La tomografía acústica oceánica es una técnica utilizada para medir temperaturas y corrientes en grandes regiones del océano . [1] [2] A escalas de cuencas oceánicas, esta técnica también se conoce como termometría acústica. La técnica se basa en medir con precisión el tiempo que tardan las señales de sonido en viajar entre dos instrumentos, uno una fuente acústica y otro un receptor , separados por rangos de 100 a 5000 kilómetros (54 a 2700 millas náuticas). Si se conocen con precisión las ubicaciones de los instrumentos, la medición del tiempo de vuelo se puede utilizar para inferir la velocidad del sonido, promediada a lo largo de la trayectoria acústica. Los cambios en la velocidad del sonido son causados principalmente por cambios en la temperatura del océano, de ahí que la medición de los tiempos de viaje equivale a una medición de la temperatura. Un cambio de temperatura de 1 °C (1,8 °F) corresponde a un cambio de aproximadamente 4 metros por segundo (13 pies/s) en la velocidad del sonido. Un experimento oceanográfico que emplea tomografía normalmente utiliza varios pares de fuente-receptor en un conjunto amarrado que mide un área del océano.
El agua de mar es un conductor eléctrico , por lo que los océanos son opacos a la energía electromagnética (por ejemplo, la luz o el radar ). Sin embargo, los océanos son bastante transparentes a la acústica de baja frecuencia. Los océanos conducen el sonido de forma muy eficaz, especialmente el sonido de bajas frecuencias, es decir, inferiores a unos pocos cientos de hercios. [3] Estas propiedades motivaron a Walter Munk y Carl Wunsch [4] [5] a sugerir la "tomografía acústica" para la medición de los océanos a finales de los años 1970. Las ventajas del método acústico para medir la temperatura son dobles. En primer lugar, mediante sensores remotos se pueden medir grandes áreas del interior del océano . En segundo lugar, la técnica promedia naturalmente las fluctuaciones de temperatura a pequeña escala (es decir, el ruido) que dominan la variabilidad del océano.
Desde el principio, la idea de las observaciones del océano mediante acústica estuvo unida a la estimación del estado del océano utilizando modelos oceánicos numéricos modernos y técnicas de asimilación de datos en modelos numéricos. A medida que la técnica de observación ha madurado, también lo han hecho los métodos de asimilación de datos y la potencia informática necesaria para realizar esos cálculos.
Uno de los aspectos intrigantes de la tomografía es que aprovecha el hecho de que las señales acústicas viajan a lo largo de un conjunto de trayectorias de rayos generalmente estables. A partir de una única señal acústica transmitida, este conjunto de rayos da lugar a múltiples llegadas al receptor, correspondiendo el tiempo de viaje de cada llegada a una trayectoria de rayo particular. Las llegadas más tempranas corresponden a los rayos que viajan más profundamente, ya que estos rayos viajan donde la velocidad del sonido es mayor. Las trayectorias de los rayos se calculan fácilmente utilizando computadoras (" ray tracing "), y cada trayectoria de los rayos generalmente se puede identificar con un tiempo de viaje particular. Los múltiples tiempos de viaje miden la velocidad del sonido promediada en cada una de las múltiples trayectorias acústicas. Estas mediciones permiten inferir aspectos de la estructura de las variaciones de temperatura o corriente en función de la profundidad. La solución para la velocidad del sonido, y por tanto la temperatura, a partir de los tiempos de viaje acústico es un problema inverso .
La tomografía acústica oceánica integra variaciones de temperatura a lo largo de grandes distancias, es decir, los tiempos de viaje medidos resultan de los efectos acumulados de todas las variaciones de temperatura a lo largo de la trayectoria acústica, por lo que las mediciones realizadas por la técnica son inherentemente promediadas. Esta es una propiedad importante y única, ya que las ubicuas características de ondas internas y turbulencias a pequeña escala del océano generalmente dominan las señales en las mediciones en puntos únicos. Por ejemplo, las mediciones realizadas con termómetros (es decir, termistores amarrados o flotadores a la deriva Argo ) tienen que lidiar con este ruido de 1 a 2 °C, de modo que se requiere una gran cantidad de instrumentos para obtener una medida precisa de la temperatura promedio. Por lo tanto, para medir la temperatura media de las cuencas oceánicas, la medición acústica es bastante rentable. Las mediciones tomográficas también promedian la variabilidad en la profundidad, ya que las trayectorias de los rayos circulan a lo largo de la columna de agua.
