Einführung in die Ozeanographie

Schall ist eine Form von Energie, die durch Druckwellen übertragen wird; Längs – oder Kompressionswellen ähnlich den seismischen P-Wellen, die wir in Abschnitt 3.3 diskutiert haben. Bei Meeresgeräuschen wird die Energie über Wassermoleküle übertragen, die parallel zur Richtung der Schallwelle hin und her vibrieren und die Energie an benachbarte Moleküle weitergeben. Daher bewegt sich der Schall schneller und effizienter, wenn die Moleküle näher beieinander liegen und ihre Energie besser auf benachbarte Teilchen übertragen können., Mit anderen Worten, Schall wandert schneller durch dichtere Materialien. Da Wasser viel dichter als Luft ist, ist die Schallgeschwindigkeit in Wasser (etwa 1500 m/s) etwa fünfmal schneller als die Schallgeschwindigkeit in Luft (etwa 330 m/s). Dies erklärt, warum wir manchmal Schwierigkeiten haben, die Quelle eines Geräusches zu lokalisieren, das wir unter Wasser hören. Wir lokalisieren Schallquellen, wenn unser Gehirn die winzigen Unterschiede in der Ankunftszeit von Geräuschen erkennt, die unsere Ohren erreichen. Ein Geräusch, das von links kommt, erreicht unser linkes Ohr einen Bruchteil einer Sekunde, bevor es unser rechtes Ohr erreicht., Unser Gehirn kann diesen kleinen Unterschied in der Ankunftszeit verarbeiten, um die Richtung zu erkennen, aus der der Schall kam. Im Wasser ist der Klang so viel schneller, dass der Unterschied in der Ankunftszeit zwischen unseren Ohren zu klein wird, um ihn zu interpretieren, und wir verlieren die Fähigkeit, die Quelle zu lokalisieren.

Wie bei Schall in der Luft ist die Schallgeschwindigkeit im Ozean jedoch nicht konstant; Sie wird durch eine Reihe von Variablen beeinflusst, darunter Temperatur, Salzgehalt und Druck, und eine Erhöhung eines dieser Faktoren führt zu einer Erhöhung der Schallgeschwindigkeit., Wir haben gesehen, dass sich diese Variablen mit der Tiefe und dem Ort ändern; So wird sich die Schallgeschwindigkeit in verschiedenen Regionen des Ozeans unterscheiden.

Um zu untersuchen, wie sich die Schallgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Tiefe ändert, müssen wir die vertikalen Profile für Temperatur und Druck berücksichtigen. An der Oberfläche ist der Druck niedrig, aber die Temperatur ist an ihrem höchsten Punkt in der Wassersäule. Die Temperatureffekte dominieren an der Oberfläche, so dass die Schallgeschwindigkeit in Oberflächengewässern schnell ist. Mit zunehmender Tiefe nehmen Temperatur und Schallgeschwindigkeit ab., In der Nähe des Bodens dominiert der extreme Druck, und obwohl die Temperaturen niedrig sind, nimmt die Schallgeschwindigkeit mit der Tiefe zu. In moderaten Tiefen (zwischen einigen hundert und eintausend Metern) gibt es eine Zone, in der sowohl Temperatur als auch Druck relativ niedrig sind, so dass die Schallgeschwindigkeit minimal ist. Diese Zone mit minimaler Geschwindigkeit wird als SOFAR-Kanal (Schallfixierung und-reichweite) oder als Deep-Sound-Kanal bezeichnet (Abbildung 6.4.1).

