In der Tiefsee in mittleren Breiten tritt die langsamste Schallgeschwindigkeit in einer Tiefe von etwa 800 bis 1000 Metern auf. Dies wird als Schallgeschwindigkeitsminimum bezeichnet. Das Schallgeschwindigkeitsminimum erzeugt einen Schallkanal, in dem Schallwellen lange Strecken zurücklegen können. Der Schall wird im Schallkanal fokussiert, weil die Schallwellen kontinuierlich in den Bereich der niedrigeren Schallgeschwindigkeit gebogen oder gebrochen werden. Schall, der sich mit dem Schallgeschwindigkeitsminimum von einer Quelle nach oben bewegt, wird zum Minimum hin zurückgebogen. In ähnlicher Weise wird Schall, der von der Quelle nach unten wandert, wieder in Richtung des Minimums gebogen.
Die folgende Abbildung besteht aus zwei Teilen. Auf der linken Seite ist ein Diagramm der Schallgeschwindigkeit als Funktion der Tiefe. Das Schallgeschwindigkeitsminimum in einer Tiefe von 1000 Metern wird als tiefer Schallkanal oder historischer als SOFAR-Kanal bezeichnet. SOFAR steht für SOund Fixing And Ranging. Auf der rechten Seite befinden sich die Pfade, denen Schallwellen folgen, wenn sie sich von der Quelle entfernen. Diese Wellen werden kontinuierlich in Richtung des Schallgeschwindigkeitsminimums gebrochen.
Graph zeigt Schallgeschwindigkeit und Weg der Reise durch die Wassersäule. Links ist ein Diagramm der Schallgeschwindigkeit als Funktion der Tiefe zu sehen. Auf der rechten Seite befinden sich die Pfade, denen Schallwellen folgen, wenn sie sich von einer Schallquelle in einer Tiefe von 1000 m auf der Schallkanalachse entfernen. Es werden nur Strahlen angezeigt, die nicht auf die Meeresoberfläche oder den Meeresboden treffen. Angepasst aus Abbildung 2.3 in Munk et al., 1995.
Vertikale Abstände in dieser Abbildung sind im Vergleich zu horizontalen Abständen stark übertrieben. Dies führt dazu, dass die Winkel von der Horizontalen, in der Schallwellen wandern, viel steiler aussehen, als sie wirklich sind. Die in dieser Abbildung gezeigten steilsten Pfade liegen nur etwa 12 ° von der Horizontalen entfernt und sind in Wirklichkeit nahezu horizontal.
Nur bestimmte Schallwellen bleiben im Schallkanal, ohne auf die Meeresoberfläche oder den Meeresboden zu treffen. Schallwellen, die sich in Winkeln von weniger als etwa 12 ° von der Quelle nach oben bewegen, werden zurück zum Schallgeschwindigkeitsminimum gebrochen, bevor sie jemals die Oberfläche erreichen. In ähnlicher Weise werden Schallwellen, die sich von der Quelle in Winkeln von weniger als etwa 12 ° nach unten bewegen, in Richtung des Minimums zurückgebrochen, bevor sie jemals den Meeresboden erreichen. Schallwellen, die in steileren Winkeln von der Quelle nach oben beginnen, werden immer noch gebrochen, aber nicht scharf genug, um ein Auftreffen auf die Meeresoberfläche zu vermeiden. In ähnlicher Weise werden Schallwellen, die in steileren Winkeln von der Quelle nach unten beginnen, nicht scharf genug gebrochen, um ein Auftreffen auf den Meeresboden zu vermeiden.
Schall verliert Energie, wenn er auf die Meeresoberfläche oder den Meeresboden trifft. Immer wenn Schall von der rauen Meeresoberfläche oder dem Meeresboden reflektiert wird, wird etwas Schallenergie gestreut und geht verloren. Eine Schallwelle, die viele Male auf die Meeresoberfläche oder den Meeresboden trifft, ist zu schwach, um erkannt zu werden.
Schall, der nicht auf die Meeresoberfläche oder den Meeresboden trifft, verliert immer noch Energie durch Absorption. Niederfrequente Töne verlieren jedoch sehr wenig Energie durch Absorption. Das Ergebnis ist, dass niederfrequente Geräusche, die nicht mit der Meeresoberfläche oder dem Meeresboden interagieren, nach langen Strecken durch den Ozean erkannt werden können.
