Ozean-akustischen Tomographie

Ozean Acoustic Tomography ist eine Technik verwendet, um Temperaturen und Strömungen über große Regionen des Ozeans messen. Auf Ozeanbecken Skalen wird diese Technik auch als akustische Temperaturmessung bekannt. Die Technik beruht auf genauen Messen der Zeit, die Schallsignale, um zwischen zwei Instrumenten, einer einer Schallquelle und einem einen Empfänger, um Bereiche von 100-5000 km getrennt reisen. Wenn die Positionen der Instrumente genau bekannt sind, kann die Messung der Flugzeit-Flug verwendet werden, um die Schallgeschwindigkeit abzuleiten, gemittelt über den akustischen Pfad. Veränderungen in der Schallgeschwindigkeit werden hauptsächlich durch Änderungen in der Temperatur des Meer verursacht, damit die Messung der Laufzeiten ist äquivalent zu einer Messung der Temperatur. A 1 ° C Temperaturänderung entspricht ca. 4 m / s Änderung in der Schallgeschwindigkeit. Eine ozeanographische Experiment Tomographie verwendet in der Regel mehrere Quellen-Empfänger-Paare in einem vor Anker-Array, das eine Fläche von Ozean misst.

Motivierung

Meerwasser ein elektrischer Leiter ist, so dass die Ozeane undurchlässig elektromagnetischen Energie. Die Ozeane sind ziemlich transparent für Niederfrequenz-Akustik, aber. Die Ozeane durchzuführen sehr effizient klingen, vor allem bei niedrigen Frequenzen, dh weniger als einigen hundert Hertz klingen. Diese Eigenschaften motiviert Walter Munk und Carl Wunsch zur "akustischen Tomographie" für Ozean Messung in der Ende der 1970er Jahre vor. Die Vorteile des akustischen Ansatz zur Messung der Temperatur sind zweierlei. Erstens können große Bereiche des Inneren des Ozeans durch Fernerkundung gemessen werden. Zweitens ist die Technik natürlich Durchschnittswerte über die kleinen Temperaturschwankungen, die Ozeanvariabilität zu dominieren.

Von Anfang an war die Idee von Beobachtungen des Ozeans durch Akustik Schätzung der Zustand des Ozeans mit modernen numerischen Ozeanmodelle und die Techniken zu assimilieren Daten in numerische Modelle verheiratet. Da die Beobachtungstechnik ist gereift, so haben auch die Methoden der Datenassimilation und der erforderlich ist, um diese Berechnungen durchzuführen Rechenleistung.

Multipath Ankünfte und Tomographie

Einer der faszinierendsten Aspekte der Tomographie ist, dass es die Tatsache, dass akustische Signale bewegen sich entlang einer Reihe von in der Regel stabil Strahlenwege nutzt. Von einem einzigen übertragenen akustischen Signals, dieser Satz von Strahlen führt zu mehreren Ankünfte am Empfänger, die Reisezeit jedes der Ankunft entsprechend einer bestimmten Strahlengang. Die frühesten Ankunftszeiten entsprechen den tieferen-Reisen-Strahlen, da diese Strahlen zu reisen, wo Schallgeschwindigkeit am größten ist. Die Strahlengänge sind einfach berechnet mit Computern, und jede Strahlengang kann in der Regel mit einer bestimmten Laufzeit identifiziert werden. Die mehrfachen Fahrzeiten messen die Schallgeschwindigkeit gemittelt über jeden der mehreren Schallwege. Diese Messungen ermöglichen es, Aspekte der Struktur von der Temperatur oder Stromänderungen als eine Funktion der Tiefe zu schließen. Die Lösung für die Schallgeschwindigkeit, also Temperatur, der akustischen Laufzeiten ist ein inverses Problem.

