Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В акустике , микробар , также известный как « голос моря », [1] [2] представляют собой класс атмосферных инфразвуковых волн , генерируемых в морских штормах [3] [4] с помощью нелинейного взаимодействия поверхности океана волн с атмосфера. [5] [6] Обычно они имеют узкополосные , почти синусоидальные формы волны с амплитудами до нескольких микробар , [7] [8] и периоды волн около 5 секунд (0,2герц ). [9] [10] Из-за низкого атмосферного поглощения на этих низких частотах микробароны могут распространяться на тысячи километров в атмосфере и могут быть легко обнаружены с помощью инструментов, расположенных на большом расстоянии друг от друга на поверхности Земли. [5] [11]

Микробароны являются значительным источником шума, который потенциально может помешать обнаружению инфразвука от ядерных взрывов, что является целью Международной системы мониторинга, организованной в рамках Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (который еще не вступил в силу). [12] Это особая проблема для обнаружения малопроизводительных тестов в диапазоне килотонн, поскольку частотные спектры перекрываются. [11]

История [ править ]

Причиной открытия этого явления стала случайность: аэрологи, работающие на морских гидрометеостанциях и плавсредствах, обратили внимание на странную боль, которую испытывает человек при приближении к поверхности стандартного метеорологического зонда (баллона, наполненного водородом). В одной из экспедиций этот эффект показал советскому академику В. В. Шулейкину главный метеоролог В. А. Березкин. Это явление вызвало неподдельный интерес среди ученых; Для его изучения было разработано специальное оборудование для регистрации мощных, но низкочастотных колебаний, не слышимых человеческим ухом.

В результате нескольких серий экспериментов физическая сущность этого явления была выяснена и в 1935 г., когда В.В. Шулейкин опубликовал свою первую работу, целиком посвященную инфразвуковой природе «голоса моря». Микробар впервые были описано в Соединенных Штатах в 1939 годом American сейсмологи Уго Бениофф и Бен Гутенбергом в Калифорнийском технологическом институте в Пасадене , на основе наблюдений с электромагнитным микробарографа , [11] , состоящий из деревянного ящика с низкочастотным динамиком , установленным на Вверх. [13] Они отметили их сходство с микросейсмами, наблюдаемыми наСейсмографы , [9] и правильно предположили , что эти сигналы были результатом низких систем давления в северо - восточной части Тихого океана. [11] В 1945 году швейцарский геофизик Л. Саксер показал первую взаимосвязь микробаромов с высотой волн в океанских штормах и амплитудами микробаром. [9] Продолжая теорию микросейсм М.С. Лонге-Хиггинса, Эрик С. Позментье предположил, что колебания центра тяжести воздуха над поверхностью океана, на которых возникают стоячие волны, были источником микробаром, объясняя удвоение частоты океанских волн в наблюдаемой частоте микробарона. [14]Теперь считается, что микробаромы генерируются тем же механизмом, который производит вторичные микросейсмы . Первая количественно правильная теория генерации микробарома принадлежит Л. М. Бреховских, который показал, что это источник микросейсм в океане, который соединяется с атмосферой. Это объясняет, что большая часть акустической энергии распространяется вблизи горизонтального направления на уровне моря. [15]

Теория [ править ]

Изолированные бегущие гравитационные волны на поверхности океана излучают только затухающие акустические волны [7] и не создают микробаром. [16]

Взаимодействие двух цугов поверхностных волн разной частоты и направления порождает группы волн . Для волн, распространяющихся почти в одном направлении, это дает обычные наборы волн, которые распространяются с групповой скоростью, которая меньше, чем фазовая скорость водных волн. Для типичных океанских волн с периодом около 10 секунд эта групповая скорость близка к 10 м / с.

В случае противоположного направления распространения группы движутся с гораздо большей скоростью, которая теперь составляет 2π ( f 1 + f 2 ) / ( k 1 - k 2 ), где k 1 и k 2 - волновые числа взаимодействующих волн на воде. Для серий волн с очень малой разницей в частоте (и, следовательно, волновых чисел), этот образец групп волн может иметь такую ​​же горизонтальную скорость, что и акустические волны, более 300 м / с, и будет возбуждать микробаромы.

