Микробаром
В акустике , микробаромы также известные как « голос моря », [1] [2] представляют собой класс атмосферных инфразвуковых волн, генерируемых во время морских штормов. [3] [4] нелинейным поверхностных взаимодействием волн океана с атмосферой. [5] [6] Обычно они имеют узкополосные , почти синусоидальные сигналы с амплитудой до нескольких микробар . [7] [8] и периоды волн около 5 секунд (0,2 герца ). [9] [10] Из-за низкого поглощения атмосферы на этих низких частотах микробаромы могут распространяться в атмосфере на тысячи километров и могут быть легко обнаружены широко разнесенными приборами на поверхности Земли. [5] [11]
История
[ редактировать ]Причиной открытия этого явления стала случайность: аэрологи, работающие на морских гидрометеорологических станциях и плавсредствах, обратили внимание на странную боль, которую испытывает человек при приближении к поверхности стандартного метеорологического зонда (баллона, наполненного водородом). Во время одной из экспедиций этот эффект продемонстрировал советскому академику В. В. Шулейкину главный метеоролог В. А. Березкин. Это явление вызвало неподдельный интерес у учёных; для его изучения было создано специальное оборудование, позволяющее регистрировать мощные, но низкочастотные вибрации, не слышимые человеческим ухом.
В результате нескольких серий экспериментов физическая сущность этого явления была выяснена и в 1935 году, когда В. В. Шулейкин опубликовал свою первую работу, целиком посвященную инфразвуковой природе «голоса моря». Микробаромы были впервые описаны в США в 1939 году американскими сейсмологами Хьюго Бениоффом и Бено Гутенбергом из Калифорнийского технологического института в Пасадене на основе наблюдений электромагнитного микробарографа . [11] состоящий из деревянного ящика с установленным сверху низкочастотным динамиком. [12] Они отметили их сходство с микросейсмами, наблюдаемыми на сейсмографах . [9] и правильно предположил, что эти сигналы были результатом систем низкого давления в северо-восточной части Тихого океана. [11] В 1945 г. швейцарский геолог Л. Саксер впервые показал связь микробаром с высотой волн в океанских штормах и амплитудами микробаром. [9] Развивая теорию микросейсм М.С. Лонге-Хиггинса, Эрик С. Посментье предположил, что колебания центра тяжести воздуха над поверхностью океана, на которых возникают стоячие волны, являются источником микробаром, объясняя удвоение частота океанских волн в наблюдаемой частоте микробаром. [13] Сейчас считается, что микробаромы возникают по тому же механизму, что и вторичные микросейсмы . Первая количественно правильная теория генерации микробаром принадлежит Л. М. Бреховских, показавшему, что именно источник микросейсм в океане связан с атмосферой. Это объясняет, что большая часть акустической энергии распространяется вблизи горизонтального направления на уровне моря. [14]
Теория
[ редактировать ]Изолированные бегущие гравитационные волны на поверхности океана излучают лишь мимолетные акустические волны. [7] и не генерируйте микробаромы. [15]
Взаимодействие двух шлейфов поверхностных волн разных частот и направлений порождает волновые группы . Для волн, распространяющихся почти в одном направлении, это дает обычные наборы волн, движущихся с групповой скоростью, которая меньше фазовой скорости волн на воде. Для типичных океанских волн с периодом около 10 секунд эта групповая скорость близка к 10 м/с.
В случае противоположного направления распространения группы движутся с гораздо большей скоростью, которая теперь равна 2π( f 1 + f 2 )/( k 1 − k 2 ) с k 1 и k 2 волновыми числами взаимодействующих водных волн. Для волновых пакетов с очень небольшой разницей в частоте (и, следовательно, волновых числах) эта структура групп волн может иметь ту же горизонтальную скорость, что и акустические волны, более 300 м/с, и будет возбуждать микробаромы.
Что касается сейсмических и акустических волн, то движение океанских волн на глубокой воде в главном порядке эквивалентно давлению, приложенному к поверхности моря. [16] волны Это давление почти равно произведению плотности воды на квадрат орбитальной скорости . Из-за этого квадрата значение имеет не амплитуда отдельных цугов волн (красная и черная линии на рисунках), а амплитуда суммы, групп волн (синяя линия на рисунках). Движение океана, создаваемое этим «эквивалентным давлением», затем передается в атмосферу.
