Акустическая томография океана
Акустическая томография океана — это метод, используемый для измерения температуры и течений на больших участках океана . [ 1 ] [ 2 ] В масштабах океанского бассейна этот метод также известен как акустическая термометрия. Этот метод основан на точном измерении времени, необходимого звуковым сигналам для прохождения между двумя инструментами, одним из которых является источник звука, а другой - приемником , разделенных расстоянием 100–5000 километров (54–2700 морских миль). Если расположение инструментов точно известно, 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 распространения звука 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 заякоренной установке, которая измеряет площадь океана.
Мотивация
[ редактировать ]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, то есть менее нескольких сотен герц. [ 3 ] Эти свойства мотивировали Уолтера Мунка 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 недр 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 акустических наблюдений за океаном была связана с оценкой состояния океана с использованием современных численных моделей океана и методов ассимиляции данных в числовые модели. По мере совершенствования техники наблюдения развивались и методы усвоения данных , и вычислительная мощность, необходимая для выполнения этих вычислений.
Многолучевые приходы и томография
[ редактировать ]Одним из интригующих аспектов томографии является то, что она использует тот факт, что акустические сигналы распространяются по набору в целом стабильных траекторий лучей. Из одного передаваемого акустического сигнала этот набор лучей приводит к множеству приходов к приемнику, причем время прохождения каждого прихода соответствует определенному пути луча. Самые ранние прибытия соответствуют лучам, идущим на большей глубине, поскольку эти лучи движутся там, где скорость звука наибольшая. Траектории лучей легко вычисляются с помощью компьютеров (« трассировка лучей »), и каждый путь луча обычно можно идентифицировать с определенным временем прохождения. Несколько времен прохождения измеряют скорость звука, усредненную по каждому из нескольких акустических путей. Эти измерения позволяют сделать выводы о структуре изменений температуры или тока в зависимости от глубины. Решение для скорости звука и, следовательно, температуры, исходя из времени распространения звука, представляет собой обратную задачу .
Интегрирующее свойство акустических измерений на больших расстояниях
[ редактировать ]Акустическая томография океана интегрирует изменения температуры на больших расстояниях, то есть измеренное время прохождения является результатом накопления эффектов всех изменений температуры вдоль акустического пути, поэтому измерения с помощью этого метода по своей сути являются усреднением. Это важное и 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 Арго ) должны бороться с этим шумом в 1-2 °C, поэтому для получения точных измерений средней температуры требуется большое количество приборов. Таким образом, для измерения средней температуры океанских бассейнов акустические измерения весьма экономически эффективны. Томографические измерения также усредняют изменчивость по глубине, поскольку траектории лучей циклически меняются по всей толще воды.
Реципрокная томография
[ редактировать ]«Взаимная томография» предполагает одновременную передачу данных между двумя акустическими приемопередатчиками. «Приемопередатчик» — это инструмент, включающий в себя как источник звука, так и приемник. Небольшие различия во времени прохождения возвратно-поступательных сигналов используются для измерения океанских течений , поскольку взаимные сигналы распространяются по течению и против него. Среднее значение этих обратных времен путешествия является мерой температуры, при этом небольшие эффекты океанских течений полностью устраняются. Температуры океана определяются по сумме обратных времен пути, а течения - по разнице обратных времен пути. Как правило, океанские течения (обычно 10 см/с (3,9 дюйма/с)) оказывают гораздо меньшее влияние на время путешествия, чем изменения скорости звука (обычно 5 м/с (16 футов/с)), поэтому «односторонняя» томография измеряет температуру с хорошим приближением.
