stringtranslate.com

Акустическая томография океана

Западная часть Северной Атлантики, показывающая места проведения двух экспериментов, в которых использовалась акустическая томография океана. AMODE, «Эксперимент по акустической динамике среднего океана» (1990-1), был разработан для изучения динамики океана вдали от Гольфстрима , а SYNOP (1988-9) был разработан для синоптического измерения аспектов Гольфстрима. Цвета показывают моментальный снимок скорости звука на глубине 300 метров (980 футов), полученный с помощью численной модели океана с высоким разрешением . Одной из основных причин использования томографии является то, что измерения дают средние значения по бурному океану.

Акустическая томография океана — это метод, используемый для измерения температуры и течений на больших участках океана . [ 1] [2] В масштабах океанического бассейна этот метод также известен как акустическая термометрия. Метод основан на точном измерении времени, необходимого звуковым сигналам для прохождения между двумя приборами, одним акустическим источником и одним приемником , разделенными диапазонами 100–5000 километров (54–2700 морских миль). Если местоположение приборов известно точно, измерение времени пролета можно использовать для определения скорости звука, усредненной по акустическому пути. Изменения скорости звука в первую очередь вызваны изменениями температуры океана, поэтому измерение времени прохождения эквивалентно измерению температуры. Изменение температуры на 1 °C (1,8 °F) соответствует изменению скорости звука примерно на 4 метра в секунду (13 футов/с). Океанографический эксперимент с использованием томографии обычно использует несколько пар источник-приемник в заякоренном массиве, который измеряет площадь океана.

Мотивация

Морская вода является электрическим проводником , 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, т. е. менее нескольких сотен герц. [3] Эти свойства побудили Уолтера Манка и Карла Вунша [4] [5] предложить «акустическую томографию» для измерения океана в конце 1970-х годов. Преимущества акустического подхода к измерению температуры двояки. Во-первых, большие площади внутренних областей океана можно измерить с помощью дистанционного зондирования . Во-вторых, этот 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 была связана с оценкой состояния океана с использованием современных числовых моделей океана и методов ассимиляции данных в числовые модели. По мере развития техники наблюдений развивались и методы ассимиляции данных , а также вычислительная мощность, необходимая для выполнения этих расчетов.

Многолучевые прибытия и томография

Распространение траекторий акустических лучей через океан. От акустического источника слева траектории преломляются более быстрой скоростью звука выше и ниже канала SOFAR , поэтому они колеблются вокруг оси канала. Томография использует эти «многолучевые пути» для получения информации об изменениях температуры в зависимости от глубины. Обратите внимание, что соотношение сторон рисунка было сильно искажено для лучшей иллюстрации лучей; максимальная глубина рисунка составляет всего 4,5 км, а максимальный диапазон — 500 км.

Одним из интересных аспектов томографии является то, что она использует тот факт, что акустические сигналы распространяются по набору в целом стабильных траекторий лучей. Из одного переданного акустического сигнала этот набор лучей порождает несколько прибытий в приемник, причем время прохождения каждого прибытия соответствует определенному пути луча. Самые ранние прибытия соответствуют лучам, распространяющимся глубже, поскольку эти лучи распространяются там, где скорость звука наибольшая. Пути лучей легко вычисляются с помощью компьютеров (« трассировка лучей »), и каждый путь луча, как правило, можно идентифицировать с определенным временем прохождения. Несколько времен прохождения измеряют скорость звука, усредненную по каждому из нескольких акустических путей. Эти измерения позволяют вывести аспекты структуры температурных или токовых изменений в зависимости от глубины. Решение для скорости звука, а следовательно, и температуры, из времен акустического прохождения является обратной задачей .

Интегрирующее свойство дальних акустических измерений

Акустическая томография океана объединяет температурные изменения на больших расстояниях, то есть измеренное время прохождения является результатом накопленных эффектов всех температурных изменений вдоль акустического пути, поэтому измерения с помощью этой техники по своей сути являются усредняющими. Это важное, уникальное свойство, поскольку вездесущие мелкомасштабные турбулентные и внутренние волновые характеристики океана обычно доминируют над сигналами при измерениях в отдельных точках. Например, измерения с помощью термометров (т. е. заякоренных термисторов или дрейфующих поплавков Argo ) должны бороться с этим шумом в 1-2 °C, поэтому для получения точного измерения средней температуры требуется большое количество приборов. Поэтому для измерения средней температуры океанских бассейнов акустическое измерение является довольно экономически эффективным. Томографические измерения также усредняют изменчивость по глубине, поскольку траектории лучей циклически проходят через толщу воды.