Если группы волн движутся быстрее скорости звука, генерируются микробаромы с направлениями распространения, близкими к вертикали для более быстрых групп волн.
Реальные океанские волны состоят из бесконечного числа волн всех направлений и частот, образующих широкий спектр акустических волн. На практике передача от океана в атмосферу наиболее сильна при углах около 0,5 градуса от горизонтали. При почти вертикальном распространении глубина воды может играть усиливающую роль, как и в случае микросейсм.
Глубина воды важна только для тех акустических волн, направление распространения которых находится в пределах 12° от вертикали на поверхности моря. [17]
Всегда существует некоторая энергия, распространяющаяся в противоположном направлении. Однако их энергия может быть чрезвычайно низкой. Значительная генерация микробаром происходит только тогда, когда имеется значительная энергия на той же частоте и в противоположных направлениях. Это сильнее всего, когда волны разных штормов взаимодействуют или находятся под защитой шторма. [18] [19] которые создают необходимые условия стоячей волны , [15] также известный как клапотис . [20] Когда океанский шторм представляет собой тропический циклон , микробаромы не образуются возле стенки глаза , где скорость ветра наибольшая, а возникают на задней кромке шторма, где вызванные штормом волны взаимодействуют с окружающими океанскими волнами . [21]
Микробаромы также могут создаваться стоячими волнами, возникающими между двумя штормами. [18] или когда океанская волна отражается от берега. Волны с периодом примерно 10 секунд широко распространены в открытом океане и соответствуют наблюдаемому инфразвуковому спектральному пику микробаром на частоте 0,2 Гц, поскольку частоты микробаром в два раза превышают частоты отдельных океанских волн. [18] Исследования показали, что связь создает распространяющиеся атмосферные волны только тогда, когда нелинейные условия. учитываются [9]
Микробаромы представляют собой форму постоянного атмосферного инфразвука низкого уровня. [22] обычно находится в диапазоне от 0,1 до 0,5 Гц, что может быть обнаружено как когерентные всплески энергии или как непрерывные колебания. [11] Когда приходы плоских волн от источника микробаром анализируются с помощью фазированной решетки источника близко расположенных микробарографов, обнаруживается, что азимут указывает на центр низкого давления возникающей бури. [23] Когда волны принимаются в нескольких удаленных местах от одного и того же источника, триангуляция может подтвердить, что источник находится недалеко от центра океанского шторма. [4]
Микробаромы, распространяющиеся до нижних слоев термосферы, могут переноситься по атмосферному волноводу . [24] преломляется обратно к поверхности на высотах ниже 120 км и выше 150 км, [18] [25] или рассеивается на высотах от 110 до 140 км. [26] Они также могут быть захвачены у поверхности в нижней тропосфере эффектами планетарного пограничного слоя и приземными ветрами или могут быть перенесены в стратосферу ветрами на верхних уровнях и возвращены на поверхность посредством рефракции, дифракции или рассеяния . [27] Эти тропосферные и стратосферные каналы образуются только вдоль преобладающих направлений ветра. [25] может меняться в зависимости от времени суток и сезона, [27] и не будет возвращать звуковые лучи на землю при слабом ветре на высотах. [18]
Угол падения луча микробарома определяет, какой из этих режимов распространения он испытывает. Лучи, направленные вертикально к зениту, рассеиваются в термосфере и являются значительным источником нагрева в этом слое верхней атмосферы . [26] В средних широтах в типичных летних условиях лучи под углом примерно 30–60 градусов от вертикали отражаются от высот более 125 км, где обратные сигналы сначала сильно ослабляются . [28] Лучи, выпущенные под меньшими углами, могут отражаться от верхних слоев стратосферы на высоте примерно 45 км над поверхностью в средних широтах. [28] или от 60 до 70 км в низких широтах. [18]
