Tomografía acústica oceánica - Ocean acoustic tomography
La tomografía acústica oceánica es una técnica que se utiliza para medir temperaturas y corrientes en grandes regiones del océano . En las escalas de las cuencas oceánicas, esta técnica también se conoce como termometría acústica. La técnica se basa en medir con precisión el tiempo que tardan las señales de sonido en viajar entre dos instrumentos, una fuente acústica y otro receptor , separados por rangos de 100 a 5000 km. Si las ubicaciones de los instrumentos se conocen con precisión, la medición del tiempo de vuelo se puede utilizar para inferir la velocidad del sonido, promediada sobre la trayectoria acústica. Los cambios en la velocidad del sonido son causados principalmente por cambios en la temperatura del océano, por lo tanto, la medición de los tiempos de viaje es equivalente a una medición de la temperatura. Un cambio de temperatura de 1 ° C corresponde a un cambio de aproximadamente 4 m / s en la velocidad del sonido. Un experimento oceanográfico que emplea tomografía generalmente usa varios pares fuente-receptor en una matriz amarrada que mide un área del océano.
Motivación
El agua de mar es un conductor eléctrico , por lo que los océanos son opacos a la energía electromagnética (p. Ej., Luz o radar ). Sin embargo, los océanos son bastante transparentes a la acústica de baja frecuencia. Los océanos conducen el sonido de manera muy eficiente, particularmente el sonido a bajas frecuencias, es decir, menos de unos pocos cientos de hercios. Estas propiedades motivaron a Walter Munk y Carl Wunsch a sugerir una "tomografía acústica" para la medición del océano a fines de la década de 1970. Las ventajas del método acústico para medir la temperatura son dobles. Primero, se pueden medir grandes áreas del interior del océano mediante sensores remotos . En segundo lugar, la técnica promedia naturalmente las fluctuaciones de temperatura a pequeña escala (es decir, el ruido) que dominan la variabilidad del océano.
Desde sus inicios, la idea de las observaciones del océano por acústica estuvo casada con la estimación del estado del océano utilizando modelos oceánicos numéricos modernos y las técnicas de asimilación de datos en modelos numéricos. A medida que la técnica de observación ha madurado, también lo han hecho los métodos de asimilación de datos y la potencia informática necesaria para realizar esos cálculos.
Llegadas multitrayecto y tomografía
Uno de los aspectos intrigantes de la tomografía es que aprovecha el hecho de que las señales acústicas viajan a lo largo de un conjunto de trayectorias de rayos generalmente estables. A partir de una única señal acústica transmitida, este conjunto de rayos da lugar a múltiples llegadas al receptor, correspondiendo el tiempo de viaje de cada llegada a una trayectoria de rayo particular. Las primeras llegadas corresponden a los rayos que viajan más profundamente, ya que estos rayos viajan donde la velocidad del sonido es mayor. Las trayectorias de los rayos se calculan fácilmente utilizando computadoras (" trazado de rayos "), y cada trayectoria de los rayos generalmente se puede identificar con un tiempo de viaje particular. Los múltiples tiempos de viaje miden la velocidad del sonido promediada en cada una de las múltiples trayectorias acústicas. Estas medidas permiten inferir aspectos de la estructura de la temperatura o variaciones de corriente en función de la profundidad. La solución para la velocidad del sonido, por lo tanto la temperatura, de los tiempos de viaje acústicos es un problema inverso .
La propiedad integradora de las mediciones acústicas de largo alcance.
La tomografía acústica oceánica integra variaciones de temperatura en grandes distancias, es decir, los tiempos de viaje medidos son el resultado de los efectos acumulados de todas las variaciones de temperatura a lo largo de la trayectoria acústica, por lo que las mediciones de la técnica son inherentemente promediadas. Esta es una propiedad importante y única, ya que las características omnipresentes de ondas internas y turbulentas a pequeña escala del océano suelen dominar las señales en las mediciones en puntos únicos. Por ejemplo, las mediciones con termómetros (es decir, termistores amarrados o flotadores a la deriva Argo ) tienen que lidiar con este ruido de 1-2 ° C, por lo que se requieren un gran número de instrumentos para obtener una medida precisa de la temperatura promedio. Para medir la temperatura promedio de las cuencas oceánicas, por lo tanto, la medición acústica es bastante rentable. Las mediciones tomográficas también promedian la variabilidad a lo largo de la profundidad, ya que las trayectorias de los rayos recorren la columna de agua.
Tomografía recíproca
La "tomografía recíproca" emplea las transmisiones simultáneas entre dos transceptores acústicos. Un "transceptor" es un instrumento que incorpora tanto una fuente acústica como un receptor. Las ligeras diferencias en el tiempo de viaje entre las señales que viajan recíprocamente se utilizan para medir las corrientes oceánicas , ya que las señales recíprocas viajan con y contra la corriente. El promedio de estos tiempos de viaje recíprocos es la medida de la temperatura, con los pequeños efectos de las corrientes oceánicas eliminados por completo. Las temperaturas del océano se infieren de la suma de los tiempos de viaje recíprocos, mientras que las corrientes se infieren de la diferencia de los tiempos de viaje recíprocos. Generalmente, las corrientes oceánicas (típicamente 10 cm / s) tienen un efecto mucho menor en los tiempos de viaje que las variaciones de velocidad del sonido (típicamente 5 m / s), por lo que la tomografía "unidireccional" mide la temperatura con una buena aproximación.
