Tomografia acústica oceânica - Ocean acoustic tomography
A tomografia acústica oceânica é uma técnica usada para medir temperaturas e correntes em grandes regiões do oceano . Em escalas de bacias oceânicas, esta técnica também é conhecida como termometria acústica. A técnica se baseia na medição precisa do tempo que os sinais sonoros levam para viajar entre dois instrumentos, um uma fonte acústica e outro um receptor , separados por intervalos de 100–5000 km. Se as localizações dos instrumentos forem conhecidas com precisão, a medição do tempo de vôo pode ser usada para inferir a velocidade do som, calculada ao longo do caminho acústico. Mudanças na velocidade do som são causadas principalmente por mudanças na temperatura do oceano, portanto, a medição dos tempos de viagem é equivalente a uma medição da temperatura. Uma mudança de 1 ° C na temperatura corresponde a uma mudança de cerca de 4 m / s na velocidade do som. Um experimento oceanográfico que emprega tomografia normalmente usa vários pares fonte-receptor em uma matriz ancorada que mede uma área do oceano.
Motivação
A água do mar é um condutor elétrico , então os oceanos são opacos à energia eletromagnética (por exemplo, luz ou radar ). Os oceanos são bastante transparentes para a acústica de baixa frequência, no entanto. Os oceanos conduzem o som de maneira muito eficiente, especialmente o som em baixas frequências, ou seja, menos do que algumas centenas de hertz. Essas propriedades motivaram Walter Munk e Carl Wunsch a sugerir "tomografia acústica" para medição do oceano no final dos anos 1970. As vantagens da abordagem acústica para medir a temperatura são duas. Primeiro, grandes áreas do interior do oceano podem ser medidas por sensoriamento remoto . Em segundo lugar, a técnica calcula naturalmente a média sobre as flutuações de temperatura em pequena escala (ou seja, ruído) que dominam a variabilidade do oceano.
Desde o início, a ideia de observações do oceano por acústica foi casada com a estimativa do estado do oceano usando modernos modelos numéricos do oceano e as técnicas de assimilação de dados em modelos numéricos. À medida que a técnica de observação amadurece, também amadurecem os métodos de assimilação de dados e a capacidade de computação necessária para realizar esses cálculos.
Chegadas multipercurso e tomografia
Um dos aspectos intrigantes da tomografia é que ela explora o fato de que os sinais acústicos viajam ao longo de um conjunto de caminhos de raios geralmente estáveis. A partir de um único sinal acústico transmitido, este conjunto de raios dá origem a múltiplas chegadas no receptor, o tempo de viagem de cada chegada correspondendo a um caminho de raio particular. As primeiras chegadas correspondem aos raios que viajam mais profundamente, uma vez que esses raios viajam onde a velocidade do som é maior. Os caminhos dos raios são facilmente calculados usando computadores (" rastreamento de raios "), e cada caminho dos raios pode geralmente ser identificado com um determinado tempo de viagem. Os vários tempos de viagem medem a velocidade média do som em cada um dos vários caminhos acústicos. Essas medidas permitem inferir aspectos da estrutura da temperatura ou variações da corrente em função da profundidade. A solução para a velocidade do som, portanto a temperatura, a partir dos tempos de viagem acústica é um problema inverso .
A propriedade de integração de medições acústicas de longo alcance
A tomografia acústica oceânica integra variações de temperatura em grandes distâncias, ou seja, os tempos de viagem medidos resultam dos efeitos acumulados de todas as variações de temperatura ao longo do caminho acústico, portanto, as medições pela técnica são inerentemente médias. Esta é uma propriedade importante e única, uma vez que as características onipresentes de turbulência em pequena escala e ondas internas do oceano geralmente dominam os sinais em medições em pontos únicos. Por exemplo, medições por termômetros (ou seja, termistores atracados ou flutuadores flutuantes Argo ) têm que lidar com esse ruído de 1-2 ° C, de modo que um grande número de instrumentos é necessário para obter uma medida precisa da temperatura média. Para medir a temperatura média de bacias oceânicas, portanto, a medição acústica é bastante econômica. As medições tomográficas também variam de acordo com a profundidade, uma vez que os caminhos dos raios percorrem a coluna d'água.
Tomografia recíproca
A "tomografia recíproca" emprega as transmissões simultâneas entre dois transceptores acústicos. Um "transceptor" é um instrumento que incorpora uma fonte acústica e um receptor. As pequenas diferenças no tempo de viagem entre os sinais que viajam reciprocamente são usadas para medir as correntes oceânicas , uma vez que os sinais recíprocos viajam com e contra a corrente. A média desses tempos de viagem recíproca é a medida da temperatura, com os pequenos efeitos das correntes oceânicas totalmente removidos. As temperaturas dos oceanos são inferidas da soma dos tempos de viagem recíprocos, enquanto as correntes são deduzidas da diferença dos tempos de viagem recíprocos. Geralmente, as correntes oceânicas (normalmente 10 cm / s) têm um efeito muito menor nos tempos de viagem do que as variações da velocidade do som (normalmente 5 m / s), então a tomografia "unidirecional" mede a temperatura com uma boa aproximação.