Die Integration von Eigentum der Langstrecken-akustische Messungen

Ozean akustischen Tomographie integriert Temperaturschwankungen über große Distanzen, das heißt, ergeben die gemessenen Laufzeiten aus den akkumulierten Auswirkungen aller Temperaturschwankungen entlang des akustischen Weges, damit Messungen der Technik inhärent Lung. Dies ist eine wichtige, einzigartige Eigenschaft, da die allgegenwärtigen kleinen turbulenten und interne Wellenfunktionen des Ozeans in der Regel dominieren die Signale bei Messungen an einzelnen Punkten. B. Messungen mit Thermometern müssen mit dieser 1-2ºC Rausch kämpfen, so dass eine große Anzahl von Instrumenten benötigt, um eine genaue Messung der Durchschnittstemperatur zu erhalten. Zur Messung der mittleren Temperatur der Ozeanbecken ist es daher, die akustische Messung sehr kostengünstig. Tomographischen Messungen auch durchschnittliche Variabilität über die Tiefe als auch, da die Strahlengänge Zyklus in der gesamten Wassersäule.

Die wechselseitige Tomographie

"Gegenseitig-Tomographie" verwendet die gleichzeitige Übertragungen zwischen zwei akustischen Transceivern. Ein "Empfänger" ist ein Gerät, die sowohl eine Schallquelle und einen Empfänger. Die geringen Unterschiede in der Reisezeit zwischen den wechselseitig-Reisen-Signale werden verwendet, um Meeresströmungen zu messen, da die gegenseitigen Signale reisen mit und gegen den Strom. Der Durchschnitt dieser reziproken Laufzeiten ist ein Maß der Temperatur, wobei die kleine Effekte von Meeresströmungen vollständig entfernt. Wassertemperaturen werden aus der Summe der reziproken Laufzeiten geschlossen, während die Ströme aus der Differenz der reziproken Laufzeiten geschlossen wird. Im Allgemeinen Meeresströmungen haben eine viel kleinere Wirkung auf die Fahrzeiten als Schallgeschwindigkeitsänderungen, so dass "one-way" Tomografie misst Temperatur in guter Näherung.

Anwendungen

Im Meer, können große Temperaturänderungen über Zeitintervalle von Minuten bis zu Jahrzehnten auftreten. Tomographie wurde eingesetzt, um die Variabilität in diesem weiten Bereich von Zeitskalen und über einen weiten Bereich von räumlichen Skalen zu messen. In der Tat hat Tomographie als eine Messung von Meeresklima mit Übertragungen über antipodal Entfernungen in Betracht gezogen.

Eine der frühesten Anwendungen der Tomographie in Meeresbeobachtungs trat in 1988-9. Eine Zusammenarbeit zwischen Gruppen an der Scripps Institution of Oceanography und der Woods Hole Oceanographic Institution eingesetzt sechsElement Tomographieanordnung in der Tiefsee-Ebene von der Grönlandsee gyre zu Tiefenwasserbildung und der gyre Zirkulation zu studieren.

Acoustic-Temperaturmessung von Ocean Klima

Acoustic-Temperaturmessung von Ocean Klima ist eine Idee, die Weltmeere zu beobachten, und das Meeresklima insbesondere unter Verwendung von trans-Becken akustische Übertragungen. Prototype Messungen der Temperatur haben im Nordpazifik-Becken und in der Arktis Becken gemacht worden.

Die im Nordpazifik formell im Jahr 2006 Acoustic Übertragungen beendet umgesetzt Original ATOC-Programm wurden von 1996 bis Herbst 2006, wenn vereinbarte Umweltprotokolle beendet. Die jahrzehntelangen Einsatz der Schallquelle zeigte, dass die Beobachtungen sind nachhaltig auf sogar einem bescheidenen Budget. Die Übertragungen wurden überprüft, um eine genaue Messung der Temperatur des Ozeans auf die akustischen Pfade bereitstellen, mit Unsicherheiten, die viel kleiner ist als jeder andere Ansatz zur Ozeantemperaturmessung sind.

