Tomografía acústica oceánica

La tomografía acústica oceánica es una técnica utilizada para medir temperaturas y corrientes en grandes regiones del océano . ^{[ 1 ] [ 2 ]} A escala de cuenca oceánica, esta técnica también se conoce como termometría acústica. La técnica se basa en la medición precisa del tiempo que tardan las señales sonoras en viajar entre dos instrumentos, uno como fuente acústica y otro como 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 puede utilizarse para inferir la velocidad del sonido, promediada a lo largo de la trayectoria acústica. Los cambios en la velocidad del sonido se deben principalmente a cambios en la temperatura del océano; por lo tanto, la medición de los tiempos de viaje es equivalente a una medición de la temperatura. Un cambio de 1 °C (1,8 °F) en la temperatura corresponde a un cambio de aproximadamente 4 metros por segundo (13 pies/s) en la velocidad del sonido. Un experimento oceanográfico que emplea tomografía suele utilizar varios pares de emisores-receptores en una red fija 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, luz o 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 oceánica a finales de la década de 1970. Las ventajas del enfoque acústico para medir la temperatura son dos. Primero, se pueden medir grandes áreas del interior del océano mediante teledetección . Segundo, la técnica promedia naturalmente sobre las fluctuaciones de temperatura a pequeña escala (es decir, el ruido) que dominan la variabilidad oceánica.

Desde sus inicios, la idea de observar el océano mediante acústica se combinó con la estimación de su estado utilizando modelos numéricos oceanográficos modernos y técnicas para asimilar datos en dichos modelos. A medida que la técnica de observación ha evolucionado, también lo han hecho los métodos de asimilación de datos y la capacidad de cálculo necesaria para realizar dichos cálculos.

Uno de los aspectos más interesantes de la tomografía es que aprovecha 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 genera múltiples llegadas al receptor, cuyo tiempo de viaje corresponde a una trayectoria de rayo específica. Las primeras llegadas corresponden a los rayos que viajan a mayor profundidad, ya que estos viajan donde la velocidad del sonido es máxima. Las trayectorias de los rayos se calculan fácilmente mediante ordenadores (" trazado de rayos "), y cada trayectoria se puede identificar generalmente con un tiempo de viaje específico. Los múltiples tiempos de viaje miden la velocidad del sonido promediada sobre cada una de las 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 propagación medidos resultan de los efectos acumulados de todas las variaciones de temperatura a lo largo de la trayectoria acústica, por lo que las mediciones con esta técnica son inherentemente promedios. Esta es una propiedad importante y única, ya que las características turbulentas y de ondas internas a pequeña escala, omnipresentes en el océano, suelen dominar las señales en las mediciones en puntos individuales. Por ejemplo, las mediciones con termómetros (es decir, termistores anclados o boyas a la deriva Argo ) deben lidiar con este  ruido de 1-2 °C, por lo que se requiere un gran número 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 en profundidad, ya que las trayectorias de los rayos recorren la columna de agua.

La tomografía recíproca emplea la transmisión simultánea entre dos transceptores acústicos. Un transceptor es un instrumento que incorpora tanto una fuente acústica como un receptor. Las pequeñas 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, eliminando por completo los pequeños efectos de las corrientes oceánicas. Las temperaturas oceánicas se infieren a partir de la suma de los tiempos de viaje recíprocos, mientras que las corrientes se infieren a partir de la diferencia de dichos tiempos. Generalmente, las corrientes oceánicas (típicamente 10 cm/s (3,9 pulg/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 buena aproximación.    

En el océano, pueden producirse cambios de temperatura a gran escala en intervalos de tiempo que van desde minutos ( ondas internas ) hasta décadas ( cambio climático oceánico ). La tomografía se ha utilizado para medir la variabilidad en este amplio rango de escalas temporales y espaciales. De hecho, se ha contemplado la tomografía como una forma de medir el clima oceánico mediante transmisiones a distancias antípodas . ^{[ 3 ]}

La tomografía se ha convertido en un método valioso de observación oceánica, ^{[ 6 ]} explotando las características de la propagación acústica de largo alcance para obtener mediciones sinópticas de la temperatura o corriente oceánica promedio. 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 una matriz tomográfica 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 mediante la combinación de tomografía, altimetría satelital y datos in situ con modelos dinámicos oceánicos. ^{[ 11 ]} Además de las mediciones de una década obtenidas en el Pacífico Norte, la termometría acústica se ha empleado para medir los cambios de temperatura de las capas superiores de las cuencas del Océano Ártico, ^{[ 12 ]} que continúa siendo un área de interés activo. ^{[ 13 ]} La termometría acústica también se ha utilizado recientemente para determinar cambios en las temperaturas oceánicas a escala global utilizando datos de pulsos acústicos enviados de un extremo de la Tierra al otro. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

La termometría acústica es una idea para observar las cuencas oceánicas del mundo , y el clima oceánico en particular, mediante transmisiones acústicas entre cuencas . El término "termometría", en lugar de "tomografía", se ha utilizado para indicar mediciones a escala de cuenca o a escala global. Se han realizado mediciones prototipo de temperatura en la cuenca del Pacífico Norte y en toda la cuenca del Ártico . ^{[ 1 ]}

