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Canal SOFAR

Velocidad del sonido submarino en función de la profundidad. Datos derivados de lecturas tomadas al norte de Hawái en el océano Pacífico y extraídos del Atlas Mundial de los Océanos , edición de 2005. Nótese el eje del canal SOFAR a unos  750  m de profundidad, donde la velocidad del sonido se muestra en su nivel más bajo.

El canal SOFAR (abreviatura de sound fixed and measuring channel ), o canal de sonido profundo ( DSC ), [1] es una capa horizontal de agua en el océano a cuya profundidad la velocidad del sonido es mínima. El canal SOFAR actúa como una guía de ondas para el sonido, y las ondas sonoras de baja frecuencia dentro del canal pueden viajar miles de millas antes de disiparse. Un ejemplo fue la recepción de señales codificadas generadas por el buque de vigilancia oceánica fletado por la Marina de los EE. UU. Cory Chouest frente a la isla Heard , ubicada en el sur del océano Índico (entre África, Australia y la Antártida), por 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 independientemente 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 Subacuático , con un segundo barco detonando cargas explosivas hasta 900 millas náuticas (1000 millas; 1700 km) de distancia. [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, en particular el sonido a frecuencias bajas, 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 áreas de temperaturas más altas (por ejemplo, cerca de la superficie del océano), hay una mayor velocidad del sonido. 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 las trayectorias de los rayos pierden energía con las reflexiones de la superficie o del fondo. En el canal SOFAR, las frecuencias bajas, en particular, se refractan de nuevo en el conducto, de modo que la pérdida de energía es pequeña y el sonido viaja miles de millas. [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 a una distancia intermedia de 9200 km (5700 mi; 5000 nmi) de la fuente encontró relaciones señal-ruido "sorprendentemente altas" , que van desde 19 a 30 dB, con una estabilidad de fase inesperada y una variabilidad de amplitud después de un tiempo de viaje de aproximadamente 1 hora, 44 minutos y 17 segundos. [3]

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

Dentro del conducto, las ondas sonoras trazan un camino que oscila a través 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 una trayectoria de llegada casi axial a veces se denomina el final SOFAR y los anteriores, la sinfonía 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. Donde el fondo se encuentra por encima de la profundidad crítica, el sonido se atenúa, al igual que cualquier trayectoria de rayos que intersecte la superficie o el fondo. [16] [17] [18] [nota 4]

Perfil batimétrico con profundidad del eje del canal SOFAR, Isla Heard a Isla Ascensión.

El eje del canal varía más con su ubicación, alcanzando la superficie y desapareciendo en latitudes altas (por encima de aproximadamente 60°N o por debajo de 60°S), pero luego el sonido viaja en un conducto superficial. Un informe de 1980 del Naval Ocean Systems Center brinda ejemplos en un estudio de una trayectoria acústica de gran círculo entre Perth, Australia y Bermudas con datos en ocho ubicaciones a lo largo de la trayectoria. Tanto en Perth como en Bermudas, el eje del canal de sonido se produce a una profundidad de alrededor de 1200 m (3937 pies). Donde la trayectoria se encuentra con la Convergencia Antártica a 52º sur, no hay un canal de sonido profundo sino un conducto superficial de 30 m (98 pies) de profundidad y un canal de sonido poco profundo a 200 m (656 pies). A medida que la trayectoria gira hacia el norte, una estación a 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 derribados. La diferencia en los tiempos de llegada de la fuente a una ubicación desconocida y a ubicaciones conocidas permitió el cálculo de la ubicación general de la fuente. [10] Los tiempos de llegada forman líneas hiperbólicas de posición similares a LORAN . La inversa, la detección de señales cronometradas desde posiciones costeras conocidas en un punto desconocido, permitió el cálculo de la posición en ese punto. Esa técnica recibió 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 dependían de estaciones fijas en la costa, a menudo denominadas estaciones SOFAR. Varias se convirtieron en instalaciones de investigación acústica, como lo hizo la estación SOFAR de Bermudas, que participó en el experimento de Perth a Bermudas. [19] [20] Los registros de la estación de Bermudas los mantiene el Instituto Oceanográfico Woods Hole (WHOI). [23] En el pasado reciente, las fuentes SOFAR se desplegaron para fines especiales en la aplicación RAFOS. Uno de esos sistemas desplegó fuentes amarradas al fondo frente al cabo Hatteras , frente a Bermudas y una en un monte submarino para enviar tres señales sincronizadas con precisión al día para proporcionar una precisión de aproximadamente cinco kilómetros (3,1 mi; 2,7 nmi). [24]