Aplicaciones
En el océano, los cambios de temperatura a gran escala pueden ocurrir en intervalos de tiempo desde minutos ( ondas internas ) hasta décadas ( cambio climático oceánico ). La tomografía se ha empleado para medir la variabilidad en esta amplia gama de escalas temporales y en una amplia gama de escalas espaciales. De hecho, la tomografía se ha contemplado como una medida del clima oceánico utilizando transmisiones sobre distancias antípodas .
La tomografía se ha convertido en un método valioso de observación de los océanos, que aprovecha las características de la propagación acústica de largo alcance para obtener mediciones sinópticas de la temperatura media del océano o de la corriente. Una de las primeras aplicaciones de la tomografía en la observación de los océanos ocurrió en 1988-9. Una colaboración entre grupos de la Institución de Oceanografía Scripps y la Institución Oceanográfica de Woods Hole desplegó una matriz tomográfica de seis elementos en la llanura abisal del giro del Mar de Groenlandia para estudiar la formación de aguas profundas y la circulación del giro. Otras aplicaciones incluyen la medición de las mareas oceánicas y la estimación de la dinámica de mesoescala oceánica mediante la combinación de tomografía, altimetría satelital y datos in situ con modelos dinámicos oceánicos. Además de las mediciones de una década obtenidas en el Pacífico Norte, se ha empleado termometría acústica para medir los cambios de temperatura de las capas superiores de las cuencas del Océano Ártico, que sigue siendo un área de interés activo. La termometría acústica también se ha utilizado recientemente para determinar los cambios en las temperaturas oceánicas a escala global utilizando datos de pulsos acústicos enviados de un extremo a otro de la tierra.
Termometria acústica
Termometría acústica es una idea de observar el mundo océano cuencas, y el clima del océano en particular, utilizando trans cuenca acústicas transmisiones . Se ha utilizado "termometría", en lugar de "tomografía", para indicar mediciones a escala de cuenca o escala global. Se han realizado prototipos de mediciones de temperatura en la Cuenca del Pacífico Norte y en toda la Cuenca del Ártico .
A partir de 1983, John Spiesberger de la Institución Oceanográfica Woods Hole , y Ted Birdsall y Kurt Metzger de la Universidad de Michigan desarrollaron el uso del sonido para inferir información sobre las temperaturas del océano a gran escala y, en particular, para intentar la detección del calentamiento global. en el océano. Este grupo transmitió sonidos de Oahu que se grabaron en unos diez receptores estacionados alrededor del borde del Océano Pacífico a distancias de 4000 km. Estos experimentos demostraron que los cambios de temperatura se podían medir con una precisión de unos 20 milisegundos. Spiesberger y col. no detectó el calentamiento global. En cambio, descubrieron que otras fluctuaciones climáticas naturales, como El Niño, eran responsables en parte de fluctuaciones sustanciales en la temperatura que pueden haber enmascarado cualquier tendencia más lenta y más pequeña que pueda haber ocurrido por el calentamiento global.
El programa de Termometría Acústica del Clima Oceánico (ATOC) se implementó en el Océano Pacífico Norte, con transmisiones acústicas desde 1996 hasta el otoño de 2006. Las mediciones terminaron cuando terminaron los protocolos ambientales acordados. El despliegue de la fuente acústica durante una década demostró que las observaciones son sostenibles incluso con un presupuesto modesto. Se ha verificado que las transmisiones proporcionan una medición precisa de la temperatura del océano en las trayectorias acústicas, con incertidumbres que son mucho más pequeñas que cualquier otro método de medición de la temperatura del océano.
Los terremotos repetidos que actúan como fuentes acústicas naturales también se han utilizado en termometría acústica, lo que puede ser particularmente útil para inferir la variabilidad de la temperatura en las profundidades del océano, que actualmente está mal muestreada por instrumentos in situ.
