Океанска звучна томографија

Западниот северен Атлантик ги прикажува локациите на два експерименти кои користеле океанска акустична томографија. AMODE, „Експеримент за акустична динамика на средината на океанот“ (1990-1991), бил дизајниран да ја проучува динамиката на океанот во област оддалечена од Голфската струја, а SYNOP (1988-99) бил дизајниран за синоптички да ги мери аспектите на Голфската струја. Боите покажуваат слика од брзината на звукот на 300 метарs (980 ст) длабочина добиена од нумерички океански модел со висока резолуција. Една од клучните мотиви за примена на томографијата е тоа што мерењата даваат просеци над турбулентниот океан.

Океанска звучна томографија — техника која се користи за мерење на температурите и струите на големите региони на океанот.^[1][2] На скалите на океанскиот слив, оваа техника е позната и како звучна топломерија. Техниката се потпира на прецизно мерење на времето потребно за звучните сигнали за патување помеѓу два инструменти, еден звучен извор и еден приемник, разделени со опсег од 100 до 5,000 километри. Ако локациите на инструментите се познати прецизно, мерењето на времето на летот може да се користи за да се заклучи брзината на звукот, просечно пресметана во текот на звучната патека. Промените во брзината на звукот првенствено се предизвикани од промените во температурата на океанот, па оттука мерењето на времето на патување е еквивалентно на мерењрто на температурата. А 1 °C (1.8 °F) промената на температурата одговара на околу 4 метри во секунда промена на брзината на звукот. Океанографскиот експеримент кој користи томографија обично користи неколку парови извор-приемник во низата што ја мери површината на океанот.

Мотивација

Морската вода е електричен спроводник, така што океаните се непроѕирни за електромагнетна енергија (на пример, светлина или радар). Меѓутоа, океаните се прилично проѕирни за акустика со ниска честота. Океаните спроведуваат звук многу ефикасно, особено звукот на ниски честоти, т.е. помалку од неколку стотици херци.^[3] Овие својства ги мотивирале Валтер Манк и Карл Вунш ^[4][5] да предложат „звучна томографија“ за мерење на океаните кон крајот на 1970-тите. Предностите на звучниот пристап за мерење на температурата се двојни. Прво, големи површини од внатрешноста на океанот може да се измерат со далечинско сензорирање. Второ, техниката природно ги просекува малите флуктуации на температурата (т.е. бучавата) кои доминираат во варијабилноста на океаните.

Од својот почеток, идејата за набљудување на океанот била поврзана со проценка на состојбата на океанот користејќи модерни нумерички модели на океанот и техники за асимилирање на податоците во нумерички модели. Како што созревала техниката на набљудување, така созревале и методите на асимилација на податоците и компјутерската моќ потребна за извршување на тие пресметки.

Мултипатни пристигнувања и томографија

Ширење на патеки на звучни зраци низ океанот. Од акустичниот извор лево, патеките се прекршуваат со поголема брзина на звукот над и под каналот SOFAR, па оттука тие осцилираат околу оската на каналот. Томографијата ги користи овие „мултипатеки“ за да заклучи информации за температурните варијации како функција на длабочината. Забележете дека соодносот на сликата е многу искривен за подобро да се илустрираат зраците; максималната длабочина на фигурата е само 4,5 km, додека максималниот домет е 500 км.

Еден од интригантните аспекти на томографијата е тоа што го користи фактот дека звучните сигнали патуваат по множество од генерално стабилни патеки на зраци. Од еден пренесен звучен сигнал, оваа група зраци предизвикува повеќекратно пристигнување на приемникот, времето на патување на секое пристигнување одговара на одредена патека на зракот. Најраните пристигнувања одговараат на зраците кои патуваат подлабоко, бидејќи овие зраци патуваат таму каде што брзината на звукот е најголема. Патеките на зраците лесно се пресметуваат со помош на компјутери („следење на зраци") и секоја патека на зраци генерално може да се идентификува со одредено време на патување. Повеќекратните времиња на патување ја мерат просечната брзина на звукот на секоја од повеќекратните звучни патеки. Овие мерења овозможуваат да се заклучат аспектите на структурата на температурните или тековните варијации како функција на длабочината. Решението за брзината на звукот, па оттука и температурата, од времето на звучното патување е инверзен проблем.