Приложения
[ редактировать ]В океане крупномасштабные изменения температуры могут происходить за промежутки времени от минут ( внутренние волны ) до десятилетий (изменение океанического 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 противоположных расстояниях. [ 3 ]
Томография стала ценным методом наблюдения за океаном. [ 6 ] использование характеристик распространения звука на большие расстояния для получения синоптических измерений средней температуры или течения океана. Одно из первых применений томографии в наблюдении за океаном произошло в 1988–1989 годах. В результате сотрудничества групп из Океанографического института Скриппса и Океанографического института Вудс-Хоул была развернута шестиэлементная томографическая установка на абиссальной равнине Гренландского моря круговорота для изучения формирования глубокой воды и циркуляции круговорота. [ 7 ] [ 8 ] Другие приложения включают измерение океанских приливов, [ 9 ] [ 10 ] и оценка мезомасштабной динамики океана путем объединения томографии, спутниковой альтиметрии и данные in situ с динамическими моделями океана. [ 11 ] Помимо десятилетних измерений, полученных в северной части Тихого океана, акустическая термометрия использовалась для измерения изменений температуры верхних слоев бассейнов Северного Ледовитого океана. [ 12 ] которая 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
[ редактировать ]Акустическая термометрия – это идея наблюдения за бассейнами мирового океана и, в частности, за климатом океана с использованием трансбассейновой акустической передачи . «Термометрия», а не «томография», использовалась для обозначения измерений в масштабе бассейна или в глобальном масштабе. Прототипные измерения температуры были проведены в северной части Тихоокеанского бассейна и в Арктическом бассейне . [ 1 ]
Начиная с 1983 года Джон Спайсбергер из Океанографического института Вудс-Хоул , а также Тед Бердсолл и Курт Мецгер 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 расстояние 4000 км (2500 миль). [ 16 ] [ 17 ] Эти эксперименты показали, что изменения температуры можно измерить с точностью около 20 миллиградусов. Шписбергер и др. не обнаружил глобального потепления. Вместо этого они обнаружили, что частично за это ответственны другие природные климатические колебания, такие как Эль-Ниньо. для существенных колебаний температуры, которые могли маскировать любые более медленные и меньшие тенденции, которые могли возникнуть в результате глобального потепления. [ 18 ]
Программа акустической термометрии океанского климата (ATOC) была реализована в северной части Тихого океана, акустические передачи осуществлялись с 1996 года по осень 2006 года. Измерения были прекращены, когда закончились согласованные экологические протоколы. Десятилетнее развертывание акустического источника показало, что наблюдения устойчивы даже при скромном бюджете. Было проверено, что передачи обеспечивают точное измерение температуры океана на акустических путях с погрешностями, которые намного меньше, чем при любом другом подходе 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 измеряется инструментами, находящимися на месте. [ 21 ]
Акустическая передача и морские млекопитающие
[ редактировать ]Проект ATOC был вовлечен в вопросы воздействия акустики на морских млекопитающих (например , китов , морских свиней , морских львов и т. д.). [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] Общественное обсуждение осложнялось техническими проблемами из различных дисциплин ( физическая океанография , акустика , биология морских млекопитающих и т. д.), что затрудняло понимание воздействия акустики на морских млекопитающих для экспертов, не говоря уже о широкой публике. Многие вопросы, касающиеся акустики океана и ее воздействия на морских млекопитающих, были неизвестны. Наконец, изначально в обществе существовало множество заблуждений, таких как путаница в определении уровней звука в воздухе и уровней звука в воде. Если данное количество децибел в воде интерпретировать как децибелы в воздухе, уровень звука будет казаться на несколько порядков выше, 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 ] Используемая звуковая мощность, 250 Вт, была сопоставима со звуковой мощностью синих китов или финвалов . [ 24 ] хотя эти киты издают гораздо более низкие частоты. Океан переносит звук настолько эффективно, что звуки не должны быть такими громкими, чтобы пересечь океанские бассейны. Другими факторами разногласий стали обширная история активизма в отношении морских млекопитающих, вызванная продолжающимся конфликтом в области китобойного промысла, а также симпатия, которую большая часть общественности испытывает к морским млекопитающим. [ 25 ]
В результате этого противоречия программа ATOC провела исследование воздействия акустических передач на различных морских млекопитающих стоимостью 6 миллионов долларов. Акустический источник был установлен на дне на глубине около полумили, следовательно, морские млекопитающие, привязанные к поверхности, обычно находились дальше, чем на полмили от источника. Уровень источника был скромным, меньше уровня звука крупных китов, а рабочий цикл составлял 2% (т.е. звук звучит только 2% дня). [ 26 ] После шести лет исследований официальный вывод этого исследования заключался в том, что передачи ATOC «не имеют биологически значимых эффектов». [ 24 ] [ 27 ] [ 28 ]
Другие виды акустической деятельности в океане, возможно, не столь благоприятны для морских млекопитающих. Различные типы искусственных звуков изучались как потенциальная угроза морским млекопитающим, например, выстрелы из пневматического оружия при геофизических исследованиях, [ 29 ] или передачи ВМС США для различных целей. [ 30 ] Реальная угроза зависит от множества факторов, помимо уровня шума: частота звука, частота и продолжительность передачи, характер акустического сигнала (например, внезапный импульс или кодированная последовательность), глубина источника звука, направленность звука. источник, глубина воды и местная топография, реверберация и т. д.
