En el océano profundo en latitudes medias, la velocidad de sonido más lenta se produce a una profundidad de aproximadamente 800 a 1000 metros. Esto se llama la velocidad mínima del sonido. La velocidad mínima del sonido crea un canal de sonido en el que las ondas sonoras pueden viajar largas distancias. El sonido se enfoca en el canal de sonido porque las ondas sonoras se doblan o refractan continuamente hacia la región de menor velocidad de sonido. El sonido que viaja hacia arriba desde una fuente a la velocidad mínima del sonido se dobla hacia atrás hacia el mínimo. Del mismo modo, el sonido que viaja hacia abajo desde la fuente se dobla hacia arriba hacia el mínimo.
La siguiente figura tiene dos partes. A la izquierda hay una gráfica de la velocidad del sonido en función de la profundidad. La velocidad de sonido mínima a una profundidad de 1000 metros se denomina canal de sonido profundo o, más históricamente, canal SOFAR. SOFAR significa Fijación de sonido y rango. A la derecha se encuentran los caminos seguidos por las ondas sonoras a medida que se alejan de la fuente. Estas ondas se refractan continuamente hacia la velocidad mínima del sonido.
Gráfico que muestra la velocidad del sonido y la trayectoria de desplazamiento a través de la columna de agua. A la izquierda hay una gráfica de la velocidad del sonido en función de la profundidad. A la derecha se encuentran los caminos seguidos por las ondas sonoras a medida que se alejan de una fuente de sonido ubicada a una profundidad de 1000 m, en el eje del canal de sonido. Solo se muestran los rayos que no golpean la superficie del océano o el fondo marino. Adaptado de la Figura 2.3 en Munk et al., 1995.
Las distancias verticales en esta figura son muy exageradas en comparación con las distancias horizontales. Esto hace que los ángulos desde la horizontal a la que viajan las ondas sonoras se vean mucho más pronunciados de lo que realmente son. Los caminos más empinados que se muestran en esta figura están a solo unos 12° de la horizontal y en realidad son casi horizontales.
Solo ciertas ondas sonoras permanecen en el canal de sonido sin golpear la superficie del océano o el fondo marino. Las ondas sonoras que viajan hacia arriba desde la fuente en ángulos de menos de aproximadamente 12° se refractan hacia la velocidad mínima del sonido antes de llegar a la superficie. De manera similar, las ondas sonoras que viajan hacia abajo desde la fuente en ángulos de menos de aproximadamente 12° se refractarán hacia el mínimo antes de llegar al fondo marino. Las ondas sonoras que comienzan hacia arriba desde la fuente en ángulos más pronunciados todavía se refractan, pero no lo suficientemente pronunciadas como para evitar golpear la superficie del océano. Del mismo modo, las ondas sonoras que comienzan hacia abajo desde la fuente en ángulos más pronunciados no se refractarán lo suficientemente bruscamente como para evitar golpear el fondo marino.
El sonido pierde energía cada vez que golpea la superficie del océano o el fondo marino. Siempre que el sonido se refleja en la superficie áspera del océano o en el fondo marino, se dispersa y se pierde algo de energía sonora. Una onda de sonido que golpea la superficie del océano o el fondo marino muchas veces será demasiado débil para ser detectada.
El sonido que no golpea la superficie del océano o el fondo marino aún perderá energía por absorción. Sin embargo, los sonidos de baja frecuencia pierden muy poca energía por absorción. El resultado es que los sonidos de baja frecuencia que no interactúan con la superficie del océano o el fondo marino se pueden detectar después de viajar largas distancias a través del océano.
La cantidad de absorción aumenta a medida que aumenta la frecuencia del sonido, por lo que los sonidos de mayor frecuencia solo son detectables a distancias más cortas. Las distancias a las que se pueden detectar los sonidos dependen de la frecuencia, el volumen de la fuente y el volumen del ruido de fondo (ambiental).
Las ondas sonoras que viajan en el canal de sonido siguen muchos caminos diferentes. Cuando la fuente de sonido y el receptor se encuentran a la profundidad de la velocidad de sonido mínima, llamada eje SOFAR o canal de sonido, las ondas de sonido viajan casi rectas por el eje y circulan por encima y por debajo del eje, llegando casi tanto a la superficie como al fondo.
Eje del canal de sonido. A la izquierda, perfil de velocidad de sonido de latitudes medias. A la derecha se muestran solo las rutas de sonido que viajan desde una fuente a 1000 m de profundidad a un receptor a 1000 m de profundidad que está a 210 km de la fuente. Contraste esta imagen con la imagen hacia la parte superior de la página, donde se muestran todas las rutas que recorre un sonido desde una fuente de sonido. Adaptado de la Figura 1.1 de Munk et al., 1995.
Aunque el sonido se aleja de una fuente de sonido en todas las direcciones, solo el sonido que se aleja de una fuente en caminos que dejan la fuente en ángulos específicos llegará a un receptor en una ubicación específica. Las ondas sonoras que viajan por estos caminos diferentes tienen tiempos de viaje ligeramente diferentes. Por lo tanto, se escuchará una única fuente explosiva como una serie de llegadas separadas, lo que llevará a la firma característica de una transmisión SOFAR que se acumula hasta su clímax:
bump bump bump bump
El pulso final del sonido suele ser el más fuerte y proviene de la onda de sonido que viaja casi por el eje del canal de sonido. Aunque esta onda de sonido viaja la distancia más corta, viaja en la región cercana a la velocidad mínima del sonido donde la velocidad del sonido es más baja.
Los caminos que el sonido tomará para una fuente cerca de la superficie del océano son bastante diferentes. Si el canal de sonido profundo se extiende hasta la superficie, los rayos que salen de la fuente casi horizontalmente no impactarán en la superficie del océano ni en el fondo marino. Los sonidos que viajan por estos caminos se pueden detectar a gran distancia, al igual que ocurre con los sonidos que viajan lejos de una fuente profunda que no interactúan con la superficie del océano o el fondo marino. Las trayectorias de sonido de una fuente cercana a la superficie se unen, o convergen, creando regiones de presión de sonido más alta a aproximadamente la misma profundidad que la fuente cada 50-60 km de distancia de ella. Estas regiones de mayor presión sonora se denominan zonas de convergencia. Entre las zonas de convergencia, hay regiones de menor presión sonora llamadas zonas de sombra.
A la izquierda hay una gráfica de la velocidad del sonido en función de la profundidad. A la derecha se encuentran los caminos seguidos por las ondas sonoras a medida que se alejan de una fuente de sonido ubicada a una profundidad de 50 m. Solo se muestran los rayos que no golpean la superficie del océano o el fondo marino. Los rayos vuelven a juntarse cerca de la superficie en un rango de aproximadamente 55 km, formando una zona de convergencia. Los rayos no alcanzan la región cercana a la superficie entre la fuente y la zona de convergencia, formando una zona de sombra.
Enlaces adicionales en DOSITS
- Historial del Canal SOFAR
- Velocidad de sonido mínima
- Variabilidad del Canal de sonido