La "tomografía recíproca" emplea transmisiones simultáneas entre dos transceptores acústicos. Un "transceptor" es un instrumento que incorpora tanto una fuente acústica como un receptor. Las ligeras diferencias en el tiempo de viaje entre las señales que viajan recíprocamente se utilizan para medir las corrientes oceánicas , ya que las señales recíprocas viajan a favor y en contra de la corriente. El promedio de estos tiempos de viaje recíprocos es la medida de la temperatura, eliminando por completo los pequeños efectos de las corrientes oceánicas. Las temperaturas del océano se infieren de la suma de los tiempos de viaje recíprocos, mientras que las corrientes se infieren de la diferencia de tiempos de viaje recíprocos. Generalmente, las corrientes oceánicas (normalmente 10 cm/s (3,9 pulgadas/s)) tienen un efecto mucho menor en los tiempos de viaje que las variaciones de la velocidad del sonido (normalmente 5 m/s (16 pies/s)), por lo que la tomografía "unidireccional" Mide la temperatura con buena aproximación.
En el océano, pueden ocurrir cambios de temperatura a gran escala en intervalos de tiempo que van desde minutos ( ondas internas ) hasta décadas ( cambio climático oceánico ). La tomografía se ha empleado para medir la variabilidad en esta amplia gama de escalas temporales y en una amplia gama de escalas espaciales. De hecho, la tomografía se ha considerado como una medición del clima oceánico utilizando transmisiones a distancias antípodas . [3]
La tomografía se ha convertido en un método valioso de observación de los océanos, [6] que explota las características de la propagación acústica de largo alcance para obtener mediciones sinópticas de la temperatura o corriente promedio del océano. Una de las primeras aplicaciones de la tomografía en la observación de los océanos se produjo en 1988-9. Una colaboración entre grupos del Instituto de Oceanografía Scripps y el Instituto Oceanográfico Woods Hole desplegó un conjunto tomográfico de seis elementos en la llanura abisal del giro del Mar de Groenlandia para estudiar la formación de aguas profundas y la circulación del giro. [7] [8] Otras aplicaciones incluyen la medición de las mareas oceánicas, [9] [10] y la estimación de la dinámica de mesoescala del océano mediante la combinación de tomografía, altimetría satelital y datos in situ con modelos dinámicos del océano. [11] Además de las mediciones obtenidas durante una década en el Pacífico Norte, se ha empleado la termometría acústica para medir los cambios de temperatura de las capas superiores de las cuencas del Océano Ártico, [12] que sigue siendo un área de interés activo. [13] La termometría acústica también se ha utilizado recientemente para determinar cambios en las temperaturas oceánicas a escala global utilizando datos de pulsos acústicos enviados de un extremo de la Tierra al otro. [14] [15]
La termometría acústica es una idea para observar las cuencas oceánicas del mundo , y el clima oceánico en particular, utilizando transmisiones acústicas transcuencas . Se ha utilizado "termometría", en lugar de "tomografía", para indicar mediciones a escala de cuenca o a escala global. Se han realizado prototipos de mediciones de temperatura en la cuenca del Pacífico Norte y en toda la cuenca del Ártico . [1]
A partir de 1983, John Spiesberger del Instituto Oceanográfico Woods Hole , y Ted Birdsall y Kurt Metzger de la Universidad de Michigan desarrollaron el uso del sonido para inferir información sobre las temperaturas del océano a gran escala y, en particular, para intentar detectar el calentamiento global. en el océano. Este grupo transmitió sonidos desde Oahu que se grabaron en unos diez receptores estacionados alrededor del borde del Océano Pacífico a distancias de 4.000 km (2.500 millas). [16] [17] Estos experimentos demostraron que los cambios de temperatura se podían medir con una precisión de aproximadamente 20 miligrados. Spiesberger et al. No detectó el calentamiento global. En cambio, descubrieron que otras fluctuaciones climáticas naturales, como El Niño, eran responsables en parte de fluctuaciones sustanciales en la temperatura que pueden haber enmascarado cualquier tendencia más lenta y más pequeña que pudiera haber ocurrido debido al calentamiento global. [18]