Acoustic-Übertragungen und Meeressäuger

Die ATOC Projekt wurde in Fragen betreffend die Auswirkungen der Akustik auf Meeressäuger verwickelt. Die öffentliche Diskussion wurde durch technische Probleme aus einer Vielzahl von Disziplinen, die das Verständnis der Auswirkungen der Akustik auf Meeressäuger schwierig für den Experten macht, geschweige denn der Öffentlichkeit erschwert. Viele der Fragen der Akustik im Ozean und ihre Auswirkungen auf Meeressäuger waren unbekannt. Schließlich gab es eine Vielzahl von öffentlichen Missverständnisse zunächst, wie ein Durcheinander von der Definition der Schallpegel in der Luft gegen Schallpegel in Wasser. Wenn eine bestimmte Anzahl von Dezibel in Wasser als Dezibel in der Luft ausgelegt, wird der Geräuschpegel scheinen Größenordnungen größer als es wirklich ist - an einer Stelle die ATOC Schallpegel wurden fälschlicherweise als "lauter als 10.000 747 Flugzeuge" interpretiert. In der Tat, die Schallpegel beschäftigt, 250 W, vergleichbar waren diejenigen, die durch blaue oder Finnwale gemacht, obwohl diese Wale singen bei viel niedrigeren Frequenzen. Das Meer trägt Klang so effizient, dass Klänge haben nicht so laut zu Ozeanbecken überqueren, um zu sein. Andere Faktoren, die in der Kontroverse waren die umfangreiche Geschichte des Aktivismus, wo Meeressäuger betroffen sind, von stamm der laufenden Walfang Konflikt und die Sympathie, die viel von der Öffentlichkeit fühlt sich in Richtung auf die Meeressäuger.

Als Ergebnis dieser Kontroverse führte die ATOC Programm eine Studie über die Auswirkungen der akustischen Übertragungen auf einer Vielzahl von Meeressäugetieren $ 6 Millionen. Nach sechs Jahren der Studie, die offizielle, formelle Schlussfolgerung aus dieser Studie war, dass die ATOC Getriebe haben "keine signifikante biologische Wirkung".

Sonstige Akustik-Aktivitäten im Meer sind nicht so harmlos, sofern Meeressäuger sind besorgt: Luftgewehrschüsse für geophysikalische Untersuchungen und einige der lauter Übertragungen von der US Navy für verschiedene Zwecke werden dokumentiert, um eine Gefahr für die Meeressäuger zu präsentieren. Die tatsächliche Gefahr hängt von einer Vielzahl von Faktoren, die außerhalb Geräuschpegel: Schallfrequenz, die Häufigkeit und Dauer der Übertragungen, die Art des akustischen Signals, die Tiefe der Schallquelle, Richtwirkung der Schallquelle, der Wassertiefe und der lokalen Topographie, Nachhall, usw. .

Im Fall der ATOC wurde die Quelle auf dem Boden etwa eine halbe Meile tief, damit Meeressäugetieren, die an die Oberfläche gebunden sind, befestigt ist, waren in der Regel weiter als eine halbe Meile von der Quelle. Diese Tatsache in Verbindung mit der bescheidenen Quellenpegel, der selten 2% Arbeitszyklus, und andere solche Faktoren machten die Schallübertragungen gutartige in seiner Wirkung auf die Unterwasserwelt.

Arten von übertragenen akustischen Signale

Tomographischen Übertragungen bestehen aus langen kodierten Signale anhalt 30 Sekunden oder mehr. Die eingesetzten Bereich von 50 bis 1000 Hz und die Quelle Ebenen Frequenzen im Bereich von 100 bis 250 W, je nach den besonderen Zielen der Messungen. Zeitgenau, wie beispielsweise von GPS kann Reisezeiten auf eine nominale Genauigkeit von 1 Millisekunde gemessen werden. Während diese Übertragungen hörbar der Nähe der Quelle, über einen Bereich von mehreren Kilometern die Signale werden in der Regel unter Umgebungsgeräuschpegel und erfordert anspruchsvolle Spreizspektrum-Signalverarbeitungstechniken, um sie zurückzugewinnen.

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