La primera aplicación se convirtió rápidamente en objeto de intenso interés para la Armada por razones distintas a la localización de tripulaciones aéreas derribadas. Una decisión de la Armada 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 Armada. La recomendación incluía que se gastaran 10 millones de dólares al año en investigación y desarrollo del sistema. En 1951, un conjunto de pruebas había demostrado el concepto y en 1952 se encargaron estaciones adicionales para el Atlántico. La primera explotación importante del canal SOFAR fue para la vigilancia oceánica en un programa clasificado que dio lugar al Sistema de Vigilancia del Sonido (SOSUS). Ese sistema permaneció clasificado desde el principio hasta que los sistemas fijos se ampliaron con conjuntos móviles para convertirse en el Sistema Integrado de Vigilancia Submarina, cuya misión y naturaleza se desclasificaron en 1991. [7] [25] [nota 5]

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

Otras aplicaciones

En la naturaleza

En el canal es habitual escuchar misteriosos sonidos de baja frecuencia , atribuidos a las ballenas de aleta ( Balaenoptera physalus ). Los científicos creen que las ballenas de aleta pueden sumergirse hasta 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 al pie

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

Véase también

Referencias

  1. ^ Suplemento de la Armada al Diccionario de Términos Militares y Asociados del Departamento de Defensa (PDF) . Departamento de la Armada . Junio ​​de 2012. Archivado (PDF) del original el 15 de abril de 2021 . Consultado el 23 de octubre de 2021 .
  2. ^ Munk, Walter H.; Spindel, Robert C.; Baggeroer, Arthur; Birdsall, Theodore G. (20 de mayo de 1994). "La prueba de viabilidad de la Isla Heard" (PDF) . Revista de la Sociedad Acústica de América . 96 (4). Sociedad Acústica de América: 2330–2342. Código Bibliográfico :1994ASAJ...96.2330M. doi :10.1121/1.410105 . Consultado el 26 de septiembre de 2020 .
  3. ^ ab Palmer, DR; Georges, TM; Wilson, JJ; Weiner, LD; Paisley, JA; et al. (octubre de 1994) [24 de marzo de 1992]. "Recepción en Ascension de las transmisiones de la prueba de viabilidad de la isla Heard". Revista de la Sociedad Acústica de América . 96 (4): 2432–2440. doi :10.1121/1.411317. Archivado desde el original el 19 de abril de 2018.
  4. ^ Military Sealift Command (2008). «MSC 2008 en revisión: buques de vigilancia oceánica». Military Sealift Command. Archivado desde el original el 10 de febrero de 2018. Consultado el 28 de septiembre de 2020 .
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  6. ^ De Geer, Lars-Erik; Wright, Christopher (22 de septiembre de 2019). «From Sheep to Sound Waves, the Data Confirms a Nuclear Test» (De las ovejas a las ondas sonoras: los datos confirman una prueba nuclear). Foreign Policy . Washington, DC: FP Group, Graham Holdings Company . Consultado el 23 de septiembre de 2020 .
  7. ^ ab "Historia del Sistema Integrado de Vigilancia Submarina (IUSS) 1950 - 2010". Asociación de Antiguos Alumnos IUSS/CAESAR . Consultado el 25 de septiembre de 2020 .
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