Canal SOFAR

El canal SOFAR (acrónimo de canal de localización y posicionamiento por sonido ), o canal de sonido profundo ( DSC ), ^{[ 1 ]} es una capa horizontal de agua en el océano a la cual la velocidad del sonido es mínima. El canal SOFAR actúa como una guía de ondas para el sonido, y las ondas sonoras de baja frecuencia dentro del canal pueden viajar miles de millas antes de disiparse. Un ejemplo fue la recepción de señales codificadas generadas por el buque de vigilancia oceánica Cory Chouest, fletado por la Armada de los Estados Unidos, frente a la isla Heard , ubicada en el sur del océano Índico (entre África, Australia y la Antártida), por hidrófonos en partes de las cinco principales cuencas oceánicas y tan distantes como el Atlántico Norte y el Pacífico Norte . ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ nota 1 ]}

Este fenómeno es un factor importante en la vigilancia oceánica. ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]} El canal de sonido profundo fue descubierto y descrito independientemente por Maurice Ewing y J. Lamar Worzel en la Universidad de Columbia y Leonid Brekhovskikh en el Instituto de Física Lebedev en la década de 1940. ^{[ 8 ] [ 9 ]} En pruebas del concepto en 1944, Ewing y Worzel colgaron un hidrófono del Saluda , un velero asignado al Laboratorio de Sonido Submarino , mientras que un segundo barco detonaba cargas explosivas a una distancia de hasta 900 millas náuticas (1000 millas; 1700 km) . ^{[ 10 ] [ 11 ]}   

La temperatura es el factor dominante que determina la velocidad del sonido en el océano. En zonas de temperaturas más elevadas (por ejemplo, cerca de la superficie oceánica), la velocidad del sonido es mayor. La temperatura disminuye con la profundidad, y la velocidad del sonido disminuye en consecuencia hasta que la temperatura se estabiliza y la presión se convierte en el factor dominante. El eje del canal SOFAR se sitúa en el punto de velocidad mínima del sonido, a una profundidad donde la presión comienza a predominar sobre la temperatura y la velocidad del sonido aumenta. Este punto se encuentra en la parte inferior de la termoclina y en la parte superior de la capa isotérmica profunda, por lo que presenta cierta variación estacional. Existen otros conductos acústicos, sobre todo en la capa mixta superior , pero las trayectorias de los rayos pierden energía debido a las reflexiones en la superficie o en el fondo. En el canal SOFAR, las bajas frecuencias, en particular, se refractan de vuelta al conducto, de modo que la pérdida de energía es mínima y el sonido viaja miles de kilómetros. ^{[ 9 ] [ 12 ] [ 13 ]} El análisis de los datos de la prueba de viabilidad de Heard Island recibidos por los hidrófonos del Sistema de localización de impacto de misiles de la Isla Ascensión a un rango intermedio de 9200 km (5700 mi; 5000 nmi) de la fuente encontró relaciones señal-ruido "sorprendentemente altas" , que oscilan entre 19 y 30 dB, con una estabilidad de fase y una variabilidad de amplitud inesperadas después de un tiempo de viaje de aproximadamente 1 hora, 44 minutos y 17 segundos. ^{[ 3 ]}    

Dentro del conducto, las ondas sonoras trazan una trayectoria que oscila a través del eje del canal SOFAR, de modo que una sola señal tendrá múltiples tiempos de llegada con una firma de múltiples pulsos que culminan en un final bien definido. ^{[ 10 ] [ nota 2 ]} Ese final bien definido, que representa una trayectoria de llegada casi axial, a veces se denomina final SOFAR y los anteriores, sinfonía SOFAR. ^{[ 14 ] [ 15 ]} Estos efectos se deben al canal de sonido más grande en el que las trayectorias de los rayos están contenidas entre la superficie y la profundidad crítica. ^{[ nota 3 ]} La profundidad crítica es el punto por debajo del eje de velocidad mínima del sonido donde la velocidad del sonido aumenta hasta igualar la velocidad máxima por encima del eje. Donde el fondo se encuentra por encima de la profundidad crítica, el sonido se atenúa, al igual que cualquier trayectoria de rayo que interseque la superficie o el fondo. ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ nota 4 ]}