Интегрирачко својство на звучните мерења со долг дострел

Океанската звучна томографија ги интегрира температурните варијации на големи растојанија, односно измерените времиња на патување произлегуваат од акумулираните ефекти од сите температурни варијации долж звучната патека, па оттука мерењата со техниката се инхерентно просечни. Ова е важно, уникатно својство, бидејќи сеприсутните турбулентни и внатрешни бранови одлики на океанот обично доминираат во сигналите при мерењата во поединечни точки. На пример, мерењата со топломери треба да се справат со оваа 1-2 °C бучава, така што се потребни голем број инструменти за да се добие точна мерка на просечната температура. Затоа, за мерење на просечната температура на подводните котлини, звучното мерење е прилично исплатливо. Томографските мерења, исто така, имаат просечна варијабилност во однос на длабочината, бидејќи патеките на зраците кружат низ водниот столб.

Реципрочна томографија

„Реципрочна томографија“ користи симултани преноси помеѓу два акустични примопредаватели. „Примопредавател“ е инструмент кој вклучува и акустичен извор и приемник. Малите разлики во времето на патување помеѓу реципрочно патувачките сигнали се користат за мерење на океанските струи, бидејќи реципрочните сигнали патуваат со и против струјата. Просекот на овие реципрочни времиња на патување е мерка за температура, при што малите ефекти од океанските струи целосно се отстранети. Температурите на океаните се заклучуваат од збирот на времињата на реципрочно патување, додека струите се заклучуваат од разликата на времињата на реципрочно патување. Општо земено, океанските струи (обично 10 сантиметри по секунда) имаат многу помал ефект врз времето на патување од варијациите на брзината на звукот (обично 5 метри по секунда), така што „еднонасочната“ томографија ја мери температурата до добра апроксимација.

Примена

Во океанот, големи температурни промени може да се случат во временски интервали од минути (внатрешни бранови) до децении (океански климатски промени). Томографијата е употребена за мерење на варијабилноста во овој широк опсег на временски скали и во широк опсег на просторни размери. Томографијата е замислена како мерење на океанската клима користејќи преноси на антиподални растојанија.^[3]

Томографијата станала вреден метод за набљудување на океаните,^[6] користејќи ги одликите на акустичното ширење на долг дострел за да се добијат синоптички мерења на просечната температура или струја на океанот. Една од најраните примени на томографијата во набљудувањето на океаните се случило во 1988-99 година. Соработката помеѓу групите во Институтот за океанографија Скрипс и океанографската институција Вудс Хол распоредила томографска низа од шест елементи во абисалната рамнина на вителот на Гренландското Море за да го проучи формирањето на длабоки води и циркулацијата на вителот.^[7][8] Други апликации вклучуваат мерење на плимата и осеката на океаните,^[9][10] и проценка на динамиката на мезоскалата на океанот со комбинирање на томографија, сателитска височина и податоци на самото место со океански динамички модели.^[11] Покрај децениските мерења добиени во Северниот Тихи Океан, звучната топломерија е употребена за мерење на температурните промени на горните слоеви на котлините на Северноледениот Океан,^[12] што продолжува да биде област од активен интерес.^[13] Звучната топломерија, исто така, неодамна била искористена за да се утврдат промените на температурите на океаните во глобално ниво користејќи податоци од акустичните импулси испратени од едниот до другиот крај на земјата.^[14][15]

Звучна топломерија

Звучната топломерија е идеја за набљудување на светските подводни котлини, а особено на океанската клима, користејќи акустични преноси преку котлината. „Топломерија“, наместо „томографија“, се користело за да се наведат мерења во слив или глобални размери. Прототип на мерења на температурата се направени во северниот тихоокеански басен и низ Северноледениот слив.^[1]

Почнувајќи од 1983 година, Џон Спизбергер од океанографската институција Вудс Хол и Тед Бирдсал и Курт Мецгер од Универзитетот во Мичиген развиле употреба на звук за да заклучат информации за големите температури на океанот, а особено да се обидат да детектираат глобално затоплување. во океанот. Оваа група пренесувала звуци од Оаху кои биле снимени на околу десет приемници стационирани околу работ на Тихиот Океан на растојанија од 4,000 километри.^[16][17] Овие експерименти покажале дека промените во температурата може да се измерат со точност од околу 20 милистепени. Спизбергери неговите соработници не откриле глобално затоплување. Наместо тоа, тие откриле дека други природни климатски флуктуации, како што е Ел Нињо, се делумно одговорни за значителни флуктуации на температурата што можеби ги прикривале сите побавни и помали трендови што можеби се појавиле од глобалното затоплување.^[18]