Formulários
No oceano, mudanças de temperatura em grande escala podem ocorrer em intervalos de tempo de minutos ( ondas internas ) a décadas ( mudanças climáticas oceânicas ). A tomografia tem sido empregada para medir a variabilidade nesta ampla gama de escalas temporais e em uma ampla gama de escalas espaciais. Na verdade, a tomografia tem sido considerada como uma medida do clima oceânico usando transmissões em distâncias antípodas .
A tomografia tornou-se um método valioso de observação do oceano, explorando as características da propagação acústica de longo alcance para obter medições sinóticas da temperatura média do oceano ou corrente. Uma das primeiras aplicações da tomografia na observação do oceano ocorreu em 1988-9. Uma colaboração entre grupos do Scripps Institution of Oceanography e do Woods Hole Oceanographic Institution implantou um arranjo tomográfico de seis elementos na planície abissal do giro do Mar da Groenlândia para estudar a formação de águas profundas e a circulação do giro. Outras aplicações incluem a medição das marés oceânicas e a estimativa da dinâmica de mesoescala oceânica combinando tomografia, altimetria de satélite e dados in situ com modelos dinâmicos oceânicos. Além das medições de uma década obtidas no Pacífico Norte, a termometria acústica tem sido empregada para medir as mudanças de temperatura das camadas superiores das bacias do Oceano Ártico, que continua a ser uma área de interesse ativo. A termometria acústica também foi usada recentemente para determinar mudanças nas temperaturas do oceano em escala global, usando dados de pulsos acústicos enviados de uma extremidade da terra à outra.
Termometria acústica
Termometria acústica é uma idéia para observar o mundo oceano bacias, eo clima do oceano em particular, utilizando trans- bacia acústicos transmissões . "Termometria", em vez de "tomografia", tem sido usada para indicar medições em escala de bacia ou escala global. Medições de protótipo de temperatura foram feitas na Bacia do Pacífico Norte e em toda a Bacia do Ártico .
A partir de 1983, John Spiesberger do Woods Hole Oceanographic Institution e Ted Birdsall e Kurt Metzger da University of Michigan desenvolveram o uso do som para inferir informações sobre as temperaturas em grande escala do oceano e, em particular, para tentar detectar o aquecimento global no Oceano. Este grupo transmitiu sons de Oahu que foram gravados em cerca de dez receptores estacionados ao redor da orla do Oceano Pacífico em distâncias de 4.000 km. Esses experimentos demonstraram que as mudanças na temperatura podem ser medidas com uma precisão de cerca de 20 milidegrees. Spiesberger et al. não detectou o aquecimento global. Em vez disso, eles descobriram que outras flutuações climáticas naturais, como El Niño, eram responsáveis em parte por flutuações substanciais de temperatura que podem ter mascarado quaisquer tendências mais lentas e menores que possam ter ocorrido com o aquecimento global.
O programa de Termometria Acústica do Clima Oceânico (ATOC) foi implementado no Oceano Pacífico Norte, com transmissões acústicas de 1996 até o outono de 2006. As medições terminaram quando os protocolos ambientais acordados terminaram. A implantação de uma década da fonte acústica mostrou que as observações são sustentáveis mesmo com um orçamento modesto. As transmissões foram verificadas para fornecer uma medição precisa da temperatura do oceano nos caminhos acústicos, com incertezas que são muito menores do que qualquer outra abordagem para medição da temperatura do oceano.
Terremotos repetidos atuando como fontes acústicas de ocorrência natural também têm sido usados em termometria acústica, o que pode ser particularmente útil para inferir a variabilidade da temperatura no oceano profundo, que atualmente é mal amostrado por instrumentos in situ.
