Акустическая томография океана - Ocean acoustic tomography

Западная часть Северной Атлантики, показывающая расположение двух экспериментов, в которых использовалась акустическая томография океана. AMODE, «Эксперимент по акустической динамике срединного океана» (1990-1), был разработан для изучения динамики океана в области, удаленной от Гольфстрима , а SYNOP (1988-9) был разработан для синоптического измерения аспектов Гольфстрима. Цвета показывают снимок скорости звука на глубине 300 м, полученный с помощью цифровой модели океана с высоким разрешением . Одним из основных мотивов использования томографии является то, что измерения дают средние значения для турбулентного океана.

Акустическая томография океана - это метод, используемый для измерения температуры и течений на больших участках океана . В масштабах океанских бассейнов этот метод также известен как акустическая термометрия. Этот метод основан на точном измерении времени, необходимого звуковым сигналам для прохождения между двумя инструментами, одним из которых является акустический источник, а другой - приемником , на расстоянии 100–5000 км. Если расположение инструментов известно точно, измерение времени пролета можно использовать для определения скорости звука, усредненной по акустической траектории. Изменения скорости звука в первую очередь вызваны изменениями температуры океана, поэтому измерение времени прохождения эквивалентно измерению температуры. Изменение температуры на 1 ° C соответствует изменению скорости звука примерно на 4 м / с. Океанографический эксперимент с использованием томографии обычно использует несколько пар источник-приемник в заякоренной решетке, которая измеряет площадь океана.

Мотивация

Морская вода является проводником электричества , поэтому океаны непрозрачны для электромагнитной энергии (например, света или радара ). Однако океаны довольно прозрачны для низкочастотной акустики. Океаны очень эффективно проводят звук, особенно звук на низких частотах, то есть менее нескольких сотен герц. Эти свойства побудили Уолтера Мунка и Карла Вунша предложить «акустическую томографию» для измерения океана в конце 1970-х годов. У акустического подхода к измерению температуры двоякие преимущества. Во-первых, большие площади океана можно измерить с помощью дистанционного зондирования . Во-вторых, метод естественным образом усредняет мелкомасштабные колебания температуры (т. Е. Шум), которые доминируют в изменчивости океана.

С самого начала идея наблюдений за океаном с помощью акустики сочеталась с оценкой состояния океана с использованием современных численных моделей океана и методов ассимиляции данных в числовых моделях. По мере развития техники наблюдений совершенствовались методы ассимиляции данных и вычислительные мощности, необходимые для выполнения этих вычислений.

Многолучевые приходы и томография

Распространение акустических лучей через океан. От акустического источника слева, пути преломляются более высокой скоростью звука выше и ниже канала SOFAR , следовательно, они колеблются вокруг оси канала. Томография использует эти "многолучевости" для получения информации об изменениях температуры в зависимости от глубины. Обратите внимание, что соотношение сторон фигуры было сильно искажено, чтобы лучше проиллюстрировать лучи; максимальная глубина рисунка составляет всего 4,5 км, а максимальная дальность - 500 км.

Одним из интересных аспектов томографии является то, что она использует тот факт, что акустические сигналы проходят по набору в целом стабильных траекторий лучей. Из одного переданного акустического сигнала этот набор лучей приводит к множеству приходов на приемник, время прохождения каждого прихода соответствует определенному пути луча. Самые ранние приходы соответствуют лучам, распространяющимся глубже, поскольку эти лучи распространяются там, где скорость звука наибольшая. Пути луча легко вычисляются с помощью компьютеров (« трассировка лучей »), и каждый путь луча обычно можно идентифицировать с определенным временем прохождения. Множество времен прохождения измеряют среднюю скорость звука по каждому из множества акустических путей. Эти измерения позволяют сделать выводы о структуре колебаний температуры или тока в зависимости от глубины. Решение для скорости звука, а следовательно, и температуры, исходя из времен акустического пробега, является обратной задачей .

Интегрирующее свойство акустических измерений на большие расстояния

Акустическая томография океана объединяет изменения температуры на больших расстояниях, то есть измеренное время прохождения является результатом совокупного воздействия всех изменений температуры вдоль акустического пути, следовательно, измерения с помощью этого метода по своей сути являются усредненными. Это важное и уникальное свойство, поскольку повсеместно распространенные мелкомасштабные турбулентные и внутренние волновые особенности океана обычно доминируют в сигналах при измерениях в отдельных точках. Например, измерения с помощью термометров (например, пришвартованных термисторов или дрейфующих поплавков Argo ) должны иметь дело с этим шумом 1-2 ° C, поэтому для получения точного измерения средней температуры требуется большое количество инструментов. Следовательно, для измерения средней температуры океанических бассейнов акустические измерения весьма рентабельны. Томографические измерения также усредняют изменчивость по глубине, поскольку траектории лучей проходят через водную толщу.

