Okyanus akustik tomografisi - Ocean acoustic tomography

Batı Kuzey Atlantik, okyanus akustik tomografisini kullanan iki deneyin yerlerini gösteriyor. AMODE, "Akustik Orta Okyanus Dinamiği Deneyi" (1990-1), Gulf Stream'den uzaktaki bir alanda okyanus dinamiklerini incelemek için tasarlandı ve SYNOP (1988-9), Gulf Stream'in özelliklerini sinoptik olarak ölçmek için tasarlandı. Renkler, yüksek çözünürlüklü sayısal bir okyanus modelinden türetilen 300 m derinlikte ses hızının anlık görüntüsünü gösterir . Tomografiyi kullanmanın temel motivasyonlarından biri, ölçümlerin çalkantılı okyanus üzerinden ortalamalar vermesidir.

Okyanus akustik tomografisi , okyanusun geniş bölgelerindeki sıcaklıkları ve akıntıları ölçmek için kullanılan bir tekniktir . Okyanus havzası ölçeklerinde bu teknik akustik termometri olarak da bilinir. Teknik, ses sinyallerinin, biri akustik kaynak diğeri alıcı olmak üzere , 100–5000 km'lik mesafelerle ayrılmış iki enstrüman arasında seyahat etmesi için geçen sürenin tam olarak ölçülmesine dayanır . Enstrümanların yerleri kesin olarak biliniyorsa, akustik yol üzerinden ortalama ses hızının çıkarılması için uçuş süresi ölçümü kullanılabilir. Değişiklikler sesin hızı öncelikle dolayısıyla seyahat süreleri ölçülmesi bir sıcaklık ölçümüne eşdeğerdir, okyanus sıcaklıktaki değişikliklerden kaynaklanır. Sıcaklıktaki 1 °C'lik bir değişiklik, ses hızındaki yaklaşık 4 m/sn'lik değişikliğe karşılık gelir. Tomografi kullanan bir oşinografik deney, tipik olarak, bir okyanus alanını ölçen demirli bir dizide birkaç kaynak-alıcı çifti kullanır .

Motivasyon

Deniz suyu bir elektrik iletkenidir , bu nedenle okyanuslar elektromanyetik enerjiye karşı opaktır (örneğin, ışık veya radar ). Bununla birlikte, okyanuslar düşük frekanslı akustiğe karşı oldukça şeffaftır. Okyanuslar sesi çok verimli bir şekilde iletir, özellikle sesi düşük frekanslarda, yani birkaç yüz hertz'den az. Bu özellikler Walter Munk ve Carl Wunsch'u 1970'lerin sonlarında okyanus ölçümü için "akustik tomografi" önermeye motive etti . Sıcaklığı ölçmek için akustik yaklaşımın avantajları iki yönlüdür. İlk olarak, okyanusun iç kısmındaki geniş alanlar uzaktan algılama ile ölçülebilir . İkincisi, teknik, okyanus değişkenliğine hakim olan küçük ölçekli sıcaklık dalgalanmalarının (yani gürültünün) doğal olarak ortalamasını alır.

Başlangıcından beri, okyanusun akustikle gözlemlenmesi fikri, modern sayısal okyanus modelleri ve verileri sayısal modellere özümseyen teknikler kullanılarak okyanusun durumunun tahmin edilmesiyle evliydi . Gözlem tekniği olgunlaştıkça, veri özümseme yöntemleri ve bu hesaplamaları gerçekleştirmek için gereken hesaplama gücü de gelişti .

Çok yollu varışlar ve tomografi

Okyanus boyunca akustik ışın yollarının yayılması. Soldaki akustik kaynaktan, yollar , SOFAR kanalının üstünde ve altında daha hızlı ses hızı ile kırılır , dolayısıyla kanal ekseni etrafında salınırlar. Tomografi, derinliğin bir fonksiyonu olarak sıcaklık değişimleri hakkında bilgi çıkarmak için bu "çoklu yollardan" yararlanır. Işınları daha iyi göstermek için şeklin en boy oranının büyük ölçüde çarpık olduğuna dikkat edin; şeklin maksimum derinliği sadece 4,5 km, maksimum menzil ise 500 km'dir.