Группы волн, создаваемые волнами с противоположными направлениями. Синяя кривая - это сумма красного и черного. В анимации обратите внимание на гребни с красными и черными точками. Эти гребни движутся с фазовой скоростью линейных волн на воде , но группы распространяются намного быстрее. ( Анимация )

Что касается сейсмических и акустических волн, движение океанских волн на глубокой воде в первом порядке эквивалентно давлению, приложенному к поверхности моря. [17] Это давление почти равно плотности воды, умноженной на квадрат орбитальной скорости волны . Из-за этого квадрата значение имеет не амплитуда отдельных волновых цепей (красные и черные линии на рисунках), а амплитуда суммы, групп волн (синяя линия на рисунках). Движение океана, создаваемое этим «эквивалентным давлением», затем передается в атмосферу.

Если группы волн движутся быстрее скорости звука, генерируются микробаромы с направлениями распространения, более близкими к вертикали для более быстрых групп волн.

Поле давления в океане и атмосфере, связанное с группами, образованными противостоящими цепями волн. Слева: группы коротких волн, распространяющиеся в атмосфере под наклоном. Справа: группы длинных волн, дающие почти вертикальное распространение в атмосфере.

Настоящие океанские волны состоят из бесконечного количества волновых последовательностей всех направлений и частот, что дает широкий диапазон акустических волн. На практике передача из океана в атмосферу наиболее сильна при углах около 0,5 градуса от горизонтали. При почти вертикальном распространении глубина воды может играть усиливающую роль, как и для микросейсм.

Акустическая мощность на телесный угол, излучаемая в виде микробаром океанскими волнами. Слева: масштаб журнала как функция угла возвышения (ноль соответствует вертикали). Справа: линейная шкала в полярных координатах.

Глубина воды важна только для тех акустических волн, которые имеют направление распространения в пределах 12 ° от вертикали на поверхности моря [18]

Всегда есть энергия, распространяющаяся в противоположном направлении. Однако их энергия может быть крайне низкой. Значительное генерирование микробаром происходит только тогда, когда имеется значительная энергия с той же частотой и в противоположных направлениях. Это наиболее сильно, когда волны от разных штормов взаимодействуют или под воздействием шторма [19] [20], которые создают требуемые условия стоячей волны [16], также известной как clapotis . [21] Когда океанский шторм представляет собой тропический циклон , микробароны не образуются возле глазной стены.где скорость ветра наибольшая, но происходит от задней кромки шторма, где волны, генерируемые штормом, взаимодействуют с окружающими океанскими волнами . [22]

Микробаромы также могут быть вызваны стоячими волнами, возникающими между двумя штормами [19], или когда океанское волнение отражается от берега. Волны с периодом примерно 10 секунд распространены в открытых океанах и соответствуют наблюдаемому инфразвуковому спектральному пику микробаром с частотой 0,2 Гц, потому что микробароны имеют частоты вдвое больше, чем отдельные океанские волны. [19] Исследования показали, что связь создает распространяющиеся атмосферные волны только при учете нелинейных членов. [9]

Микробароны - это форма постоянного атмосферного инфразвука на низком уровне [23], обычно от 0,1 до 0,5 Гц, который может быть обнаружен как когерентные всплески энергии или как непрерывные колебания. [11] Когда плоские волны, приходящие от источника микробаром, анализируются с помощью фазированной решетки близко расположенных микробарографов, обнаруживается , что азимут источника указывает на центр низкого давления зарождающейся бури. [24] Когда волны принимаются на нескольких удаленных участках от одного и того же источника, триангуляция может подтвердить, что источник находится недалеко от центра океанской бури. [4]

Микробар, распространяющийся до нижней Термосфера может быть проведена в атмосферном волноводе , [25] преломляется обратно к поверхности снизу 120 км и свыше 150 км высоты, [19] [26] или рассеиваются на высотах от 110 до 140 км. [27] Они также могут быть захвачены вблизи поверхности в нижней тропосфере из- за эффектов планетарного пограничного слоя и приземных ветров, или они могут уноситься в стратосферу ветрами верхних уровней и возвращаться на поверхность за счет преломления, дифракции или рассеяния . [28]Эти тропосферные и стратосферные каналы образуются только вдоль доминирующих направлений ветра [26], могут изменяться в зависимости от времени суток и сезона [28], и не будут возвращать звуковые лучи на землю, когда верхние ветры слабые. [19]

