Introduzione all’Oceanografia

Il suono è una forma di energia trasmessa attraverso onde di pressione; onde longitudinali o compressive simili alle onde P sismiche di cui abbiamo discusso nella sezione 3.3. Con i suoni oceanici, l’energia viene trasmessa attraverso molecole d’acqua che vibrano avanti e indietro parallelamente alla direzione dell’onda sonora e trasmettono l’energia alle molecole adiacenti. Pertanto, il suono viaggia più velocemente e in modo più efficiente quando le molecole sono più vicine e sono meglio in grado di trasferire la loro energia alle particelle vicine., In altre parole, il suono viaggia più velocemente attraverso materiali più densi. Poiché l’acqua è molto più densa dell’aria, la velocità del suono nell’acqua (circa 1500 m/s) è circa cinque volte più veloce della velocità nell’aria (circa 330 m/s). Questo aiuta a spiegare perché a volte abbiamo difficoltà a localizzare la fonte di un suono che sentiamo sott’acqua. Localizziamo le sorgenti sonore quando il nostro cervello rileva le piccole differenze nel tempo di arrivo dei suoni che raggiungono le nostre orecchie. Un suono proveniente dalla nostra sinistra raggiungerà il nostro orecchio sinistro una frazione di secondo prima di raggiungere il nostro orecchio destro., Il nostro cervello può elaborare quella piccola differenza nel tempo di arrivo per riconoscere la direzione da cui proveniva il suono. In acqua, il suono è molto più veloce che la differenza di tempo di arrivo tra le nostre orecchie diventa troppo piccola per noi da interpretare e perdiamo la capacità di localizzare la fonte.

Tuttavia, come per il suono nell’aria, la velocità del suono nell’oceano non è costante; è influenzata da una serie di variabili tra cui temperatura, salinità e pressione, e un aumento di uno di questi fattori porterà ad un aumento della velocità del suono., Abbiamo visto che queste variabili cambiano con la profondità e la posizione; quindi la velocità del suono differirà nelle diverse regioni dell’oceano.

Per esaminare il modo in cui la velocità del suono cambia in funzione della profondità, dobbiamo considerare i profili verticali per la temperatura e la pressione. In superficie, la pressione è bassa, ma la temperatura è al suo punto più alto nella colonna d’acqua. Gli effetti della temperatura dominano in superficie, quindi la velocità del suono è veloce nelle acque superficiali. All’aumentare della profondità, la temperatura e la velocità del suono diminuiscono., Vicino al fondo, la pressione estrema domina, e anche se le temperature sono basse, la velocità del suono aumenta con la profondità. A profondità moderate (tra poche centinaia e mille metri) c’è una zona in cui sia la temperatura che la pressione sono relativamente basse, quindi la velocità del suono è al minimo. Questa zona di velocità minima è chiamata canale SOFAR (Sound Fixing And Ranging) o Canale Deep Sound (Figura 6.4.1).

Il canale SOFAR è importante perché i suoni prodotti in quella regione possono essere propagati su distanze molto lunghe con poca attenuazione (perdita di energia). Le onde sonore prodotte nel canale si irradiano in tutte le direzioni. Le onde che viaggiano in acque meno profonde o più profonde al di fuori del canale sonoro stanno entrando in una regione di trasmissione del suono più veloce., Come abbiamo visto con le onde sismiche, quando queste onde sonore incontrano una regione di diversa velocità di trasmissione, le onde tendono ad essere rifratte o piegate indietro verso la regione di velocità inferiore. Di conseguenza, le onde sonore che si spostano dal canale SOFAR all’acqua meno profonda verranno rifratte verso il canale. Come le onde sonore andare più in profondità sotto il canale, saranno rifratti verso l’alto, di nuovo nel canale e la regione di velocità più lenta., In questo modo, gran parte del suono non si dissipa nell’acqua in tutte le direzioni, ma viene intrappolato all’interno del canale e può percorrere distanze molto lunghe con poca perdita di energia (Figura 6.4.2).

Esistono diverse applicazioni pratiche del canale SOFAR., Si pensa che le balene fanoni utilizzino il canale SOFAR per comunicare tra loro su lunghe distanze da centinaia a migliaia di chilometri. Le loro vocalizzazioni sono molto forti e sono chiamate a bassa frequenza, che viaggiano più lontano dei suoni ad alta frequenza negli oceani. L’esercito è stato in grado di rintracciare i sottomarini utilizzando il canale SOFAR, e durante la seconda guerra mondiale è stato utilizzato per localizzare piloti abbattuti o navi e aerei mancanti., Un pilota incagliato potrebbe cadere un piccolo dispositivo in acqua, e una volta che affondò nel canale SOFAR sarebbe esplodere, creando un suono che potrebbe essere ascoltato a più stazioni di ascolto. Utilizzando l’ora di arrivo del suono presso i vari ricevitori, la posizione della sorgente potrebbe essere determinata attraverso la triangolazione. Nel 1990 è stato suggerito che il canale SOFAR potrebbe essere utilizzato per monitorare le temperature oceaniche globali., Un progetto noto come ATOC (Acoustic Thermometry of Ocean Climate) è stato proposto in cui i suoni forti e a bassa frequenza prodotti vicino alle Hawaii e alla California avrebbero viaggiato attraverso il canale SOFAR fino alle stazioni di ricezione intorno al Pacifico. Monitorando il tempo impiegato dai suoni per raggiungere i ricevitori, gli scienziati potrebbero monitorare i cambiamenti delle temperature oceaniche su scala globale, poiché i suoni si muoverebbero più velocemente attraverso un oceano riscaldante.

Poiché il suono viaggia meglio attraverso l’acqua rispetto all’aria, l’energia necessaria per trasmettere una data onda sonora è più alta nell’aria che nell’acqua., L’energia, o intensità (loudness) di un suono è misurata sulla scala di decibel (dB). Si scopre che ci vuole circa 61 volte più energia per trasmettere un suono attraverso l’aria che attraverso l’acqua. A causa di questa differenza di energia, c’è una differenza di 61 dB tra i suoni trasmessi attraverso l’aria e l’acqua, tale che un’intensità sonora di 120 dB in acqua sarebbe equivalente a un’intensità di circa 60 dB in aria. Questo dovrebbe essere tenuto a mente quando si cerca di confrontare i suoni nell’oceano con i suoni nell’aria. Un suono di 130 dB in aria è circa equivalente a stare in piedi a 100 m da un motore a reazione al decollo., Un suono di 130 dB in acqua equivale a circa 70 dB in aria, che è l’intensità del suono di un aspirapolvere. Va anche sottolineato che sulla scala dB, un aumento di 10 dB significa che il suono è 10 volte più forte. In altre parole, 20 dB è 10 x più forte di 10 dB, mentre 30 dB è 100 x più forte di 10 dB.