Програмата „Звучна топломерија на океанската клима“ (ATOC) била имплементирана во северниот дел на Тихиот Океан, со акустични преноси од 1996 година до есента 2006 година. Мерењата завршиле кога завршиле и договорените еколошки протоколи. Децениското распоредување на звучниот извор покажало дека набљудувањата се одржливи дури и со скромен буџет. Преносите се потврдени за да обезбедат точно мерење на температурата на океаните на акустичните патеки, со несигурности кои се далеку помали од кој било друг пристап за мерење на температурата на океанот.^[19][20]

Повторливите земјотреси кои дејствуваат како природни акустични извори исто така се користени во звучна топломерија, што може да биде особено корисно за заклучување на температурната варијабилност во длабокиот океан кој во моментов е слабо земен од инструментите на самото место.^[21]

Звучни преноси и морски цицачи

Проектот ATOC бил вклучен во прашања во врска со ефектите на акустиката врз морските цицачи (на пр. китови, морски лавови, итн.).^[22][23][24] Јавната дискусија била комплицирана од технички прашања од различни дисциплини (физичка океанографија, акустика, биологија на морски цицачи итн.) што го отежнува разбирањето на ефектите на акустиката врз морските цицачи за експертите, а камоли за пошироката јавност. Многу од прашањата во врска со акустиката во океанот и нивните ефекти врз морските цицачи биле непознати. Конечно, првично постоеле различни јавни заблуди, како што е конфузијата на дефиницијата за нивото на звук во воздухот наспроти нивото на звук во водата. Ако даден број на децибели во водата се толкуваат како децибели во воздухот, нивото на звукот ќе изгледа како да е поголемо од она што навистина е - во еден момент звучните нивоа на ATOC биле погрешно интерпретирани како толку гласни што сигналите би убиле 500.000 животни.^[5][25] Употребената звучна моќност, 250 W, била споредлива со оние направени од сини или перки китови,^[24] иако тие китови вокализираат на многу пониски честоти. Океанот носи звук толку ефикасно што звуците не мора да бидат толку гласни за да ги преминат подводните котлини. Други фактори во контроверзноста биле обемната историја на активизам во однос на морските цицачи, кои произлегуваат од тековниот конфликт со китови, и сочувството што голем дел од јавноста го чувствува кон морските цицачи.^[25]

Како резултат на оваа контроверзност, програмата ATOC спровела студија од 6 милиони долари за ефектите од акустичните преноси врз различни морски цицачи. Акустичниот извор бил поставен на дното длабоко околу половина милја, па оттука морските цицачи, кои се врзани за површината, генерално биле подалеку од половина милја од изворот. Нивото на изворот било скромно, помало од нивото на звукот на големите китови, а работниот циклус бил 2% (т.е. звукот е само 2% од денот).^[26] По шест години студија, официјалниот, формален заклучок од оваа студија бил дека преносите на ATOC „немаат биолошки значајни ефекти“.^[24][27][28]

Другите акустични активности во океанот можеби не се толку доброќудни што се однесува до морските цицачи. Различни типови вештачки звуци се проучувани како потенцијални закани за морските цицачи, како што се истрели од воздушни пиштоли за геофизички истражувања,^[29] или преноси од американската морнарица за различни цели.^[30] Вистинската закана зависи од различни фактори надвор од нивото на бучава: звучна честота, честота и времетраење на преносот, природата на акустичниот сигнал (на пр., ненадеен пулс или кодирана секвенца), длабочината на изворот на звукот, насоченоста на звукот извор, длабочина на вода и локална топографија, одек итн.

Видови пренесени звучни сигнали

Томографските преноси се состојат од долги кодирани сигнали (на пр. „m-секвенци“) кои траат 30 секунди или повеќе. Честотите што се користат се движат од 50 до 1000 Hz и моќноста на изворот се движат од 100 до 250 W, во зависност од конкретните цели на мерењата. Со прецизно тајмирање, како на пример од ГПС, времето на патување може да се измери со номинална точност од 1 милисекунда. Додека овие преноси се слушаат во близина на изворот, надвор од опсегот од неколку километри, сигналите обично се под нивоата на амбиентална бучава, што бара софистицирани техники за обработка на сигнал со широк спектар за да се повратат.