Реципрокная томография

«Взаимная томография» использует одновременные передачи между двумя акустическими приемопередатчиками. «Приемопередатчик» — это прибор, включающий в себя как акустический источник, так и приемник. Небольшие различия во времени прохождения между взаимно-перемещающимися сигналами используются для измерения морских течений , поскольку взаимные сигналы распространяются по течению и против него. Среднее значение этих взаимных времен прохождения является мерой температуры, при этом небольшие эффекты от морских течений полностью удалены. Температура океана выводится из суммы взаимных времен прохождения, в то время как течения выводятся из разницы взаимных времен прохождения. Как правило, морские течения (обычно 10 см/с (3,9 дюйма/с)) оказывают гораздо меньшее влияние на время прохождения, чем изменения скорости звука (обычно 5 м/с (16 футов/с)), поэтому «односторонняя» томография измеряет температуру с хорошим приближением.

Приложения

В океане крупномасштабные изменения температуры могут происходить в течение временных интервалов от минут ( внутренние волны ) до десятилетий (океаническое 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 передач на антиподных расстояниях. [3]

Томография стала ценным методом наблюдения за океаном, [6] используя характеристики распространения звука на большие расстояния для получения синоптических измерений средней температуры океана или течения. Одно из самых ранних применений томографии в наблюдении за океаном произошло в 1988-9 годах. Сотрудничество между группами Института океанографии Скриппса и Океанографического института Вудс-Хоул развернуло шестиэлементную томографическую решетку в абиссальной равнине круговорота Гренландского моря для изучения формирования глубоководных течений и циркуляции круговорота. [7] [8] Другие приложения включают измерение океанских приливов, [9] [10] и оценку мезомасштабной динамики океана путем объединения томографии, спутниковой альтиметрии и данных in situ с динамическими моделями океана. [11] В дополнение к десятилетним измерениям, полученным в северной части Тихого океана, акустическая термометрия использовалась для измерения изменений температуры верхних слоев бассейнов Северного Ледовитого океана, [12] что продолжает оставаться областью активного интереса. [13] 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. [14] [15]

Акустическая термометрия

Акустическая термометрия — это идея наблюдения за мировыми океаническими бассейнами и океаническим климатом в частности с использованием трансбассейновых акустических передач . «Термометрия», а не «томография», использовалась для обозначения измерений в масштабе бассейна или в глобальном масштабе. Прототипные измерения температуры были сделаны в северной части Тихоокеанского бассейна и по всему Арктическому бассейну . [1]

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 получения информации о крупномасштабных температурах океана и, в частности, для попытки обнаружения глобального потепления в океане. Эта группа передала звуки с Оаху, которые были записаны примерно десятью приемниками, расположенными по краю Тихого океана на расстоянии 4000 км (2500 миль). [16] [17] Эти эксперименты показали, что изменения температуры можно измерить с точностью около 20 миллиградусов. Списбергер и др. не обнаружили глобального потепления. Вместо этого они обнаружили, что другие естественные климатические колебания, такие как Эль-Ниньо, были частично ответственны за существенные колебания температуры, которые могли замаскировать любые более медленные и меньшие тенденции, которые могли возникнуть из-за глобального потепления. [18]

Программа акустической термометрии климата океана (ATOC) была реализована в северной части Тихого океана с акустическими передачами с 1996 по осень 2006 года. Измерения были прекращены, когда закончились согласованные экологические протоколы. Десятилетнее развертывание акустического источника показало, что наблюдения являются устойчивыми даже при скромном бюджете. Передачи были проверены, чтобы обеспечить точное измерение температуры океана на акустических путях с неопределенностями, которые намного меньше, чем любой другой подход к измерению температуры океана. [19] [20]

Повторяющиеся землетрясения, действующие как естественные акустические источники, также использовались в акустической термометрии, которая может быть особенно полезна для определения изменчивости температуры в глубоком океане, который в настоящее время плохо отслеживается приборами на месте. [21]

Прототип массива ATOC представлял собой акустический источник, расположенный к северу от Кауаи, Гавайи, и передачи осуществлялись на приемники возможностей в северной части Тихоокеанского бассейна . Сигналы источника были широкополосными с частотами, центрированными на 75 Гц, и уровнем источника 195 дБ относительно 1 микропаскаля на 1 м, или около 250 Вт. Шесть передач продолжительностью 20 минут производились каждый четвертый день.

