Tomographie acoustique océanique - Ocean acoustic tomography

L'ouest de l'Atlantique Nord montrant les emplacements de deux expériences utilisant la tomographie acoustique océanique. AMODE, l'expérience "Acoustic Mid-Ocean Dynamics Experiment" (1990-1), a été conçue pour étudier la dynamique des océans dans une zone éloignée du Gulf Stream , et SYNOP (1988-9) a été conçue pour mesurer de manière synoptique les aspects du Gulf Stream. Les couleurs montrent un instantané de la vitesse du son à 300 m de profondeur dérivé d'un modèle océanique numérique à haute résolution . L'une des principales motivations pour utiliser la tomographie est que les mesures donnent des moyennes sur l'océan turbulent.

La tomographie acoustique océanique est une technique utilisée pour mesurer les températures et les courants sur de vastes régions de l' océan . A l'échelle des bassins océaniques, cette technique est également connue sous le nom de thermométrie acoustique. La technique repose sur la mesure précise du temps nécessaire aux signaux sonores pour se déplacer entre deux instruments, l'un une source acoustique et l'autre un récepteur , séparés par des distances de 100 à 5 000 km. Si les emplacements des instruments sont connus avec précision, la mesure du temps de vol peut être utilisée pour déduire la vitesse du son, moyennée sur le trajet acoustique. Les changements dans la vitesse du son sont principalement causés par les changements de température de l'océan, par conséquent, la mesure des temps de trajet équivaut à une mesure de la température. Une variation de température de 1 °C correspond à une variation d'environ 4 m/s de la vitesse du son. Une expérience océanographique utilisant la tomographie utilise généralement plusieurs paires source-récepteur dans un réseau amarré qui mesure une zone d'océan.

Motivation

L'eau de mer est un conducteur électrique , de sorte que les océans sont opaques à l'énergie électromagnétique (par exemple, la lumière ou le radar ). Les océans sont cependant assez transparents à l'acoustique à basse fréquence. Les océans conduisent le son de manière très efficace, en particulier le son aux basses fréquences, c'est-à-dire moins de quelques centaines de hertz. Ces propriétés ont motivé Walter Munk et Carl Wunsch à suggérer une « tomographie acoustique » pour la mesure des océans à la fin des années 1970. Les avantages de l'approche acoustique pour mesurer la température sont doubles. Premièrement, de vastes zones de l'intérieur de l'océan peuvent être mesurées par télédétection . Deuxièmement, la technique calcule naturellement la moyenne des fluctuations de température à petite échelle (c'est-à-dire le bruit) qui dominent la variabilité océanique.

Dès son origine, l'idée d'observations de l'océan par acoustique s'est mariée à l'estimation de l'état de l'océan à l'aide des modèles océaniques numériques modernes et des techniques d'assimilation des données dans des modèles numériques. Au fur et à mesure que la technique d'observation a évolué, les méthodes d' assimilation des données et la puissance de calcul requise pour effectuer ces calculs ont également évolué.

Arrivées multivoies et tomographie

Propagation des trajets des rayons acoustiques à travers l'océan. À partir de la source acoustique à gauche, les chemins sont réfractés par une vitesse du son plus rapide au-dessus et au-dessous du canal SOFAR , d'où ils oscillent autour de l'axe du canal. La tomographie exploite ces « multitrajets » pour déduire des informations sur les variations de température en fonction de la profondeur. Notez que le rapport hauteur/largeur de la figure a été fortement biaisé pour mieux illustrer les rayons ; la profondeur maximale de la figure n'est que de 4,5 km, tandis que la portée maximale est de 500 km.

L'un des aspects intrigants de la tomographie est qu'elle exploite le fait que les signaux acoustiques se déplacent le long d'un ensemble de trajets de rayons généralement stables. A partir d'un seul signal acoustique émis, cet ensemble de rayons donne lieu à de multiples arrivées au niveau du récepteur, le temps de parcours de chaque arrivée correspondant à un trajet de rayon particulier. Les premières arrivées correspondent aux rayons qui se déplacent plus profondément, car ces rayons voyagent là où la vitesse du son est la plus élevée. Les trajets des rayons sont facilement calculés à l'aide d'ordinateurs (" ray tracing "), et chaque trajet de rayon peut généralement être identifié avec un temps de trajet particulier. Les temps de trajet multiples mesurent la vitesse du son moyennée sur chacun des trajets acoustiques multiples. Ces mesures permettent d'inférer des aspects de la structure des variations de température ou de courant en fonction de la profondeur. La solution pour la vitesse du son, donc la température, à partir des temps de parcours acoustiques est un problème inverse .

