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canal SOFAR

Velocidad del sonido bajo el agua en función de la profundidad. Datos derivados de lecturas tomadas al norte de Hawaii en el Océano Pacífico y obtenidas del World Ocean Atlas , edición de 2005. Tenga en cuenta el eje del canal SOFAR en ca.  750  m de profundidad, donde la velocidad del sonido se muestra en su punto más bajo.

El canal SOFAR (abreviatura de canal de fijación y alcance del sonido ), o canal de sonido profundo ( DSC ), [1] es una capa horizontal de agua en el océano en cuya profundidad la velocidad del sonido es mínima. El canal SOFAR actúa como guía de ondas para el sonido y las ondas sonoras de baja frecuencia dentro del canal pueden viajar miles de kilómetros antes de disiparse. Un ejemplo fue la recepción de señales codificadas generadas por el buque de vigilancia oceánica Cory Chouest, fletado por la Armada, frente a la isla Heard , ubicada en el sur del Océano Índico (entre África, Australia y la Antártida), mediante hidrófonos en partes de las cinco cuencas oceánicas principales y tan distantes como el Atlántico Norte y el Pacífico Norte . [2] [3] [4] [nota 1]

Este fenómeno es un factor importante en la vigilancia de los océanos. [5] [6] [7] El canal de sonido profundo fue descubierto y descrito de forma independiente por Maurice Ewing y J. Lamar Worzel en la Universidad de Columbia y Leonid Brekhovskikh en el Instituto de Física Lebedev en la década de 1940. [8] [9] Al probar el concepto en 1944, Ewing y Worzel colgaron un hidrófono de Saluda , un velero asignado al Laboratorio de Sonido Submarino , con un segundo barco que detonaba cargas explosivas de hasta 900 millas náuticas (1000 millas; 1700 km). lejos. [10] [11]

Principio

Los pulsos acústicos viajan grandes distancias en el océano porque quedan atrapados en una guía de ondas acústicas . Esto significa que a medida que los pulsos acústicos se acercan a la superficie, se desvían hacia el fondo y, a medida que se acercan al fondo del océano, se desvían hacia la superficie. El océano conduce el sonido de manera muy eficiente, particularmente el sonido a bajas frecuencias, es decir, menos de unos pocos cientos de Hz.

La temperatura es el factor dominante para determinar la velocidad del sonido en el océano. En zonas de temperaturas más altas (por ejemplo, cerca de la superficie del océano), la velocidad del sonido es mayor. La temperatura disminuye con la profundidad, y la velocidad del sonido disminuye en consecuencia hasta que la temperatura se estabiliza y la presión se convierte en el factor dominante. El eje del canal SOFAR se encuentra en el punto de velocidad mínima del sonido a una profundidad donde la presión comienza a dominar la temperatura y la velocidad del sonido aumenta. Este punto está en la parte inferior de la termoclina y en la parte superior de la capa isotérmica profunda y, por lo tanto, tiene cierta variación estacional. Existen otros conductos acústicos, particularmente en la capa mixta superior , pero los caminos de los rayos pierden energía con reflexiones superficiales o inferiores. En el canal SOFAR, las bajas frecuencias, en particular, se refractan de regreso al conducto, de modo que la pérdida de energía es pequeña y el sonido viaja miles de kilómetros. [9] [12] [13] El análisis de los datos de la prueba de viabilidad de la isla Heard recibidos por los hidrófonos del sistema de localización de impactos de misiles de la isla Ascensión en un rango intermedio de 9.200 km (5.700 mi; 5.000 nmi) desde la fuente encontró una señal a- relaciones de ruido , que oscilan entre 19 y 30 dB, con una estabilidad de fase y una variabilidad de amplitud inesperadas después de un tiempo de viaje de aproximadamente 1 hora, 44 minutos y 17 segundos. [3]

Perfil que muestra el eje y el fondo del canal de sonido a una profundidad crítica. Cuando el perfil inferior interfiere en la propagación del canal de sonido, la propagación está limitada por el fondo.