Наводи

1. Munk, Walter; Peter Worcester; Carl Wunsch (1995). Ocean Acoustic Tomography. Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-47095-7.
2. Walter Sullivan (1987-07-28). „Vast Effort Aims to Reveal Oceans' Hidden Patterns“. New York Times. Посетено на 2007-11-05.
3. „The Heard Island Feasibility Test“. Acoustical Society of America. 1994.
4. Munk, Walter; Carl Wunsch (1982). „Observing the ocean in the 1990s“. Phil. Trans. R. Soc. Lond. A. 307 (1499): 439–464. Bibcode:1982RSPTA.307..439M. doi:10.1098/rsta.1982.0120.
5. Munk, Walter (2006). „Ocean Acoustic Tomography; from a stormy start to an uncertain future“. Во Jochum, Markus; Murtugudde, Raghu (уред.). Physical Oceanography: Developments Since 1950. New York: Springer. стр. 119–136. ISBN 9780387331522.
6. Fischer, A.S.; Hall, J.; Harrison, D.E.; Stammer, D.; Benveniste, J. (2010). „Conference Summary-Ocean Information for Society: Sustaining the Benefits, Realizing the Potential“. Во Hall, J.; Harrison, D.E.; Stammer, D. (уред.). Proceedings of OceanObs'09: Sustained Ocean Observations and Information for Society (Vol. 1). ESA Publication WPP-306.
7. Pawlowicz, R.; и др. (1995-03-15). „Thermal evolution of the Greenland Sea gyre in 1988-1989“. 100. Journal of Geophysical Research. стр. 4727–2750.
8. Morawitz, W. M. L.; и др. (1996). „Three-dimensional observations of a deep convective chimney in the Greenland Sea during winter 1988/1989“. 26. Journal of Physical Oceanography. стр. 2316–2343.
9. Stammer, D.; и др. (2014). „Accuracy assessment of global barotropic ocean tide models“. Reviews of Geophysics. 52 (3): 243–282. Bibcode:2014RvGeo..52..243S. doi:10.1002/2014RG000450.
10. Dushaw, B.D.; Worcester, P.F.; Dzieciuch, M.A. (2011). „On the predictability of mode-1 internal tides“. Deep-Sea Research Part I. 58 (6): 677–698. Bibcode:2011DSRI...58..677D. doi:10.1016/j.dsr.2011.04.002.
11. Lebedev, K.V.; Yaremchuck, M.; Mitsudera, H.; Nakano, I.; Yuan, G. (2003). „Monitoring the Kuroshio Extension through dynamically constrained synthesis of the acoustic tomography, satellite altimeter and in situ data“. Journal of Physical Oceanography. 59 (6): 751–763. doi:10.1023/b:joce.0000009568.06949.c5.
12. Mikhalevsky, P. N.; Gavrilov, A.N. (2001). „Acoustic thermometry in the Arctic Ocean“. Polar Research. 20 (2): 185–192. Bibcode:2001PolRe..20..185M. doi:10.3402/POLAR.V20I2.6516.
13. Mikhalevsky, P. N.; Sagan, H.; и др. (2001). „Multipurpose acoustic networks in the integrated Arctic Ocean observing system“. Arctic. 28, Suppl. 1 (5): 17 pp. doi:10.14430/arctic4449. Архивирано од изворникот на 2015-09-10. Посетено на April 24, 2015.
14. Munk, W.H.; O'Reilly, W.C.; Reid, J.L. (1988). „Australia-Bermuda Sound Transmission Experiment (1960) Revisited“. Journal of Physical Oceanography. 18 (12): 1876–1998. Bibcode:1988JPO....18.1876M. doi:10.1175/1520-0485(1988)018<1876:ABSTER>2.0.CO;2.
15. Dushaw, B.D.; Menemenlis, D. (2014). „Antipodal acoustic thermometry: 1960, 2004“. Deep-Sea Research Part I. 86: 1–20. Bibcode:2014DSRI...86....1D. doi:10.1016/j.dsr.2013.12.008.
16. Spiesberger, john; Kurt Metzter (1992). „Basin scale ocean monitoring with acoustic thermometers“. Oceanography. 5 (2): 92–98. doi:10.5670/oceanog.1992.15.
17. Spiesberger, J.L.; K. Metzger (1991). „Basin-scale tomography: A new tool for studying weather and climate“. J. Geophys. Res. 96 (C3): 4869–4889. Bibcode:1991JGR....96.4869S. doi:10.1029/90JC02538.
18. Spiesberger, John; Harley Hurlburt; Mark Johnson; Mark Keller; Steven Meyers; and J.J. O'Brien (1998). „Acoustic thermometry data compared with two ocean models: The importance of Rossby waves and ENSO in modifying the ocean interior“. Dynamics of Atmospheres and Oceans. 26 (4): 209–240. Bibcode:1998DyAtO..26..209S. doi:10.1016/s0377-0265(97)00044-4.
19. The ATOC Consortium (1998-08-28). „Ocean Climate Change: Comparison of Acoustic Tomography, Satellite Altimetry, and Modeling“. Science Magazine. стр. 1327–1332. Посетено на 2007-05-28.
20. Dushaw, Brian; и др. (2009-07-19). „A decade of acoustic thermometry in the North Pacific Ocean“. 114, C07021. J. Geophys. Res. Bibcode:2009JGRC..114.7021D. doi:10.1029/2008JC005124.
21. Wu, Wenbo; Zhan, Zhongwen; Peng, Shirui; Ni, Sidao; Callies, Jörn (2020-09-18). „Seismic ocean thermometry“. Science (англиски). 369 (6510): 1510–1515. Bibcode:2020Sci...369.1510W. doi:10.1126/science.abb9519. ISSN 0036-8075. PMID 32943525.
22. Stephanie Siegel (June 30, 1999). „Low-frequency sonar raises whale advocates' hackles“. CNN. Посетено на 2007-10-23.
23. Malcolm W. Browne (June 30, 1999). „Global Thermometer Imperiled by Dispute“. NY Times. Посетено на 2007-10-23.
24. Kenneth Chang (June 24, 1999). „An Ear to Ocean Temperature“. ABC News. Архивирано од изворникот на 2003-10-06. Посетено на 2007-10-23.
25. Potter, J. R. (1994). „ATOC: Sound Policy or Enviro-Vandalism? Aspects of a Modern Media-Fueled Policy Issue“. 3. The Journal of Environment & Development. стр. 47–62. doi:10.1177/107049659400300205. Посетено на 2009-11-20.^{[мртва врска]}
26. Curtis, K. R.; B. M. Howe; J. A. Mercer (1999). „Low-frequency ambient sound in the North Pacific: Long timeseries observations“ (PDF). 106. Journal of the Acoustical Society of America. стр. 3189–3200. doi:10.1121/1.428173. Посетено на 2020-06-30.
27. Clark, C. W.; D. E. Crocker; J. Gedamke; P. M. Webb (2003). „The effect of a low-frequency sound source (acoustic thermometry of the ocean climate) on the diving behavior of juvenile northern elephant seals, Mirounga angustirostris“. 113. Journal of the Acoustical Society of America. стр. 1155–1165. doi:10.1121/1.1538248. Посетено на 2020-06-30.
28. National Research Council (2000). Marine mammals and low-frequency sound: Progress since 1994. Washington, D.C.: National Academy Press. doi:10.17226/9756. ISBN 978-0-309-06886-4. PMID 25077255.
29. Bombosch, A. (2014). „Predictive habitat modelling of humpback (Megaptera novaeangliae) and Antarctic minke (Balaenoptera bonaerensis) whales in the Southern Ocean as a planning tool for seismic surveys“. Deep-Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 91: 101–114. Bibcode:2014DSRI...91..101B. doi:10.1016/j.dsr.2014.05.017.
30. National Research Council (2003). Ocean Noise and Marine Mammals. National Academies Press. ISBN 978-0-309-08536-6. Посетено на 2015-01-25.

