Ocean акустическая томография - Ocean acoustic tomography


Из Википедии, свободной энциклопедии
Западной части Северной Атлантики , показывающий расположение двух экспериментов , которые использовали океана акустической томографии. AMODE, то «Acoustic Срединно-океанические Dynamics Experiment» (1990-1), был разработан для изучения динамики океана в районе вдали от Гольфстрима , и СИНОП (1988-9) был разработан для синоптически измерений различных аспектов Гольфстрима. Цвета показывают снимок скорости звука на 300 м глубины , полученной из высокого разрешения модели численного океана . Одним из основных мотивов для использования томографии является то , что измерения дают средние по турбулентному океану.

Океан акустическая томография является методом , используемым для измерения температуры и течений на больших областях океана . В бассейне масштабов океана, этот метод также известен как акустическая термометрия. Метод основан на точном измерение времени, которое требуется , звуковые сигналы , чтобы перемещаться между двумя инструментами, один акустическим источником и один приемниками , разделенные диапазонами 100-5000 км. Если расположение инструментов известны точно, измерение времени пролета может быть использовано , чтобы сделать вывод о скорости звука, усредненном по акустическому пути. Изменения в скорости звука в первую очередь вызваны изменением температуры океана, следовательно, измерение времени поездки эквивалентно измерения температуры. Изменение 1 ° С температурой соответствует примерно 4 м / с изменением скорости звука. Океанографии эксперимент с использованием томографии обычно использует несколько пар источник-приемник в пришвартованных массиве , который измеряет площадь океана.

мотивация

Морская вода представляет собой электрический проводник , так что океаны являются непрозрачными для электромагнитной энергии (например, свет или радар ). Океаны достаточно прозрачные для низкочастотных акустических, однако. Океаны проводят здоровую очень эффективно, особенно звук на низких частотах, то есть меньше , чем несколько сотен герц. Эти свойства мотивировано Вальтер Мунк и Карл Wunsch , чтобы предложить «акустической томографии» для измерения океана в конце 1970 - х годов. Преимущества акустического подхода к измерению температуры в два раза. Во- первых, большие площади недр океана может быть измерена с помощью дистанционного зондирования . Во- вторых, методика естественно средние по мелкомасштабных флуктуаций температуры (например, шум) , которые доминируют изменчивости океана.

С самого начала идея наблюдения океана по акустике была жената на оценку состояния океана с использованием современных моделей численного океана и метод ассимиляторских данных в численные модели. По мере того как наблюдательный техник созрел, так что тоже есть методы усвоения данных и вычислительная мощность , необходимая для выполнения этих вычислений.

Многолучевого прибытия и томографическое

Распространение путей акустических лучей через океан. От акустического источника слева, пути будут преломляться более быстрой скоростью звука выше и ниже ГНФАР канала , следовательно , они колеблются вокруг оси канала. Томография использует эти «многолучевой» , чтобы вывести информацию о температурных колебаниях в зависимости от глубины. Следует отметить , что соотношение сторон фигуры было значительно искаженно , чтобы лучше проиллюстрировать лучи; максимальная глубина рисунка составляет всего 4,5 км, а максимальная дальность составляет 500 км.

Одним из интригующих аспектов томографии является то , что он использует тот факт , что акустические сигналы перемещаться вдоль множества в целом устойчивых траекторий лучей. Из одного проходящего акустического сигнала, этот набор лучей приводит к нескольким вступлениям в приемнике, время каждого прихода , соответствующий определенный путь луча пути. Самые ранние заезды соответствуют глубже бегущим лучам, так как эти лучи путешествуют , где скорость звука является наибольшим. Лучевые траектории легко вычисляется с помощью компьютеров ( « трассировки лучей »), и каждый путь луча в общем случае может быть идентифицирован с определенным временем путешествий. Несколько раз поездки измерить усредненное по каждому из множества акустических путей скорости звука. Эти измерения позволяют сделать вывод аспектов структуры температуры или изменений тока как функция глубины. Решением для скорости звука, следовательно , температур, от акустических времен пробега является обратной задачей .

