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Oceanografía sísmica

La oceanografía sísmica es una forma de oceanografía acústica , en la que se utilizan ondas sonoras para estudiar las propiedades físicas y la dinámica del océano . Proporciona ...

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La oceanografía sísmica es una forma de oceanografía acústica , en la que se utilizan ondas sonoras para estudiar las propiedades físicas y la dinámica del océano . Proporciona imágenes de los cambios en la temperatura y la salinidad del agua de mar . A diferencia de la mayoría de los métodos de imágenes acústicas oceanográficas, que utilizan ondas sonoras con frecuencias superiores a 10 000 Hz , la oceanografía sísmica utiliza ondas sonoras con frecuencias inferiores a 500  Hz. El uso de sonido de baja frecuencia significa que la oceanografía sísmica es única en su capacidad para proporcionar imágenes altamente detalladas de la estructura oceanográfica que abarcan distancias horizontales de cientos de kilómetros y que se extienden desde la superficie del mar hasta el lecho marino . Desde su inicio en 2003, [ 1 ] la oceanografía sísmica se ha utilizado para obtener imágenes de una amplia variedad de fenómenos oceanográficos, incluidos frentes , [ 2 ] remolinos , [ 3 ] escaleras termohalinas, [ 4 ] capas turbias [ 5 ] y filtraciones frías de metano . [ 6 ] Además de proporcionar imágenes espectaculares, los datos oceanográficos sísmicos han brindado información cuantitativa sobre procesos como el movimiento de ondas internas [ 7 ] y la mezcla turbulenta del agua de mar. [ 8 ]

Imagen oceanográfica sísmica de ejemplo que muestra un frente oceánico en la confluencia de las Malvinas y Brasil, en el océano Atlántico. Los colores rojo y azul brillantes corresponden a cambios bruscos en la temperatura y/o salinidad oceánicas. La región negra indica la presencia de roca sólida bajo el lecho marino. La imagen tiene una resolución del orden de diez metros en las direcciones horizontal y vertical.

Método

Adquisición de datos

La oceanografía sísmica se basa en el perfilado de reflexión sísmica marina , en el que un barco remolca un equipo especializado para generar sonido submarino. Este equipo se conoce como fuente acústica. El barco también remolca uno o más cables a lo largo de los cuales se disponen cientos de hidrófonos , instrumentos para registrar el sonido submarino. Estos cables, denominados serpentines, tienen  una longitud de entre unos cientos de metros y 10 km. Tanto la fuente acústica como los serpentines se encuentran a pocos metros de la superficie del mar.

La fuente acústica genera ondas sonoras cada pocos segundos liberando aire comprimido o carga eléctrica en el mar. La mayoría de estas ondas sonoras viajan hacia abajo, hacia el lecho marino, y una pequeña fracción del sonido se refleja en los límites donde cambia la temperatura o la salinidad del agua de mar (estos límites se conocen como límites termohalinos). [ 9 ] Los hidrófonos detectan estas ondas sonoras reflejadas. A medida que el barco avanza, las posiciones de la fuente acústica y los hidrófonos cambian con respecto a los límites reflectantes. En un período de 30 minutos o menos, [ 10 ] [ 11 ] múltiples configuraciones diferentes de la fuente acústica y los hidrófonos muestrean el mismo punto en un límite.