Микробаромы и верхняя атмосфера
[ редактировать ]Ученые-атмосферники использовали эти эффекты для обратного дистанционного зондирования верхних слоев атмосферы с помощью микробаром. [24] [29] [30] [31] Измерение скорости следа отраженного микробаромного сигнала на поверхности дает скорость распространения на высоте отражения, при условии, что справедливо предположение о том, что скорость звука изменяется только по вертикали, а не по горизонтали. [28] Если температуру на высоте отражения можно оценить с достаточной точностью, можно определить скорость звука и вычесть ее из скорости следа, получив скорость ветра на верхних уровнях. [28] Одним из преимуществ этого метода является возможность проводить непрерывные измерения; результаты других методов, позволяющих проводить только мгновенные измерения, могут быть искажены краткосрочными эффектами. [8]
Дополнительную информацию об атмосфере можно получить по амплитуде микробаром, если известна интенсивность источника. Микробаромы создаются направленной вверх энергией, передаваемой с поверхности океана через атмосферу. Направленная вниз энергия передается через океан на морское дно, где она соединяется с земной корой и передается в виде микросейсм с тем же частотным спектром. [8] Однако, в отличие от микробаром, где почти вертикальные лучи не возвращаются на поверхность, с морским дном связаны только почти вертикальные лучи в океане. [27] Путем мониторинга амплитуды полученных микросейсм от одного и того же источника с помощью сейсмографов можно получить информацию об амплитуде источника. Поскольку твердая земля обеспечивает фиксированную систему отсчета, [32] время прохождения микросейсм от источника постоянно, и это позволяет контролировать переменное время прохождения микробаром через движущуюся атмосферу. [8]
Микробаромы и ядерные взрывы
[ редактировать ]Микробаромы являются значительным источником шума, который потенциально может помешать обнаружению инфразвука ядерных взрывов . Точное обнаружение взрывов является целью Международной системы мониторинга, созданной в рамках Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (который еще не вступил в силу). [33] Особую проблему представляет обнаружение маломощных проб в диапазоне одной килотонны, поскольку частотные спектры перекрываются. [11]
См. также
[ редактировать ]Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Бениофф Х.; Гутенберг Б. (1939). «Волны и течения, зафиксированные электромагнитными барографами» . Бык. Являюсь. Метеорол. Соц . 20 (10): 421. Бибкод : 1939BAMS...20..421B . дои : 10.1175/1520-0477-20.10.421 .
- Саксер, Л. (1945). «Электрические измерения малых колебаний атмосферного давления». Хелв. Физ. Акта . 18 : 527–550.
- Донн, WL; Наини, Б. (1973). «Морское волновое происхождение микробаром и микросейсм». Дж. Геофиз. Рез . 78 (21): 4482–4488. Бибкод : 1973JGR....78.4482D . дои : 10.1029/JC078i021p04482 .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Боуман, HS; Бедард, Эй Джей (1971). «Наблюдения за инфразвуковыми и дозвуковыми возмущениями, связанными с суровой погодой» . Геофиз. Дж. Р. Астрон. Соц. 26 (1–4): 215–242. Бибкод : 1971GeoJ...26..215B . дои : 10.1111/j.1365-246X.1971.tb03396.x .
- ^ Бедард, Эй Джей; Жорж, ТМ (2000). «Атмосферный инфразвук» (PDF) . Физика сегодня . 53 (3): 32–37. Бибкод : 2000PhT....53c..32B . дои : 10.1063/1.883019 .
- ^ «Микробаром» . Словарь научно-технических терминов Макгроу-Хилла . МакГроу-Хилл . 2003. ISBN 978-0-07-042313-8 .
- ^ Jump up to: а б «Микробаромы» . Инфразвуковые сигналы . Университет Аляски в Фэрбенксе , Геофизический институт, Группа инфразвуковых исследований. Архивировано из оригинала 15 февраля 2008 г. Проверено 22 ноября 2007 г.
- ^ Jump up to: а б Гарсес, Массачусетс; Хетцер, Швейцария; Уиллис, М.; Бусингер, С. (2003). «Интеграция инфразвуковых моделей со спектрами океанских волн и характеристиками атмосферы для получения глобальных оценок уровней микробаромного сигнала». Материалы 25-го Обзора сейсмических исследований . стр. 617–627.