Угол падения микробаромного луча определяет, какой из этих режимов распространения он испытывает. Лучи, направленные вертикально к зениту, рассеиваются в термосфере и являются значительным источником нагрева в этом слое верхних слоев атмосферы . [27] На средних широтах в типичных летних условиях лучи под углом примерно от 30 до 60 градусов от вертикали отражаются с высот выше 125 км, где сначала сильно ослабляются обратные сигналы . [29] Лучи, выпущенные под меньшими углами, могут отражаться от верхней стратосферы на высоте примерно 45 км над поверхностью в средних широтах [29] или от 60–70 км в низких широтах. [19]

Микробаромы и верхняя атмосфера [ править ]

Атмосферные ученые использовали эти эффекты для обратного дистанционного зондирования верхних слоев атмосферы с помощью микробаром. [25] [30] [31] [32] Измерение скорости следа отраженного сигнала микробарома на поверхности дает скорость распространения на высоте отражения при условии, что скорость звука изменяется только по вертикали, и не по горизонтали, действительно. [29] Если температура на высоте отражения может быть оценена с достаточной точностью, скорость звука может быть определена и вычтена из скорости следа, что дает скорость ветра на верхнем уровне. [29]Одним из преимуществ этого метода является возможность непрерывного измерения - результаты других методов, которые могут выполнять только мгновенные измерения, могут быть искажены кратковременными эффектами. [8]

Дополнительная информация об атмосфере может быть получена из амплитуды микробарома, если известна интенсивность источника. Микробароны производятся направленной вверх энергией, передаваемой с поверхности океана через атмосферу. Направленная вниз энергия передается через океан на морское дно, где она соединяется с земной корой и передается в виде микросейсм с тем же спектром частот. [8] Однако, в отличие от микробаром, где почти вертикальные лучи не возвращаются на поверхность, только почти вертикальные лучи в океане связаны с морским дном. [28] Контролируя амплитуду полученных микросейсм от того же источника с помощью сейсмографов, можно получить информацию об амплитуде источника. Поскольку твердая Земля обеспечивает фиксированную систему отсчета, [33]время прохождения микросейсм от источника является постоянным, и это обеспечивает управление переменным временем прохождения микробаромов через движущуюся атмосферу. [8]

См. Также [ править ]

  • Микросейсм

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Benioff H .; Гутенберг Б. (1939). «Волны и токи, регистрируемые электромагнитными барографами» . Бык. Являюсь. Meteorol. Soc . 20 (10): 421. Bibcode : 1939BAMS ... 20..421B . DOI : 10.1175 / 1520-0477-20.10.421 .
  • Саксер, Л. (1945). «Электрические измерения малых колебаний атмосферного давления». Helv. Phys. Acta . 18 : 527–550.
  • Донн, WL; Наини, Б. (1973). «Морское волновое происхождение микробаромов и микросейсм». J. Geophys. Res . 78 (21): 4482–4488. Bibcode : 1973JGR .... 78.4482D . DOI : 10.1029 / JC078i021p04482 .

Ссылки [ править ]