La propriété d'intégration des mesures acoustiques à longue portée

La tomographie acoustique océanique intègre les variations de température sur de grandes distances, c'est-à-dire que les temps de trajet mesurés résultent des effets cumulés de toutes les variations de température le long du trajet acoustique, les mesures par la technique sont donc intrinsèquement moyennes. Il s'agit d'une propriété importante et unique, car les caractéristiques omniprésentes de la turbulence à petite échelle et des ondes internes de l'océan dominent généralement les signaux dans les mesures en des points uniques. Par exemple, les mesures par thermomètres (ie thermistances amarrées ou flotteurs dérivants Argo ) doivent composer avec ce bruit de 1 à 2 °C, de sorte qu'un grand nombre d'instruments sont nécessaires pour obtenir une mesure précise de la température moyenne. Pour mesurer la température moyenne des bassins océaniques, la mesure acoustique est donc assez rentable. Les mesures tomographiques font également la moyenne de la variabilité en profondeur, puisque les trajets des rayons circulent dans toute la colonne d'eau.

Tomographie réciproque

La « tomographie réciproque » utilise les transmissions simultanées entre deux émetteurs-récepteurs acoustiques. Un "émetteur-récepteur" est un instrument incorporant à la fois une source acoustique et un récepteur. Les légères différences de temps de trajet entre les signaux se déplaçant réciproquement sont utilisées pour mesurer les courants océaniques , puisque les signaux réciproques se déplacent avec et contre le courant. La moyenne de ces temps de trajet réciproques est la mesure de la température, les petits effets des courants océaniques étant entièrement supprimés. Les températures océaniques sont déduites de la somme des temps de trajet réciproques, tandis que les courants sont déduits de la différence des temps de trajet réciproques. Généralement, les courants océaniques (généralement 10 cm/s) ont un effet beaucoup plus faible sur les temps de trajet que les variations de la vitesse du son (généralement 5 m/s), donc la tomographie « unidirectionnelle » mesure la température avec une bonne approximation.

Applications

Dans l'océan, des changements de température à grande échelle peuvent se produire sur des intervalles de temps allant de quelques minutes ( ondes internes ) à plusieurs décennies ( changement climatique océanique ). La tomographie a été utilisée pour mesurer la variabilité sur cette large gamme d'échelles temporelles et sur une large gamme d'échelles spatiales. En effet, la tomographie a été envisagée comme une mesure du climat océanique utilisant des transmissions sur des distances antipodales .

La tomographie est devenue une méthode précieuse d'observation de l'océan, exploitant les caractéristiques de la propagation acoustique à longue distance pour obtenir des mesures synoptiques de la température ou du courant moyen de l'océan. L'une des premières applications de la tomographie à l'observation des océans a eu lieu en 1988-1989. Une collaboration entre des groupes de la Scripps Institution of Oceanography et de la Woods Hole Oceanographic Institution a déployé un réseau tomographique à six éléments dans la plaine abyssale du gyre de la mer du Groenland pour étudier la formation des eaux profondes et la circulation du gyre. D'autres applications incluent la mesure des marées océaniques et l'estimation de la dynamique océanique à mésoéchelle en combinant la tomographie, l'altimétrie satellitaire et les données in situ avec des modèles dynamiques océaniques. En plus des mesures d'une décennie obtenues dans le Pacifique Nord, la thermométrie acoustique a été utilisée pour mesurer les changements de température des couches supérieures des bassins de l'océan Arctique, qui continue d'être un domaine d'intérêt actif. La thermométrie acoustique a également été récemment utilisée pour déterminer les changements des températures océaniques à l'échelle mondiale à l'aide de données provenant d'impulsions acoustiques envoyées d'un bout à l'autre de la terre.

Thermométrie acoustique

Thermométrie acoustique est une idée d'observer le monde océan bassins, et le climat océanique en particulier, par trans- bassin acoustiques transmissions . La « thermométrie », plutôt que la « tomographie », a été utilisée pour indiquer des mesures à l'échelle du bassin ou à l'échelle mondiale. Des mesures prototypes de la température ont été effectuées dans le bassin du Pacifique Nord et dans tout le bassin de l' Arctique .

À partir de 1983, John Spiesberger de la Woods Hole Oceanographic Institution , et Ted Birdsall et Kurt Metzger de l' Université du Michigan ont développé l'utilisation du son pour déduire des informations sur les températures à grande échelle de l'océan, et en particulier pour tenter de détecter le réchauffement climatique. dans l'océan. Ce groupe a transmis des sons d'Oahu qui ont été enregistrés sur une dizaine de récepteurs stationnés autour du bord de l'océan Pacifique sur des distances de 4000 km. Ces expériences ont démontré que les changements de température pouvaient être mesurés avec une précision d'environ 20 milli degrés. Spiesberger et al. n'a pas détecté le réchauffement climatique. Au lieu de cela, ils ont découvert que d'autres fluctuations climatiques naturelles, telles qu'El Niño, étaient en partie responsables de fluctuations substantielles de température qui auraient pu masquer des tendances plus lentes et plus petites pouvant résulter du réchauffement climatique.

Le programme de thermométrie acoustique du climat océanique (ATOC) a été mis en œuvre dans l'océan Pacifique Nord, avec des transmissions acoustiques de 1996 à l'automne 2006. Les mesures ont pris fin lorsque les protocoles environnementaux convenus ont pris fin. Le déploiement de la source acoustique pendant une décennie a montré que les observations sont durables même avec un budget modeste. Les transmissions ont été vérifiées pour fournir une mesure précise de la température de l'océan sur les trajets acoustiques, avec des incertitudes bien inférieures à toute autre approche de mesure de la température de l'océan.

