En acústica , los microbaromos , también conocidos como la " voz del mar ", [1] [2] son una clase de ondas infrasónicas atmosféricas generadas en tormentas marinas [3] [4] por una interacción no lineal de las ondas de la superficie del océano con la atmósfera. [5] [6] Por lo general, tienen formas de onda de banda estrecha , casi sinusoidales con amplitudes de hasta unos pocos microbares , [7] [8] y períodos de onda cercanos a los 5 segundos (0,2 hercios ). [9] [10] Debido a la baja absorción atmosférica a estas bajas frecuencias , los microbaromos pueden propagarse miles de kilómetros en la atmósfera y pueden detectarse fácilmente mediante instrumentos ampliamente separados en la superficie de la Tierra. [5] [11]
El descubrimiento de este fenómeno se produjo por casualidad: los aerólogos que trabajaban en estaciones hidrometeorológicas marinas y en embarcaciones llamaron la atención sobre el extraño dolor que experimenta una persona al acercarse a la superficie de una sonda meteorológica estándar (un globo lleno de hidrógeno). Durante una de las expediciones, el meteorólogo jefe V. A. Berezkin demostró este efecto al académico soviético V. V. Shuleikin . Este fenómeno despertó un auténtico interés entre los científicos y para estudiarlo se diseñó un equipo especial que registra vibraciones potentes pero de baja frecuencia que no son audibles para el oído humano.
Como resultado de varias series de experimentos, la esencia física de este fenómeno fue aclarada y en 1935 cuando VV Shuleikin publicó su primer trabajo enteramente dedicado a la naturaleza infrasónica de la “voz del mar”. Los microbaromas fueron descritos por primera vez en Estados Unidos en 1939 por los sismólogos estadounidenses Hugo Benioff y Beno Gutenberg en el Instituto de Tecnología de California en Pasadena , basándose en observaciones de un microbarograma electromagnético , [11] que consiste en una caja de madera con un altavoz de baja frecuencia montado en la parte superior. [12] Notaron su similitud con los microsismos observados en los sismógrafos , [9] y plantearon correctamente la hipótesis de que estas señales eran el resultado de sistemas de baja presión en el Océano Pacífico Nororiental. [11] En 1945, el geocientífico suizo L. Saxer mostró la primera relación de los microbaromas con la altura de las olas en las tormentas oceánicas y las amplitudes de los microbaromas. [9] Siguiendo la teoría de los microsismos de MS Longuet-Higgins, Eric S. Posmentier propuso que las oscilaciones del centro de gravedad del aire sobre la superficie del océano en el que aparecen las ondas estacionarias eran la fuente de los microsismos, explicando la duplicación de la frecuencia de las olas del océano en la frecuencia de microsismos observada. [13] Ahora se entiende que los microsismos se generan por el mismo mecanismo que produce los microsismos secundarios . La primera teoría cuantitativamente correcta de la generación de microsismos se debe a LM Brekhovskikh , quien demostró que es la fuente de los microsismos en el océano la que se acopla a la atmósfera. Esto explica que la mayor parte de la energía acústica se propaga cerca de la dirección horizontal al nivel del mar. [14]
Las ondas gravitacionales aisladas que viajan por la superficie del océano irradian únicamente ondas acústicas evanescentes [7] y no generan microbaromos. [15]
La interacción de dos trenes de ondas superficiales de diferentes frecuencias y direcciones genera grupos de ondas . En el caso de las ondas que se propagan casi en la misma dirección, esto da lugar a los conjuntos habituales de ondas que se propagan a la velocidad de grupo, que es más lenta que la velocidad de fase de las ondas en el agua. En el caso de las ondas oceánicas típicas con un período de alrededor de 10 segundos, esta velocidad de grupo es cercana a los 10 m/s.
En el caso de direcciones de propagación opuestas, los grupos viajan a una velocidad mucho mayor, que ahora es 2π( f 1 + f 2 )/( k 1 − k 2 ), donde k 1 y k 2 son los números de onda de las ondas de agua que interactúan. Para trenes de ondas con una diferencia muy pequeña en frecuencia (y, por lo tanto, en números de onda), este patrón de grupos de ondas puede tener la misma velocidad horizontal que las ondas acústicas, más de 300 m/s, y excitará microbaromos.
En lo que se refiere a las ondas sísmicas y acústicas, el movimiento de las olas oceánicas en aguas profundas es, en orden de magnitud , equivalente a una presión aplicada en la superficie del mar. [16] Esta presión es casi igual a la densidad del agua multiplicada por el cuadrado de la velocidad orbital de las olas . Debido a este cuadrado, no es la amplitud de los trenes de olas individuales lo que importa (líneas roja y negra en las figuras), sino la amplitud de la suma, los grupos de olas (línea azul en las figuras). El movimiento oceánico generado por esta "presión equivalente" se transmite luego a la atmósfera.
Si los grupos de ondas viajan más rápido que la velocidad del sonido, se generan microbaromos, con direcciones de propagación más cercanas a la vertical para los grupos de ondas más rápidos.
