Reportage Milieu
Akoestische thermometrie en onderwatergeluid
G
eluid plant zich voort in water als een serie drukfronten, gekend als een longitudinale golf. Hierbij verplaatsen de waterdeeltjes zich in dezelfde richting als de golf. De snelheid waarmee de drukfronten bewegen is de lokale geluidssnelheid. Deze is afhankelijk van bijvoorbeeld de temperatuur, het zoutgehalte en de druk, maar is onafhankelijk van de eigenschappen van het geluid zelf. In een typische oceaanomgeving is de lokale geluidssnelheid ongeveer 1.500 m/s. In de lucht is dit amper 340 m/s. Verhogingen van temperatuur, zoutgehalte en druk resulteren allemaal in snellere reistijden voor geluidsgolven. Twee eigenschappen van geluidsgolven zijn de golflengte en de frequentie. Deze laatste blijft constant wanneer de lokale geluidssnelheid verandert en wordt daardoor gebruikt voor het beschrijven van de golven. De eenheid van geluidsintensiteit is de bel, genaamd naar Alexander Graham Bell, de uitvinder van de telefoon. Omdat het menselijke oor intensiteitsniveaus kleiner dan één bel kan detecteren, wordt meestal met decibel gewerkt. Deze eenheid is gedefinieerd als tien keer het logaritme van de intensiteit van een geluidsgolf ten opzichte van een referentie intensiteit. Daardoor is decibel een relatieve eenheid, en geen absolute. De referentie-intensiteit voor onderwatergeluid werd arbitrair vastgelegd op 1 micropascal (µPa). In lucht werd de referentie vastgelegd op 20 µPa, waardoor geluidsniveaus gegeven in decibel niet kunnen vergeleken worden tussen beide elementen.
8
Hippocampus mei/juni 2021
meten van het geluid in de oceanen Temperatuur is de dominante factor bij het bepalen van de geluidssnelheid in de oceaan. In gebieden met hogere temperaturen (bijv. nabij het oceaanoppervlak) is er een hogere geluidssnelheid. De temperatuur neemt af met de diepte, bijgevolg neemt de geluidssnelheid af totdat de temperatuur stabiel wordt en de druk de dominante factor wordt. De snelheidsmeting en de frequentie van het geluid worden onder andere bepaald door akoestische thermometrie (ATOC – Acoustic Thermometry of Ocean Climate), waarbij bijv. de gemiddelde temperatuur van de Stille Oceaan tussen Californië en Hawaï opgemeten wordt. Men gebruikt dus geluid om warmte effectief te 'zien'. Akoestische pulsen leggen grote afstanden af in de oceaan omdat ze vastzitten in een akoestische 'golfgeleider'. Dit betekent dat wanneer akoestische pulsen het oppervlak naderen, ze worden teruggedraaid naar de bodem, en wanneer ze de oceaanbodem naderen, worden ze teruggedraaid naar het oppervlak. De oceaan geleidt geluid zeer efficiënt, vooral geluid bij lage frequenties, dat wil zeggen minder dan een paar honderd hertz (Hz). Het succes van akoestische thermometrie is afhankelijk van het bestaan van het SOFAR-kanaal, dat op een diepte van ongeveer 1.000 meter ligt. Het SOFAR-kanaal (Sound Fixing and Ranging channel) of 'Deep Sound
Foto: OceanCare.
Eén van de manieren om de onderwatergeluiden te meten is via akoestische thermometrie (ATOC – Acoustic Thermometry of Ocean Climate). Channel' ( DSC ) is een horizontale laag water in de oceaan waar de geluidssnelheid minimaal is. Het SOFAR-kanaal fungeert als een golfgeleider voor geluid, en laagfrequente geluidsgolven – onder de 100 Hz – binnen het kanaal kunnen duizenden kilometers afleggen voordat ze verdwijnen. Het is dus de autobaan voor geluid. Geluidsgolven stuiteren normaal tussen de lagen van de oceaan, maar in het SOFAR-kanaal kunnen ze ongeschonden grote afstanden afleggen. Wetenschappers denken dat bultruggen het SOFAR-kanaal kunnen gebruiken om met elkaar te communiceren over de lange afstanden die hen tijdens migraties van elkaar scheiden. De blauwe vinvis zendt geluiden uit in het bereik van 5 Hz waardoor ze kunnen communiceren met andere blauwe vinvissen een halfrond verwijderd! Daarentegen zullen hoogfrequente geluiden van meer dan 1.000.000 Hz niet van het ene uiteinde van een olympisch zwembad naar het andere reiken. De as van het SOFAR-kanaal ligt op het punt van de minimale geluidssnelheid op een diepte waar de druk de temperatuur begint te domineren en de geluidssnelheid toeneemt. Dit punt is aan de onderkant van de thermocline en de bovenkant van de diepe isothermische laag en heeft dus enige seizoenvariatie. Er zijn andere akoestische kanalen, met name in de bovenste gemengde laag , maar de straalpaden verliezen energie door oppervlak- of bodemreflecties. In het SOFAR-kanaal worden met name lage frequenties teruggebogen in het kanaal, zodat het energieverlies klein is en het geluid duizenden kilometers aflegt.