- ^ Вакслер, Р.; Гилберт, К.Э. (2006). «Излучение атмосферных микробаром океанскими волнами». Журнал Акустического общества Америки . 119 (5): 2651. Бибкод : 2006ASAJ..119.2651W . дои : 10.1121/1.2191607 .
Известно, что акустическое излучение, возникающее в результате движения границы раздела воздух/вода, является нелинейным эффектом.
- ^ Jump up to: а б Арендт, С.; Фриттс, округ Колумбия (2000). «Акустическое излучение поверхностных волн океана». Журнал механики жидкости . 415 (1): 1–21. Бибкод : 2000JFM...415....1A . дои : 10.1017/S0022112000008636 . S2CID 121374538 .
Мы показываем, что из-за несоответствия фазовых скоростей между поверхностными гравитационными волнами и акустическими волнами одна поверхностная волна излучает только затухающие акустические волны.
- ^ Jump up to: а б с д Донн, WL; Ринд, Д. (1972). «Микробаромы, температура и ветер верхних слоев атмосферы» . Журнал атмосферных наук . 29 (1): 156–172. Бибкод : 1972JAtS...29..156D . doi : 10.1175/1520-0469(1972)029<0156:MATTAW>2.0.CO;2 .
- ^ Jump up to: а б с д Олсон, СП; Шуберла, Калифорния (2005). «Распределение размеров волновых пакетов в цугах микробарических волн, наблюдаемых на Аляске». Журнал Акустического общества Америки . 117 (3): 1032. Бибкод : 2005ASAJ..117.1032O . дои : 10.1121/1.1854651 .
- ^ Даун, WL (1967). «Естественный инфразвук пятисекундного периода». Природа . 215 (5109): 1469–1470. Бибкод : 1967Natur.215.1469D . дои : 10.1038/2151469a0 . S2CID 4164934 .
- ^ Jump up to: а б с д и Уиллис, MC; Гарсес, М.; Хетцер, К.; Бусингер, С. (2004). «Моделирование источников микробаров в Тихом океане» (PDF) . Ежегодное собрание AMS 2004 г. Проверено 22 ноября 2007 г.
- ^ Хаак, Хейн; Эверс, Ласло (2002). «Инфразвук как инструмент проверки ДВЗЯИ» (PDF) . В Финдли, Тревор; Мейер, Оливер (ред.). Ежегодник проверки 2002 . Верификационные исследования, Учебно-информационный центр (VERTIC). п. 208. ИСБН 978-1-899548-32-3 .
Два известных американских сейсмолога из Калифорнийского технологического института в Пасадене, Хьюго Бениофф и Бено Гутенберг, в 1939 году разработали приборы и приложения для обнаружения инфразвука. Примитивная аппаратура представляла собой деревянный ящик с установленным сверху низкочастотным динамиком.
- ^ «Микробаромы» (гифка) . Программа Инфразвук . Университет Аляски в Фэрбенксе , Геофизический институт . Проверено 25 ноября 2007 г.
- ^ Бреховских, Л.М.; Гончаров В.В.; Куртепов В.М.; Наугольных К. А. (1973), "Излучение инфразвука в атмосферу поверхностными волнами океана", Изв. Атмосфера. Физика океана. , 9 (3): 7899–907 (В английском переводе 511–515.)
- ^ Jump up to: а б Браун, Дэвид (июнь 2005 г.). «Слушая ЗЕМЛЮ» . Новости АУСГЕО . Проверено 22 ноября 2007 г.
Важно отметить, что изолированные бегущие океанские волны не излучают акустически. Микробаромное излучение требует условий стоячей волны...