Las olas oceánicas reales están compuestas por un número infinito de trenes de ondas de todas las direcciones y frecuencias, lo que da lugar a una amplia gama de ondas acústicas. En la práctica, la transmisión desde el océano a la atmósfera es más fuerte para ángulos de alrededor de 0,5 grados con respecto a la horizontal. Para la propagación casi vertical, la profundidad del agua puede desempeñar un papel amplificador, como ocurre en el caso de los microsismos.
La profundidad del agua sólo es importante para aquellas ondas acústicas que tienen una dirección de propagación dentro de los 12° de la vertical en la superficie del mar [17]
Siempre hay algo de energía propagándose en la dirección opuesta. Sin embargo, su energía puede ser extremadamente baja. La generación significativa de microbaromos solo ocurre cuando hay energía significativa en la misma frecuencia y en direcciones opuestas. Esto es más fuerte cuando las olas de diferentes tormentas interactúan o al abrigo de una tormenta [18] [19] que produce las condiciones requeridas de onda estacionaria , [15] también conocida como clapotis . [20] Cuando la tormenta oceánica es un ciclón tropical , los microbaromos no se producen cerca de la pared del ojo donde las velocidades del viento son mayores, sino que se originan en el borde posterior de la tormenta donde las olas generadas por la tormenta interactúan con las olas del océano ambiental . [21]
Los microbaromos también pueden ser producidos por ondas estacionarias creadas entre dos tormentas, [18] o cuando un oleaje oceánico se refleja en la costa. Las olas con períodos de aproximadamente 10 segundos son abundantes en los océanos abiertos y corresponden al pico espectral infrasónico de 0,2 Hz observado de los microbaromos, porque los microbaromos exhiben frecuencias que duplican las de las olas oceánicas individuales. [18] Los estudios han demostrado que el acoplamiento produce ondas atmosféricas que se propagan solo cuando se consideran términos no lineales . [9]
Los microbaromos son una forma de infrasonido atmosférico persistente de bajo nivel, [22] generalmente entre 0,1 y 0,5 Hz, que se puede detectar como ráfagas de energía coherentes o como una oscilación continua. [11] Cuando se analizan las llegadas de ondas planas desde una fuente de microbaromos a partir de una matriz en fase de microbarogramas muy espaciados, se descubre que el acimut de la fuente apunta hacia el centro de baja presión de la tormenta de origen. [23] Cuando las ondas se reciben en varios sitios distantes de la misma fuente, la triangulación puede confirmar que la fuente está cerca del centro de una tormenta oceánica. [4]
Los microbaromos que se propagan hasta la termosfera inferior pueden ser transportados en una guía de ondas atmosférica [24] , refractados de vuelta hacia la superficie desde altitudes inferiores a 120 km y superiores a 150 km [18] [25] o disipados a altitudes entre 110 y 140 km. [26] También pueden quedar atrapados cerca de la superficie en la troposfera inferior por efectos de la capa límite planetaria y vientos superficiales, o pueden ser canalizados en la estratosfera por vientos de nivel superior y devueltos a la superficie a través de refracción, difracción o dispersión [27] . Estos conductos troposféricos y estratosféricos solo se generan a lo largo de las direcciones dominantes del viento [25] , pueden variar según la hora del día y la estación [27] , y no devolverán los rayos de sonido al suelo cuando los vientos superiores sean ligeros. [18]
El ángulo de incidencia del rayo microbaromático determina cuál de estos modos de propagación experimenta. Los rayos dirigidos verticalmente hacia el cenit se disipan en la termosfera y son una fuente importante de calentamiento en esa capa de la atmósfera superior . [26] En latitudes medias, en condiciones típicas de verano, los rayos entre aproximadamente 30 y 60 grados desde la vertical se reflejan desde altitudes superiores a 125 km, donde las señales de retorno se atenúan fuertemente primero. [28] Los rayos lanzados en ángulos más superficiales pueden reflejarse desde la estratosfera superior a aproximadamente 45 km por encima de la superficie en latitudes medias, [28] o de 60 a 70 km en latitudes bajas. [18]
Los científicos atmosféricos han utilizado estos efectos para la teledetección inversa de la atmósfera superior mediante microbaromos. [24] [29] [30] [31] La medición de la velocidad de traza de la señal de microbaromos reflejada en la superficie proporciona la velocidad de propagación a la altura de reflexión, siempre que sea válida la suposición de que la velocidad del sonido solo varía a lo largo de la vertical, y no sobre la horizontal. [28] Si la temperatura a la altura de reflexión se puede estimar con suficiente precisión, la velocidad del sonido se puede determinar y restar de la velocidad de traza, lo que proporciona la velocidad del viento en niveles superiores. [28] Una ventaja de este método es la capacidad de medir de forma continua: otros métodos que solo pueden tomar mediciones instantáneas pueden tener sus resultados distorsionados por efectos a corto plazo. [8]
Se puede deducir información atmosférica adicional a partir de la amplitud de los microsismos si se conoce la intensidad de la fuente. Los microsismos se producen por energía dirigida hacia arriba transmitida desde la superficie del océano a través de la atmósfera. La energía dirigida hacia abajo se transmite a través del océano hasta el fondo del mar, donde se acopla a la corteza terrestre y se transmite como microsismos con el mismo espectro de frecuencia. [8] Sin embargo, a diferencia de los microsismos, donde los rayos casi verticales no regresan a la superficie, solo los rayos casi verticales en el océano se acoplan al fondo del mar. [27] Al monitorear la amplitud de los microsismos recibidos de la misma fuente utilizando sismógrafos, se puede derivar información sobre la amplitud de la fuente. Debido a que la tierra sólida proporciona un marco de referencia fijo, [32] el tiempo de tránsito de los microsismos desde la fuente es constante, y esto proporciona un control para el tiempo de tránsito variable de los microsismos a través de la atmósfera en movimiento. [8]
Los microbaromos son una fuente importante de ruido que puede interferir potencialmente con la detección de infrasonidos de explosiones nucleares . La detección precisa de explosiones es un objetivo del Sistema Internacional de Vigilancia organizado en virtud del Tratado de Prohibición Completa de los Ensayos Nucleares (que no ha entrado en vigor). [33] Es un problema particular para la detección de pruebas de bajo rendimiento en el rango de un kilotón porque los espectros de frecuencia se superponen. [11]
Se sabe que la radiación acústica que resulta del movimiento de la interfaz aire/agua es un efecto no lineal.