Реципрокная томография

«Реципрокная томография» использует одновременную передачу между двумя акустическими приемопередатчиками. «Приемопередатчик» - это инструмент, включающий в себя как акустический источник, так и приемник. Небольшие различия во времени прохождения между возвратно-поступательными сигналами используются для измерения океанских течений , поскольку обратные сигналы движутся вместе с течением и против него. Среднее значение этих обратных времен прохождения является мерой температуры, при этом небольшие эффекты океанских течений полностью устранены. Температуры океана выводятся из суммы взаимных времен прохождения, а течения - из разницы взаимных времен прохождения. Как правило, океанские течения (обычно 10 см / с) оказывают гораздо меньшее влияние на время прохождения, чем изменения скорости звука (обычно 5 м / с), поэтому «односторонняя» томография измеряет температуру с хорошим приближением.

Приложения

В океане крупномасштабные изменения температуры могут происходить с интервалами времени от минут ( внутренние волны ) до десятилетий ( изменение климата океана ). Томография использовалась для измерения изменчивости в этом широком диапазоне временных масштабов и в широком диапазоне пространственных масштабов. Действительно, томография рассматривалась как измерение климата океана с использованием передачи на противоположные расстояния.

Томография стала ценным методом наблюдения за океаном, использующим характеристики распространения звука на большие расстояния для получения синоптических измерений средней температуры океана или течения. Одно из первых применений томографии в наблюдении за океаном произошло в 1988–1989 годах. Сотрудничество между группами в Институте океанографии Скриппса и Woods Hole океанографического институте развернет томографический массив шесть-элементов в глубоководной равнине в Гренландском море круговорота изучить формирование глубокой воды и циркуляцию круговорота. Другие приложения включают измерение океанских приливов и оценку динамики океана в мезомасштабе путем комбинирования томографии, спутниковой альтиметрии и данных на месте с динамическими моделями океана. В дополнение к десятилетним измерениям, полученным в северной части Тихого океана, акустическая термометрия использовалась для измерения изменений температуры в верхних слоях бассейнов Северного Ледовитого океана, что по-прежнему вызывает активный интерес. Акустическая термометрия также недавно использовалась для определения изменений температуры океана в глобальном масштабе с использованием данных акустических импульсов, посылаемых с одного конца Земли на другой.

Акустическая термометрия

Акустическая термометрия идея наблюдать в мире океанических бассейнов, а океан климата , в частности, с использованием транс - бассейновых акустических передач . «Термометрия», а не «томография», использовалась для обозначения измерений в масштабе бассейна или в глобальном масштабе. Опытные образцы измерения температуры были сделаны в северной части Тихоокеанского бассейна и в Арктическом бассейне .

Начиная с 1983 года, Джон Списбергер из Океанографического института Вудс-Хоул и Тед Бердсолл и Курт Мецгер из Мичиганского университета разработали использование звука для вывода информации о крупномасштабных температурах океана и, в частности, для попытки обнаружения глобального потепления. В океане. Эта группа передавала звуки с Оаху, которые были записаны примерно десятью приемниками, расположенными по краю Тихого океана на расстоянии 4000 км. Эти эксперименты продемонстрировали, что изменения температуры можно измерить с точностью около 20 миллиградусов. Spiesberger et al. не обнаружил глобального потепления. Вместо этого они обнаружили, что другие естественные климатические колебания, такие как Эль-Ниньо, частично ответственны за существенные колебания температуры, которые могли замаскировать любые более медленные и более мелкие тенденции, которые могли возникнуть в результате глобального потепления.

Программа акустической термометрии климата океана (АТОК) была реализована в северной части Тихого океана с акустической передачей с 1996 по осень 2006 года. Измерения прекратились, когда закончились согласованные экологические протоколы. Десятилетнее использование акустического источника показало, что наблюдения возможны даже при скромном бюджете. Передачи были проверены, чтобы обеспечить точное измерение температуры океана на акустических трассах с погрешностями, которые намного меньше, чем при любом другом подходе к измерению температуры океана.

Повторяющиеся землетрясения, действующие как естественные акустические источники, также использовались в акустической термометрии, которая может быть особенно полезна для определения изменчивости температуры в глубоких океанских глубинах, которые в настоящее время плохо собираются приборами на месте.

