Микробаром - Microbarom

В акустика, микробаромы, также известный как "голос моря",[1][2] являются классом атмосферный инфразвуковой волны генерируется в морской штормы[3][4]по нелинейный взаимодействие океанские поверхностные волны с атмосферой.[5][6] У них обычно есть узкополосный, Около синусоидальный формы волны с амплитудами до нескольких микробары,[7][8]и периоды волн около 5 секунд (0,2 герц ).[9][10] Из-за низкого атмосферного поглощение на этих низких частоты, микробароны могут размножаться тысячи километров в атмосфере, и их можно легко обнаружить с помощью удаленных друг от друга инструментов на поверхности Земли.[5][11]

Микробароны являются значительным источником шума, который потенциально может помешать обнаружению инфразвука от ядерные взрывы это цель Международной системы мониторинга, организованной в рамках Договор о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (который не вступил в силу).[12] Это особая проблема для обнаружения малоэффективных тестов в одно-килотонна диапазон, потому что частотные спектры перекрываются.[11]

История

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). Во время одной из экспедиций этот эффект был продемонстрирован советскому академику В. В. Шулейкин главного метеоролога Березкина В.А. Это явление вызвало неподдельный интерес 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 г. Американец сейсмологи Уго Бениофф и Бено Гутенберг на Калифорнийский технологический институт в Пасадена на основе наблюдений с электромагнитного микробарограф,[11] состоящий из деревянного ящика с установленным сверху низкочастотным динамиком.[13]Они отметили их сходство с микросейсм наблюдается на сейсмографы,[9] и правильно предположил, что эти сигналы были результатом систем низкого давления в северо-восточной части Тихого океана.[11] В 1945 г. Швейцарский геофизик Л. Саксер показал первую взаимосвязь микробаромов с высотой волн в океанских штормах и амплитудами микробаром.[9] Следуя теории микросейсм М. С. Лонге-Хиггинса, Эрик С. Посментье предположил, что колебания центр гравитации Воздуха над поверхностью океана, на котором возникают стоячие волны, были источником микробаром, что объясняет удвоение частоты океанских волн в наблюдаемой частоте микробарома.[14]Теперь считается, что микробаромы генерируются тем же механизмом, который делает вторичные микросейсм. Первая количественно правильная теория генерации микробаром связана с Л. М. Бреховских кто 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

Изолированные путешествия поверхности океана гравитационные волны излучать только мимолетный акустические волны,[7]и не создают микробаром.[16]

Взаимодействие двух поездов поверхностные волны разных частот и направлений генерирует 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 это групповая скорость близка к 10 м / с.

В случае противоположного направления распространения группы движутся с гораздо большей скоростью, которая теперь составляет 2π (ж1 + ж2)/(k1 − k2) с k1 и k2 волновые числа взаимодействующих волн на воде. Для серий волн с очень небольшой 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, созданные 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 линейные волны на воде, но группы распространяются намного быстрее. (Анимация )

Что касается сейсмических и акустических волн, движение океанских волн на глубокой воде зависит от ведущий заказ, что эквивалентно давлению, приложенному к поверхности моря.[17] Это давление почти равно плотности воды, умноженной на волну. орбитальная скорость в квадрате. Из-за этого квадрата значение имеет не амплитуда отдельных волновых последовательностей (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, 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 для углов 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: логарифмический масштаб 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 микробарома происходит только тогда, когда имеется значительная энергия с той же частотой и в противоположных направлениях. Это наиболее сильный эффект при взаимодействии волн от разных штормов или под защитой от шторма. [19][20]которые производят необходимые стоячая волна условия,[16] также известный как Clapotis.[21] Когда шторм в океане тропический циклон, микробароны не производятся вблизи стенка глаза где скорость ветра наибольшая, но происходит от задней кромки шторма, где волны, генерируемые штормом, взаимодействуют с окружающим океаном набухает.[22]

Микробароны также могут быть вызваны стоячими волнами, возникающими между двумя штормами,[19] или когда океанская волна отражается от берега. Волны с периодом приблизительно 10 секунд распространены в открытых океанах и соответствуют наблюдаемому инфразвуковому спектральному пику микробаром с частотой 0,2 Гц, поскольку микробароны имеют частоты в два раза выше, чем у отдельных океанских волн.[19] Исследования показали, что связь создает распространяющиеся атмосферные волны только тогда, когда нелинейный сроки считаются.[9]

Микробароны - это форма устойчивого низкоуровневого атмосферного инфразвука,[23] обычно от 0,1 до 0,5 Гц, что может быть обнаружено как когерентные всплески энергии или как непрерывные колебания.[11] Когда плоская волна поступления от источника микробаром анализируются из фазированная решетка близко расположенных микробарографов, источник азимут Обнаружено, что он 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 океанской бури.[4]