Tomografinin ilgi çekici yönlerinden biri, akustik sinyallerin bir dizi genel olarak kararlı ışın yolu boyunca hareket etmesi gerçeğinden yararlanmasıdır. Tek bir iletilen akustik sinyalden, bu ışın kümesi, alıcıya çoklu varışlara yol açar, her varışın seyahat süresi belirli bir ışın yoluna karşılık gelir. En erken gelenler, daha derine giden ışınlara karşılık gelir, çünkü bu ışınlar ses hızının en yüksek olduğu yerde yol alır. Işın yolları bilgisayarlar (" ışın izleme ") kullanılarak kolayca hesaplanır ve her ışın yolu genellikle belirli bir seyahat süresi ile tanımlanabilir. Çoklu seyahat süreleri, çoklu akustik yolların her biri üzerinden ortalama ses hızını ölçer. Bu ölçümler, derinliğin bir fonksiyonu olarak sıcaklık veya akım değişimlerinin yapısının yönlerinin çıkarılmasını mümkün kılar. Akustik seyahat sürelerinden ses hızı, dolayısıyla sıcaklık için çözüm ters bir problemdir .

Uzun menzilli akustik ölçümlerin bütünleştirici özelliği

Okyanus akustik tomografisi, büyük mesafeler boyunca sıcaklık değişimlerini bütünleştirir, yani ölçülen seyahat süreleri, akustik yol boyunca tüm sıcaklık değişimlerinin birikmiş etkilerinden kaynaklanır, bu nedenle teknikle yapılan ölçümler doğal olarak ortalamadır. Bu önemli, benzersiz bir özelliktir, çünkü okyanusun her yerde bulunan küçük ölçekli türbülanslı ve iç dalga özellikleri genellikle tek noktalardaki ölçümlerde sinyallere hakimdir. Örneğin, termometrelerle yapılan ölçümler (yani, demirli termistörler veya Argo sürüklenen şamandıralar) bu 1-2 °C gürültü ile mücadele etmek zorundadır, bu nedenle, doğru bir ortalama sıcaklık ölçümü elde etmek için çok sayıda alet gerekir. Okyanus havzalarının ortalama sıcaklığını ölçmek için bu nedenle akustik ölçüm oldukça uygun maliyetlidir. Işın yolları su sütunu boyunca döndüğünden, tomografik ölçümler de derinlik üzerinden ortalama değişkenlik gösterir.

karşılıklı tomografi

"Karşılıklı tomografi", iki akustik alıcı-verici arasındaki eşzamanlı iletimleri kullanır. Bir "alıcı-verici", hem akustik bir kaynak hem de bir alıcı içeren bir araçtır. Karşılıklı hareket eden sinyaller arasındaki seyahat süresindeki küçük farklılıklar, okyanus akıntılarını ölçmek için kullanılır , çünkü karşılıklı sinyaller akımla birlikte ve akıntıya karşı hareket eder. Bu karşılıklı seyahat sürelerinin ortalaması, okyanus akıntılarının küçük etkilerinin tamamen ortadan kaldırıldığı sıcaklığın ölçüsüdür. Okyanus sıcaklıkları karşılıklı seyahat sürelerinin toplamından çıkarılırken, akıntılar karşılıklı seyahat sürelerinin farkından çıkarılır . Genel olarak, okyanus akıntılarının (tipik olarak 10 cm/sn) seyahat süreleri üzerinde ses hızı değişimlerinden (tipik olarak 5 m/sn) çok daha küçük bir etkisi vardır, bu nedenle "tek yönlü" tomografi sıcaklığı iyi bir yaklaşıma kadar ölçer.

Uygulamalar

Okyanusta, dakikalardan ( iç dalgalar ) on yıllara (okyanus iklim değişikliği ) kadar zaman aralıklarında büyük ölçekli sıcaklık değişiklikleri meydana gelebilir . Tomografi, bu geniş zamansal ölçekler aralığında ve çok çeşitli uzamsal ölçekler üzerindeki değişkenliği ölçmek için kullanılmıştır. Gerçekten de tomografi, antipodal mesafeler üzerindeki iletimleri kullanarak okyanus ikliminin bir ölçümü olarak düşünülmüştür .

