В акустике микробаромы , также известные как « голос моря » [1] [2] , представляют собой класс атмосферных инфразвуковых волн , генерируемых во время морских штормов [3] [4] нелинейным взаимодействием поверхностных волн океана 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 широко разнесенных инструментов 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 соответствии с Договором 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]
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». Впервые микробаромы были описаны в США в 1939 году американскими сейсмологами Хьюго Бениоффом и Бено Гутенбергом из Калифорнийского технологического института в Пасадене на основе наблюдений с помощью электромагнитного микробарографа [11] , состоящего из деревянного ящика с установленным на нем низкочастотным громкоговорителем. верхняя. [13] Они отметили их сходство с микросейсмами , наблюдаемыми насейсмографы [ 9] и правильно предположили, что эти сигналы были результатом систем низкого 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 микробаром 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]
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 ниже, 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 волновых цуг с очень небольшой разницей в частоте (и, следовательно, волновых чисел) этот шаблон волновых групп может иметь такую же горизонтальную скорость, что и акустические волны, более 300 м / с, и будет возбуждать микробаромы.
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, вызванное 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.
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.
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. Существенное 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 необходимые условия стоячей волны [16] , также известной как clapotis . [21] Когда океанский шторм представляет собой тропический циклон , микробароны не образуются у 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 приблизительно 10 секунд распространены в открытом океане и соответствуют наблюдаемому инфразвуковому спектральному пику микробаромов с частотой 0,2 Гц, поскольку 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 в нескольких удаленных точках от одного и того же источника, триангуляция может подтвердить, что источник находится недалеко от центра океанского шторма. [4]
Микробаромы, которые распространяются до нижней термосферы , могут переноситься в атмосферном волноводе [25] , преломляться обратно к поверхности с высот ниже 120 км и выше 150 км [19] [26] или рассеиваться на высотах между 110 и 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 обратные сигналы сначала сильно ослабляются . [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 до 70 км в низких широтах. [19]
Атмосферные ученые использовали эти эффекты для обратного дистанционного зондирования верхних слоев атмосферы с помощью микробаромов. [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 позволяет контролировать переменное время прохождения микробаромов через движущуюся атмосферу. [8]
Акустическое излучение, возникающее в результате движения границы раздела воздух / вода, как известно, является нелинейным эффектом.
Мы показываем, что из-за несовпадения фазовых скоростей между поверхностными гравитационными волнами и акустическими волнами одиночная поверхностная волна излучает только затухающие акустические волны.
Два известных американских сейсмолога из Калифорнийского технологического института в Пасадене, Хьюго Бениофф и Бено Гутенберг, в 1939 году разработали приборы и приложения для обнаружения инфразвука. Примитивная аппаратура представляла собой деревянный ящик с установленным сверху низкочастотным динамиком.
Важно отметить, что изолированные бегущие океанские волны не излучают акустически.
Излучение микробарома требует условий стоячей волны ...[ постоянная мертвая ссылка ]
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=
( справка ) CS1 maint: множественные имена: список авторов ( ссылка )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.
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, генерируемого штормом, с окружающим полем зыби ...CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
... фоновый шум, создаваемый океанскими волнами, которые создают постоянный поток небольших атмосферных ударов, называемых микробаромами.
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 )Микробаром (периоды 3-6 с) можно использовать для мониторинга условий в верхних слоях атмосферы. ... указывает на распространение через термосферный канал. ...
Тропосферные и стратосферные каналы образуются только вдоль преобладающих направлений ветра.
Термосфера часто имеет две области поворота и, таким образом, поддерживает две различные фазы.
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.
Наблюдаемые вступления 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.
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).
Атмосферные ученые использовали естественный низкочастотный звук (микробаром), чтобы исследовать верхние слои атмосферы обратным образом.
Таким образом, микробароны обеспечивают постоянно доступный естественный механизм для исследования верхних слоев атмосферы.
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 )