Transmissões acústicas e mamíferos marinhos
O projeto ATOC esteve envolvido em questões relativas aos efeitos da acústica em mamíferos marinhos (por exemplo , baleias , botos , leões marinhos , etc.). A discussão pública foi complicada por questões técnicas de uma variedade de disciplinas ( oceanografia física , acústica , biologia de mamíferos marinhos, etc.) que tornam a compreensão dos efeitos da acústica em mamíferos marinhos difícil para os especialistas, quanto mais para o público em geral. Muitos dos problemas relativos à acústica do oceano e seus efeitos sobre os mamíferos marinhos eram desconhecidos. Finalmente, havia uma variedade de equívocos públicos inicialmente, como uma confusão entre a definição de níveis de som no ar e níveis de som na água. Se um determinado número de decibéis na água for interpretado como decibéis no ar, o nível de som parecerá ser ordens de magnitude maior do que realmente é - em um ponto os níveis de som ATOC foram erroneamente interpretados como tão altos que os sinais matariam 500.000 animais . A potência sonora empregada, 250 W, era comparável à produzida pelas baleias azuis ou fin , embora essas baleias vocalizem em frequências muito mais baixas. O oceano transporta o som com tanta eficiência que os sons não precisam ser tão altos para cruzar as bacias oceânicas. Outros fatores na controvérsia foram a extensa história de ativismo em relação aos mamíferos marinhos, decorrente do conflito contínuo de caça às baleias, e a simpatia que grande parte do público sente pelos mamíferos marinhos.
Como resultado dessa controvérsia, o programa ATOC conduziu um estudo de US $ 6 milhões sobre os efeitos das transmissões acústicas em uma variedade de mamíferos marinhos. A fonte acústica foi montada no fundo a cerca de meia milha de profundidade, portanto, os mamíferos marinhos, que estão ligados à superfície, estavam geralmente a mais de meia milha da fonte. O nível da fonte era modesto, inferior ao nível de som de grandes baleias, e o ciclo de trabalho era de 2% (ou seja, o som está ligado apenas 2% do dia). Após seis anos de estudo, a conclusão oficial e formal deste estudo foi que as transmissões ATOC "não têm efeitos biologicamente significativos".
Outras atividades acústicas no oceano podem não ser tão benignas no que diz respeito aos mamíferos marinhos. Vários tipos de sons produzidos pelo homem foram estudados como ameaças potenciais aos mamíferos marinhos, como tiros de armas de ar para levantamentos geofísicos ou transmissões pela Marinha dos Estados Unidos para vários fins. A ameaça real depende de uma variedade de fatores além dos níveis de ruído: frequência do som, frequência e duração das transmissões, a natureza do sinal acústico (por exemplo, um pulso repentino ou sequência codificada), profundidade da fonte de som, direcionalidade do som fonte, profundidade da água e topografia local, reverberação, etc.
Tipos de sinais acústicos transmitidos
As transmissões tomográficas consistem em longos sinais codificados (por exemplo, "sequências m" ) com duração de 30 segundos ou mais. As frequências empregadas variam de 50 a 1000 Hz e as potências da fonte variam de 100 a 250 W, dependendo dos objetivos específicos das medições. Com um tempo preciso, como GPS , os tempos de viagem podem ser medidos com uma precisão nominal de 1 milissegundo. Embora essas transmissões sejam audíveis perto da fonte, além de uma faixa de vários quilômetros, os sinais geralmente estão abaixo dos níveis de ruído ambiente, exigindo técnicas sofisticadas de processamento de sinal de espectro espalhado para recuperá-los.
Veja também
- Oceanografia acústica
- Rastreamento de raio
- Canal SOFAR
- SOSUS
- Velocidade do som
- TOPEX / altimetria de satélite Poseidon
- Acústica subaquática
Referências
Leitura adicional
- BD Dushaw, 2013. "Ocean Acoustic Tomography" in Encyclopedia of Remote Sensing, EG Njoku, Ed., Springer, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2013. ISBN 978-0-387-36698-2 .
- W. Munk, P. Worcester e C. Wunsch (1995). Tomografia acústica oceânica . Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 0-521-47095-1 .
- PF Worcester, 2001: "Tomography," em Encyclopedia of Ocean Sciences , J. Steele, S. Thorpe e K. Turekian, Eds., Academic Press Ltd., 2969–2986.
links externos
- [1] Caixa de ferramentas Oceans para Matlab por Rich Pawlowicz.
- Ocean Acoustics Lab (OAL) - a Woods Hole Oceanographic Institution.
- The North Pacific Acoustic Laboratory (NPAL) - Scripps Institution of Oceanography, La Jolla, CA.
- Termometria Acústica do Clima Oceânico - Scripps Institution of Oceanography, La Jolla, CA.
- Discovery of Sound in the Sea - DOSITS é um site educacional voltado para a acústica do oceano.
- Sons de sinais acústicos empregados para tomografia - a página web DOSITS.
- Um dia na vida de uma amarração de tomografia - University of Washington, Seattle, WA.
- Sondando os segredos do oceano - Academia Nacional de Ciências.
- Sound Measures the Ocean's Secrets - Acoustical Society of America.
- A Termometria Acústica do Clima Oceânico / Programa de Pesquisa de Mamíferos Marinhos Cornell University Laboratory of Ornithology, Bioacoustics Research Program