували два сигнали, і джерело одного з цих сигналів (випущеного між 01:11 і 01:16 UTC) саме знаходився неподалік від останнього відомого місця розташування літака. На жаль, через низьку якість визначити точні координати події не вдалося, і вона може відповідати удару літака як об воду, так і об океанське дно. Так чи інакше, це трохи уточнює передбачуване місце катастрофи.

Вчені сподіваються, що надалі розроблений ними метод дозволить більш оперативно і точно визначати координати падіння у воду різних цікавих тіл (наприклад, тих же літаків або метеоритів).

Раніше ми писали про те, як фізики розробили модульний конструктор, за допомогою якого можна діяти на звукову хвилю і формувати голограму.