  1. ^ Боуман, HS; Бедард, AJ (1971). «Наблюдения за инфразвуковыми и дозвуковыми возмущениями, связанными с суровой погодой» . Geophys. JR Astron. Soc. 26 (1–4): 215–242. Bibcode : 1971GeoJ ... 26..215B . DOI : 10.1111 / j.1365-246X.1971.tb03396.x .
  2. ^ Бедард, AJ; Жорж, Т.М. (2000). «Атмосферный инфразвук» (PDF) . Физика сегодня . 53 (3): 32–37. Bibcode : 2000PhT .... 53c..32B . DOI : 10.1063 / 1.883019 .
  3. ^ "Микробаром" . Словарь научных и технических терминов Макгроу-Хилла . Макгроу-Хилл . 2003. ISBN 978-0-07-042313-8.
  4. ^ a b «Микробаромы» . Инфразвуковые сигналы . Университет Аляски в Фэрбенксе , Геофизический институт, Группа инфразвуковых исследований. Архивировано из оригинала на 2008-02-15 . Проверено 22 ноября 2007 .
  5. ^ а б Гарсес, Массачусетс; Hetzer, CH; Уиллис, М .; Бусингер, С. (2003). «Интеграция инфразвуковых моделей со спектрами океанских волн и атмосферными характеристиками для получения глобальных оценок уровней сигналов микробаром». Материалы 25-го обзора сейсмических исследований . С. 617–627.
  6. ^ Waxler, R .; Гилберт, KE (2006). «Излучение атмосферных микробаром океанскими волнами». Журнал Акустического общества Америки . 119 (5): 2651. Bibcode : 2006ASAJ..119.2651W . DOI : 10.1121 / 1.2191607 . Акустическое излучение, возникающее в результате движения границы раздела воздух / вода, как известно, является нелинейным эффектом.
  7. ^ a b Arendt, S .; Фриттс, округ Колумбия (2000). «Акустическое излучение поверхностных волн океана». Журнал гидромеханики . 415 (1): 1-21. Bibcode : 2000JFM ... 415 .... 1A . DOI : 10.1017 / S0022112000008636 . Мы показываем, что из-за несовпадения фазовой скорости между поверхностными гравитационными и акустическими волнами одиночная поверхностная волна излучает только затухающие акустические волны.
  8. ^ а б в г Донн, WL; Ринд, Д. (1972). «Микробароны, температура и ветер в верхних слоях атмосферы» . Журнал атмосферных наук . 29 (1): 156–172. Полномочный код : 1972JAtS ... 29..156D . DOI : 10.1175 / 1520-0469 (1972) 029 <0156: MATTAW> 2.0.CO; 2 .
  9. ^ a b c d Олсон, СП; Szuberla, CAL (2005). «Распределение размеров волновых пакетов в цугах микробаромных волн, наблюдаемых на Аляске». Журнал Акустического общества Америки . 117 (3): 1032. Bibcode : 2005ASAJ..117.1032O . DOI : 10.1121 / 1.1854651 .
  10. Перейти ↑ Down, WL (1967). «Естественный инфразвук пяти секундного периода». Природа . 215 (5109): 1469–1470. Bibcode : 1967Natur.215.1469D . DOI : 10.1038 / 2151469a0 . S2CID 4164934 . 
  11. ^ а б в г д Уиллис, MC; Garces, M .; Hetzer, C .; Бусингер, С. (2004). "Моделирование источников микробаром в Тихом океане" (PDF) . AMS Annual Meeting 2004 . Проверено 22 ноября 2007 .
  12. ^ Der, ZA; Шамуэй, Р.Х .; Херрин, ET (2002). Мониторинг Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний: обработка данных и инфразвук . Birkhäuser Verlag . п. 1084. ISBN 978-3-7643-6676-6.
  13. ^ Хаак, Хайн; Эверс, Ласло (2002). «Инфразвук как инструмент проверки ДВЗЯИ» (PDF) . В Финдли, Тревор; Майер, Оливер (ред.). Ежегодник проверки 2002 . Проверочные исследования, Учебно-информационный центр (VERTIC). п. 208. ISBN  978-1-899548-32-3. Два известных американских сейсмолога из Калифорнийского технологического института в Пасадене, Уго Бениофф и Бено Гутенберг, в 1939 году разработали как приборы, так и приложения для обнаружения инфразвука. Примитивная аппаратура представляла собой деревянный ящик с установленным сверху низкочастотным динамиком.
  14. ^ "Microbaroms" (gif) . Программа Infrasonics . Университет Аляски в Фэрбенксе , Геофизический институт . Проверено 25 ноября 2007 .
  15. ^ Бреховских, Л. М.; Гончаров В.В.; Куртепов ВМ; Наугольных К.А. (1973) "Излучение инфразвука в атмосферу поверхностными волнами в океане", Изв. Атмос. Ocean Phys. , 9 (3): 7899–907 (в английском переводе: 511–515).