Die Absorptionsmenge nimmt mit zunehmender Frequenz des Schalls zu, und höherfrequente Töne sind daher nur in kürzeren Entfernungen nachweisbar. Die Entfernungen, in denen Geräusche erkannt werden können, hängen von der Frequenz, der Lautstärke der Quelle und dem Hintergrundgeräusch ab.
Schallwellen, die sich im Schallkanal bewegen, folgen vielen verschiedenen Pfaden. Wenn sich Schallquelle und Empfänger in der Tiefe des Schallgeschwindigkeitsminimums befinden, das als SOFAR- oder Schallkanalachse bezeichnet wird, bewegen sich Schallwellen fast gerade entlang der Achse und radeln über und unter der Achse, wobei sie fast sowohl die Oberfläche als auch den Boden erreichen.
Sound kanal achse. Links Schallgeschwindigkeitsprofil aus mittleren Breiten. Rechts sind nur die Pfade dargestellt, die der Schall von einer Quelle in 1000 m Tiefe zu einem Empfänger in 1000 m Tiefe, der 210 km von der Quelle entfernt ist, zurücklegt. Vergleichen Sie dieses Bild mit dem Bild oben auf der Seite, in dem alle Pfade angezeigt werden, die ein Ton von einer Tonquelle zurücklegt. Angepasst aus Abbildung 1.1 von Munk et al., 1995.
Obwohl sich Schall in alle Richtungen von einer Schallquelle entfernt, erreicht nur Schall, der sich von einer Quelle auf Pfaden entfernt, die die Quelle in bestimmten Winkeln verlassen, einen Empfänger an einem bestimmten Ort. Die Schallwellen, die sich auf diesen verschiedenen Pfaden bewegen, haben leicht unterschiedliche Reisezeiten. Eine einzige explosive Quelle wird daher als eine Reihe von separaten Ankünfte zu hören, was zu der charakteristischen Signatur eines SOFAR Übertragung Aufbau bis zu seinem Höhepunkt:
bump bump bump bump
Der letzte Schallpuls ist typischerweise der lauteste und kommt von der Schallwelle, die sich fast auf der Schallkanalachse bewegt. Obwohl diese Schallwelle die kürzeste Strecke zurücklegt, bewegt sie sich in dem Bereich nahe dem Schallgeschwindigkeitsminimum, in dem die Schallgeschwindigkeit am niedrigsten ist.
Die Wege, die der Schall für eine Quelle in der Nähe der Meeresoberfläche nimmt, sind ziemlich unterschiedlich. Wenn sich der tiefe Schallkanal bis zur Oberfläche erstreckt, treffen Strahlen, die fast horizontal von der Quelle abweichen, nicht auf die Meeresoberfläche oder den Meeresboden. Geräusche, die sich auf diesen Pfaden bewegen, können aus großer Entfernung erkannt werden, genau wie Geräusche, die sich von einer tiefen Quelle entfernen und nicht mit der Meeresoberfläche oder dem Meeresboden interagieren. Schallpfade von einer oberflächennahen Quelle kommen zusammen oder konvergieren, wodurch Regionen mit höherem Schalldruck in etwa der gleichen Tiefe wie die Quelle alle 50-60 km von ihr entfernt entstehen. Diese Regionen mit höherem Schalldruck werden Konvergenzzonen genannt. Zwischen den Konvergenzzonen befinden sich Bereiche mit niedrigerem Schalldruck, die als Schattenzonen bezeichnet werden.
Auf der linken Seite ist ein Diagramm der Schallgeschwindigkeit als Funktion der Tiefe. Auf der rechten Seite befinden sich die Pfade, denen Schallwellen folgen, wenn sie sich von einer Schallquelle in einer Tiefe von 50 m entfernen. Es werden nur Strahlen angezeigt, die nicht auf die Meeresoberfläche oder den Meeresboden treffen. Die Strahlen kommen in der Nähe der Oberfläche in einer Entfernung von etwa 55 km wieder zusammen und bilden eine Konvergenzzone. Die Strahlen erreichen nicht den oberflächennahen Bereich zwischen der Quelle und der Konvergenzzone und bilden eine Schattenzone.
Weiterführende Links zu DOSITS
- Geschichte des SOFAR-Kanals
- Schallgeschwindigkeitsminimum
- Schallkanalvariabilität