Виды передаваемых акустических сигналов
[ редактировать ]Томографические передачи состоят из длинных кодированных сигналов (например, «m-последовательностей» ) продолжительностью 30 секунд или более. Используемые частоты находятся в диапазоне от 50 до 1000 Гц, а мощность источника — от 100 до 250 Вт в зависимости от конкретных целей измерений. Благодаря точному времени, например, с помощью GPS , время в пути можно измерить с номинальной точностью до 1 миллисекунды. Хотя эти передачи слышны вблизи источника, на расстоянии нескольких километров сигналы обычно ниже уровня окружающего шума, поэтому с расширенным спектром обработки сигналов для их восстановления требуются сложные методы .
См. также
[ редактировать ]- Акустическая океанография
- Трассировка лучей
- Канал ГНФАР
- СОСУС
- Скорость звука
- Спутниковая альтиметрия TOPEX/Poseidon
- Подводная акустика
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Мунк, Уолтер; Питер Вустер; Карл Вунш (1995). Акустическая томография океана . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-47095-7 .
- ^ Уолтер Салливан (28 июля 1987 г.). «Огромные усилия направлены на раскрытие скрытых закономерностей океанов» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 5 ноября 2007 г.
- ^ Jump up to: а б «ТЭО острова Херд» . Акустическое общество Америки. 1994.
- ^ Мунк, Уолтер; Карл Вунш (1982). «Наблюдение за океаном в 1990-е годы». Фил. Пер. Р. Сок. Лондон. А. 307 (1499): 439–464. Бибкод : 1982RSPTA.307..439M . дои : 10.1098/rsta.1982.0120 . S2CID 122989068 .
- ^ Jump up to: а б Мунк, Уолтер (2006). «Акустическая томография океана: от бурного начала к неопределенному будущему». В Йохуме, Маркус; Муртугудде, Рагху (ред.). Физическая океанография: развитие с 1950 года . Нью-Йорк: Спрингер. стр. 119–136. ISBN 9780387331522 .
- ^ Фишер, А.С.; Холл, Дж.; Харрисон, Делавэр; Стаммер, Д.; Бенвенист, Дж. (2010). «Резюме конференции: информация об океане для общества: сохранение выгод, реализация потенциала» . Ин Холл, Дж.; Харрисон, Делавэр; Стаммер, Д. (ред.). Материалы OceanObs'09: Устойчивые наблюдения за океаном и информация для общества (Том 1) . Публикация ЕКА WPP-306.
- ^ Павлович Р.; и др. (15 марта 1995 г.). «Термическая эволюция круговорота Гренландского моря в 1988-1989 годах». Том. 100. Журнал геофизических исследований. стр. 4727–2750.
- ^ Моравиц, WML; и др. (1996). «Трехмерные наблюдения глубокой конвективной трубы в Гренландском море зимой 1988/1989 года». Том. 26. Журнал физической океанографии. стр. 2316–2343.
- ^ Стаммер, Д.; и др. (2014). «Оценка точности глобальных моделей баротропных океанских приливов». Обзоры геофизики . 52 (3): 243–282. Бибкод : 2014RvGeo..52..243S . дои : 10.1002/2014RG000450 . hdl : 2027.42/109077 . S2CID 18056807 .
- ^ Душоу, Б.Д.; Вустер, штат Пенсильвания; Дзечюх, Массачусетс (2011). «О предсказуемости внутренних приливов режима 1». Глубоководные исследования . Часть I. 58 (6): 677–698. Бибкод : 2011DSRI...58..677D . дои : 10.1016/j.dsr.2011.04.002 .