  16. ^ a b Браун, Дэвид (июнь 2005 г.). «Прислушиваясь к ЗЕМЛЕ» . Новости AUSGEO . Проверено 22 ноября 2007 . Важно отметить, что изолированные бегущие океанские волны не излучают акустически. Излучение микробарома требует условий стоячей волны ...[ постоянная мертвая ссылка ]
  17. ^ Hasselmann, K. (1963), "Статистический анализ генерации микросейсм", Rev. Geophys. , 1 (2): 177-210, Bibcode : 1963RvGSP ... 1..177H , DOI : 10,1029 / RG001i002p00177
  18. ^ Де Карло, М .; Ardhuin, F .; Ле Пишон, А. (2020), «Генерация атмосферного инфразвука океанскими волнами на конечной глубине: единая теория и приложение к диаграммам излучения» , Geophys. J. Int. , 221 (1): 569-585, Bibcode : 2020GeoJI.221..569D , DOI : 10,1093 / gji / ggaa015
  19. ^ a b c d e f Гарсес, М. А., Уиллис, М., Хетцер, К. и Бусинджер, С. (июль 2004 г.). "Охота за негерметичными приподнятыми инфразвуковыми волноводами" (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) на 2011-05-15 . Проверено 23 ноября 2007 . Микробаромы - это инфразвуковые волны, генерируемые нелинейным взаимодействием поверхностных волн океана, распространяющихся почти в противоположных направлениях с аналогичными частотами. Такие взаимодействия обычно происходят между океанскими волнами с периодом приблизительно 10 секунд, которые распространены в открытом океане и соответствуют наблюдаемому инфразвуковому спектральному пику 0,2 Гц. Цитировать журнал требует |journal=( помощь )CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  20. ^ Ardhuin, F .; Stutzmann, E .; Schimmel, M .; Mangeney, A. (2011), "Океанские волновые источники сейсмического шума" (PDF) , J. Geophys. Res. , 115 (С9): C09004, Bibcode : 2011JGRC..116.9004A , DOI : 10,1029 / 2011jc006952
  21. ^ Табулевич, ВН; Пономарев Е.А.; Сорокин, АГ; Дреннова, Н.Н. (2001). «Стоячие морские волны, микросейсмы и инфразвук» . Изв. Акад. Наук, Физ. Атмос. Океана . 37 : 235–244 . Проверено 28 ноября 2007 . В этом процессе возникает интерференция разнонаправленных волн, которая формирует стоячие волны на воде, или так называемые clapotis .... Чтобы исследовать и определить местонахождение этих волн, предлагается использовать присущие им свойства для создания («накачки») изменяющееся давление на дно океана, которое генерирует микросейсмические колебания, и излучение инфразвука в атмосферу.
  22. ^ Hetzer, CH, Р. Вакслер, К. Гилберт, CL Талмадж и HE Bass (2008). «Инфразвук от ураганов: зависимость от поля поверхностных волн океана». Geophys. Res. Lett . 35 (14): L14609. Bibcode : 2008GeoRL..3514609H . DOI : 10.1029 / 2008GL034614 . Инфразвуковые сигналы в полосе микробаром (около 0,2 Гц), генерируемые ураганами, часто возникают не вблизи глаза, где дуют самые сильные ветры. В этой статье предполагается, что условия, способствующие генерации микробарома (и микросейсм), могут возникать на задней периферии шторма за счет взаимодействия волнового поля, создаваемого штормом, с окружающим полем зыби ...CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )<
  23. ^ Болл, П. (2004-01-04). «Метеоры проникают с треском» . Новости природы . DOI : 10.1038 / news010104-8 . Архивировано из оригинала (- Научный поиск ) 20 июня 2004 года . Проверено 22 ноября 2007 . ... фоновый шум, создаваемый океанскими волнами, которые создают постоянный поток небольших атмосферных ударов, называемых микробаромами.