Dentro del conducto, las ondas sonoras trazan una trayectoria que oscila a lo largo del eje del canal SOFAR, de modo que una sola señal tendrá múltiples tiempos de llegada con una firma de múltiples pulsos que culminarán en un final claramente definido. [10] [nota 2] Ese final claramente definido que representa un camino de llegada casi axial a veces se denomina final de SOFAR y los anteriores, sinfonía de SOFAR. [14] [15] Esos efectos se deben al canal de sonido más grande en el que las trayectorias de los rayos están contenidas entre la superficie y la profundidad crítica. [nota 3] La profundidad crítica es el punto debajo del eje mínimo de velocidad del sonido donde la velocidad del sonido aumenta para igualar la velocidad máxima sobre el eje. Cuando el fondo se encuentra por encima de una profundidad crítica, el sonido se atenúa, al igual que cualquier trayectoria de rayo que cruce la superficie o el fondo. [16] [17] [18] [nota 4]

Perfil batimétrico con profundidad del eje del canal SOFAR, desde la isla Heard hasta la isla Ascensión.

El eje del canal varía más según su ubicación, alcanza la superficie y desaparece en latitudes altas (por encima de 60°N o por debajo de 60°S), pero luego el sonido viaja en un conducto superficial. Un informe de 1980 del Centro Naval de Sistemas Oceánicos ofrece ejemplos de un estudio de una trayectoria acústica de gran círculo entre Perth, Australia y Bermuda , con datos en ocho lugares a lo largo de la trayectoria. Tanto en Perth como en Bermuda, el eje del canal de sonido se produce a una profundidad de alrededor de 1200 m (3937 pies). Donde el camino se encuentra con la convergencia antártica a 52º sur no hay un canal de sonido profundo, sino un conducto de superficie de 30 m (98 pies) de profundidad y un canal de sonido poco profundo a 200 m (656 pies). A medida que el camino gira hacia el norte, una estación en 43º sur, 16º este mostró que el perfil volvía al tipo SOFAR a 800 m (2625 pies). [19] [20]

Aplicaciones

La primera aplicación práctica comenzó a desarrollarse durante la Segunda Guerra Mundial, cuando la Armada de los Estados Unidos comenzó a experimentar e implementar la capacidad de localizar la explosión de una bomba SOFAR utilizada como señal de socorro por los pilotos caídos. La diferencia en los tiempos de llegada de la fuente a un lugar desconocido y a lugares conocidos permitió calcular la ubicación general de la fuente. [10] Los tiempos de llegada forman líneas de posición hiperbólicas similares a LORAN . Lo contrario, la detección de señales cronometradas desde posiciones costeras conocidas en un punto desconocido, permitió calcular la posición en ese punto. A esa técnica se le dio el nombre de SOFAR al revés: RAFOS. RAFOS se define en la edición de 1962 de The American Practical Navigator entre los sistemas de navegación hiperbólica. [10] [21] [22]

Las primeras aplicaciones se basaban en estaciones costeras fijas, a menudo denominadas estaciones SOFAR. Varios se convirtieron en instalaciones de investigación acústica, al igual que la estación Bermuda SOFAR, que participó en el experimento de Perth a Bermuda. [19] [20] Los registros de la estación de las Bermudas son mantenidos por el Instituto Oceanográfico Woods Hole (WHOI). [23] En el pasado reciente, las fuentes SOFAR se implementaron para propósitos especiales en la aplicación RAFOS. Uno de estos sistemas desplegó fuentes amarradas en el fondo frente al cabo Hatteras , frente a las Bermudas y otra en un monte submarino para enviar tres señales cronometradas con precisión por día para proporcionar una precisión de aproximadamente cinco kilómetros (3,1 millas; 2,7 millas náuticas). [24]

La primera aplicación rápidamente se volvió de gran interés para la Armada por razones distintas a la localización de tripulaciones aéreas derribadas. Una decisión de la Marina en 1949 dio lugar a estudios en 1950 que recomendaban que se explotara el potencial de sonar pasivo del canal SOFAR para el esfuerzo de Guerra Antisubmarina (ASW) de la Marina. La recomendación incluía la de gastar 10 millones de dólares al año en investigación y desarrollo del sistema. En 1951, un conjunto de pruebas había probado el concepto y en 1952 se encargaron estaciones adicionales para el Atlántico. La primera gran explotación del canal SOFAR fue para la vigilancia de los océanos en un programa clasificado que dio lugar al Sistema de Vigilancia Sonora (SOSUS). Ese sistema permaneció clasificado desde su inicio hasta que los sistemas fijos fueron complementados con conjuntos móviles para convertirse en el Sistema Integrado de Vigilancia Submarina y la misión y la naturaleza del sistema se desclasificaron en 1991. [7] [25] [nota 5]

