La tomografía acústica oceánica es una técnica utilizada para medir temperaturas y corrientes en grandes regiones del océano . [1] [2] A escala 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 sobre la trayectoria acústica. Los cambios en la velocidad del sonido son causados principalmente por cambios en la temperatura del océano, por lo tanto, la medición de los tiempos de viaje es equivalente a una medición de temperatura. Un cambio de 1 °C (1,8 °F) en la temperatura corresponde a aproximadamente 4 metros por segundo (13 pies/s) de cambio en la velocidad del sonido. Un experimento oceanográfico que emplea tomografía generalmente utiliza varios pares de fuente-receptor en una matriz amarrada 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 manera muy eficiente, particularmente el sonido a bajas frecuencias, es decir, menos de 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 del océano a fines de la década de 1970. Las ventajas del enfoque acústico para medir la temperatura son dobles. Primero, se pueden medir grandes áreas del interior del océano mediante detección remota . Segundo, 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 observar el océano mediante la acústica estuvo unida a la estimación del estado del océano mediante modelos numéricos oceánicos 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 explota 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 rayos particular. Las llegadas más tempranas corresponden a los rayos que viajan a mayor profundidad, ya que estos rayos viajan donde la velocidad del sonido es mayor. Las trayectorias de los rayos se calculan fácilmente utilizando computadoras (" trazado de rayos "), y cada trayectoria de rayo generalmente se puede identificar con un tiempo de viaje particular. Los tiempos de viaje múltiples miden la velocidad del sonido promediada sobre 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 lo tanto la temperatura, a partir de los tiempos de viaje acústicos es un problema inverso .
La tomografía acústica oceánica integra las 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 con esta técnica son inherentemente promediadas. Esta es una propiedad importante y única, ya que las características turbulentas y de ondas internas 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 anclados o flotadores a la deriva Argo ) tienen que lidiar con este ruido de 1-2 °C, por lo que se requiere una gran cantidad de instrumentos para obtener una medición precisa de la temperatura promedio. Por lo tanto, para medir la temperatura promedio de las cuencas oceánicas, la medición acústica es bastante rentable. Las mediciones tomográficas también promedian la variabilidad a lo largo de la profundidad, ya que las trayectorias de los rayos se repiten en toda la columna de agua.
La "tomografía recíproca" emplea las transmisiones simultáneas entre dos transceptores acústicos. Un "transceptor" es un instrumento que incorpora una fuente acústica y 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, con los pequeños efectos de las corrientes oceánicas completamente eliminados. Las temperaturas oceánicas se infieren de la suma de los tiempos de viaje recíprocos, mientras que las corrientes se infieren de la diferencia de los tiempos de viaje recíprocos. Generalmente, las corrientes oceánicas (típicamente 10 cm/s [3,9 in/s]) tienen un efecto mucho menor en los tiempos de viaje que las variaciones de la velocidad del sonido (típicamente 5 m/s [16 ft/s]), por lo que la tomografía "unidireccional" mide la temperatura con una buena aproximación.
En el océano, pueden producirse cambios de temperatura a gran escala en intervalos de tiempo que van desde minutos ( olas internas ) hasta décadas ( cambio climático oceánico ). La tomografía se ha empleado para medir la variabilidad en este amplio rango de escalas temporales y en un amplio rango de escalas espaciales. De hecho, la tomografía se ha contemplado como una medida del clima oceánico utilizando transmisiones a distancias antípodas . [3]
La tomografía se ha convertido en un método valioso de observación oceánica, [6] explotando las características de 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 oceánica ocurrió en 1988-9. Una colaboración entre grupos de la Institución Scripps de Oceanografía y la Institución Oceanográfica 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 mareas oceánicas, [9] [10] y la estimación de la dinámica de mesoescala oceánica combinando tomografía, altimetría satelital y datos in situ con modelos dinámicos oceánicos. [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] Recientemente también se ha utilizado la termometría acústica para determinar los cambios en las temperaturas oceánicas a escala global utilizando datos de pulsos acústicos enviados de un extremo a otro de la Tierra. [14] [15]
La termometría acústica es una idea que permite observar las cuencas oceánicas del mundo , y en particular el clima oceánico, mediante transmisiones acústicas transcuencales . Se ha utilizado el término "termometría", en lugar de "tomografía", para indicar mediciones a escala de cuenca o escala global. Se han realizado mediciones prototipo de temperatura en la cuenca del Pacífico Norte y en toda la cuenca del Ártico . [1]
En 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 a gran escala del océano y, en particular, para intentar detectar el calentamiento global en el océano. Este grupo transmitió sonidos desde Oahu que se registraron en unos diez receptores estacionados alrededor del borde del océano Pacífico a distancias de 4000 km (2500 mi). [16] [17] Estos experimentos demostraron que los cambios de temperatura se podían medir con una precisión de unos 20 miligrados. Spiesberger et al. no detectaron 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 haberse producido a causa del 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 se interrumpieron cuando expiraron 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 brindan una medición precisa de la temperatura del océano en las trayectorias acústicas, con incertidumbres que son mucho menores que con cualquier otro método de medición de la temperatura del océano. [19] [20]
Los terremotos repetitivos que actúan como fuentes acústicas naturales también se han utilizado en la termometría acústica, lo que puede ser particularmente útil para inferir la variabilidad de la temperatura en las profundidades del océano, que actualmente están escasamente muestreadas por instrumentos in situ. [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] El debate público se complicó por cuestiones técnicas de diversas 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, y mucho menos para el público en general. Muchas de las cuestiones relativas a la acústica en el océano y sus efectos en los mamíferos marinos eran desconocidas. Finalmente, inicialmente hubo una variedad de conceptos erróneos públicos, como una confusión de la definición de niveles de sonido en el aire frente a niveles de sonido en el agua. Si un número determinado de decibeles en el agua se interpretan como decibeles en el aire, el nivel de sonido parecerá ser órdenes de magnitud mayor de lo que realmente es; en un momento dado, 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 estas ballenas vocalizan a frecuencias mucho más bajas. El océano transporta el sonido de manera tan eficiente que no es necesario que los sonidos sean tan fuertes para atravesar las cuencas oceánicas. Otros factores que influyeron en la controversia fueron la extensa historia de activismo en relación con los mamíferos marinos, derivada del conflicto ballenero en curso, y la simpatía que gran parte del público siente por los mamíferos marinos. [25]
Como resultado de esta controversia, el programa ATOC realizó un estudio de 6 millones de dólares sobre los efectos de las transmisiones acústicas en una variedad de mamíferos marinos. La fuente acústica se montó en el fondo a aproximadamente media milla de profundidad, por lo que los mamíferos marinos, que están ligados a la superficie, generalmente estaban a más de media milla de la fuente. El nivel de la fuente era modesto, menor que el nivel de sonido de las grandes ballenas, y el ciclo de trabajo era del 2% (es decir, el sonido está activo solo el 2% del día). [26] Después de seis años de estudio, la conclusión oficial y formal de este estudio fue que las transmisiones de 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 creados por el hombre como amenazas potenciales para los mamíferos marinos, como los disparos de armas de aire comprimido para estudios geofísicos [29] o las 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 una secuencia codificada), profundidad de la fuente de sonido, direccionalidad de la fuente de sonido, 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 varían de 50 a 1000 Hz y las potencias de las fuentes varían de 100 a 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 rango de varios kilómetros las señales generalmente están por debajo de los niveles de ruido ambiental, lo que requiere sofisticadas técnicas de procesamiento de señales de espectro amplio para recuperarlas.
