Прошлый материал был про инфразвук в воздухе — про органные стопы с трубой в 18 метров, разностные тоны, которых в воздухе не возникает, и басовые ноты рояля, у которых основного тона физически нет. В конце осталась нераскрученной одна нитка: океанские киты, чей инфразвук идёт тысячи километров без потерь. Отговорка была «там своя физика», и это была честная отговорка ровно до того момента, когда я решил в эту физику залезть.
Дело оказалось в одном конкретном слое воды на глубине около километра, который ведёт себя как труба. Его открыли дважды и почти одновременно две враждующие страны, придумали не для флота, а для спасения сбитых лётчиков, использовали для слежки за подлодками, и до сих пор он служит детектором ядерных взрывов. А ещё через него слышно айсберги и одного кита, поющего не в той тональности.
Скорость звука в морской воде зависит от двух вещей, и они тянут в разные стороны. От температуры: в тёплой воде звук идёт быстрее, а температура с глубиной падает — значит, вниз звук должен замедляться. От давления: с глубиной оно растёт, и звук снова ускоряется. Между этими двумя механизмами есть точка, где скорость минимальна. Глубина этой точки — и есть ось звукового канала.
В тёплых водах ось лежит на 750–1000 метрах, в заливе Аляски — всего на 100–200 метрах, у северного берега Кауаи — номинально на 800. Дальше включается геометрия. Луч, ушедший от оси вверх, попадает в более тёплую воду, ускоряется и изгибается обратно вниз; луч, ушедший вниз, ускоряется на давлении и изгибается вверх. Ничего не отражается от поверхности или дна — звук просто не может уйти: его разворачивают обратно градиенты. Энергия заперта в горизонтальном слое и расходится не сферически, а ближе к цилиндрической волне, поэтому теряет на порядки меньше.
NOAA объясняет это слоение через салатную заправку: масло с уксусом в невстряхнутом соусе, только в роли масла — тёплая и менее солёная вода. Метафора рабочая, но масштаб она прячет. На дистанции 5000 километров звук идёт почти час. И приходит.
Первое применение глубокого канала, которое рассматривали всерьёз, — спасение лётчиков, упавших в море. Замысел был изящный: пилот сбрасывает в воду небольшой заряд, три или больше гидрофонов на оси канала, разнесённых по горизонтали, триангулируют вспышку. Система получила имя SOFAR — SOund Fixing And Ranging. Станции построили. По прямому назначению они не применялись ни разу — вместо этого стали площадками для исследований звука и шума.
Канал открыли дважды и почти одновременно. Морис Юинг и Дж. Ламар Уорзел в Колумбийском университете, Леонид Бреховских в СССР, работавший со взрывами в Японском море. Юинг и Уорзел в 1944-м подвесили гидрофон с парусного судна, а второе судно ставило заряды на дистанции до 900 морских миль. Раньше, на Багамах, фунт тротила услышали в 2000 милях у Западной Африки. Цитата из первого отчёта: конец передачи в канале был «настолько резким, что его невозможно было пропустить даже самому неумелому наблюдателю».
Дальше всё решила война, которая к тому времени уже заканчивалась. К концу её в Атлантике топили 4733 союзных судна, немцы потеряли 966 лодок, а последним аргументом немцев стал шноркель — дизельная лодка под перископом с заявленной дальностью 20 000 миль. Против неё низкочастотный звук подходил идеально: лодка излучает узкие линии в районе 25–200 Гц, а узкополосный анализ вытягивает их из шума.
В октябре 1950-го адмирал Шерман распорядился начать с Bell Labs работу по низкочастотному сонару. Контракт с Western Electric — один миллион долларов. Проект назвали Jezebel, анализатор — LOFAR, полоса анализа 1,5 герца, реальное время; первый рабочий макет сдали в мае 1951-го. В июле 1951-го на Багамах поставили шесть гидрофонов. В апреле 1952-го группа адмиралов приехала смотреть «лофарграммы»: подлодку попросили менять курс, скорость и глубину, но адмиралы не стали ждать результатов — они уже видели записи и уехали в Вашингтон запускать следующий этап.
В июне 1952-го заказали шесть станций, в сентябре — уже девять, в 1954-м добавили ещё десять, шесть из них на западном побережье США. И тогда же система впервые получила имя, под которым известна до сих пор: SOSUS, SOund SUrveillance System. От отчёта комитета до первой операционной станции — меньше четырёх лет. Для проекта масштаба трансатлантической кабельной сети это неприлично быстро.
Самая показательная история про SOSUS — та, где он не сработал.
11 марта 1968 года в северо-западной Пацифике погибла советская подлодка K-129 класса GOLF II с 98 людьми на борту. Звуки её гибели зафиксировали донные гидрофоны системы AFTAC — военно-воздушной службы, созданной для регистрации ядерных взрывов, а не для слежки за флотом. Крупнейшая в мире гидроакустическая сеть, выстроенная именно под эту задачу, промолчала. Об этом прямо пишут в Proceedings Военно-морского института США.