La monitorización de terremotos mediante el uso de SOSUS después de que se concediera acceso civil limitado al Laboratorio Ambiental Marino del Pacífico (PMEL) de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica en 1991 reveló diez veces más terremotos en alta mar con una mejor localización que con sensores terrestres. La detección SOSUS podría detectar terremotos de aproximadamente magnitud dos en lugar de magnitud cuatro. El sistema detectó la expansión del fondo marino y eventos de magma en la cresta Juan de Fuca a tiempo para que los buques de investigación investigaran. Como resultado de ese éxito, PMEL desarrolló sus propios hidrófonos para su implementación en todo el mundo y que se suspenderán en el canal SOFAR mediante un sistema de flotador y anclaje. [26]

Otras aplicaciones

En naturaleza

Misteriosos sonidos de baja frecuencia , atribuidos a las ballenas de aleta ( Balaenoptera physalus ), son una ocurrencia común en el canal. Los científicos creen que las ballenas de aleta pueden sumergirse en este canal y cantar para comunicarse con otras ballenas de aleta que se encuentran a muchos kilómetros de distancia. [28]

Cultura popular

La novela La caza del Octubre Rojo describe el uso del canal SOFAR en la detección de submarinos.

Notas a pie de página

  1. ^ La figura 1 de la referencia "La prueba de viabilidad de la isla Heard" (Munk) muestra las trayectorias de los rayos hasta las ubicaciones receptoras. La Tabla 1 enumera los sitios, uno de los cuales es un buque de investigación canadiense con un dispositivo remolcado frente a Cape Cod .
  2. ^ La referencia "Historia del Canal SOFAR" tiene una grabación y una ecografía del efecto.
  3. ^ El término también tiene una aplicación en oceanografía biológica .
  4. ^ La Figura 2 en la página tres de la referencia de Williams/Stephen/Smith es útil para comprender la profundidad crítica, el canal SOFAR, el canal completo y las trayectorias de los rayos involucrados.
  5. ^ No es del todo coincidencia que algunas de las instalaciones costeras de SOSUS, denominadas Instalaciones Navales (NAVFAC), estuvieran ubicadas en las cercanías de estaciones SOFAR más antiguas. Por ejemplo, la Instalación Naval de las Bermudas y la Instalación Naval de Point Sur . La acústica local ya era bien conocida.

Ver también

Referencias

  1. ^ Suplemento de la Marina al Diccionario de términos militares y asociados del DOD (PDF) . Departamento de Marina . Junio ​​de 2012. Archivado (PDF) desde el original el 15 de abril de 2021 . Consultado el 23 de octubre de 2021 .
  2. ^ Munk, Walter H.; Spindel, Robert C.; Baggeroer, Arturo; Birdsall, Theodore G. (20 de mayo de 1994). "La prueba de viabilidad de Heard Island" (PDF) . Revista de la Sociedad de Acústica de América . 96 (4). Sociedad de Acústica de América: 2330–2342. Código bibliográfico : 1994ASAJ...96.2330M. doi : 10.1121/1.410105 . Consultado el 26 de septiembre de 2020 .
  3. ^ ab NOAA AOML (febrero de 1993). Recepción en la Isla Ascensión, Atlántico Sur, de las transmisiones de la prueba de viabilidad de la Isla Heard (Memorando técnico de la NOAA ERL AOML-73) (PDF) (Reporte). Miami, Florida: Administración Nacional Oceánica y Atmosférica, Laboratorio Oceanográfico y Meteorológico del Atlántico . Consultado el 26 de septiembre de 2020 .[ enlace muerto permanente ]
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  6. ^ De Geer, Lars-Erik; Wright, Christopher (22 de septiembre de 2019). "De ovejas a ondas sonoras, los datos confirman una prueba nuclear". La política exterior . Washington, DC: Grupo FP, Graham Holdings Company . Consultado el 23 de septiembre de 2020 .
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enlaces externos