Дополнително читање

• БД Душо, 2013 година. „Океанска акустична томографија“ во енциклопедија за далечинско набљудување, Е.Г. Њоку, Ед., Спрингер, Спрингер-Верлаг Берлин Хајделберг, 2013 година.ISBN 978-0-387-36698-2ISBN 978-0-387-36698-2.
• W. Munk, P. Worcester и C. Wunsch (1995). Океанска акустична томографија. Кембриџ: Cambridge University Press.ISBN 0-521-47095-1ISBN 0-521-47095-1.
• PF Worcester, 2001: „Томографија“, во Encyclopedia of Ocean Sciences, J. Steele, S. Thorpe и K. Turekian, Eds., Academic Press Ltd., 2969–2986.

Надворешни врски

• Ocean Acoustics Lab (OAL) - океанографска институција Woods Hole.
• Акустична лабораторија на Северен Тихи Океан (NPAL) - Институт за океанографија Скрипс, Ла Јола, Калифорнија.
• Акустична топломерија на океанската клима - Институтот за океанографија Скрипс, Ла Јола, Калифорнија.
• Discovery of Sound in the Sea - DOSITS е едукативна веб-страница која се занимава со акустика во океанот.
• Звуци на звучни сигнали употребени за томографија - веб-страница DOSITS.
• Еден ден од животот на прицврстување за томографија - Универзитет во Вашингтон, Сиетл, Вашингтон.
• Звучи тајните на океанот - Национална академија на науките.
• Звукот ги мери тајните на океанот - Акустичко друштво на Америка.
• Програма за истражување на акустична топломерија на океанската клима/морски цицачи Лабораторија за орнитологија на Универзитетот Корнел, Истражувачка програма за биоакустика