Tomografi, ortalama okyanus sıcaklığı veya akımının sinoptik ölçümlerini elde etmek için uzun menzilli akustik yayılımın özelliklerinden yararlanan değerli bir okyanus gözlem yöntemi haline geldi. Okyanus gözleminde tomografinin en eski uygulamalarından biri 1988-9'da gerçekleşti. Scripps Oşinografi Enstitüsü ve Woods Hole Oşinografi Enstitüsü'ndeki gruplar arasındaki bir işbirliği, derin su oluşumunu ve girdap sirkülasyonunu incelemek için Grönland Denizi girdabının dipsiz ovasına altı elementli bir tomografik dizilim yerleştirdi . Diğer uygulamalar, okyanus gelgitlerinin ölçülmesini ve tomografi, uydu altimetrisi ve yerinde verileri okyanus dinamik modelleriyle birleştirerek okyanus orta ölçekli dinamiklerinin tahminini içerir. Kuzey Pasifik'te elde edilen on yıllık ölçümlere ek olarak, aktif bir ilgi alanı olmaya devam eden Arktik Okyanusu havzalarının üst katmanlarındaki sıcaklık değişimlerini ölçmek için akustik termometri kullanılmıştır. Akustik termometri, yakın zamanda, dünyanın bir ucundan diğerine gönderilen akustik darbelerden elde edilen verileri kullanarak küresel ölçekte okyanus sıcaklıklarındaki değişiklikleri belirlemek için de kullanıldı.

akustik termometri

Akustik termometri, dünyanın okyanus havzalarını ve özellikle okyanus iklimini, havzalar arası akustik iletimleri kullanarak gözlemlemek için bir fikirdir . Havza ölçeğinde veya küresel ölçekte ölçümleri belirtmek için "tomografi" yerine "termometri" kullanılmıştır. Kuzey Pasifik Havzasında ve Arktik Havzasında prototip sıcaklık ölçümleri yapılmıştır .

1983'ten başlayarak, Woods Hole Oşinografi Enstitüsü'nden John Spiesberger ve Michigan Üniversitesi'nden Ted Birdsall ve Kurt Metzger , okyanusun büyük ölçekli sıcaklıkları hakkında bilgi çıkarmak ve özellikle küresel ısınmayı tespit etmeye çalışmak için ses kullanımını geliştirdiler. okyanusta. Bu grup, Pasifik Okyanusu'nun kenarına 4000 km mesafeler boyunca yerleştirilmiş yaklaşık on alıcıda kaydedilen sesleri Oahu'dan iletti. Bu deneyler, sıcaklıktaki değişikliklerin yaklaşık 20 miliderelik bir doğrulukla ölçülebileceğini gösterdi. Spiesberg ve ark. küresel ısınmayı tespit etmedi. Bunun yerine, El Nino gibi diğer doğal iklim dalgalanmalarının, küresel ısınmadan kaynaklanabilecek daha yavaş ve daha küçük eğilimleri maskelemiş olabilecek önemli sıcaklık dalgalanmalarından kısmen sorumlu olduğunu keşfettiler.

Okyanus İkliminin Akustik Termometrisi (ATOC) programı, 1996'dan 2006 sonbaharına kadar akustik iletimlerle Kuzey Pasifik Okyanusu'nda uygulandı. Üzerinde anlaşmaya varılan çevresel protokoller sona erdiğinde ölçümler sona erdi. Akustik kaynağın on yıl boyunca konuşlandırılması, gözlemlerin mütevazı bir bütçeyle bile sürdürülebilir olduğunu gösterdi. İletimlerin, okyanus sıcaklığı ölçümüne yönelik diğer herhangi bir yaklaşımdan çok daha küçük belirsizliklerle, akustik yollarda okyanus sıcaklığının doğru bir ölçümünü sağladığı doğrulanmıştır.

Doğal olarak meydana gelen akustik kaynaklar olarak hareket eden tekrarlayan depremler, akustik termometride de kullanılmıştır; bu, şu anda yerinde aletler tarafından zayıf bir şekilde örneklenen derin okyanustaki sıcaklık değişkenliğini ortaya çıkarmak için özellikle yararlı olabilir.

ATOC prototip dizisi, Hawaii, Kauai'nin hemen kuzeyinde bulunan bir akustik kaynaktı ve Kuzey Pasifik Havzasındaki fırsat alıcılarına iletimler yapıldı . Kaynak sinyalleri, 75 Hz merkezli frekanslara ve 1 m'de 1 mikropaskal veya yaklaşık 250 watt'ta 195 dB'lik bir kaynak seviyesine sahip geniş banttı . Her dört günde bir 20 dakikalık altı yayın yapıldı.