Интегрированием свойство измерений акустических большой дальности

Акустическая томография океана интегрирует изменения температуры на больших расстояниях, то есть измеренные времена пробега в результате накопленных эффектов всех температурных колебаний вдоль акустического пути, следовательно , измерений по методе усреднения по своей природе. Это важное, уникальное свойство, так как повсеместно мелкомасштабные турбулентные и внутренние волны особенности океана , как правило , доминируют сигналы при измерениях в отдельных точках. Так , например, измерение термометров (то есть, пришвартованные термисторы или Арго дрейфующих поплавков) должно бороться с этим 1-2 ° C шумом, так что большое количество инструментов, необходимые для получения точного измерения средней температуры. Для измерения средней температуры океанических бассейнов, следовательно, акустическое измерение является весьма рентабельным. Измерения томографических также средняя изменчивость по глубине , а также, так как цикл траектории лучей в столбе воды.

Взаимная томография

«Взаимная томография» использует одновременные передачи между двумя акустическими приемопередатчиками. А «трансивер» является инструментом включения как акустический источника и приемника. Небольшие различия во время перемещения между взаимно-бегущими сигналами используются для измерения океанских течений , так как взаимные сигналы распространяются и против течения. Среднее значение этого взаимного времени поездки является мерой температуры, при малых эффектах от океанских течений полностью удалены. Температуры океана выводятся из суммы взаиморасчетов времени поездки, в то время как потоки выводятся из разности обратных времени поездки. Как правило, морские течения (обычно 10 см / с) имеют гораздо меньшее влияние на время поездки , чем звуковые вариации скорости ( как правило , 5 м / с), так что «односторонний» измеряет температуру томографии в хорошее приближение.

Приложения

В океане, изменения температуры крупномасштабные могут происходить в течение интервалов времени от минут ( внутренние волны ) до десятилетий (океанические изменения климата ). Томография была использована для измерения изменчивости над этим широким диапазоном временных масштабов и в широком диапазоне пространственных масштабов. Действительно, томография была предусмотрена в качестве измерения климата океана с использованием передач по антиподам расстояния.

Томографический пришел , чтобы быть ценным методом наблюдения за океаном, используя характеристики акустического распространения на большие расстояния , чтобы получить синоптические измерения средней температуры океана или тока. Одна из самых ранних применений томографии в области наблюдения океана произошел в 1988-9. 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 отливов, а также оценку динамики океана мезомасштабного пути объединения томографии, спутниковую альтиметрии и натурные данные с океанскими динамическими моделями. В дополнении к десятилетний измерениям , полученным в северной части Тихого океана, акустические термометрии были использованы для измерения изменения температуры верхних слоев бассейнов Ледовитого океана, которые по- прежнему являются область активного интереса. Акустический термометрии был также недавно был использован для определения изменений в глобальном масштабе океанских температур с использованием данных акустических импульсов , посылаемые от одного конца земли до другого.

Акустическая термометрия

Акустическая термометрия идея наблюдать в мире океанических бассейнов, а океан климат , в частности, с использованием транс- таз акустических передач . «Термометрия», а не «томография», используются для обозначения в масштабе бассейна или глобальный масштаб измерения. Измерения прообраза температуры были сделаны в северной части Тихого океана бассейне и через Арктический бассейн .

Начиная с 1983 года, Джон Spiesberger из Woods Hole океанографического института , и Тед Бердсолл и Курт Мецгер из Университета Мичигана разработали использование звука для вывода информации о крупномасштабных температурах океана, и , в частности , попытка обнаружения глобального потепления В океане. Эта группа передается звуки из Оаха , которые были записаны примерно десять приемников , расположенных по краю Тихого океана на расстоянии 4000 км. Эти эксперименты показали , что изменение температуры может быть измерены с точностью приблизительно 20 миллиградусов. Spiesberger и др. не обнаружили глобальное потепление. Вместо этого они обнаружили , что другие природные климатические колебания, такие как Эль - Ниньо, были ответственны частично за значительных колебаний температуры , которые могут быть замаскированы либо более медленные и меньшие тенденции , которые , возможно, произошли от глобального потепления

Акустическая термометрия программы Ocean климата (КТВА) от того, был реализован в северной части Тихого океана, с акустическими передач от 1996 до осени 2006 Измерения законченные, когда согласованные экологические протоколы закончились. Десятилетний развертывание акустического источника показало, что наблюдения являются устойчивыми на даже скромный бюджет. Передачи были проверены, чтобы обеспечить точное измерение температуры океана на акустических трактах, с неопределенностью, которые намного меньше, чем любой другой подход к измерению температуры океана.