Creación de imágenes

Caso idealizado

Los datos sísmicos registran cómo cambia la intensidad del sonido en cada hidrófono con el tiempo. El tiempo en que el sonido reflejado llega a un hidrófono en particular depende de la distancia horizontal entre el hidrófono y la fuente acústica, de la profundidad y la forma del límite reflectante, y de la velocidad del sonido en el agua de mar. La profundidad y la forma del límite, así como la velocidad local del sonido, que puede variar entre aproximadamente 1450 m/s y 1540  m/s, [ 12 ] son ​​inicialmente desconocidas. Al analizar registros de múltiples configuraciones diferentes de fuente acústica e hidrófonos, se puede estimar la velocidad del sonido. Utilizando esta velocidad estimada, se determina la profundidad del límite bajo el supuesto de que el límite es horizontal. Los efectos de la reflexión de límites que no son horizontales se pueden tener en cuenta utilizando métodos conocidos colectivamente como migración sísmica . Después de la migración, se suman diferentes registros que muestrean el mismo punto en un límite para aumentar la relación señal-ruido (este proceso se conoce como apilamiento). La migración y el apilamiento se realizan a cada profundidad y en cada posición horizontal para obtener una imagen sísmica espacialmente precisa.

Complicaciones

La intensidad del sonido registrado por los hidrófonos puede variar debido a causas distintas a la reflexión del sonido en los límites termohalinos. Por ejemplo, la fuente acústica produce ondas sonoras que se propagan horizontalmente a lo largo del cable, en lugar de descender hacia el lecho marino. Además del sonido producido por la fuente acústica, los hidrófonos registran el ruido de fondo causado por procesos naturales como la ruptura de las olas de viento en la superficie del océano. Estos otros sonidos no deseados suelen ser mucho más fuertes que el sonido reflejado en los límites termohalinos. El uso de filtros de procesamiento de señales atenúa los sonidos no deseados y aumenta la relación señal-ruido de las reflexiones en los límites termohalinos.

Análisis

La principal ventaja de la oceanografía sísmica es que proporciona imágenes de alta resolución (hasta 10 m) de la estructura oceánica, que pueden combinarse con información cuantitativa sobre el océano. Estas imágenes permiten identificar la longitud, el ancho y la altura de las estructuras oceánicas en diversas escalas. Si los datos sísmicos son tridimensionales, también se puede analizar la evolución de las estructuras a lo largo del tiempo. [ 13 ] [ 14 ]

Inversión para temperatura y salinidad

Combinados con sus imágenes, los datos sísmicos procesados ​​pueden usarse para extraer otra información cuantitativa sobre el océano. Hasta ahora, la oceanografía sísmica se ha utilizado para extraer distribuciones de temperatura y salinidad, y por lo tanto densidad y otras propiedades importantes. Hay una variedad de enfoques que pueden usarse para extraer esta información. Por ejemplo, Paramo y Holbrook (2005) [ 15 ] extrajeron gradientes de temperatura en el Mar de Noruega usando los métodos de Amplitud versus Desplazamiento . Sin embargo, las distribuciones de propiedades físicas se limitaron a una dimensión. Más recientemente, ha habido un avance hacia la técnica bidimensional. Cord Papenberg et al. (2010) [ 16 ] presentaron distribuciones bidimensionales de temperatura y salinidad de alta resolución. Estos campos se derivaron usando una inversión iterativa que combina datos oceanográficos sísmicos y físicos. Desde entonces, se han presentado inversiones más complejas que se basan en técnicas de inversión de Monte Carlo, [ 17 ] entre otras.

Análisis espectral para tasas de mezcla vertical

Además de las distribuciones de temperatura y salinidad, los datos sísmicos del océano también pueden utilizarse para extraer tasas de mezcla mediante análisis espectral. Este proceso se basa en la suposición de que las reflexiones, que muestran ondulaciones a diversas escalas, siguen el campo de ondas internas. Por lo tanto, el desplazamiento vertical de estas ondulaciones puede proporcionar una medida de las tasas de mezcla vertical del océano. Esta técnica se desarrolló inicialmente utilizando datos del Mar de Noruega y mostró el aumento de la energía de las ondas internas cerca del talud continental. [ 18 ] Desde 2005, las técnicas se han desarrollado, adaptado y automatizado aún más, de modo que cualquier sección sísmica puede convertirse en una distribución bidimensional de tasas de mezcla. [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]