Акустические передачи и морские млекопитающие

Проект ATOC был втянут в вопросы, касающиеся воздействия акустики на морских млекопитающих (например, китов , морских свиней , морских львов и т. д.). [22] [23] [24] Публичное обсуждение было осложнено 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 общественности. Многие из вопросов, касающихся акустики в океане и ее воздействия на морских млекопитающих, были неизвестны. Наконец, изначально существовало множество общественных заблуждений, таких как путаница в определении уровней звука в воздухе и уровней звука в воде. Если заданное количество децибел в воде интерпретировать как децибелы в воздухе, уровень звука будет казаться на порядки больше, чем он есть на самом деле - в какой-то момент уровни звука ATOC были ошибочно интерпретированы как настолько громкие, что сигналы могли бы убить 500 000 животных. [25] [5] Мощность звука, используемая в 250 Вт, была сопоставима с мощностью, издаваемой синими или финвалами , [24] хотя эти киты издают звуки на гораздо более низких частотах. Океан переносит звук настолько эффективно, что звуки не должны быть такими громкими, чтобы пересекать океанские бассейны. Другими факторами в споре были обширная история активизма в отношении морских млекопитающих, вытекающая из продолжающегося конфликта китобойного промысла, и симпатия, которую большая часть общественности испытывает к морским млекопитающим. [25]

В результате этого противоречия программа ATOC провела исследование стоимостью 6 миллионов долларов по влиянию акустических передач на различных морских млекопитающих. Акустический источник был установлен на дне на глубине около полумили, поэтому морские млекопитающие, которые привязаны к поверхности, обычно находились дальше, чем в полумиле от источника. Уровень источника был скромным, ниже уровня звука крупных китов, а рабочий цикл составлял 2% (т. е. звук слышен только 2% дня). [26] После шести лет исследований официальным, формальным заключением этого исследования было то, что передачи ATOC «не имеют биологически значимых эффектов». [24] [27] [28]

Другие акустические действия в океане могут быть не столь безобидными, если речь идет о морских млекопитающих. Различные типы искусственных звуков были изучены как потенциальные угрозы для морских млекопитающих, такие как выстрелы пневматических пушек для геофизических исследований, [29] или передачи ВМС США для различных целей. [30] Фактическая угроза зависит от множества факторов, помимо уровней шума: частоты звука, частоты и продолжительности передач, характера акустического сигнала (например, внезапный импульс или кодированная последовательность), глубины источника звука, направленности источника звука, глубины воды и локального рельефа, реверберации и т. д.