По временам прихода сигналов на разнесённые датчики к маю 1968-го вычислили координаты около 40°06'N 179°57'E. Реконструкция 2008 года по тем же записям дала хронологию: три взрыва внутри прочного корпуса, первый — за 62 секунды до расчётного пуска ракеты, длительность сигнала 1,5 секунды, энергия порядка 10 фунтов тротила. Дальше в закрытых шахтах загорелись две ракеты R-21, и система управления отработала ещё 8 минут 36 секунд после того, как экипаж, судя по всему, уже погиб.
Советский поиск — лодки, корабли, авиация — не нашёл ничего. Американцы нашли. Через пять с половиной лет после гибели CIA начала Project Azorian: подъём части лодки с глубины 16 400 футов, примерно 5000 метров. Предыдущий рекорд подъёма составлял 245 футов, с этой разницей и надо соразмерять масштаб затеи. Прикрытием была добыча марганцевых конкреций под именем Говарда Хьюза.
Судно вышло на позицию 4 июля 1974 года, и рядом тут же появился советский разведывательный корабль. Он смотрел, как идёт «добыча», и не увидел ничего странного. В декабре того же года советский военно-морской атташе на приёме в Бетесде сказал американскому офицеру, что им всё известно, и добавил: «если вы вернётесь туда, это будет означать войну». К тому моменту американская пресса уже полгода работала с этой историей — утечка шла из полиции Лос-Анджелеса и ФБР, а не от шпионов.
Идея мерить климат звуком родилась из арифметической неувязки, которую никто не хотел замечать двенадцать лет.
В 1960 году серия взрывов у Перта, в Австралии, была зафиксирована гидрофонами на Бермудах — примерно 19 820 километров, почти через половину планеты. Результат вошёл в литературу как триумф прямого пути по большому кругу. В 1988-м Уолтер Манк с коллегами построил набор рефрагированных геодезических лучей из точки взрыва и получил неприятное: северо-южный градиент температуры, связанный с Антарктическим циркумполярным течением, отклоняет лучи настолько, что до Бермуд они не доходят. Остров лежит в геометрической тени. Манк сам это и написал — неясно, какой процесс рассеяния закачал энергию в теневую зону в количестве, достаточном, чтобы взрывы услышали. Классический результат задним числом оказался везением.
Манк вывел из этого мысль про климат, а не про акустику. Океан поглощает основную часть тепла атмосферы и потому медленнее и честнее реагирует на потепление, чем воздух. Потепление океана на глубине 1000 метров ожидается порядка 0,005 °C в год — измерить такое термометром с борта судна почти невозможно, а через время пробега звука можно: в тёплой воде звук идёт быстрее, и сигнал Гавайи — Калифорния придёт раньше, если вода между ними нагрелась.
В 1991-м провели эксперимент у острова Херд: акустический источник на судне с шахтой в днище передал кодированные сигналы на 57 герцах и 215 децибелах, и их поймали во всех океанских бассейнах мира, от Калифорнии до Бермуд. Тридцать пять тестов, приём — на уже рассекреченных массивах SOSUS. Точность, которая в итоге получилась, лучше ожиданий: время прихода измеряется с точностью 20–30 миллисекунд на дистанциях 3000–5000 км, что даёт среднюю по пути и глубине температуру с точностью ±0,006 °C. Опасение, что внутренние волны размажут сигнал в кашу, не подтвердилось.
Дальше была ATOC — двухлетняя программа, которая должна была начаться весной 1994 года с бюджетом 35 миллионов долларов. Началась она с писем в Конгресс.
В феврале 1994-го, за несколько недель до ожидаемого разрешения от Национальной службы морского рыболовства, двое специалистов по кашалотам из Университета Далхаузи опубликовали в интернете сообщение о том, что передачи могут оглушить китов. Science News позже отметил, что они переоценили потенциал повреждения, но газеты уже процитировали. Второй источник скандала был лингвистический: в заявке на разрешение фигурировал термин «take» — юридическое «изъятие», описывающее диапазон от гибели животного до едва заметной смены поведения. Критики прочитали его как «убить».
Сам сигнал был скромнее, чем его репутация: 75 герц и 195 децибел, по описанию Science News — громкость сирены скорой помощи на высоте самых низких нот виолончели, по 20 минут каждые четыре часа. Десять процентов бюджета отдали на биологический мониторинг. Источники на подводной горе Пайонир и севернее Кауаи отработали до 1998 и 1999 года, приём вели те же массивы SOSUS, плюс приёмник у Новой Зеландии, плюс российские учёные на донном приёмнике у Камчатки. Явных изменений в поведении и распределении морских млекопитающих не нашли; из статистики вылезли слабые сдвиги горбачей от источника, а также неожиданный результат — при воспроизведении звуков киты стали дольше держаться у поверхности и дольше нырять, что противоречит простой модели «стресс → подальше от громкого».
