Войти
Западная часть Северной Атлантики с указанием местоположения двух эксперименты с использованием акустической томографии океана. AMODE, «Эксперимент акустической динамики срединного океана» (1990-1), был разработан для изучения динамики океана в районе, удаленном от Гольфстрима, а SYNOP (1988-9) был разработан для синоптических измерений аспекты Гольфстрима. Цветами показан снимок скорости звука на глубине 300 м, полученный с помощью числовой 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 в больших регионах океан. В масштабах океанских бассейнов этот метод также известен как акустическая термометрия. Этот метод основан на точном измерении времени, которое требуется звуковым сигналам для прохождения между двумя инструментами, одним из которых является акустический источник, а другим - приемник, разделенных диапазонами в 100–5000 км. Если расположение инструментов известно точно, измерение времени пролета можно использовать для определения скорости звука, усредненной по акустическому пути. Изменения в 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 массиве заякоренной, который измеряет площадь океана.
Морская вода электрический провод, поэтому океаны непрозрачны для электромагнитной энергии (например, свет или радар ). 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 числовых моделей океана и методов ассимиляции данных в числовых моделях. По мере совершенствования техники наблюдений появились и методы ассимиляции данных и вычислительные мощности, необходимые для выполнения этих вычислений.
Распространение путей акустических лучей через океан. От акустического источника слева пути преломляются за счет более высокой скорости звука выше и ниже канала SOFAR, поэтому они колеблются вокруг оси канала. Томография использует эти "многолучевости" для получения информации о вариациях температуры в зависимости от глубины. Обратите внимание, что соотношение сторон изображения 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 вызывает несколько приходов в приемник, время прохождения каждого прихода соответствует определенному пути луча. Самые ранние приходы соответствуют лучам, распространяющимся глубже, так как эти лучи распространяются там, где скорость звука наибольшая. Траектории лучей легко вычисляются с помощью компьютеров («трассировка лучей »), и каждый путь луча обычно может быть идентифицирован 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 и, следовательно, температуры, исходя из времени распространения звука, является обратной задачей.
Акустическая томография океана объединяет изменения температуры на больших расстояниях, что То есть, измеренное время пробега 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 (т. Е. Заякоренных термисторов или Argo дрейфующих поплавков) должны иметь дело с этим шумом 1-2 ° C, поэтому требуется большое количество инструментов для получения точное измерение средней температуры. Следовательно, для измерения средней температуры океанических бассейнов акустические измерения являются довольно рентабельными. Томографические измерения также усредняют изменчивость по глубине, поскольку траектории лучей проходят через водную толщу.
«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 обратных 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.
В океане крупномасштабные изменения температуры могут происходить в течение промежутков времени от минут (внутренние волны ) до десятилетий (океанические изменение климата ). 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 антиподальных расстояниях.
Томография стала ценным методом наблюдения за океаном, использующим характеристики акустических сигналов на больших расстояниях. распространение для получения синоптических измерений средней температуры или течения океана. Одно из первых применений томографии в наблюдении за океаном произошло в 1988-9 гг. В результате сотрудничества групп из Института океанографии Скриппса и Океанографического института Вудс-Хоул был развернут шестиэлементный томографический массив на глубинной равнине в круговорот Гренландского моря для изучения глубоководной формации и круговорота. Другие приложения включают измерение океанских приливов и оценку динамики океана в мезомасштабе путем комбинирования томографии, спутниковой альтиметрии и данных in situ 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 - это идея наблюдать за бассейнами океана мира и, в частности, за климатом океана, используя транс- бассейны акустические передачи. «Термометрия», а не «томография», использовалась для обозначения измерений в масштабе бассейна или в глобальном масштабе. Прототипы измерений температуры были выполнены в Северо-Тихоокеанском бассейне и в Арктическом бассейне.
. Начиная с 1983 года, Джон Списбергер из Океанографического института Вудс-Хоул, а также Тед Бердсолл и Курт Метцгер 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 показали, что изменение 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, отчасти были ответственны за существенные колебания температуры, которые могли замаскировать любые более медленные и более мелкие тенденции, которые могли возникнуть в результате глобального потепления.
Акустическая термометрия Программа Ocean Climate (ATOC) была реализована в северной части Тихого океана с акустической передачей с 1996 по осень 2006. Измерения были прекращены, когда закончились согласованные экологические протоколы. Десятилетнее использование акустического источника показало, что наблюдения возможны даже при небольшом бюджете. Передачи были проверены для обеспечения точного измерения 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 полезной для определения изменчивости температуры в глубоководных районах океана, образцы которых в настоящее время плохо собираются приборами на месте.
Прототип массива ATOC представлял собой акустический источник, расположенный к северу от Кауаи, Гавайи, и передачи были сделаны на приемники возможностей в Северном Тихоокеанском бассейне. Источники сигналов были широкополосными с частотами, сосредоточенными на 75 Гц, и уровнем источника 195 дБ относительно 1 микропаскалей на расстоянии 1 м, или около 250 Вт. Шесть передач продолжительностью 20 минут выполнялись каждый четвертый день. Проект ATOC был вовлечен в вопросы, касающиеся воздействия акустики на морских млекопитающих ( например, киты, морские свиньи, морские львы и т. д.). Публичное обсуждение осложнялось техническими вопросами из различных дисциплин (физическая океанография, акустика, биология морских млекопитающих и т. Д.), Которые затрудняют понимание воздействия акустики на морских млекопитающих. эксперты, не говоря уже об широкой публике. Многие вопросы, касающиеся акустики океана и их воздействия на морских млекопитающих, были неизвестны. Наконец, изначально в обществе существовали различные заблуждения, такие как неправильное определение уровней звука в воздухе и уровней звука в воде. Если данное количество децибел в воде интерпретируется как децибел 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.. Используемая звуковая мощность, 250 Вт, была сопоставима со звуковой мощностью синих или плавниковых китов, хотя эти киты издают звуки на гораздо более низких частотах. Океан передает звук настолько эффективно, что звуки не обязательно должны быть такими громкими, чтобы пересекать бассейны океана. Другими факторами разногласий были обширная история активности, связанной с морскими млекопитающими, проистекающая из продолжающегося конфликта китобойного промысла, и сочувствие, которое большая часть общественности испытывает к морским млекопитающим.
В результате этого противоречия, Программа ATOC провела исследование воздействия акустических сигналов на различных морских млекопитающих, стоимость которого составила 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 уровня звука крупных китов, а рабочий цикл составлял 2% (т.е. звук присутствует только 2% дня). После шести лет изучения официальный официальный вывод из этого исследования заключался в том, что передачи ATOC «не имеют биологически значимых эффектов».
Другие виды акустической деятельности в океане могут быть не столь благоприятными для морских млекопитающих. Различные типы искусственных звуков были изучены как потенциальные угрозы для морских млекопитающих, такие как выстрелы из пневматического ружья 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.
Томографические передачи состоят из длинных кодированных сигналов (например, «m-последовательности» ) длительностью 30 секунд и 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 отсчету времени, например, от GPS, время прохождения может быть измерено с номинальной точностью до 1 миллисекунды. Хотя эти передачи слышны вблизи источника, за пределами диапазона в несколько километров сигналы обычно ниже уровней окружающего шума, что требует сложных методов распространенного спектра обработки сигналов для их восстановления.
Портал океанов 