Transmisiones acústicas y mamíferos marinos
El proyecto ATOC se vio envuelto en cuestiones relativas a los efectos de la acústica en los mamíferos marinos (por ejemplo , ballenas , marsopas , leones marinos , etc.). La discusión pública se complicó por cuestiones técnicas de una variedad de disciplinas ( oceanografía física , acústica , biología de mamíferos marinos, etc.) que dificultan la comprensión de los efectos de la acústica en los mamíferos marinos para los expertos, y mucho menos para el público en general. Se desconocían muchos de los problemas relacionados con la acústica en el océano y sus efectos en los mamíferos marinos. Finalmente, inicialmente hubo una variedad de conceptos erróneos públicos, como una confusión de la definición de niveles de sonido en el aire versus niveles de sonido en el agua. Si una cantidad determinada de decibeles en el agua se interpreta como decibeles en el aire, el nivel de sonido parecerá ser órdenes de magnitud mayor de lo que realmente es; en un momento dado, los niveles de sonido ATOC se interpretaron erróneamente como tan fuertes que las señales matarían a 500.000 animales. . La potencia de sonido empleada, 250 W, era comparable a la de las ballenas azules o de aleta , aunque esas ballenas vocalizan a frecuencias mucho más bajas. El océano transporta el sonido de manera tan eficiente que los sonidos no tienen que ser tan fuertes para cruzar las cuencas oceánicas. Otros factores en la controversia fueron la extensa historia de activismo en lo que respecta a los mamíferos marinos, derivada del conflicto en curso por la caza de ballenas, y la simpatía que gran parte del público siente por los mamíferos marinos.
Como resultado de esta controversia, el programa ATOC realizó un estudio de $ 6 millones sobre los efectos de las transmisiones acústicas en una variedad de mamíferos marinos. La fuente acústica se montó en la parte inferior a aproximadamente media milla de profundidad, por lo que los mamíferos marinos, que están unidos a la superficie, generalmente estaban a más de media milla de la fuente. El nivel de la fuente fue modesto, menor que el nivel de sonido de las grandes ballenas, y el ciclo de trabajo fue del 2% (es decir, el sonido es sólo el 2% del día). Después de seis años de estudio, la conclusión oficial y formal de este estudio fue que las transmisiones ATOC "no tienen efectos biológicamente significativos".
Otras actividades acústicas en el océano pueden no ser tan benignas en lo que respecta a los mamíferos marinos. Se han estudiado varios tipos de sonidos artificiales como amenazas potenciales para los mamíferos marinos, como disparos de rifle de aire comprimido para estudios geofísicos o transmisiones de la Marina de los EE. UU. Para diversos fines. La amenaza real depende de una variedad de factores más allá de los niveles de ruido: frecuencia del sonido, frecuencia y duración de las transmisiones, la naturaleza de la señal acústica (por ejemplo, un pulso repentino o secuencia codificada), la profundidad de la fuente de sonido, la direccionalidad del sonido fuente, profundidad del agua y topografía local, reverberación, etc.
Tipos de señales acústicas transmitidas
Las transmisiones tomográficas consisten en señales codificadas largas (por ejemplo, "secuencias m" ) que duran 30 segundos o más. Las frecuencias empleadas oscilan entre 50 y 1000 Hz y las potencias de la fuente oscilan entre 100 y 250 W, dependiendo de los objetivos particulares de las mediciones. Con una sincronización precisa, como la del GPS , los tiempos de viaje se pueden medir con una precisión nominal de 1 milisegundo. Si bien estas transmisiones son audibles cerca de la fuente, más allá de un rango de varios kilómetros, las señales generalmente están por debajo de los niveles de ruido ambiental, lo que requiere sofisticadas técnicas de procesamiento de señales de espectro ensanchado para recuperarlas.
Ver también
- Oceanografía acústica
- trazado de rayos
- Canal SOFAR
- SOSUS
- Velocidad del sonido
- Altimetría satelital TOPEX / Poseidon
- Acústica subacuática
Referencias
Otras lecturas
- BD Dushaw, 2013. "Ocean Acoustic Tomography" en Encyclopedia of Remote Sensing, EG Njoku, Ed., Springer, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2013. ISBN 978-0-387-36698-2 .
- W. Munk, P. Worcester y C. Wunsch (1995). Tomografía acústica oceánica . Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 0-521-47095-1 .
- PF Worcester, 2001: "Tomografía", en Encyclopedia of Ocean Sciences , J. Steele, S. Thorpe y K. Turekian, Eds., Academic Press Ltd., 2969-2986.
enlaces externos
- [1] Caja de herramientas Oceans para Matlab de Rich Pawlowicz.
- Laboratorio de Acústica Oceánica (OAL) : la Institución Oceanográfica de Woods Hole.
- El Laboratorio Acústico del Pacífico Norte (NPAL) - Instituto Scripps de Oceanografía, La Jolla, CA.
- Termometría acústica del clima oceánico - Instituto de Oceanografía Scripps, La Jolla, CA.
- Descubrimiento del sonido en el mar - DOSITS es un sitio web educativo que se ocupa de la acústica en el océano.
- Sonidos de señales acústicas empleados para tomografía - la página web de DOSITS.
- Un día en la vida de un amarre de tomografía - Universidad de Washington, Seattle, WA.
- Sondeando los secretos del océano - Academia Nacional de Ciencias.
- Sonido mide los secretos del océano - Sociedad acústica de América.
- Termometría acústica del clima oceánico / Programa de investigación de mamíferos marinos Laboratorio de ornitología de la Universidad de Cornell, Programa de investigación bioacústica