Сегодня канал работает на организацию, к звуку отношения не имеющую: CTBTO ловит через него ядерные взрывы. В сети Международной системы мониторинга 337 объектов, из них 11 гидроакустических станций — шесть гидрофонных и пять T-фазных, сейсмометров на островах, которые слышат звук в момент выхода на берег. Гидрофонная станция обычно состоит из двух триплетов, подвешенных в канале к северу и югу от острова; исключение — станция на мысе Лиуин в Австралии, у неё триплет только один, к западу.
Самая внятная демонстрация возможностей этих станций — пропавшая подлодка San Juan. 15 ноября 2017 года она исчезла примерно в 600 км восточнее Комодоро-Ривадавия, передав последнее сообщение около 10:30 UTC. Две гидрофонные станции — одна на острове Вознесения в Атлантике, вторая на островах Крозе в Индийском океане — записали короткий широкополосный сигнал неизвестной природы, пришедший из района последнего известного положения лодки.
Через две недели аргентинские ВМС сбросили в океан калибровочный заряд, чтобы проверить возможности станций на точке с известными координатами. Взрыв услышали обе, и положение источника определили с точностью до 39 километров от объявленной точки сброса. 17 ноября 2018 года подлодку нашли на дне на глубине 900 метров — менее чем в 20 километрах от точки, которую дал CTBTO по ноябрьскому сигналу.
С MH370 так не вышло, и это тоже стоит держать в голове как меру метода. В официальном узком временном окне в направлении «седьмой дуги» нашёлся ровно один подходящий сигнал — на мысе Лиуин, и он не подтвердился на станции Диего-Гарсия, что ставит под вопрос его природу. Расчёт прост: 200-тонная машина на скорости 200 метров в секунду даёт кинетическую энергию небольшого землетрясения, а такие вещи гидрофоны слышат за 5000 километров. Значит, вопрос не в громкости, а в том, что чего-то в сигнале не хватало.
Отдельно от всей этой серьёзной работы канал разобрался с морским чудовищем. В 1997 году автономные гидрофоны NOAA записали в южной Пацифике звук, который слышали несколько датчиков на расстоянии более 5000 километров, и у которого за минуту росла частота. Источник грубо триангулировали к точке 50°S 100°W и назвали Bloop. Разгадка — айсберг: звук соответствует ледотрясению, что подтвердили, отслеживая айсберг A53a при разрушении у Южной Георгии в 2008-м. Легенда о гигантском существе выросла из одной оговорки исследователя NOAA: он допустил, что профиль звука похож на живое существо, но заметил, что источник «гораздо мощнее криков любого животного на Земле».
Киты пользовались этим каналом задолго до того, как его открыли люди, и один из них попал в историю случайно.
В 1989 году биологи из Вудс-Хоул услышали в северной Пацифике крик с частотой 52 герца — вдвое-втрое выше нормальных для синих и финвалов 15–25 герц. Звук повторился в 1990-м и 1991-м. А в 1992-м ВМС США частично рассекретили SOSUS и открыли записи для океанографических исследований, и тогда этого кита начали отслеживать каждый год — двенадцать сезонов подряд.
Каждый год сигнал ловили между августом и декабрём, а к январю теряли: кит шёл от берегов Калифорнии до Алеутских островов, проходя 31–69 километров в день. За сезон он покрывал от 708 километров до 11 062 километров в 2002/03. Для сравнения: обычная слежка за отдельным китом длится часы. К 2004 году частота его крика снизилась до 50 герц — как и должно быть у взрослеющего животного.
Пресса сделала из него «самого одинокого кита в мире», и это плохая метафора, потому что она противоречит данным. Единственность источника держалась на отсутствии других записей такой частоты, но с 2010-го стали спорадически находить записи второго 52-герцового кита в другом месте.
Сам океан, в котором всё это слышно, за последние полвека стал заметно громче. Росс предсказал рост фонового шума примерно на 3 децибела за декаду, и измерения это подтвердили лишь отчасти: сравнение 138 дней 2003–2004 годов с записями 1964–1966-го у острова Сан-Николас дало 10–12 децибел в диапазоне 30–50 герц, то есть те самые 2,5–3 дБ за декаду. Но выше 50 герц разница падает до 1–3 дБ, а выше 300 герц уровень 1964–1966 годов был выше современного — из-за суточного компонента, который в новых данных просто отсутствует. Что это был за звук, не знает никто.
В самых загруженных районах океана суммарный рост достигает 15–20 децибел, а дальше в игру вмешивается химия: закисление воды с pH 8,21 до 8,10 меняет поглощение звука, и океан будущего может стать шумнее сам по себе, без единого нового судна.
Про то, что это значит для тех, кто слушает, есть цифра. У североатлантического гладкого кита в заливе Стеллваген посчитали потерю коммуникационного пространства: 63–67 процентов. Исследовательница из NOAA сравнила это со слабовидящим человеком, которому надо безопасно ходить по району рядом с шумным аэропортом.