Des séismes répétés agissant comme des sources acoustiques naturelles ont également été utilisés en thermométrie acoustique, ce qui peut être particulièrement utile pour déduire la variabilité de la température dans l'océan profond qui est actuellement mal échantillonné par les instruments in-situ.

Le réseau prototype ATOC était une source acoustique située juste au nord de Kauai, à Hawaï, et des transmissions ont été effectuées vers des récepteurs d'opportunité dans le bassin du Pacifique Nord . Les signaux sources étaient à large bande avec des fréquences centrées sur 75 Hz et un niveau source de 195 dB re 1 micropascal à 1 m, soit environ 250 watts. Six transmissions d'une durée de 20 minutes ont été effectuées tous les quatre jours.

Transmissions acoustiques et mammifères marins

Voir aussi : Mammifères marins et sonar

Le projet ATOC était mêlé à des problèmes concernant les effets de l'acoustique sur les mammifères marins (par exemple les baleines , les marsouins , les lions de mer , etc.). Le débat public a été compliqué par des problèmes techniques issus de diverses disciplines ( océanographie physique , acoustique , biologie des mammifères marins, etc.) qui rendent difficile la compréhension des effets de l'acoustique sur les mammifères marins pour les experts, sans parler du grand public. Bon nombre des problèmes concernant l'acoustique dans l'océan et leurs effets sur les mammifères marins étaient inconnus. Enfin, il y avait au départ une variété d'idées fausses du public, comme une confusion de la définition des niveaux sonores dans l'air par rapport aux niveaux sonores dans l'eau. Si un nombre donné de décibels dans l'eau est interprété comme des décibels dans l'air, le niveau sonore semblera être des ordres de grandeur plus grand qu'il ne l'est réellement - à un moment donné, les niveaux sonores ATOC ont été interprétés à tort comme si forts que les signaux tueraient 500 000 animaux . La puissance de son employé, 250 W, était comparable celles faites par bleu ou nageoires des baleines, bien que ces baleines vocalisent à des fréquences beaucoup plus basses. L'océan transporte le son si efficacement que les sons n'ont pas besoin d'être aussi forts pour traverser les bassins océaniques. D'autres facteurs dans la controverse étaient la longue histoire d'activisme envers les mammifères marins, découlant du conflit en cours sur la chasse à la baleine, et la sympathie qu'une grande partie du public ressent envers les mammifères marins.

À la suite de cette controverse, le programme ATOC a mené une étude de 6 millions de dollars sur les effets des transmissions acoustiques sur une variété de mammifères marins. La source acoustique était montée sur le fond à environ un demi-mille de profondeur, par conséquent les mammifères marins, qui sont liés à la surface, étaient généralement à plus d'un demi-mille de la source. Le niveau de la source était modeste, inférieur au niveau sonore des grandes baleines, et le cycle de service était de 2 % (c'est-à-dire que le son n'est diffusé que 2 % de la journée). Après six ans d'étude, la conclusion officielle et formelle de cette étude était que les transmissions ATOC n'ont "aucun effet biologiquement significatif".

D'autres activités acoustiques dans l'océan peuvent ne pas être aussi bénignes en ce qui concerne les mammifères marins. Divers types de sons artificiels ont été étudiés en tant que menaces potentielles pour les mammifères marins, tels que les tirs d'armes à air pour des études géophysiques, ou les transmissions par l'US Navy à diverses fins. La menace réelle dépend d'une variété de facteurs au-delà des niveaux de bruit : fréquence sonore, fréquence et durée des transmissions, nature du signal acoustique (par exemple, une impulsion soudaine ou une séquence codée), profondeur de la source sonore, directionnalité du son source, profondeur de l'eau et topographie locale, réverbération, etc.

Types de signaux acoustiques transmis

Les transmissions tomographiques consistent en de longs signaux codés (par exemple, des "séquences m" ) d'une durée de 30 secondes ou plus. Les fréquences utilisées vont de 50 à 1000 Hz et les puissances de source vont de 100 à 250 W, en fonction des objectifs particuliers des mesures. Avec une synchronisation précise telle que celle du GPS , les temps de trajet peuvent être mesurés avec une précision nominale de 1 milliseconde. Bien que ces transmissions soient audibles à proximité de la source, au-delà d'une portée de plusieurs kilomètres, les signaux sont généralement inférieurs aux niveaux de bruit ambiant, nécessitant des techniques sophistiquées de traitement du signal à spectre étalé pour les récupérer.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

  • BD Dushaw, 2013. "Ocean Acoustic Tomography" dans Encyclopedia of Remote Sensing, EG Njoku, Ed., Springer, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2013. ISBN  978-0-387-36698-2 .
  • W. Munk, P. Worcester et C. Wunsch (1995). Tomographie acoustique océanique . Cambridge : Cambridge University Press. ISBN  0-521-47095-1 .
  • PF Worcester, 2001 : « Tomography », dans Encyclopedia of Ocean Sciences , J. Steele, S. Thorpe et K. Turekian, Eds., Academic Press Ltd., 2969-2986.

Liens externes