Starting in 1983, John Spiesberger of the Woods Hole Oceanographic Institution, and Ted Birdsall and Kurt Metzger of the University of Michigan developed the use of sound to infer information about the ocean's large-scale temperatures, and in particular to attempt the detection of global warming in the ocean. This group transmitted sounds from Oahu that were recorded at about ten receivers stationed around the rim of the Pacific Ocean over distances of 4,000 km (2,500 mi).^[16][17] These experiments demonstrated that changes in temperature could be measured with an accuracy of about 20 millidegrees. Spiesberger et al. did not detect global warming. Instead they discovered that other natural climatic fluctuations, such as El Nino, were responsible in part for substantial fluctuations in temperature that may have masked any slower and smaller trends that may have occurred from global warming.^[18]

The Acoustic Thermometry of Ocean Climate (ATOC) program was implemented in the North Pacific Ocean, with acoustic transmissions from 1996 through fall 2006. The measurements terminated when agreed-upon environmental protocols ended. The decade-long deployment of the acoustic source showed that the observations are sustainable on even a modest budget. The transmissions have been verified to provide an accurate measurement of ocean temperature on the acoustic paths, with uncertainties that are far smaller than any other approach to ocean temperature measurement.^[19][20]

Repeating earthquakes acting as naturally occurring acoustic sources have also been used in acoustic thermometry, which may be particularly useful for inferring temperature variability in the deep ocean which is presently poorly sampled by in-situ instruments.^[21]

The ATOC project was embroiled in issues concerning the effects of acoustics on marine mammals (e.g. whales, porpoises, sea lions, etc.).^[22][23][24] Public discussion was complicated by technical issues from a variety of disciplines (physical oceanography, acoustics, marine mammal biology, etc.) that makes understanding the effects of acoustics on marine mammals difficult for the experts, let alone the general public. Many of the issues concerning acoustics in the ocean and their effects on marine mammals were unknown. Finally, there were a variety of public misconceptions initially, such as a confusion of the definition of sound levels in air vs. sound levels in water. If a given number of decibels in water are interpreted as decibels in air, the sound level will seem to be orders of magnitude larger than it really is - at one point the ATOC sound levels were erroneously interpreted as so loud the signals would kill 500,000 animals.^[25][5] The sound power employed, 250 W, was comparable those made by blue or fin whales,^[24] although those whales vocalize at much lower frequencies. The ocean carries sound so efficiently that sounds do not have to be that loud to cross ocean basins. Other factors in the controversy were the extensive history of activism where marine mammals are concerned, stemming from the ongoing whaling conflict, and the sympathy that much of the public feels toward marine mammals.^[25]

As a result of this controversy, the ATOC program conducted a $6 million study of the effects of the acoustic transmissions on a variety of marine mammals. The acoustic source was mounted on the bottom about a half mile deep, hence marine mammals, which are bound to the surface, were generally further than a half mile from the source. The source level was modest, less than the sound level of large whales, and the duty cycle was 2% (i.e., the sound is on only 2% of the day).^[26] After six years of study the official, formal conclusion from this study was that the ATOC transmissions have "no biologically significant effects".^[24][27][28]

Otras actividades acústicas en el océano pueden no ser tan inocuas en lo que respecta a los mamíferos marinos. Se han estudiado varios tipos de sonidos artificiales como posibles amenazas para los mamíferos marinos, como los disparos de cañones de aire comprimido para estudios geofísicos, ^{[ 29 ]} o las transmisiones de la Armada 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 sonora, direccionalidad de la fuente sonora, 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 oscilan entre 50 y 1000  Hz, y la potencia de la fuente entre 100 y 250 W, según los objetivos específicos de las mediciones. Con una sincronización precisa, como la que proporciona el GPS , los tiempos de propagación se pueden medir con una precisión nominal de 1 milisegundo. Si bien estas transmisiones son audibles cerca de la fuente, más allá de un alcance de varios kilómetros las señales suelen estar por debajo del nivel de ruido ambiental, lo que requiere técnicas sofisticadas de procesamiento de señales de espectro ensanchado para recuperarlas.

• Oceanografía acústica
• trazado de rayos
• Canal SOFAR
• SOSUS
• Velocidad del sonido
• Altimetría satelital TOPEX/Poseidon
• acústica subacuática

• BD Dushaw, 2013. «Tomografía acústica oceánica» en Enciclopedia de teledetección, EG Njoku, Ed., Springer, Springer-Verlag Berlín Heidelberg, 2013. ISBN 978-0-387-36698-2.
• W. Munk, P. Worcester y C. Wunsch (1995). Tomografía acústica oceánica . Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 0-521-47095-1.
• PF Worcester, 2001: "Tomografía", en Enciclopedia de Ciencias Oceánicas , J. Steele, S. Thorpe y K. Turekian, Eds., Academic Press Ltd., 2969–2986.

• Caja de herramientas sobre océanos para Matlab, creada por Rich Pawlowicz.
• Laboratorio de Acústica Oceánica (OAL) - Institución Oceanográfica Woods Hole.
• El Laboratorio Acústico del Pacífico Norte (NPAL) - Instituto Scripps de Oceanografía, La Jolla, California.
• Termometría acústica del clima oceánico - Instituto Scripps de Oceanografía, La Jolla, California.
• Discovery of Sound in the Sea - DOSITS es un sitio web educativo dedicado a la acústica en el océano.
• Sonidos de señales acústicas empleadas en tomografía - página web de DOSITS.
• Un día en la vida de un sistema de amarre para tomografía - Universidad de Washington, Seattle, WA.
• Descubriendo los secretos del océano - Academia Nacional de Ciencias.
• El sonido revela los secretos del océano - Sociedad Acústica de América.
• Termometría acústica del clima oceánico/Programa de investigación sobre mamíferos marinos del Laboratorio de Ornitología de la Universidad de Cornell, Programa de investigación en bioacústica