  24. ^ Басс, Генри Э .; Кеннет Гилберт; Милтон Гарсес; Майкл Хедлин; Джон Бергер; Джон В. Олсон; Чарльз У. Уилсон; Дэниел Осборн (2001). «Исследования микробаром с использованием нескольких инфразвуковых массивов» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 21 октября 2004 года . Проверено 22 ноября 2007 . Когда мы выполняем аппроксимацию по методу наименьших квадратов для прихода плоских волн на данных, мы находим очевидные азимутальные точки источника в центр центра низкого давления шторма. Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  25. ^ a b Крокер, Малкольм Дж. (1998). Справочник по акустике . Нью-Йорк: Вили. п. 333. ISBN 978-0-471-25293-1. Микробаром (периоды 3-6 с) можно использовать для мониторинга условий в верхних слоях атмосферы. ... указывает на распространение через термосферный канал. ...
  26. ^ a b Garcés, M .; Дроб, Д .; Пиконе, М. (1999). «Геомагнитные и солнечные эффекты на термосферные фазы зимой». Eos, Transactions, Американский геофизический союз . 80 . Тропосферные и стратосферные каналы образуются только вдоль преобладающих направлений ветра. Термосфера часто имеет две области поворота и, таким образом, поддерживает две различные фазы.
  27. ^ a b Ринд, Д. (1977). «Нагрев нижней термосферы за счет рассеяния акустических волн». Журнал атмосферной и земной физики . 39 (4): 445–456. Bibcode : 1977JATP ... 39..445R . DOI : 10.1016 / 0021-9169 (77) 90152-0 . Инфразвук с частотой 0,2 Гц, известный как микробарома, генерируемый мешающими океанскими волнами, распространяется в нижнюю термосферу, где он рассеивается на расстоянии от 110 до 140 км.
  28. ^ a b c Garcés, M .; Дроб, Д.П .; Пиконе, Дж. М. (2002). «Теоретическое исследование влияния геомагнитных колебаний и солнечных приливов на распространение инфразвуковых волн в верхних слоях атмосферы» . Международный геофизический журнал . 148 (1): 77–87. Bibcode : 2002GeoJI.148 ... 77G . DOI : 10.1046 / j.0956-540x.2001.01563.x . Наблюдаемые приходы с низкой кажущейся горизонтальной фазовой скоростью могут преломляться в термосфере или стратосфере ... Присутствие этих тропосферных и стратосферных каналов зависит от интенсивности и направления ветров, и, таким образом, они могут быть спорадическими или сезонными.
  29. ^ a b c d Ринд, D .; Донн, WL; Деде, Э. (ноябрь 1973 г.). «Скорость ветра на высотах, рассчитанная по наблюдениям естественного инфразвука» . Журнал атмосферных наук . 30 (8): 1726–1729. Bibcode : 1973JAtS ... 30.1726R . DOI : 10.1175 / 1520-0469 (1973) 030 <1726: UAWSCF> 2.0.CO; 2 . ISSN 1520-0469 . Более высокое разрешение, чем воспроизведенное здесь, показывает, что лучи с углами падения <64 ° не отражаются ниже 125 км, на которых эффекты рассеяния по высоте сильно ослабляют сигнал (Донн и Ринд). 
  30. ^ Etter, Пол С. (2003). Подводное акустическое моделирование и симуляция . Лондон: Spon Press. п. 15. ISBN 978-0-419-26220-6. Атмосферные ученые использовали естественно генерируемый низкочастотный звук (микробаром), чтобы исследовать верхние слои атмосферы обратным образом.
  31. ^ Табулевич, ВН; Сорокин, АГ; Пономарев Е.А. (1998). «Микросейсмы и инфразвук: разновидность дистанционного зондирования». Физика Земли и планетных недр . 108 (4): 339–346. Bibcode : 1998PEPI..108..339T . DOI : 10.1016 / S0031-9201 (98) 00113-7 .
  32. ^ Донн, WL; Ринд, Д. (1971). «Природный инфразвук как зонд атмосферы» . Geophys. JR Astron. Soc . 26 (1–4): 111–133. Bibcode : 1971GeoJ ... 26..111D . DOI : 10.1111 / j.1365-246X.1971.tb03386.x . Таким образом, микробароны обеспечивают постоянно доступный естественный механизм для исследования верхних слоев атмосферы.
  33. ^ Пономарев, Э.А.; Сорокин, А.Г. "Инфразвуковые волны в атмосфере над Восточной Сибирью" (PDF) . Акустический институт им. Н.Н. Андреева (Москва, Россия). Архивировано из оригинального (PDF) 30 января 2006 года. Земную кору можно рассматривать как среду, не изменяющуюся во времени. Сравнивая микробаром и микросейсмы, это позволяет проводить мониторинг акустических каналов. Цитировать журнал требует |journal=( помощь )