Микробаромы, распространяющиеся до нижних термосфера может перевозиться в атмосферный волновод,[25] преломленный назад к поверхности с высоты ниже 120 км и выше 150 км,[19][26]или же рассеянный на высотах от 110 до 140 км.[27]Они также могут быть захвачены у поверхности в нижнем тропосфера к планетарный пограничный слой эффекты и приземные ветры, или они могут быть унесены в стратосферу ветрами более высоких уровней и возвращены на поверхность через преломление, дифракция или же рассеяние.[28]Эти тропосферные и стратосферные каналы образуются только вдоль преобладающих направлений ветра,[26]может меняться в зависимости от времени суток и сезона,[28]и не будет 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 верхняя атмосфера.[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 сильно выражены. ослабленный первый.[29]Лучи, выпущенные под меньшими углами, могут отражаться от верхних слоев стратосферы на высоте примерно 45 км над поверхностью в средних широтах,[29]или от 60–70 км в низких широтах.[19]

Микробароны и верхняя атмосфера

Атмосферные ученые использовали эти эффекты для обратного дистанционное зондирование верхних слоев атмосферы с помощью микробаромов.[25][30][31][32]Измерение скорости следа отраженного микробаромного сигнала на поверхности дает скорость распространения на высоте отражения, если допущение, что скорость звука изменяется только по вертикали, а не по горизонтали, действительно.[29] Если температуру на высоте отражения можно оценить с достаточной точностью, то скорость звука может быть определена и вычтена из следовой скорости, давая 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 микробаронов, где почти вертикальные лучи не возвращаются на поверхность, только почти вертикальные лучи в океане связаны с морским дном.[28] Контролируя амплитуду полученных микросейсм от одного и 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]