El eje del canal varía principalmente con su ubicación, alcanzando la superficie y desapareciendo en latitudes altas (por encima de los 60°N o por debajo de los 60°S), pero el sonido luego viaja en un conducto superficial. Un informe de 1980 del Centro de Sistemas Oceánicos Navales proporciona ejemplos en un estudio de una trayectoria acústica de círculo máximo entre Perth, Australia y Bermudas con datos en ocho ubicaciones a lo largo de la trayectoria. Tanto en Perth como en Bermudas, el eje del canal de sonido se encuentra a una profundidad de alrededor de 1200 m (3937 pies) . Donde la trayectoria se encuentra con la Convergencia Antártica a 52° sur, no hay un canal de sonido profundo, sino un conducto superficial de 30 m (98 pies) de profundidad y un canal de sonido poco profundo a 200 m (656 pies) . A medida que la trayectoria gira hacia el norte, una estación a 43° sur, 16° este mostró que el perfil volvía al tipo SOFAR a 800 m (2625 pies) . ^{[ 19 ] [ 20 ]}        

La primera aplicación práctica comenzó a desarrollarse durante la Segunda Guerra Mundial , cuando la Armada de los Estados Unidos comenzó a experimentar e implementar la capacidad de localizar la explosión de una bomba SOFAR utilizada como señal de socorro por pilotos derribados. La diferencia en los tiempos de llegada de la fuente a una ubicación desconocida y ubicaciones conocidas permitió calcular la ubicación general de la fuente. ^{[ 10 ]} Los tiempos de llegada forman líneas de posición hiperbólicas similares a LORAN . El proceso inverso, la detección de señales temporizadas desde posiciones costeras conocidas en un punto desconocido, permitió calcular la posición en ese punto. Esa técnica recibió el nombre de SOFAR al revés: RAFOS. RAFOS se define en la edición de 1962 de The American Practical Navigator entre los sistemas de navegación hiperbólica. ^{[ 10 ] [ 21 ] [ 22 ]}

Las primeras aplicaciones se basaron en estaciones costeras fijas, a menudo denominadas estaciones SOFAR. En 1947 se inició un sistema operativo en el Pacífico oriental con estaciones planificadas en Monterey y Point Arena, California, y una en Kaneohe , Hawái. En California, se instalaron tres hidrófonos en el cañón de Monterey a 350 brazas (2100 pies; 640 m) y se conectaron a la instalación costera ya construida mediante 14 millas náuticas (16 millas; 26 km) de cable. Se instaló otro hidrófono a 400 brazas (2400 pies; 732 m) conectado a la costa mediante 14 millas náuticas (16 millas; 26 km) de cable. El plan para Monterey contemplaba un total de siete hidrófonos, pero las pruebas demostraron que los efectos de las paredes del cañón interferían con la precisión de la sincronización, por lo que fue necesario reubicarlos. Dicha estación se trasladó a Point Sur y los trabajos continuaron en 1948. ^{[ 23 ]}          

El 18 de septiembre de 1952, las dos estaciones de California, pero no la de Kaneohe, registraron señales intensas e inusuales. El hecho de que Kaneohe no captara la señal indicaba que la fuente se encontraba al oeste de los 180º de longitud y que la línea de posición de las estaciones de California pasaba al sur de Tokio. Este evento acústico estaba siendo investigado cuando la noticia de la erupción del Myōjin-shō en los mares al sur de Japón resolvió el misterio. El buque Kaiyo Maru n.º 5 de la Agencia Japonesa de Seguridad Marítima había dejado de emitir tras una transmisión, destruido en la erupción. Un análisis posterior de las grabaciones del SOFAR se correlacionó con las fases de dicha erupción, incluyendo el período de calma con la erupción repentina en el momento en que el buque desapareció. Este evento fue el primero en correlacionarse un evento volcánico con las grabaciones del SOFAR. Otros sismos se correlacionaron en el mismo período, lo que llevó a considerar el SOFAR como un sistema de detección sísmica. ^{[ 24 ]}