- ^ Лебедев К.В.; Яремчук, М.; Мицудера, Х.; Накано, И.; Юань, Г. (2003). «Мониторинг расширения Куросио посредством динамически ограниченного синтеза акустической томографии, спутниковых высотомеров и данных на месте». Журнал физической океанографии . 59 (6): 751–763. doi : 10.1023/b:joce.0000009568.06949.c5 . S2CID 73574827 .
- ^ Михалевский, ПН; Гаврилов, АН (2001). «Акустическая термометрия в Северном Ледовитом океане» . Полярные исследования . 20 (2): 185–192. Бибкод : 2001ПолРе..20..185М . дои : 10.3402/POLAR.V20I2.6516 . S2CID 218986875 .
- ^ Михалевский, ПН; Саган, Х.; и др. (2001). «Многоцелевые акустические сети в интегрированной системе наблюдений Северного Ледовитого океана» . Арктика . 28, Доп. 1 (5): 17 стр. doi : 10.14430/arctic4449 . hdl : 20.500.11937/9445 . Архивировано из оригинала 10 сентября 2015 года . Проверено 24 апреля 2015 г.
- ^ Мунк, Вашингтон; О'Рейли, WC; Рид, Дж. Л. (1988). «Возвращение к эксперименту по передаче звука между Австралией и Бермудскими островами (1960)» . Журнал физической океанографии . 18 (12): 1876–1998. Бибкод : 1988JPO....18.1876M . doi : 10.1175/1520-0485(1988)018<1876:ABSTER>2.0.CO;2 .
- ^ Душоу, Б.Д.; Менеменлис, Д. (2014). «Антиподальная акустическая термометрия: 1960, 2004» . Глубоководные исследования . Часть I. 86 : 1–20. Бибкод : 2014DSRI...86....1D . дои : 10.1016/j.dsr.2013.12.008 .
- ^ Спайсбергер, Джон; Курт Мецтер (1992). «Бассейновый мониторинг океана с помощью акустических термометров» . Океанография . 5 (2): 92–98. дои : 10.5670/oceanog.1992.15 .
- ^ Шписбергер, Дж. Л.; К. Мецгер (1991). «Бассейновая томография: новый инструмент изучения погоды и климата». Дж. Геофиз. Рез . 96 (С3): 4869–4889. Бибкод : 1991JGR....96.4869S . дои : 10.1029/90JC02538 .
- ^ Спайсбергер, Джон; Харли Херлберт; Марк Джонсон; Марк Келлер; Стивен Мейерс; и Джей Джей О'Брайен (1998). «Данные акустической термометрии по сравнению с двумя моделями океана: важность волн Россби и ЭНСО в изменении внутренней части океана». Динамика атмосферы и океанов . 26 (4): 209–240. Бибкод : 1998ДяТО..26..209С . дои : 10.1016/s0377-0265(97)00044-4 .
- ^ Консорциум ATOC (28 августа 1998 г.). «Изменение климата океана: сравнение акустической томографии, спутниковой альтиметрии и моделирования» . Научный журнал. стр. 1327–1332 . Проверено 28 мая 2007 г.
- ^ Душоу, Брайан; и др. (19 июля 2009 г.). «Десятилетие акустической термометрии в северной части Тихого океана». Журнал геофизических исследований . Том. 114, C07021. Дж. Геофиз. Рез. Бибкод : 2009JGRC..114.7021D . дои : 10.1029/2008JC005124 .
- ^ У, Вэньбо; Чжан, Чжунвэнь; Пэн, Шируи; Ни, Сидао; Каллис, Йорн (18 сентября 2020 г.). «Сейсмическая термометрия океана» . Наука . 369 (6510): 1510–1515. Бибкод : 2020Sci...369.1510W . дои : 10.1126/science.abb9519 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 32943525 . S2CID 219887722 .
- ^ Стефани Сигел (30 июня 1999 г.). «Низкочастотный гидролокатор вызывает раздражение у защитников китов» . CNN . Проверено 23 октября 2007 г.