Referencias

  1. ↑ Holbrook, WS; Páramo, P.; Pearse, S; Schmitt, RW (2003). "Estructura fina termohalina en un frente oceanográfico a partir de perfiles de reflexión sísmica". Science . 301 (5634): 821– 824. Bibcode : 2003Sci...301..821H . doi : 10.1126/science.1085116 . ISSN 0036-8075 . PMID 12907798 . S2CID 40525727 .   
  2. ↑ Nakamura, Y.; Noguchi, T.; Tsuji, T.; Itoh, S.; Niino, H.; Matsuoka, T. (2006). "Observaciones simultáneas de reflexión sísmica y oceanografía física de la estructura fina oceánica en el frente de extensión de Kuroshio" . Geophysical Research Letters . 33 (23). Bibcode : 2006GeoRL..3323605N . doi : 10.1029/2006GL027437 . ISSN 0094-8276 . S2CID 129508125 .  
  3. ↑ Pinheiro, Luis Menezes; Song, Haibin; Ruddick, Barry; Dubert, Jesus; Ambar, Isabel; Mustafa, Kamran; Bezerra, Ronaldo (2010). "Imágenes 2D detalladas del flujo de salida del Mediterráneo y los mares mediterráneos frente al oeste de Iberia a partir de datos sísmicos multicanal". Journal of Marine Systems . 79 ( 1–2 ): 89–100 . Bibcode : 2010JMS....79...89P . doi : 10.1016/j.jmarsys.2009.07.004 . ISSN 0924-7963 . 
  4. ↑ Fer, I.; Nandi, P.; Holbrook, WS; Schmitt, RW; Páramo, P. (2010). "Imágenes sísmicas de una escalera termohalina en el Atlántico Norte tropical occidental" . Ocean Science . 6 (3): 621– 631. Bibcode : 2010OcSci...6..621F . doi : 10.5194/os-6-621-2010 . hdl : 1912/3915 . ISSN 1812-0792 . 
  5. ↑ Vsemirnova, EA; Hobbs, RW; Hosegood, P. (2012). "Mapeo de capas de turbidez mediante métodos de oceanografía sísmica" . Ocean Science . 8 (1): 11– 18. Bibcode : 2012OcSci...8...11V . doi : 10.5194/os-8-11-2012 . ISSN 1812-0792 . 
  6. ↑ Jiang-Xin, CHEN; Hai-Bin, SONG; Yong-Xian, GUAN; Sheng-Xiong, YANG; Yang, BAI; Ming-Hui, GENG (2017). "Estudio preliminar de filtraciones frías submarinas mediante técnicas de oceanografía sísmica". Revista China de Geofísica . 60 (1): 117– 129. doi : 10.1002/cjg2.30032 . ISSN 0898-9591 . 
  7. ↑ Tang, Qunshu; Wang, Caixia; Wang, Dongxiao; Pawlowicz, Rich (2014). "Observaciones sísmicas, satelitales y de campo de ondas solitarias internas en el noreste del Mar de China Meridional" . Scientific Reports . 4 (1): 5374. Bibcode : 2014NatSR...4E5374T . doi : 10.1038/srep05374 . ISSN 2045-2322 . PMC 4064323. PMID 24948180 .   
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  19. ↑ Sheen, KL; White, N; Hobbs, R (2009). "Estimación de las tasas de mezcla a partir de imágenes sísmicas de la estructura oceánica". Geophysical Research Letters . 36 (24): 1– 5. Bibcode : 2009GeoRL..36.0D04S . doi : 10.1029/2009GL040106 . S2CID 17387336 . 
  20. ↑ Holbrook, WS; Fer, I; Schmitt, RW; Lizarralde, D; Klymak, JM; Helfrich, LC; Kubichek, R (2013). "Estimación de la disipación de la turbulencia oceánica a partir de imágenes sísmicas" . Journal of Atmospheric and Oceanic Technology . 30 (8): 1767– 1788. Bibcode : 2013JAtOT..30.1767H . doi : 10.1175/JTECH-D-12-00140.1 . hdl : 1912/6229 .
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