Массив прототипа ATOC представлял собой акустический источник, расположенный к северу от Кауаи, Гавайи, и передачи осуществлялись приемникам возможности в Северном Тихоокеанском бассейне . Источники сигналов были широкополосными с частотами, сосредоточенными на 75 Гц, и уровнем источника 195 дБ относительно 1 микропаскаль на расстоянии 1 м, или около 250 Вт. Каждый четвертый день осуществлялось шесть передач по 20 минут.

Акустические передачи и морские млекопитающие

См. Также: Морские млекопитающие и гидролокатор.

Проект ATOC был вовлечен в вопросы, касающиеся воздействия акустики на морских млекопитающих (например, китов , морских свиней , морских львов и т. Д.). Публичное обсуждение осложнялось техническими вопросами из различных дисциплин ( физическая океанография , акустика , биология морских млекопитающих и т. Д.), Что затрудняет понимание воздействия акустики на морских млекопитающих для экспертов, не говоря уже о широкой публике. Многие вопросы, касающиеся акустики океана и их воздействия на морских млекопитающих, были неизвестны. Наконец, изначально в обществе существовали различные заблуждения, такие как путаница между определениями уровней звука в воздухе и уровнями звука в воде. Если заданное количество децибел в воде интерпретировать как децибелы в воздухе, уровень звука будет казаться на несколько порядков больше, чем он есть на самом деле - в какой-то момент уровни звука ATOC были ошибочно интерпретированы как настолько громкие, что сигналы убили бы 500000 животных. . Звуковой мощности использованы, 250 Вт, был сравним те , сделанные синими или плавника китов, хотя эти киты напевать на гораздо более низких частотах. Океан передает звук настолько эффективно, что звуки не должны быть такими громкими, чтобы пересекать бассейны океана. Другими факторами разногласий были обширная история активности в отношении морских млекопитающих, проистекающая из продолжающегося конфликта китобойного промысла, и сочувствие, которое большая часть общественности испытывает к морским млекопитающим.

В результате этого разногласия программа ATOC провела исследование воздействия акустических сигналов на различных морских млекопитающих за 6 миллионов долларов. Акустический источник был установлен на дне примерно на полмили глубиной, следовательно, морские млекопитающие, привязанные к поверхности, обычно находились дальше, чем на полмили от источника. Уровень источника был скромным, меньше, чем уровень звука крупных китов, а рабочий цикл составлял 2% (т. Е. Звук присутствует только на 2% дневного времени). После шести лет исследований официальный официальный вывод из этого исследования заключался в том, что передача ATOC «не имеет биологически значимых эффектов».

Другая акустическая деятельность в океане может быть не столь благоприятной для морских млекопитающих. Различные типы искусственных звуков были изучены как потенциальные угрозы для морских млекопитающих, такие как выстрелы из пневматического оружия для геофизических исследований или передачи ВМС США для различных целей. Фактическая угроза зависит от множества факторов, помимо уровня шума: частоты звука, частоты и продолжительности передачи, характера акустического сигнала (например, внезапный импульс или закодированная последовательность), глубины источника звука, направленности звука. источник, глубина воды и местный рельеф, реверберация и т. д.

Типы передаваемых акустических сигналов

Томографические передачи состоят из длинных кодированных сигналов (например, «m-последовательностей» ) длительностью 30 секунд или более. Используемые частоты находятся в диапазоне от 50 до 1000 Гц, а мощность источника составляет от 100 до 250 Вт, в зависимости от конкретных целей измерений. Благодаря точному времени, например, по GPS , время прохождения может быть измерено с номинальной точностью до 1 миллисекунды. Хотя эти передачи слышны вблизи источника, за пределами диапазона нескольких километров сигналы обычно ниже уровня окружающего шума, что требует сложных методов обработки сигналов с расширенным спектром для их восстановления.

Смотрите также

Рекомендации

дальнейшее чтение

  • BD Dushaw, 2013. «Акустическая томография океана» в Энциклопедии дистанционного зондирования, EG Njoku, Ed., Springer, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2013. ISBN  978-0-387-36698-2 .
  • В. Мунк, П. Вустер и К. Вунш (1995). Акустическая томография океана . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN  0-521-47095-1 .
  • PF Worcester, 2001: «Томография», в Энциклопедии наук об океане , J. Steele, S. Thorpe, and K. Turekian, Eds., Academic Press Ltd., 2969–2986.

Внешние ссылки