- ^ Малкольм В. Браун (30 июня 1999 г.). «Глобальный термометр находится под угрозой из-за споров» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 23 октября 2007 г.
- ^ Jump up to: а б с Кеннет Чанг (24 июня 1999 г.). «Ухо – температура океана» . Новости АВС . Архивировано из оригинала 6 октября 2003 г. Проверено 23 октября 2007 г.
- ^ Jump up to: а б Поттер, младший (1994). «ATOC: разумная политика или экологический вандализм? Аспекты проблемы современной политики, подпитываемой СМИ» . Журнал окружающей среды и развития . 3 (2): 47–62. дои : 10.1177/107049659400300205 . S2CID 154909187 . Проверено 20 ноября 2009 г.
- ^ Кертис, КР; Б.М. Хоу; Дж. А. Мерсер (1999). «Низкочастотный окружающий звук в северной части Тихого океана: длительные наблюдения» (PDF) . Журнал Акустического общества Америки . 106 (6): 3189–3200. Бибкод : 1999ASAJ..106.3189C . дои : 10.1121/1.428173 . Проверено 30 июня 2020 г.
- ^ Кларк, CW; Д.Е. Крокер; Дж. Гедамке; ПМ Уэбб (2003). «Влияние источника низкочастотного звука (акустическая термометрия климата океана) на ныряющее поведение молоди северного морского слона Mirounga angustirostris» . Журнал Акустического общества Америки . 113 (2): 1155–1165. Бибкод : 2003ASAJ..113.1155C . дои : 10.1121/1.1538248 . hdl : 10211.3/124720 . ПМИД 12597209 . Проверено 30 июня 2020 г.
- ^ Национальный исследовательский совет (2000). Морские млекопитающие и низкочастотный звук: Прогресс с 1994 года . Вашингтон, округ Колумбия: Издательство Национальной академии. дои : 10.17226/9756 . ISBN 978-0-309-06886-4 . ПМИД 25077255 .
- ^ Бомбош, А. (2014). «Прогнозирующее моделирование среды обитания горбатых ( Megaptera novaeangliae ) и антарктических малых полосатиков ( Balaenoptera bonaerensis ) в Южном океане как инструмент планирования сейсмических исследований» . Глубоководные исследования. Часть I: Статьи океанографических исследований . 91 : 101–114. Бибкод : 2014DSRI...91..101B . дои : 10.1016/j.dsr.2014.05.017 .
- ^ Национальный исследовательский совет (2003). Океанский шум и морские млекопитающие . Пресса национальных академий. ISBN 978-0-309-08536-6 . Проверено 25 января 2015 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Б. Д. Душоу, 2013. «Акустическая томография океана» в Энциклопедии дистанционного зондирования, Э. Г. Ньоку, редактор, Springer, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2013. ISBN 978-0-387-36698-2 .
- В. Мунк, П. Вустер и К. Вунш (1995). Акустическая томография океана . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-47095-1 .
- П. Ф. Вустер, 2001: «Томография», в Энциклопедии наук об океане , Дж. Стил, С. Торп и К. Турекян, ред., Academic Press Ltd., 2969–2986.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- [1] [ постоянная мертвая ссылка ] Набор инструментов Oceans для Matlab от Рича Павловича.
- Лаборатория акустики океана (OAL) - Океанографический институт Вудс-Хоул.
- Северо-Тихоокеанская акустическая лаборатория (NPAL) — Океанографический институт Скриппса, Ла-Хойя, Калифорния.
- Акустическая термометрия климата океана - Океанографический институт Скриппса, Ла-Хойя, Калифорния.
- Открытие звука в море . DOSITS — это образовательный веб-сайт, посвященный акустике океана.
- Звуки акустических сигналов, используемых для томографии - сайт ДОСИТС.
- Один день из жизни томографического причала – Вашингтонский университет, Сиэтл, Вашингтон.
- Раскрытие тайн океана - Национальная академия наук.
- Звук измеряет тайны океана - Акустическое общество Америки.
- Акустическая термометрия климата океана/Программа исследований морских млекопитающих Лаборатория орнитологии Корнелльского университета, Программа биоакустических исследований