Varias de las estaciones se convirtieron en instalaciones de investigación acústica, al igual que la Estación SOFAR de Bermuda, que participó en el experimento de Perth a Bermuda. ^{[ 19 ] [ 20 ]} Los registros de la estación de Bermuda son mantenidos por el Instituto Oceanográfico Woods Hole (WHOI). ^{[ 25 ]} En el pasado reciente, se desplegaron fuentes SOFAR para propósitos especiales en la aplicación RAFOS. Uno de estos sistemas desplegó fuentes ancladas al fondo marino frente al cabo Hatteras , frente a Bermuda y una en un monte submarino para enviar tres señales diarias con una sincronización precisa, proporcionando una precisión de aproximadamente cinco kilómetros (3,1 millas; 2,7 millas náuticas) . ^{[ 26 ]}  

La primera aplicación rápidamente despertó un gran interés en la Armada por razones distintas a la localización de tripulaciones aéreas derribadas. Una decisión de la Armada en 1949 condujo a estudios en 1950 que recomendaban explotar el potencial del sonar pasivo del canal SOFAR para el programa de guerra antisubmarina (ASW) de la Armada. La recomendación incluía una inversión de 10 millones de dólares anuales en investigación y desarrollo del sistema. En 1951, un conjunto de prueba demostró la viabilidad del concepto y en 1952 se encargaron estaciones adicionales para el Atlántico. La primera gran explotación del canal SOFAR fue para la vigilancia oceánica en un programa clasificado que dio lugar al Sistema de Vigilancia Acústica (SOSUS). Este sistema permaneció clasificado desde su concepción hasta que los sistemas fijos se complementaron con conjuntos móviles para convertirse en el Sistema Integrado de Vigilancia Submarina, cuya misión y naturaleza se desclasificaron en 1991. ^{[ 7 ] [ 27 ] [ nota 5 ]}

El monitoreo sísmico mediante el uso de SOSUS, tras la concesión de acceso civil limitado al Laboratorio Ambiental Marino del Pacífico (PMEL) de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica en 1991, reveló diez veces más sismos marinos con una mejor localización que con sensores terrestres. La detección de SOSUS podía detectar sismos de magnitud dos en lugar de magnitud cuatro. El sistema detectó la expansión del fondo marino y eventos magmáticos en la Dorsal de Juan de Fuca a tiempo para que los buques de investigación pudieran investigarlos. Como resultado de este éxito, el PMEL desarrolló sus propios hidrófonos para su despliegue mundial, suspendidos en el canal SOFAR mediante un sistema de flotador y ancla. ^{[ 28 ]}

En el canal se escuchan con frecuencia misteriosos sonidos de baja frecuencia , atribuidos a las ballenas de aleta ( Balaenoptera physalus ). Los científicos creen que estas ballenas podrían sumergirse hasta el canal y cantar para comunicarse con otras ballenas de aleta que se encuentran a muchos kilómetros de distancia. ^{[ 30 ]}

La novela La caza del Octubre Rojo describe el uso del canal SOFAR en la detección de submarinos.

• Batitermógrafo
• Flotador RAFOS
• Bomba Sofar
• Sistema de Vigilancia Acústica (SOSUS)
• acústica subacuática

• El SOFAR o canal de sonido profundo , de la NOAA
• ¿Cómo se utiliza el sonido para estudiar los terremotos submarinos? (Grabación del terremoto de Honshu, Japón, del 11 de marzo de 2011, registrada con un hidrófono situado cerca de las Islas Aleutianas).
• Un oleoducto de sonido , de la Academia Nacional de Ciencias
• SOSUS, el "arma secreta" de la vigilancia submarina, por Edward C. Whitman. Guerra submarina.
• Richard Muller, UC Berkeley – conferencia sobre ondas, SOFAR y el incidente OVNI de Roswell
• "SOFAR" en Electron , junio de 1950, (páginas 2-5), Departamento de la Marina, Oficina de Buques (Breve análisis técnico del SOFAR y del equipo de la estación).