Der SOFAR-Kanal ist wichtig, da in diesem Bereich erzeugte Geräusche über sehr große Entfernungen mit geringer Dämpfung (Energieverlust) verbreitet werden können. Im Kanal erzeugte Schallwellen strahlen in alle Richtungen aus. Wellen, die außerhalb des Schallkanals in flacheres oder tieferes Wasser gelangen, treten in einen Bereich schnellerer Schallübertragung ein., Wie wir bei seismischen Wellen gesehen haben, neigen die Wellen dazu, gebrochen oder in Richtung des Bereichs niedrigerer Geschwindigkeit gebogen zu werden, wenn diese Schallwellen auf einen Bereich unterschiedlicher Übertragungsgeschwindigkeit treffen. Infolgedessen werden Schallwellen, die sich vom SOFAR-Kanal in flacheres Wasser bewegen, zurück in Richtung des Kanals gebrochen. Wenn die Schallwellen tiefer unter den Kanal gehen, werden sie nach oben, zurück in den Kanal und in den Bereich der langsameren Geschwindigkeit gebrochen., Auf diese Weise wird ein Großteil des Schalls nicht in alle Richtungen ins Wasser abgeleitet, sondern ist im Kanal eingeschlossen und kann sehr lange Strecken mit geringem Energieverlust zurücklegen (Abbildung 6.4.2).

Es gibt mehrere praktische Anwendungen des SOFAR-Kanals., Es wird angenommen, dass Baleen-Wale den SOFAR-Kanal nutzen, um über lange Entfernungen von Hunderten bis Tausenden von Kilometern miteinander zu kommunizieren. Ihre Vokalisierungen sind sehr laut und sind niederfrequente Anrufe, die weiter gehen als hochfrequente Geräusche in den Ozeanen. Das Militär war in der Lage, U-Boote über den SOFAR-Kanal zu verfolgen, und während des Zweiten Weltkriegs wurde es verwendet, um abgestürzte Piloten oder vermisste Schiffe und Flugzeuge zu lokalisieren., Ein gestrandeter Pilot konnte ein kleines Gerät ins Wasser fallen lassen, und sobald es in den SOFAR-Kanal sank, explodierte es und erzeugte ein Geräusch, das an mehreren Hörstationen zu hören war. Unter Verwendung der Ankunftszeit des Tons an den verschiedenen Empfängern konnte der Ort der Quelle durch Triangulation bestimmt werden. In den 1990er Jahren wurde vorgeschlagen, dass der SOFAR-Kanal zur Überwachung der globalen Meerestemperaturen verwendet werden könnte., Es wurde ein Projekt namens ATOC (Acoustic Thermometry of Ocean Climate) vorgeschlagen, bei dem laute, niederfrequente Geräusche, die in der Nähe von Hawaii und Kalifornien erzeugt werden, durch den SOFAR-Kanal zu Empfangsstationen im Pazifik geleitet werden. Durch die Überwachung der Zeit, die die Geräusche brauchten, um die Empfänger zu erreichen, konnten Wissenschaftler Änderungen der Meerestemperaturen auf globaler Ebene überwachen, da sich Geräusche schneller durch einen wärmenden Ozean bewegen würden.

Da sich Schall besser durch Wasser als durch Luft bewegt, ist die Energie, die zur Übertragung einer gegebenen Schallwelle benötigt wird, in der Luft höher als in Wasser., Die Energie oder Intensität (Lautstärke) eines Schalls wird auf der Dezibelskala (dB) gemessen. Es stellt sich heraus, dass es etwa 61-mal mehr Energie benötigt, um einen Schall durch Luft als durch Wasser zu übertragen. Aufgrund dieser Energiedifferenz besteht ein Unterschied von 61 dB zwischen durch Luft und Wasser übertragenen Geräuschen, so dass eine Schallintensität von 120 dB in Wasser einer Intensität von etwa 60 dB in Luft entspricht. Dies sollte beachtet werden, wenn versucht wird, Geräusche im Ozean mit Geräuschen in der Luft zu vergleichen. Ein Geräusch von 130 dB in der Luft entspricht etwa dem Stehen von 100 m von einem Düsentriebwerk beim Start., Ein Geräusch von 130 dB in Wasser entspricht etwa 70 dB in der Luft, was der Intensität des Geräusches eines Staubsaugers entspricht. Es sollte auch darauf hingewiesen werden, dass auf der dB-Skala ein Anstieg von 10 dB bedeutet, dass der Ton 10-mal lauter ist. Mit anderen Worten, 20 dB sind 10 x lauter als 10 dB, während 30 dB 100 x lauter als 10 dB sind.