El programa de Termometría Acústica del Clima Oceánico (ATOC) se implementó en el Océano Pacífico Norte, con transmisiones acústicas desde 1996 hasta el otoño de 2006. Las mediciones terminaron cuando finalizaron los protocolos ambientales acordados. El despliegue de la fuente acústica durante una década demostró que las observaciones son sostenibles incluso con un presupuesto modesto. Se ha verificado que las transmisiones proporcionan una medición precisa de la temperatura del océano en las trayectorias acústicas, con incertidumbres que son mucho menores que cualquier otro método para medir la temperatura del océano. [19] [20]
Los terremotos repetidos que actúan como fuentes acústicas naturales también se han utilizado en termometría acústica, lo que puede ser particularmente útil para inferir la variabilidad de la temperatura en las profundidades del océano, de las que actualmente los instrumentos in situ no toman muestras de manera adecuada. [21]
El proyecto ATOC se vio envuelto en cuestiones relativas a los efectos de la acústica en los mamíferos marinos (por ejemplo, ballenas , marsopas , leones marinos , etc.). [22] [23] [24] La discusión pública se complicó por cuestiones técnicas de una variedad de disciplinas ( oceanografía física , acústica , biología de los mamíferos marinos, etc.) que dificultan la comprensión de los efectos de la acústica en los mamíferos marinos para los expertos, incluso si solo el público en general. Muchas de las cuestiones relativas a la acústica en el océano y sus efectos sobre los mamíferos marinos eran desconocidas. Finalmente, inicialmente hubo una variedad de conceptos erróneos entre el público, como una confusión entre la definición de niveles sonoros en el aire y los niveles sonoros en el agua. Si un número determinado de decibelios en el agua se interpreta como decibeles en el aire, el nivel de sonido parecerá ser órdenes de magnitud mayor de lo que realmente es; en un momento, los niveles de sonido de ATOC se interpretaron erróneamente como tan fuertes que las señales matarían a 500.000 animales. . [25] [5] La potencia sonora empleada, 250 W, era comparable a la de las ballenas azules o de aleta , [24] aunque esas ballenas vocalizan a frecuencias mucho más bajas. El océano transporta el sonido con tanta eficacia que no es necesario que los sonidos sean tan fuertes para cruzar las cuencas oceánicas. Otros factores en la controversia fueron la extensa historia de activismo en lo que respecta a los mamíferos marinos, derivado del actual conflicto ballenero, y la simpatía que gran parte del público siente hacia los mamíferos marinos. [25]
Como resultado de esta controversia, el programa ATOC llevó a cabo un estudio de 6 millones de dólares sobre los efectos de las transmisiones acústicas en una variedad de mamíferos marinos. La fuente acústica estaba montada en el fondo a aproximadamente media milla de profundidad, por lo que los mamíferos marinos, que están unidos a la superficie, generalmente se encontraban a más de media milla de la fuente. El nivel de la fuente era modesto, menor que el nivel de sonido de las ballenas grandes, y el ciclo de trabajo era del 2% (es decir, el sonido se emite sólo el 2% del día). [26] Después de seis años de estudio, la conclusión oficial y formal de este estudio fue que las transmisiones ATOC "no tienen efectos biológicamente significativos". [24] [27] [28]
Otras actividades acústicas en el océano pueden no ser tan benignas en lo que respecta a los mamíferos marinos. Se han estudiado varios tipos de sonidos producidos por el hombre como amenazas potenciales para los mamíferos marinos, como disparos de armas de aire comprimido para estudios geofísicos [29] o transmisiones de la Marina de los EE. UU. para diversos fines. [30] La amenaza real depende de una variedad de factores más allá de los niveles de ruido: frecuencia del sonido, frecuencia y duración de las transmisiones, la naturaleza de la señal acústica (por ejemplo, un pulso repentino o secuencia codificada), profundidad de la fuente del sonido, direccionalidad. de la fuente sonora, profundidad del agua y topografía local, reverberación, etc.
Las transmisiones tomográficas consisten en señales codificadas largas (por ejemplo, "secuencias m" ) que duran 30 segundos o más. Las frecuencias empleadas oscilan entre 50 y 1000 Hz y las potencias de las fuentes oscilan entre 100 y 250 W, dependiendo de los objetivos particulares de las mediciones. Con una sincronización precisa, como la del GPS , los tiempos de viaje se pueden medir con una precisión nominal de 1 milisegundo. Si bien estas transmisiones son audibles cerca de la fuente, más allá de un alcance de varios kilómetros las señales suelen estar por debajo de los niveles de ruido ambiental, lo que requiere técnicas sofisticadas de procesamiento de señales de espectro extendido para recuperarlas.
