Akoestische thermometrie en onderwatergeluid Oplossingen voor onderwatergeluid

Akoestische thermometrie en onderwatergeluid

Eén van de manieren om de onderwatergeluiden te meten is via akoestische thermometrie (ATOC – Acoustic Thermometry of Ocean Climate).

Geluid 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.

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 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.

Als je de reistijd van een geluidspuls in het SOFAR-kanaal en de afgelegde afstand kent, kun je eenvoudig de gemiddelde snelheid berekenen die hij aflegde (snelheid = afstand / tijd). Die snelheid zal dan direct correleren met een bepaalde temperatuur. Je bekomt geen duidelijk beeld van de temperatuur op elk punt op het pad, enkel de informatie over de gemiddelde temperatuur tussen de twee punten. Als het vorig jaar 1.000 seconden kostte voordat een puls 1.500.000 meter van Californië naar Hawaï aflegde, maar het dit jaar 999 seconden duurt, dan moet het geluid sneller gaan. Die verhoogde geluidssnelheid kan het gevolg zijn van een temperatuurstijging. Kleine veranderingen in de watertemperatuur zijn het gevolg van het opnemen van grote hoeveelheden warmte, omdat water een grote warmtecapaciteit heeft. Veranderingen in temperatuur in diep water kunnen een nauwkeurigere indicator zijn voor het broeikaseffect dan veranderingen in temperatuur in de atmosfeer, omdat lucht een kleine warmtecapaciteit heeft.

akoestische detectie

Gehoor is een eigenschap van alle vertebraten. Omdat in water geluid veel verder draagt dan licht, is geluid voor zeedieren van extra belang. Mariene zoogdieren steunen op hun akoestisch detectie om hun omgeving te 'voelen', te communiceren en objecten zoals voedsel, obstakels en andere diersoorten te identificeren. Vissen kunnen verschillende geluiden produceren (klikken, kwaken, knorren, enz.) die bijvoorbeeld gebruikt worden voor het aantrekken van geschikte partners en het afweren van predatoren. Ook mariene ongewervelden maken gebruik van geluid ter bescherming en in het kader van reproductie. Onderzoek hiernaar is beperkt, maar bijv. voor sommige kreeft- en garnaalsoorten bleek geluid van groot belang te zijn voor het afschrikken van en waarschuwen voor predatoren. Er zijn dus verscheidene mariene diersoorten afhankelijk van de productie en ontvangst van geluid voor een aantal levensaspecten. Door de mens geïntroduceerde factoren die de het geluidsniveau veranderen kunnen een impact hebben op deze eigenschappen.

oorverdovend geluid

De mens veroorzaakt zowel een toename in geluid als een verandering in de geluidsoverdragende eigenschappen van water. In de oceaan is er altijd een natuurlijke hoeveelheid achtergrondgeluid, veroorzaakt door onder meer de organismen zelf, golven, regen, aardbevingen en vulkanisme. Door menselijk toedoen wordt in sommige gebieden een 100 maal hogere intensiteit opgemeten. De belangrijkste oorzaken zijn scheepsvaart, bouwwerken, akoestische technieken (zowel voor onderzoek, militaire, en commerciële doeleinden), onderwater explosies (commercieel en militair) en olieproductie. Elke bron kan een ander effect hebben, afhankelijk van het frequentiebereik, de intensiteit en de duur (continu, in pulsen of intermediair) van het geproduceerde geluid. Schepen produceren bijvoorbeeld andere geluidsgolven naargelang hun type, grootte, snelheid en voortstuwingssysteem. Het gaat echter, net zoals bij mariene zoogdieren, meestal om lage frequentiegolven. Golven met een lage frequentie zijn ook deze die het verste reiken. Geluid kan problemen teweegbrengen bij dieren, waaronder een verandering van gedrag, een reductie van de communicatieafstand voor sociaal gedrag, foerageer- en predatorvermijding, tijdelijke of permanente schade aan het gehoor en/of in extreme gevallen, habitatverlating of zelfs sterfte.

oceaanverzuring

Een voorbeeld van een door de mens veroorzaakte verandering die invloed heeft op de geluidsoverdracht onder water is oceaanverzuring, doordat er meer koolstofgas in het water opgelost zit. Dit proces veroorzaakt een vermindering in de geluidsabsorptie bij frequenties lager dan 10 kHz. Hierdoor kunnen lagere frequentiegolven langere afstanden afleggen. Er zijn verschillende voorspellingen voor de mate waarin dit effect zal bijdragen aan de geluidsconcentratie in de toekomst. Er zijn studies die aangeven dat in bepaalde dichter bij de polen gelegen gebieden de geluidsabsorberende capaciteit van het zeewater met 60% zou dalen. Een recentere studie uitgevoerd door drie onafhankelijke teams toonde daarentegen met mathematische modellen aan dat het geluidsniveau tegen 2100 met maximaal 2dB zal stijgen door de invloed van acidificatie (meer koolzuurgas in het water). Dit is minder dan de natuurlijke geluidsvariatie en is dus weinig relevant in vergelijking met geluid gecreeerd door natuurlijke gebeurtenissen zoals stormen of grotere golven.

Of de oceaanverzuring en het broeikaseffect op termijn meer hinder voor de zeezoogdieren teweegbrengen op gebied van hun akoestisch detectie is niet duidelijk. Wat wel zeker is, is dat de overlast door de hoeveelheid niet natuurlijke geluiden hen enorme hinder en schade kunnen toebrengen, soms met de dood tot gevolg. 