Demostramos que debido al desajuste de velocidad de fase entre las ondas gravitacionales superficiales y las ondas acústicas, una única onda superficial irradia solo ondas acústicas evanescentes.
dos conocidos sismólogos estadounidenses del Instituto Tecnológico de California en Pasadena, Hugo Benioff y Beno Gutenberg, desarrollaron tanto la instrumentación como las aplicaciones para la detección de infrasonidos. La instrumentación primitiva consistía en una caja de madera con un altavoz de baja frecuencia montado en la parte superior.
Es importante señalar que las ondas oceánicas que se desplazan aisladas no emiten radiación acústica. La radiación microbaromática requiere condiciones de onda estacionaria...[ enlace muerto permanente ]
Los microbaromos son ondas infrasónicas generadas por interacciones no lineales de las olas de la superficie del océano que viajan en direcciones casi opuestas con frecuencias similares. Tales interacciones ocurren comúnmente entre olas oceánicas con períodos de aproximadamente 10 segundos, que son abundantes en los océanos abiertos y corresponden al pico espectral infrasónico observado de 0,2 Hz.
En este proceso, se produce la interferencia de ondas dirigidas de forma diferente, lo que forma ondas de agua estacionaria, o las llamadas clapotis.... Para examinar y localizar estas ondas, se propone utilizar sus propiedades inherentes para ejercer ("bombear") una presión variable sobre el fondo del océano, lo que genera vibraciones microsísmicas, y para irradiar infrasonidos a la atmósfera.
Las señales de infrasonido en la banda de microbaro (alrededor de 0,2 Hz) generadas por huracanes a menudo no parecen originarse cerca del ojo donde los vientos son más fuertes. Este artículo sugiere que las condiciones propicias para la generación de microbaro (y microsismo) pueden ocurrir a lo largo de la periferia posterior de la tormenta a través de la interacción del campo de ondas generado por la tormenta con el campo de oleaje ambiental...
...el ruido de fondo generado por las olas del océano, que crean un aluvión constante de pequeñas explosiones atmosféricas llamadas microbaromos.
Cuando realizamos un ajuste de mínimos cuadrados a las llegadas de ondas planas en los datos, encontramos que el acimut aparente de la fuente apunta al centro del centro de baja presión de la tormenta.
(períodos de 3 a 6 s) se pueden utilizar para monitorear las condiciones en la atmósfera superior. ... indicando la propagación a través del conducto termosférico. ...
Los conductos troposféricos y estratosféricos se generan únicamente a lo largo de las direcciones dominantes del viento. La termosfera tendrá con frecuencia dos regiones de giro y, por lo tanto, soportará dos fases distintas.
El infrasonido de 0,2 Hz conocido como microbaromos, generado por las olas oceánicas que interfieren, se propaga hacia la termosfera inferior donde se disipa entre 110 y 140 km.
Las llegadas observadas con una velocidad de fase horizontal aparente baja pueden refractarse en la termosfera o la estratosfera.... La presencia de estos conductos troposféricos y estratosféricos depende de la intensidad y dirección de los vientos, y por lo tanto pueden ser esporádicos o estacionales.
Una resolución mayor que la reproducida aquí muestra que los rayos con ángulos de incidencia <64° no se reflejan por debajo de los 125 km, altura a la que los efectos de disipación atenúan fuertemente la señal (Donn y Rind).
han empleado sonidos de baja frecuencia generados naturalmente (microbaromos) para sondear las capas superiores de la atmósfera de manera inversa.
Por lo tanto, los microbaromas proporcionan un mecanismo natural continuamente disponible para sondear la atmósfera superior.
La corteza terrestre puede considerarse un medio invariable en el tiempo. Al comparar microbaromos y microsismos, esto permite realizar un seguimiento de los canales acústicos.