Массив КТВА прототип был акустический источник , расположенный к северу от Кауаи, Гавайи, и передачи были сделаны приемниками возможности в Северном бассейне Тихого океана . Исходные сигналы были широкополосным с частотами , центрированных на частоте 75 Гц и уровнем источника 195 дБ отн 1 micropascal на расстоянии 1 м, или около 250 Вт. Шесть передач продолжительностью 20 минут были сделаны на каждый четвертый день.

Акустические передачи и морские млекопитающие

Проект КТВА был втянут в вопросах , касающихся влияния акустики на морских млекопитающих (например , китов , морских свинок , морские львы и т.д.). Общественное обсуждение было осложнено техническими вопросами из различных дисциплин ( физическая океанографии , акустика , морская биология млекопитающего, и т.д.) , что делает понимание влияния акустики на морской млекопитающих трудном для специалистов, не говоря уже о широкой общественности. Многие из вопросов , касающихся акустики в океане и их воздействие на морских млекопитающих были неизвестны. Наконец, были различные общественных заблуждений на начальном этапе, таким как смешение определения уровней звука в воздухе против уровней звука в воде. Если заданное число децибел в воде интерпретируется как децибелы в воздухе, уровень звука будет казаться порядков больше , чем на самом деле - в одной точке уровни шума КТВА были ошибочно интерпретированы как «громче , чем 10000 747 самолетов». В самом деле, используют звуковые силы, 250 Вт, были сравнимы теми , сделанное синими или плавник китов, хотя эти киты напевать при гораздо более низкие частоты. Океан переносит звук настолько эффективно , что звуки не должны быть так громко , чтобы пересечь океан бассейны. Другие факторы , в полемике были обширная история активизма , где морские млекопитающие заинтересованного, вытекающие из продолжающегося китобойного конфликта, и симпатия , что большая часть населения чувствует по отношению к морским млекопитающим.

В результате этого спора, программа КТВА провела исследование миллионный 6 эффектов акустических передач на различных морских млекопитающих. После шести лет обучения чиновника, формальный вывод из этого исследования было то, что передача КТВА не имеют «никакого существенного биологического воздействия».

Другие виды деятельности акустики в океане не может быть столь благоприятным, поскольку морские млекопитающие обеспокоены. Различные типы искусственных звуков были изучены в качестве потенциальных угроз для морских млекопитающих, таких как пневмопушки кадров для геофизических исследований, или передач по ВМС США для различных целей. Реальная угроза зависит от целого ряда факторов, находящихся вне уровней шума: звуковая частоты, частота и продолжительности передач, характер акустического сигнала (например, внезапного импульса, или кодированной последовательности), глубина источника звука, направленность звука источник, глубина воды и рельеф местности, реверберации и т.д.

В случае КТВА, источник был установлен на дне около половины мили глубокой, следовательно, морских млекопитающих, которые связаны с поверхностью, как правило, дальше, чем с половиной мили от источника. Этот факт, в сочетании с уровнем скромного источника, нечастого 2% рабочего цикла (звук только на 2% в день), а также других факторов, таких, сделал звук передачи доброкачественная в его влиянии на морской жизни.

Типы передаваемых звуковых сигналов

Передачи томографические состоят из длинных кодированных сигналов (например, «М-последовательностей» ) длительностью 30 секунд или больше. Частоты , используемые диапазон от 50 до 1000 Гц и источника полномочий в диапазоне от 100 до 250 Вт, в зависимости от конкретных целей измерений. С точной синхронизацией , такими как от GPS , время прохождения может быть измерено с номинальной точностью до 1 миллисекунды. В то время как эти передачи слышны вблизи источника, за пределы диапазона в нескольких километров сигналы, как правило , ниже уровня окружающего шума, требующих сложную с расширенным спектром обработки сигналов методы , чтобы восстановить их.

Смотрите также

Рекомендации

дальнейшее чтение

  • BD Dushaw, 2013. "Океан Акустическая томография" в энциклопедии дистанционного зондирования, Е. Njoku, изд., М., Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2013. ISBN  978-0-387-36698-2 .
  • В. Мунка, П. Вустер и С. Wunsch (1995). Ocean акустической томографии . Cambridge: Cambridge University Press. ISBN  0-521-47095-1 .
  • PF Вустер, 2001: "Томография" в Энциклопедии наук об океане , J. Steele, С. Торп и К. Turekian, Eds, Academic Press Ltd., 2969-2986..

внешняя ссылка