[ постоянная мертвая ссылка ] - ^ Хассельманн, К. (1963), «Статистический анализ генерации микросейсм», Rev. Geophys. , 1 (2): 177–210, Бибкод : 1963RvGSP...1..177H , doi : 10.1029/RG001i002p00177 , hdl : 21.11116/0000-0007-DD32-8
- ^ Де Карло, М.; Ардуин, Ф.; Ле Пишон, А. (2020), «Генерация атмосферного инфразвука океанскими волнами на конечной глубине: единая теория и применение к диаграммам направленности» , Geophys. Дж. Межд. , 221 (1): 569–585, Бибкод : 2020GeoJI.221..569D , doi : 10.1093/gji/ggaa015
- ^ Jump up to: а б с д и ж Гарсес, Массачусетс; Уиллис, М.; Хетцер, К.; Бусингер, С. (июль 2004 г.). «Охота на негерметичные повышенные инфразвуковые волноводы» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 15 мая 2011 г. Проверено 23 ноября 2007 г.
Микробаромы — это инфразвуковые волны, генерируемые нелинейным взаимодействием поверхностных волн океана, движущихся почти в противоположных направлениях с одинаковыми частотами. Такие взаимодействия обычно происходят между океанскими волнами с периодом около 10 секунд, которые широко распространены в открытом океане и соответствуют наблюдаемому инфразвуковому спектральному пику 0,2 Гц.
- ^ Ардуин, Ф.; Штуцманн, Э.; Шиммель, М.; Мангени, А. (2011), «Источники сейсмического шума в океане» (PDF) , J. Geophys. Рез. , 115 (C9): C09004, Bibcode : 2011JGRC..116.9004A , doi : 10.1029/2011jc006952
- ^ Табулевич В.Н.; Пономарев Е.А.; Сорокин, А.Г.; Дреннова Н.Н. (2001). «Стоячие морские волны, микросейсмы и инфразвук» . Изв. Акад. Наук, Физ. Атмосфера. Океана . 37 : 235–244 . Проверено 28 ноября 2007 г.
При этом происходит интерференция разнонаправленных волн, образующая стоячие волны на воде, или так называемые клапоты.... Для исследования и локализации этих волн предлагается использовать присущие им свойства оказывать («накачивать») меняющееся давление на дно океана, вызывающее микросейсмические колебания, и излучающее инфразвук в атмосферу.
- ^ Хетцер, Швейцария; Р. Вакслер; К.Е. Гилберт; К. Л. Талмадж; ОН Бас (2008). «Инфразвук ураганов: зависимость от волнового поля окружающей поверхности океана» . Геофиз. Рез. Летт . 35 (14): L14609. Бибкод : 2008GeoRL..3514609H . дои : 10.1029/2008GL034614 . S2CID 129595041 .
Инфразвуковые сигналы в микробаромном диапазоне (около 0,2 Гц), генерируемые ураганами, часто не возникают вблизи глаза, где ветер самый сильный. В этой статье предполагается, что условия, способствующие генерации микробаром (и микросейсм), могут возникнуть вдоль задней периферии шторма за счет взаимодействия генерируемого штормом волнового поля с окружающим полем зыби...
- ^ Болл, П. (4 января 2004 г.). «Метеоры приходят с треском» . Новости природы . дои : 10.1038/news010104-8 . Архивировано из оригинала 20 июня 2004 года . Проверено 22 ноября 2007 г.
...фоновый шум, создаваемый океанскими волнами, которые создают постоянный шквал небольших атмосферных толчков, называемых микробаромами.
- ^ Басс, Генри Э.; Кеннет Гилберт; Милтон Гарсес; Майкл Хедлин; Джон Бергер; Джон В. Олсон; Чарльз В. Уилсон; Дэниел Осборн (2001). «Исследование микробаром с использованием нескольких инфразвуковых решеток» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 21 октября 2004 г. Проверено 22 ноября 2007 г.
Когда мы выполняем аппроксимацию данных по приходу плоских волн методом наименьших квадратов, мы обнаруживаем, что видимый азимут источника указывает на центр центра низкого давления шторма.
- ^ Jump up to: а б Крокер, Малкольм Дж. (1998). Справочник по акустике . Нью-Йорк: Уайли. п. 333. ИСБН 978-0-471-25293-1 .
Микробаромы (периоды 3–6 с) можно использовать для мониторинга условий в верхних слоях атмосферы. ...что указывает на распространение через термосферный канал. ...
- ^ Jump up to: а б Гарсес, М.; Дроб, Д.; Пиконе, М. (1999). «Геомагнитное и солнечное воздействие на фазы термосферы зимой». Эос, Транзакции, Американский геофизический союз . 80 .
Тропосферные и стратосферные каналы образуются только вдоль преобладающих направлений ветра. Термосфера часто имеет две области вращения и, таким образом, поддерживает две отдельные фазы.
- ^ Jump up to: а б Ринд, Д. (1977). «Нагрев нижней термосферы за счет рассеяния акустических волн». Журнал физики атмосферы и Земли . 39 (4): 445–456. Бибкод : 1977JATP...39..445R . дои : 10.1016/0021-9169(77)90152-0 .
Инфразвук частотой 0,2 Гц, известный как микробаромы, генерируемый интерферирующими океанскими волнами, распространяется в нижние слои термосферы, где рассеивается на высоте от 110 до 140 км.
- ^ Jump up to: а б с Гарсес, М.; Дроб, ДП; Пиконе, Дж. М. (2002). «Теоретическое исследование влияния геомагнитных колебаний и солнечных приливов на распространение инфразвуковых волн в верхних слоях атмосферы» . Международный геофизический журнал . 148 (1): 77–87. Бибкод : 2002GeoJI.148...77G . дои : 10.1046/j.0956-540x.2001.01563.x .
Наблюдаемые приходы с низкой кажущейся горизонтальной фазовой скоростью могут преломляться в термосфере или стратосфере... Наличие этих тропосферных и стратосферных каналов зависит от интенсивности и направления ветров, и поэтому они могут быть спорадическими или сезонными.
- ^ Jump up to: а б с д Ринд, Д.; Донн, WL; Деде, Э. (ноябрь 1973 г.). «Скорость ветра в верхних слоях атмосферы, рассчитанная по наблюдениям за естественным инфразвуком» . Журнал атмосферных наук . 30 (8): 1726–1729. Бибкод : 1973JAtS...30.1726R . doi : 10.1175/1520-0469(1973)030<1726:UAWSCF>2.0.CO;2 . ISSN 1520-0469 .
Более высокое разрешение, чем воспроизведенное здесь, показывает, что лучи с углами падения <64° не отражаются ниже 125 км, на которых эффекты диссипации по высоте сильно ослабляют сигнал (Донн и Ринд).
- ^ Эттер, Пол К. (2003). Подводное акустическое моделирование и симуляция . Лондон: Спон Пресс. п. 15. ISBN 978-0-419-26220-6 .
Ученые, изучающие атмосферу, использовали генерируемый естественным путем низкочастотный звук (микробаромы) для исследования верхних слоев атмосферы обратным способом.
- ^ Табулевич В.Н.; Сорокин, А.Г.; Пономарев, Е.А. (1998). «Микросейсмы и инфразвук: разновидность дистанционного зондирования». Физика Земли и недр планет . 108 (4): 339–346. Бибкод : 1998PEPI..108..339T . дои : 10.1016/S0031-9201(98)00113-7 .
- ^ Донн, WL; Ринд, Д. (1971). «Природный инфразвук как зонд атмосферы» . Геофиз. Дж. Р. Астрон. Соц . 26 (1–4): 111–133. Бибкод : 1971GeoJ...26..111D . дои : 10.1111/j.1365-246X.1971.tb03386.x .
Таким образом, микробаромы представляют собой постоянно доступный природный механизм для исследования верхних слоев атмосферы.
- ^ Пономарев Е.А.; Сорокин А.Г. "Инфразвуковые волны в атмосфере над Восточной Сибирью" (PDF) . Москва, Россия: Акустический институт им. Н.Н. Андреева. Архивировано из оригинала (PDF) 30 января 2006 г.
Земную кору можно рассматривать как неизменную во времени среду. Путем сравнения микробаром и микросейсм это позволяет осуществлять мониторинг акустических каналов.
- ^ Дер, ЗА; Шамуэй, Р.Х.; Херрин, ET (2002). Мониторинг выполнения Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний: обработка данных и инфразвук . Биркхойзер Верлаг . п. 1084. ИСБН 978-3-7643-6676-6 .