Типы передаваемых акустических сигналов

Томографические передачи состоят из длинных кодированных сигналов (например, «m-последовательности» ) продолжительностью 30 секунд или более. Используемые частоты варьируются от 50 до 1000 Гц, а мощность источника — от 100 до 250 Вт в зависимости от конкретных целей измерений. С помощью точного времени, например, GPS , время прохождения может быть измерено с номинальной точностью в 1 миллисекунду. Хотя эти передачи слышны вблизи источника, за пределами диапазона нескольких километров сигналы обычно ниже уровней окружающего шума, что требует сложных методов обработки сигналов с расширенным спектром для их восстановления.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Munk, Walter; Peter Worcester; Carl Wunsch (1995). Акустическая томография океана . Кембридж: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-47095-7.
  2. ^ Уолтер Салливан (1987-07-28). «Обширные усилия направлены на выявление скрытых закономерностей океанов». New York Times . Получено 2007-11-05 .
  3. ^ ab "Тест осуществимости острова Херд". Акустическое общество Америки. 1994.
  4. ^ Мунк, Вальтер; Карл Вунш (1982). «Наблюдение за океаном в 1990-х». Phil. Trans. R. Soc. Lond. A. 307 ( 1499): 439–464. Bibcode : 1982RSPTA.307..439M. doi : 10.1098/rsta.1982.0120. S2CID  122989068.
  5. ^ ab Munk, Walter (2006). «Акустическая томография океана; от бурного начала до неопределенного будущего». В Jochum, Markus; Murtugudde, Raghu (ред.). Физическая океанография: Развитие с 1950 года . Нью-Йорк: Springer. С. 119–136. ISBN 9780387331522.
  6. ^ Фишер, А.С.; Холл, Дж.; Харрисон, Д.Э.; Стаммер, Д.; Бенвенист, Дж. (2010). «Резюме конференции — Океаническая информация для общества: поддержание выгод, реализация потенциала». В Холле, Дж.; Харрисоне, Д.Э.; Стаммер, Д. (ред.). Труды OceanObs'09: Устойчивые океанические наблюдения и информация для общества (т. 1) . Публикация ESA WPP-306.
  7. ^ Павлович, Р. и др. (1995-03-15). «Термическая эволюция круговорота Гренландского моря в 1988-1989 гг.». Т. 100. Журнал геофизических исследований. С. 4727–2750.
  8. ^ Моравиц, В. М. Л. и др. (1996). «Трехмерные наблюдения глубокой конвективной трубы в Гренландском море зимой 1988/1989 гг.». Т. 26. Журнал физической океанографии. С. 2316–2343.
  9. ^ Stammer, D.; et al. (2014). «Оценка точности моделей глобальных баротропных океанских приливов». Reviews of Geophysics . 52 (3): 243–282. Bibcode : 2014RvGeo..52..243S. doi : 10.1002/2014RG000450. hdl : 2027.42/109077 . S2CID  18056807.
  10. ^ Dushaw, BD; Worcester, PF; Dzieciuch, MA (2011). «О предсказуемости внутренних приливов режима 1». Deep-Sea Research Часть I. 58 ( 6): 677–698. Bibcode : 2011DSRI...58..677D. doi : 10.1016/j.dsr.2011.04.002.
  11. ^ Лебедев, КВ; Яремчук, М.; Мицудера, Х.; Накано, И.; Юань, Г. (2003). «Мониторинг расширения Куросио посредством динамически ограниченного синтеза акустической томографии, спутникового альтиметра и данных in situ». Журнал физической океанографии . 59 (6): 751–763. doi :10.1023/b:joce.0000009568.06949.c5. S2CID  73574827.
  12. ^ Михалевский, П. Н.; Гаврилов, А. Н. (2001). «Акустическая термометрия в Северном Ледовитом океане». Polar Research . 20 (2): 185–192. Bibcode :2001PolRe..20..185M. doi : 10.3402/POLAR.V20I2.6516 . S2CID  218986875.
  13. ^ Михалевский, П. Н.; Саган, Х.; и др. (2001). «Многоцелевые акустические сети в интегрированной системе наблюдений за Северным Ледовитым океаном». Arctic . 28, Suppl. 1 (5): 17 стр. doi :10.14430/arctic4449. hdl : 20.500.11937/9445 . Архивировано из оригинала 10 сентября 2015 г. . Получено 24 апреля 2015 г. .
  14. ^ Munk, WH; O'Reilly, WC; Reid, JL (1988). "Australia-Bermuda Sound Transmission Experiment (1960) Revisited". Journal of Physical Oceanography . 18 (12): 1876–1998. Bibcode : 1988JPO....18.1876M. doi : 10.1175/1520-0485(1988)018<1876:ABSTER>2.0.CO;2 .