Akustik aktarımlar ve deniz memelileri

Ayrıca bakınız: Deniz memelileri ve sonar

ATOC projesi, akustiğin deniz memelileri (örneğin balinalar , yunuslar , deniz aslanları , vb.) üzerindeki etkileriyle ilgili konulara bulaşmıştı . Kamuoyu tartışması, çeşitli disiplinlerden ( fiziksel oşinografi , akustik , deniz memelileri biyolojisi, vb.) gelen teknik konular nedeniyle karmaşıktı ve bu da akustiğin deniz memelileri üzerindeki etkilerini anlamayı bırakın genel kamuoyu bir yana, uzmanlar için bile zorlaştırıyordu. Okyanustaki akustikle ilgili sorunların çoğu ve bunların deniz memelileri üzerindeki etkileri bilinmiyordu. Son olarak, başlangıçta, havadaki ses seviyeleri ile sudaki ses seviyeleri tanımının karıştırılması gibi çeşitli kamuoyu yanılgıları vardı. Sudaki belirli bir sayıdaki desibel, havadaki desibel olarak yorumlanırsa, ses seviyesi gerçekte olduğundan çok daha büyük gibi görünecektir - bir noktada ATOC ses seviyeleri, sinyaller 500.000 hayvanı öldürecek kadar yüksek olduğu için hatalı bir şekilde yorumlanmıştır. . Kullanılan ses gücü, 250 W, bu balinalar çok daha düşük frekanslarda ses çıkarsa da, mavi veya yüzgeçli balinalar tarafından yapılanlarla karşılaştırılabilirdi . Okyanus sesi o kadar verimli bir şekilde taşır ki, okyanus havzalarını geçmek için seslerin o kadar yüksek olması gerekmez. Tartışmadaki diğer faktörler, devam eden balina avcılığından kaynaklanan deniz memelileri ile ilgili kapsamlı aktivizm tarihi ve halkın çoğunun deniz memelilerine duyduğu sempatiydi.

Bu tartışmanın bir sonucu olarak, ATOC programı, akustik iletimlerin çeşitli deniz memelileri üzerindeki etkilerine ilişkin 6 milyon dolarlık bir çalışma gerçekleştirdi. Akustik kaynak yaklaşık yarım mil derinliğinde tabana monte edilmiştir, bu nedenle yüzeye bağlı olan deniz memelileri genellikle kaynaktan yarım milden daha uzaktaydı. Kaynak seviyesi mütevazıydı, büyük balinaların ses seviyesinden daha azdı ve görev döngüsü %2 idi (yani ses günün sadece %2'sinde). Altı yıllık bir çalışmadan sonra, bu çalışmadan elde edilen resmi, resmi sonuç, ATOC iletimlerinin "biyolojik olarak önemli etkileri olmadığı"ydı.

Deniz memelileri söz konusu olduğunda, okyanustaki diğer akustik faaliyetler o kadar iyi huylu olmayabilir. Jeofizik araştırmalar için hava tabancası atışları veya ABD Donanması tarafından çeşitli amaçlarla yapılan yayınlar gibi çeşitli insan yapımı sesler deniz memelileri için potansiyel tehditler olarak incelenmiştir. Gerçek tehdit, gürültü seviyelerinin ötesinde çeşitli faktörlere bağlıdır: ses frekansı, iletimlerin frekansı ve süresi, akustik sinyalin doğası (örneğin, ani bir darbe veya kodlanmış dizi), ses kaynağının derinliği, sesin yönlülüğü kaynak, su derinliği ve yerel topografya, yankılanma vb.

İletilen akustik sinyal türleri

Tomografik aktarımlar, 30 saniye veya daha uzun süren uzun kodlanmış sinyallerden (örneğin, "m-dizileri" ) oluşur. Ölçümlerin belirli amaçlarına bağlı olarak, kullanılan frekanslar 50 ila 1000 Hz ve kaynak güçleri 100 ila 250 W arasında değişir. GPS gibi hassas zamanlama ile seyahat süreleri 1 milisaniyelik nominal bir doğrulukla ölçülebilir. Bu aktarımlar kaynağın yakınında duyulabilirken, birkaç kilometrelik bir menzilin ötesinde sinyaller genellikle ortam gürültü seviyelerinin altındadır ve onları kurtarmak için karmaşık yayılma spektrumlu sinyal işleme teknikleri gerektirir .

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

  • BD Dushaw, 2013. "Ocean Acoustic Tomography", Encyclopedia of Remote Sensing, EG Njoku, Ed., Springer, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2013. ISBN  978-0-387-36698-2 .
  • W. Munk, P. Worcester ve C. Wunsch (1995). Okyanus Akustik Tomografisi . Cambridge: Cambridge University Press. ISBN  0-521-47095-1 .
  • PF Worcester, 2001: "Tomography", Encyclopedia of Ocean Sciences , J. Steele, S. Thorpe ve K. Turekian, Eds., Academic Press Ltd., 2969–2986.

Dış bağlantılar