Океанска звучна томографија

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.

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. Океа��ите 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.

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.

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“ 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.

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 те��пература 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]

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]

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.

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.

• 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.

• 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

п р у Физичка океанографија Бранови Ејрова бранова теорија Балантајнова скала Бенџамин–Фејрова нестабилност Бусинескова апроксимација Преломник Клапотис Кноидален бран Накрсно море Расејување Инфагравитациони бранови Крајбрежни копнени бранови Екваторски бранови Повторливост Тежински бранови Внатрешни бранови Келвинов бран Кинематички бран Крајбрежен нанос Луков принцип на променлвиост Равенка на блага накосеност Стрес на протегање Убиствен бран Росбиев бран Росбиеви тежински бранови Состојба на морето Сејш Значајна бранова висина Подмолен бран Солитон Стоксова гранична обвивка Стоксово пловење Стоксов бран Сурфање Надуеност Цунами Излив Урселов број Браново движење Основа на бранот Браново-струјно заемодејство Висина на бран Моќност на бран Покачување на морското ниво Раст на бран Бранов радар Турбуленција на бран Бранови и плитка вода Равенки за плитка вода 1Д Сенвенанова равенка Ветерни бранови Модел на ветерни бранови Повеќе... Кружење Атмосферско кружење Бароклиност Гранична струја Кориолисов ефект Надолно тонење Витли Екманова обвивка Екманова Спирала Екманов пренос Ел Нињо Геострофни струи Голфска струја Халотермално кружење Хумболдтова струја Хидротермално кружење Општ модел на кружењето Лангмуирово кружење Јамкова струја Маелштром Океанска струја Океанска динамика Океански круг Мртва струја Термохалинско кружење Престанок на термохалинското кружење Подповршински бранови Свердрупова рамнотежа Повеќе... Плима и осека Амфихидромна точка Копнени плими Досег на плима Подводна плима Месечевоплимен интервал Перигејска плима Плимен млаз Правило на дванаесетки Мртва вода Високи/ниски плими Првична плима Плимна сила Плимна моќност Плимен брзак Плимен опсег Плимна резонанца Плима и осека Плимна линија Плимомер Повеќе... Земјишни облици Подводни делти Абисална рамнина Атол Батиметриска карта Ладен извор Континентална граница Континентално подножје Континентален праг Контури Хидрографија Гајот Океанска котлина Океанска висорамнина Океански расед Пасивна граница Морско дно Подводна планина Подводни клисури Крајбрежна географија Повеќе... Тектоника на плочите Црн чадач Приближувачка граница Раздвојувачка граница Преломна зона Хидротермални извори Морска геологија Средноокеански гребен Мохоровичиев прекин Вајн–Метју–Морлиева претпоставка Океанска кора Надворешно грбенско издигнување Гребенско туркање Ширење на морското дно Влечење на плочата Вовлекување на плочата Празнина меѓу плочата Подвлекување Граничен расед Вулкански лак Повеќе... Океански зони Бентал Длабокоокеанска вода Длабоко море Крајбрежје Средноокеанска Океанска зона Широкоморска Осветлена Сурферска зона Морско ниво Моментален раст на морското ниво Идно морско ниво Крива на морското ниво Звук Океанска звучна томографија Звучна бомба Звучен канал Звук во вода Хидроакустика Останато Алвин Арго Бентални истражувачи Боја на водата Рабно море Морска енергија Океан Истражување на океаните Набљудување на океаните Океанско загадување Океанско преанализирање Океанска површинска топографија Океанско претворање на топлинската енергија Океанографија Океански таллог Површинска микрообвивка на морето Површинска температура на морето Морска вода Наука на сфера Термоклина Подводна едрилица Воден столб Атлас на светските океани Повеќе...