  15. ^ Душо, Б. Д.; Менеменлис, Д. (2014). «Антиподальная акустическая термометрия: 1960, 2004». Deep-Sea Research Часть I. 86 : 1–20. Bibcode : 2014DSRI...86....1D. doi : 10.1016/j.dsr.2013.12.008 .
  16. ^ Spiesberger, john; Kurt Metzter (1992). «Мониторинг океана в масштабе бассейна с помощью акустических термометров». Oceanography . 5 (2): 92–98. doi : 10.5670/oceanog.1992.15 .
  17. ^ Spiesberger, JL; K. Metzger (1991). «Томография в масштабе бассейна: новый инструмент для изучения погоды и климата». J. Geophys. Res . 96 (C3): 4869–4889. Bibcode : 1991JGR....96.4869S. doi : 10.1029/90JC02538.
  18. ^ Spiesberger, John; Harley Hurlburt; Mark Johnson; Mark Keller; Steven Meyers; and JJ O'Brien (1998). "Данные акустической термометрии в сравнении с двумя моделями океана: важность волн Россби и ENSO в изменении внутренней части океана". Динамика атмосфер и океанов . 26 (4): 209–240. Bibcode : 1998DyAtO..26..209S. doi : 10.1016/s0377-0265(97)00044-4.
  19. ↑ Консорциум ATOC (1998-08-28). «Изменение климата океана: сравнение акустической томографии, спутниковой альтиметрии и моделирования». Science Magazine. стр. 1327–1332 . Получено 28 мая 2007 г.
  20. ^ Душо, Брайан и др. (2009-07-19). "Десятилетие акустической термометрии в северной части Тихого океана". Журнал геофизических исследований . Том 114, C07021. J. Geophys. Res. Bibcode : 2009JGRC..114.7021D. doi : 10.1029/2008JC005124.
  21. ^ У, Вэньбо; Чжань, Чжунвэнь; Пэн, Шируй; Ни, Сидао; Кэллис, Йорн (18.09.2020). «Сейсмическая океаническая термометрия». Science . 369 (6510): 1510–1515. Bibcode :2020Sci...369.1510W. doi :10.1126/science.abb9519. ISSN  0036-8075. PMID  32943525. S2CID  219887722.
  22. ↑ Стефани Сигел (30 июня 1999 г.). «Низкочастотный сонар вызывает недовольство у защитников китов». CNN . Получено 23 октября 2007 г.
  23. ↑ Малкольм В. Браун (30 июня 1999 г.). «Глобальный термометр под угрозой из-за спора». NY Times . Получено 23 октября 2007 г.
  24. ^ abc Kenneth Chang (24 июня 1999 г.). "An Ear to Ocean Temperature". ABC News . Архивировано из оригинала 2003-10-06 . Получено 2007-10-23 .
  25. ^ ab Potter, JR (1994). "ATOC: здравая политика или экологический вандализм? Аспекты современной проблемы политики, подпитываемой СМИ". Журнал окружающей среды и развития . 3 (2): 47–62. doi :10.1177/107049659400300205. S2CID  154909187. Получено 20 ноября 2009 г.
  26. ^ Curtis, KR; BM Howe; JA Mercer (1999). "Низкочастотный окружающий звук в северной части Тихого океана: наблюдения за длинными временными рядами" (PDF) . Журнал акустического общества Америки . 106 (6): 3189–3200. Bibcode :1999ASAJ..106.3189C. doi :10.1121/1.428173 . Получено 30 июня 2020 г. .
  27. ^ Clark, CW; DE Crocker; J. Gedamke; PM Webb (2003). «Влияние источника звука низкой частоты (акустическая термометрия климата океана) на поведение ныряльщиков молодых северных морских слонов, Mirounga angustirostris». Журнал акустического общества Америки . 113 (2): 1155–1165. Bibcode : 2003ASAJ..113.1155C. doi : 10.1121/1.1538248. hdl : 10211.3/124720 . PMID:  12597209. Получено 30.06.2020 .
  28. ^ Национальный исследовательский совет (2000). Морские млекопитающие и низкочастотный звук: прогресс с 1994 года. Вашингтон, округ Колумбия: National Academy Press. doi : 10.17226/9756. ISBN 978-0-309-06886-4. PMID  25077255.
  29. ^ Bombosch, A. (2014). «Прогностическое моделирование среды обитания горбатых китов (Megaptera novaeangliae) и антарктических малых полосатиков (Balaenoptera bonaerensis) в Южном океане как инструмент планирования сейсмических исследований». Deep-Sea Research Часть I: Oceanographic Research Papers . 91 : 101–114. Bibcode : 2014DSRI...91..101B. doi : 10.1016/j.dsr.2014.05.017 .
  30. ^ Национальный исследовательский совет (2003). Шум океана и морские млекопитающие. National Academies Press. ISBN 978-0-309-08536-6. Получено 25.01.2015 .

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки