Сейсмическая океанография

Сейсмическая океанография это форма акустической океанографии , в которой звуковые волны используются для изучения физических свойств и динамики океана — . Он предоставляет изображения изменений температуры и солености воды морской . В отличие от большинства методов океанографической акустической визуализации, в которых используются звуковые волны с частотой более 10 000 Гц , в сейсмической океанографии используются звуковые волны с частотами ниже 500 Гц. Использование низкочастотного звука означает, что сейсмическая океанография уникальна своей способностью предоставлять высокодетализированные изображения океанографических структур, охватывающих горизонтальные расстояния в сотни километров и простирающихся от морской поверхности до морского дна . С момента своего создания в 2003 году ^{[ 1 ]} сейсмическая океанография использовалась для изображения широкого спектра океанографических явлений, включая фронты , ^{[ 2 ]} водовороты , ^{[ 3 ]} термохалинные лестницы, ^{[ 4 ]} мутные слои ^{[ 5 ]} и просачивается холодный метан . ^{[ 6 ]} Помимо впечатляющих изображений, сейсмоокеанографические данные дали количественное представление о таких процессах, как движение внутренних волн. ^{[ 7 ]} и турбулентное перемешивание морской воды. ^{[ 8 ]}

Метод

Сбор данных

Сейсмическая океанография основана на профилировании морских сейсмических отражений , при котором судно буксирует специализированное оборудование для генерации подводного звука. Это оборудование известно как источник звука. Корабль также буксирует один или несколько тросов, вдоль которых расположены сотни гидрофонов — инструментов для записи подводного звука. Эти кабели называются косами, их длина составляет от нескольких сотен метров до 10 км. И акустический источник, и стримеры лежат на глубине нескольких метров под поверхностью моря.

Акустический источник генерирует звуковые волны каждые несколько секунд , выпуская сжатый воздух или электрический заряд в море . Большая часть этих звуковых волн распространяется вниз к морскому дну, а небольшая часть звука отражается от границ, на которых изменяется температура или соленость морской воды (эти границы известны как термохалинные границы). ^{[ 9 ]} Гидрофоны улавливают эти отраженные звуковые волны. По мере движения корабля вперед положение акустического источника и гидрофонов относительно отражающих границ меняется. В течение 30 минут или меньше, ^{[ 10 ]}^{[ 11 ]} несколько различных конфигураций акустического источника и гидрофонов берут пробу из одной и той же точки на границе.

Создание имиджа

Идеализированный случай

Сейсмические данные фиксируют, как интенсивность звука на каждом гидрофоне меняется со временем. Время достижения отраженного звука до конкретного гидрофона зависит от горизонтального расстояния между гидрофоном и источником звука, от глубины и формы отражающей границы, а также от скорости звука в морской воде. Глубина и форма границы, а также местная скорость звука, которая может варьироваться примерно от 1450 до 1540 м/с. ^{[ 12 ]} изначально неизвестны. Анализируя записи различных конфигураций акустических источников и гидрофонов, можно оценить скорость звука. Используя эту расчетную скорость, глубина границы определяется в предположении, что граница горизонтальна. Эффекты отражения от границ, которые не являются горизонтальными, можно объяснить с помощью методов, известных под общим названием сейсмическая миграция . После миграции разные записи, выборочные из одной и той же точки на границе, суммируются для увеличения отношения сигнал/шум (этот процесс известен как суммирование). Миграция и суммирование выполняются на каждой глубине и в каждом горизонтальном положении для создания пространственно точного сейсмического изображения.

Осложнения

Интенсивность звука, регистрируемого гидрофонами, может изменяться по причинам, не связанным с отражением звука от термохалинных границ. Например, акустический источник производит некоторые звуковые волны, которые распространяются горизонтально вдоль косы, а не вниз к морскому дну. Помимо звука, производимого акустическим источником, гидрофоны записывают фоновый шум, вызванный естественными процессами, такими как разбивание ветровых волн на поверхности океана. Эти другие, нежелательные звуки часто намного громче, чем звук, отраженный от термохалинных границ. Использование фильтров обработки сигналов подавляет нежелательные звуки и увеличивает соотношение сигнал/шум при отражениях от термохалинных границ.

Анализ

Ключевым преимуществом сейсмической океанографии является то, что она обеспечивает изображения структуры океана с высоким разрешением (до 10 м), которые можно сочетать с количественной информацией об океане. Снимки можно использовать для определения длины, ширины и высоты океанических структур в различных масштабах. Если сейсмические данные также являются 3D, то можно также проанализировать эволюцию структур с течением времени. ^{[ 13 ]}^{[ 14 ]}

Инвертирование температуры и солености

В сочетании со снимками обработанные сейсмические данные можно использовать для получения другой количественной информации об океане. До сих пор сейсмическая океанография использовалась для определения распределения температуры и солености, а, следовательно, плотности и других важных свойств. Существует ряд подходов, которые можно использовать для извлечения этой информации. Например, Парамо и Холбрук (2005). ^{[ 15 ]} извлекли градиенты температуры в Норвежском море, используя методы амплитуды и смещения. Однако распределение физических свойств было ограничено одномерным. Совсем недавно произошел переход к двумерной технике. Корд Папенберг и др. (2010) ^{[ 16 ]} представили двумерные распределения температуры и солености с высоким разрешением. Эти поля были получены с помощью итеративной инверсии, объединяющей сейсмические и физические океанографические данные. С тех пор были представлены более сложные инверсии, основанные на методах инверсии Монте-Карло. ^{[ 17 ]} среди других.

Спектральный анализ скорости вертикального перемешивания

Помимо распределения температуры и солености, сейсмические данные океана также можно использовать для определения скорости перемешивания посредством спектрального анализа. Этот процесс основан на предположении, что отражения, которые демонстрируют волнистость в различных масштабах, отслеживают внутреннее волновое поле. Следовательно, вертикальное смещение этих волн может служить показателем вертикальной скорости перемешивания океана. Этот метод был впервые разработан с использованием данных из Норвежского моря и показал усиление энергии внутренних волн вблизи континентального склона. ^{[ 18 ]} С 2005 года эти методы были доработаны, адаптированы и автоматизированы, так что любой сейсмический разрез можно преобразовать в двумерное распределение скоростей перемешивания. ^{[ 19 ]} ^{[ 20 ]}^{[ 21 ]}

Ссылки

^ Холбрук, Южная Каролина; Парамо, П.; Пирс, С; Шмитт, Р.В. (2003). «Термохалинная тонкая структура океанографического фронта по данным профилирования сейсмических отражений». Наука . 301 (5634): 821–824. Бибкод : 2003Sci...301..821H . дои : 10.1126/science.1085116 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 12907798 . S2CID 40525727 .
^ Накамура, Ю.; Ногучи, Т.; Цудзи, Т.; Ито, С.; Ниино, Х.; Мацуока, Т. (2006). «Одновременное сейсмическое отражение и физические океанографические наблюдения за тонкой структурой океана во фронте расширения Куросио» . Письма о геофизических исследованиях . 33 (23). Бибкод : 2006GeoRL..3323605N . дои : 10.1029/2006GL027437 . ISSN 0094-8276 . S2CID 129508125 .
^ Пиньейру, Луис Менезес; Сон, Хайбин; Раддик, Барри; Дуберт, Иисус; Амбар, Изабель; Мустафа, Кямран; Безерра, Роналду (2010). «Подробное двухмерное изображение средиземноморского оттока и средиземноморских заливов у западной Иберии на основе многоканальных сейсмических данных». Журнал морских систем . 79 (1–2): 89–100. Бибкод : 2010JMS....79...89P . дои : 10.1016/j.jmarsys.2009.07.004 . ISSN 0924-7963 .
^ Фер, И.; Нанди, П.; Холбрук, штат Вашингтон; Шмитт, РВ; Парамо, П. (2010). «Сейсмические изображения термохалинной лестницы в западной тропической части Северной Атлантики» . Наука об океане . 6 (3): 621–631. Бибкод : 2010OcSci...6..621F . дои : 10.5194/os-6-621-2010 . hdl : 1912/3915 . ISSN 1812-0792 .
^ Всемирнова Е.А.; Хоббс, Р.В.; Хосегуд, П. (2012). «Картирование слоев мутности методами сейсмической океанографии» . Наука об океане . 8 (1): 11–18. Бибкод : 2012OcSci...8...11V . дои : 10.5194/os-8-11-2012 . ISSN 1812-0792 .
^ Цзян-Синь, ЧЭНЬ; Хай-Бин, СОН; Юн-Сянь, ГУАНЬ; Шэн-Сюн, ЯН; Ян, БАЙ; Мин-Хуэй, ГЭН (2017). «Предварительное исследование подводных холодных просачиваний методами сейсмической океанографии». Китайский журнал геофизики . 60 (1): 117–129. дои : 10.1002/cjg2.30032 . ISSN 0898-9591 .
^ Тан, Цюньшу; Ван, Кайся; Ван, Дунсяо; Павлович, Рич (2014). «Сейсмические, спутниковые и наземные наблюдения внутренних уединенных волн на северо-востоке Южно-Китайского моря» . Научные отчеты . 4 (1): 5374. Бибкод : 2014NatSR...4E5374T . дои : 10.1038/srep05374 . ISSN 2045-2322 . ПМК 4064323 . ПМИД 24948180 .
^ Кубичек, Роберт; Хелфрич, Л. Коди; Климак, Джоди М.; Лизарральде, Даниэль; Шмитт, Раймонд В.; Фер, Илькер; Холбрук, В. Стивен (2013). «Оценка рассеяния океанической турбулентности по сейсмическим изображениям». Журнал атмосферных и океанических технологий . 30 (8): 1767–1788. Бибкод : 2013JAtOT..30.1767H . doi : 10.1175/JTECH-D-12-00140.1 . hdl : 1912/6229 . ISSN 0739-0572 .
^ Салларес, В.; Бискас, Б.; Баффет, Дж.; Карбонелл, Р.; Даньобейтия, Джей-Джей; Пелегри, JL (2009). «Относительный вклад температуры и солености в акустическую отражательную способность океана». Письма о геофизических исследованиях . 36 (24). Бибкод : 2009GeoRL..36.0D06S . дои : 10.1029/2009GL040187 . hdl : 10261/18510 . ISSN 0094-8276 . S2CID 52108613 .
^ Фалдер, Мэтью; Уайт, Нью-Джерси; Колфилд, CP (2016). «Сейсмическое изображение быстрого возникновения стратифицированной турбулентности в южной части Атлантического океана» . Журнал физической океанографии . 46 (4): 1023–1044. Бибкод : 2016JPO....46.1023F . doi : 10.1175/JPO-D-15-0140.1 . ISSN 0022-3670 .
^ Дикинсон, Алекс; Уайт, Нью-Джерси; Колфилд, CP (2017). «Пространственное изменение диапикнальной диффузии, оцененное на основе сейсмических изображений поля внутренних волн, Мексиканский залив» . Журнал геофизических исследований: Океаны . 122 (12): 9827–9854. Бибкод : 2017JGRC..122.9827D . дои : 10.1002/2017JC013352 . ISSN 2169-9275 .
^ Бреховских, Л.М. (2003). Основы акустики океана . Я︠У︡. П. Лысанов (3-е изд.). Нью-Йорк: Спрингер. ISBN 0-387-21655-3 . OCLC 56066920 .
^ Дикинсон, А; Белый, Н; Колфилд, CP C (2020). «Покадровая акустическая визуализация мезомасштабной и мелкомасштабной изменчивости в пределах Фарерско-Шетландского пролива» . Журнал геофизических исследований: Океаны . 125 (8). Бибкод : 2020JGRC..12515861D . дои : 10.1029/2019JC015861 . S2CID 219454471 .
^ Ганн, КЛ; Белый, Н; Колфилд, CP C (2020). «Покадровая сейсмическая визуализация океанических фронтов и переходных линз в южной части Атлантического океана» . Журнал геофизических исследований: Океаны . 125 (7). дои : 10.1029/2020JC016293 . S2CID 225607857 .
^ Парамо, П; Холбрук, SW (2005). «Температурные контрасты в толще воды, полученные на основе анализа амплитуды и смещения акустических отражений» . Письма о геофизических исследованиях . 32 (24): 1–4. Бибкод : 2005GeoRL..3224611P . дои : 10.1029/2005GL024533 . S2CID 55138695 .
^ Папенберг, К; Клаешен, Д; Краманн, Г; Хоббс, RW (2010). «Температура и соленость океана, инвертированные на основе объединенных гидрографических и сейсмических данных» (PDF) . Письма о геофизических исследованиях . 37 (4): 6–11. Бибкод : 2010GeoRL..37.4601P . дои : 10.1029/2009GL042115 . S2CID 56241485 .
^ Тан, Кью; Хоббс, Р; Чжэн, К; Бискас, Б; Кайадо, К. (2016). «Инверсия Марковской цепи Монте-Карло структуры температуры и солености внутреннего одиночного волнового пакета по морским сейсмическим данным» . Журнал геофизических исследований: Океаны . 121 (6): 3692–3709. Бибкод : 2016JGRC..121.3692T . дои : 10.1002/2016JC011810 .
^ Холбрук, штат Вашингтон; Фер, я (2005). «Спектры внутренних волн океана, полученные на основе разрезов сейсмического отражения». Письма о геофизических исследованиях . 32 (15). Бибкод : 2005GeoRL..3215604H . дои : 10.1029/2005GL023733 . HDL : 1956/774 . S2CID 13876788 .
^ Шин, КЛ; Белый, Н; Хоббс, Р. (2009). «Оценка скорости перемешивания по сейсмическим изображениям океанической структуры». Письма о геофизических исследованиях . 36 (24): 1–5. Бибкод : 2009GeoRL..36.0D04S . дои : 10.1029/2009GL040106 . S2CID 17387336 .
^ Холбрук, С; Фер, я; Шмитт, РВ; Лизарральде, Д; Климак, Дж. М.; Хелфрич, LC; Кубичек Р. (2013). «Оценка рассеивания океанической турбулентности по сейсмическим изображениям» . Журнал атмосферных и океанических технологий . 30 (8): 1767–1788. Бибкод : 2013JAtOT..30.1767H . doi : 10.1175/JTECH-D-12-00140.1 . hdl : 1912/6229 .
^ Дикинсон, А; Белый, Н; Колфилд, КПК (2017). «Пространственное изменение диапикнальной диффузии, оцененное на основе сейсмических изображений поля внутренних волн, Мексиканский залив» . Журнал геофизических исследований: Океаны . 122 (12): 9827. Бибкод : 2017JGRC..122.9827D . дои : 10.1002/2017JC013352 .

[Holbrook2003-1] Холбрук, Южная Каролина; Парамо, П.; Пирс, С; Шмитт, Р.В. (2003). «Термохалинная тонкая структура океанографического фронта по данным профилирования сейсмических отражений». Наука . 301 (5634): 821–824. Бибкод : 2003Sci...301..821H . дои : 10.1126/science.1085116 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 12907798 . S2CID 40525727 .

[NakamuraNoguchi2006-2] Накамура, Ю.; Ногучи, Т.; Цудзи, Т.; Ито, С.; Ниино, Х.; Мацуока, Т. (2006). «Одновременное сейсмическое отражение и физические океанографические наблюдения за тонкой структурой океана во фронте расширения Куросио» . Письма о геофизических исследованиях . 33 (23). Бибкод : 2006GeoRL..3323605N . дои : 10.1029/2006GL027437 . ISSN 0094-8276 . S2CID 129508125 .

[PinheiroSong2010-3] Пиньейру, Луис Менезес; Сон, Хайбин; Раддик, Барри; Дуберт, Иисус; Амбар, Изабель; Мустафа, Кямран; Безерра, Роналду (2010). «Подробное двухмерное изображение средиземноморского оттока и средиземноморских заливов у западной Иберии на основе многоканальных сейсмических данных». Журнал морских систем . 79 (1–2): 89–100. Бибкод : 2010JMS....79...89P . дои : 10.1016/j.jmarsys.2009.07.004 . ISSN 0924-7963 .

[FerNandi2010-4] Фер, И.; Нанди, П.; Холбрук, штат Вашингтон; Шмитт, РВ; Парамо, П. (2010). «Сейсмические изображения термохалинной лестницы в западной тропической части Северной Атлантики» . Наука об океане . 6 (3): 621–631. Бибкод : 2010OcSci...6..621F . дои : 10.5194/os-6-621-2010 . hdl : 1912/3915 . ISSN 1812-0792 .

[VsemirnovaHobbs2012-5] Всемирнова Е.А.; Хоббс, Р.В.; Хосегуд, П. (2012). «Картирование слоев мутности методами сейсмической океанографии» . Наука об океане . 8 (1): 11–18. Бибкод : 2012OcSci...8...11V . дои : 10.5194/os-8-11-2012 . ISSN 1812-0792 .

[Jiang-XinHai-Bin2017-6] Цзян-Синь, ЧЭНЬ; Хай-Бин, СОН; Юн-Сянь, ГУАНЬ; Шэн-Сюн, ЯН; Ян, БАЙ; Мин-Хуэй, ГЭН (2017). «Предварительное исследование подводных холодных просачиваний методами сейсмической океанографии». Китайский журнал геофизики . 60 (1): 117–129. дои : 10.1002/cjg2.30032 . ISSN 0898-9591 .

[TangWang2014-7] Тан, Цюньшу; Ван, Кайся; Ван, Дунсяо; Павлович, Рич (2014). «Сейсмические, спутниковые и наземные наблюдения внутренних уединенных волн на северо-востоке Южно-Китайского моря» . Научные отчеты . 4 (1): 5374. Бибкод : 2014NatSR...4E5374T . дои : 10.1038/srep05374 . ISSN 2045-2322 . ПМК 4064323 . ПМИД 24948180 .

[KubichekHelfrich2013-8] Кубичек, Роберт; Хелфрич, Л. Коди; Климак, Джоди М.; Лизарральде, Даниэль; Шмитт, Раймонд В.; Фер, Илькер; Холбрук, В. Стивен (2013). «Оценка рассеяния океанической турбулентности по сейсмическим изображениям». Журнал атмосферных и океанических технологий . 30 (8): 1767–1788. Бибкод : 2013JAtOT..30.1767H . doi : 10.1175/JTECH-D-12-00140.1 . hdl : 1912/6229 . ISSN 0739-0572 .

[SallarèsBiescas2009-9] Салларес, В.; Бискас, Б.; Баффет, Дж.; Карбонелл, Р.; Даньобейтия, Джей-Джей; Пелегри, JL (2009). «Относительный вклад температуры и солености в акустическую отражательную способность океана». Письма о геофизических исследованиях . 36 (24). Бибкод : 2009GeoRL..36.0D06S . дои : 10.1029/2009GL040187 . hdl : 10261/18510 . ISSN 0094-8276 . S2CID 52108613 .

[FalderWhite2016-10] Фалдер, Мэтью; Уайт, Нью-Джерси; Колфилд, CP (2016). «Сейсмическое изображение быстрого возникновения стратифицированной турбулентности в южной части Атлантического океана» . Журнал физической океанографии . 46 (4): 1023–1044. Бибкод : 2016JPO....46.1023F . doi : 10.1175/JPO-D-15-0140.1 . ISSN 0022-3670 .

[DickinsonWhite2017-11] Дикинсон, Алекс; Уайт, Нью-Джерси; Колфилд, CP (2017). «Пространственное изменение диапикнальной диффузии, оцененное на основе сейсмических изображений поля внутренних волн, Мексиканский залив» . Журнал геофизических исследований: Океаны . 122 (12): 9827–9854. Бибкод : 2017JGRC..122.9827D . дои : 10.1002/2017JC013352 . ISSN 2169-9275 .

[12] Бреховских, Л.М. (2003). Основы акустики океана . Я︠У︡. П. Лысанов (3-е изд.). Нью-Йорк: Спрингер. ISBN 0-387-21655-3 . OCLC 56066920 .

[13] Дикинсон, А; Белый, Н; Колфилд, CP C (2020). «Покадровая акустическая визуализация мезомасштабной и мелкомасштабной изменчивости в пределах Фарерско-Шетландского пролива» . Журнал геофизических исследований: Океаны . 125 (8). Бибкод : 2020JGRC..12515861D . дои : 10.1029/2019JC015861 . S2CID 219454471 .

[14] Ганн, КЛ; Белый, Н; Колфилд, CP C (2020). «Покадровая сейсмическая визуализация океанических фронтов и переходных линз в южной части Атлантического океана» . Журнал геофизических исследований: Океаны . 125 (7). дои : 10.1029/2020JC016293 . S2CID 225607857 .

[15] Парамо, П; Холбрук, SW (2005). «Температурные контрасты в толще воды, полученные на основе анализа амплитуды и смещения акустических отражений» . Письма о геофизических исследованиях . 32 (24): 1–4. Бибкод : 2005GeoRL..3224611P . дои : 10.1029/2005GL024533 . S2CID 55138695 .

[16] Папенберг, К; Клаешен, Д; Краманн, Г; Хоббс, RW (2010). «Температура и соленость океана, инвертированные на основе объединенных гидрографических и сейсмических данных» (PDF) . Письма о геофизических исследованиях . 37 (4): 6–11. Бибкод : 2010GeoRL..37.4601P . дои : 10.1029/2009GL042115 . S2CID 56241485 .

[17] Тан, Кью; Хоббс, Р; Чжэн, К; Бискас, Б; Кайадо, К. (2016). «Инверсия Марковской цепи Монте-Карло структуры температуры и солености внутреннего одиночного волнового пакета по морским сейсмическим данным» . Журнал геофизических исследований: Океаны . 121 (6): 3692–3709. Бибкод : 2016JGRC..121.3692T . дои : 10.1002/2016JC011810 .

[18] Холбрук, штат Вашингтон; Фер, я (2005). «Спектры внутренних волн океана, полученные на основе разрезов сейсмического отражения». Письма о геофизических исследованиях . 32 (15). Бибкод : 2005GeoRL..3215604H . дои : 10.1029/2005GL023733 . HDL : 1956/774 . S2CID 13876788 .

[19] Шин, КЛ; Белый, Н; Хоббс, Р. (2009). «Оценка скорости перемешивания по сейсмическим изображениям океанической структуры». Письма о геофизических исследованиях . 36 (24): 1–5. Бибкод : 2009GeoRL..36.0D04S . дои : 10.1029/2009GL040106 . S2CID 17387336 .

[20] Холбрук, С; Фер, я; Шмитт, РВ; Лизарральде, Д; Климак, Дж. М.; Хелфрич, LC; Кубичек Р. (2013). «Оценка рассеивания океанической турбулентности по сейсмическим изображениям» . Журнал атмосферных и океанических технологий . 30 (8): 1767–1788. Бибкод : 2013JAtOT..30.1767H . doi : 10.1175/JTECH-D-12-00140.1 . hdl : 1912/6229 .

[21] Дикинсон, А; Белый, Н; Колфилд, КПК (2017). «Пространственное изменение диапикнальной диффузии, оцененное на основе сейсмических изображений поля внутренних волн, Мексиканский залив» . Журнал геофизических исследований: Океаны . 122 (12): 9827. Бибкод : 2017JGRC..122.9827D . дои : 10.1002/2017JC013352 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]