Смотрите также

дальнейшее чтение

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

Рекомендации

  1. ^ Bowman, H. S .; Бедард, А. Дж. (1971). «Наблюдения за инфразвуковыми и дозвуковыми возмущениями, связанными с суровой погодой». Geophys. J. R. Astron. Soc. 26 (1–4): 215–242. Bibcode:1971GeoJ ... 26..215B. Дои:10.1111 / j.1365-246X.1971.tb03396.x.
  2. ^ Бедард, А. Дж .; Жорж, Т. М. (2000). «Атмосферный инфразвук» (PDF). Физика сегодня. 53 (3): 32–37. Bibcode:2000ФТ .... 53с..32Б. Дои:10.1063/1.883019.
  3. ^ «Микробаром». Словарь научных и технических терминов Макгроу-Хилла. Макгроу-Хилл. 2003. ISBN  978-0-07-042313-8.
  4. ^ а б «Микробаром». Инфразвуковые сигналы. Университет Аляски в Фэрбенксе, Геофизический институт, Группа инфразвуковых исследований. Архивировано из оригинал на 2008-02-15. Получено 2007-11-22.
  5. ^ а б Garcés, M.A .; Hetzer, C.H .; 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, К. Э. (2006). «Излучение атмосферных микробаром океанскими волнами». Журнал Акустического общества Америки. 119 (5): 2651. Bibcode:2006ASAJ..119.2651W. Дои:10.1121/1.2191607. Акустическое излучение, возникающее в результате движения границы раздела воздух / вода, как известно, является нелинейным эффектом.
  7. ^ а б Arendt, S .; Фриттс, округ Колумбия (2000). «Акустическое излучение поверхностных волн океана». Журнал гидромеханики. 415 (1): 1–21. Bibcode:2000JFM ... 415 .... 1А. Дои: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 c d Donn, W. L .; Ринд, Д. (1972). «Микробароны, температура и ветер в верхних слоях атмосферы». Журнал атмосферных наук. 29 (1): 156–172. Bibcode:1972JAtS ... 29..156D. Дои:10.1175 / 1520-0469 (1972) 029 <0156: MATTAW> 2.0.CO; 2.
  9. ^ а б c d Olson, J. V .; Szuberla, C.A. L. (2005). «Распределение размеров волновых пакетов в цугах микробаромных волн, наблюдаемых на Аляске». Журнал Акустического общества Америки. 117 (3): 1032. Bibcode:2005ASAJ..117.1032O. Дои:10.1121/1.1854651.
  10. ^ Вниз, У. Л. (1967). «Естественный инфразвук пяти секундного периода». Природа. 215 (5109): 1469–1470. Bibcode:1967Натура.215.1469D. Дои:10.1038 / 2151469a0. S2CID  4164934.
  11. ^ а б c d е Уиллис, М. С .; Garces, M .; Hetzer, C .; Бусингер, С. (2004). «Моделирование источников микробаром в Тихом океане» (PDF). Ежегодное собрание AMS 2004. Получено 2007-11-22.
  12. ^ Der, Z. A .; Shumway, R.H .; Херрин, Э. Т. (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 приборы и приложения для обнаружения инфразвука. Примитивная аппаратура представляла собой деревянный ящик с установленным сверху низкочастотным динамиком.
  14. ^ "Микробаромы" (gif). Программа Infrasonics. Университет Аляски в Фэрбенксе, Геофизический институт. Получено 2007-11-25.
  15. ^ Бреховских, Л. М .; Гончаров, В. В .; Куртепов, В. М .; 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. ^ а б Браун, Дэвид (июнь 2005 г.). «Слушая ЗЕМЛЮ». Новости AUSGEO. Получено 2007-11-22. Важно отметить, что изолированные бегущие океанские волны не излучают акустически. Излучение микробарома требует условий стоячей волны ...[постоянная мертвая ссылка ]
  17. ^ Хассельманн, К. (1963), "Статистический анализ генерации микросейсм", Rev. Geophys., 1 (2): 177–210, Bibcode:1963RvGSP ... 1..177H, Дои: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, Дои:10.1093 / gji / ggaa015
  19. ^ а б c d е ж Гарсес, М.А., Уиллис, М., Хетцер, К., Бусинджер, С. (июль 2004 г.). "Охота за негерметичными приподнятыми инфразвуковыми волноводами" (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-05-15. Получено 2007-11-23. 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 примерно 10 секунд, которые в изобилии присутствуют в открытом океане и соответствуют наблюдаемому инфразвуковому спектральному пику 0,2 Гц. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  20. ^ Ardhuin, F .; Stutzmann, E .; Schimmel, M .; Мангени, А. (2011), «Океанские волновые источники сейсмического шума» (PDF), J. Geophys. Res., 115 (C9): C09004, Bibcode:2011JGRC..116.9004A, Дои:10.1029 / 2011jc006952
  21. ^ Табулевич, В.Н .; Пономарев, Е.А .; Сорокин, А.Г .; Дреннова, Н. (2001). «Стоячие морские волны, микросейсмы и инфразвук». Изв. Акад. Наук, Физ. Атмос. Океана. 37: 235–244. Получено 2007-11-28. В этом процессе возникает интерференция разнонаправленных волн, которая образует 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. ^ Хетцер, К. Х., Р. Вакслер, К. Э. Гилберт, К. Л. Талмадж и Х. Э. Басс (2008). «Инфразвук от ураганов: зависимость от поля поверхностных волн океана». Geophys. Res. Латыш. 35 (14): L14609. Bibcode:2008GeoRL..3514609H. Дои: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 возникновению 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 (связь)<
  23. ^ Болл, П. (2004-01-04). «Метеоры проникают с треском». Новости природы. Дои:10.1038 / news010104-8. Архивировано из оригинал (– Академический поиск) 20 июня 2004 г.. Получено 2007-11-22. ... 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 Уилсон; Дэниел Осборн (2001). «Исследования микробаром с использованием нескольких инфразвуковых массивов» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2004-10-21. Получено 2007-11-22. Когда мы выполняем аппроксимацию по методу наименьших квадратов для прихода плоских волн для данных, мы находим очевидные азимутальные точки источника в центр центра низкого давления шторма. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  25. ^ а б 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. ^ а б 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. ^ а б Ринд, Д. (1977). «Нагрев нижней термосферы за счет рассеяния акустических волн». Журнал атмосферной и земной физики. 39 (4): 445–456. Bibcode:1977JATP ... 39..445R. Дои:10.1016/0021-9169(77)90152-0. Инфразвук с частотой 0,2 Гц, известный как микробарома, создаваемый интерферирующими океанскими волнами, распространяется в нижнюю термосферу, где рассеивается на расстоянии от 110 до 140 км.
  28. ^ а б c Garcés, M .; Drob, D.P .; 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. Дои: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 поэтому они могут быть спорадическими или сезонными.
  29. ^ а б c d Rind, D .; Donn, W.L .; Деде, Э. (ноябрь 1973 г.). "Скорость ветра в верхних слоях атмосферы, рассчитанная по наблюдениям естественного инфразвука". Журнал атмосферных наук. 30 (8): 1726–1729. Bibcode:1973JAtS ... 30.1726R. Дои: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. ^ Эттер, Пол С. (2003). Подводное акустическое моделирование и симуляция. Лондон: Spon Press. п. 15. ISBN  978-0-419-26220-6. Атмосферные ученые использовали естественный низкочастотный звук (микробаром), чтобы исследовать верхние слои атмосферы обратным образом.
  31. ^ Табулевич, В.Н .; Сорокин, А.Г .; Пономарев, Е.А. (1998). «Микросейсмы и инфразвук: разновидность дистанционного зондирования». Физика Земли и планетных недр. 108 (4): 339–346. Bibcode:1998ПЭПИ..108..339Т. Дои:10.1016 / S0031-9201 (98) 00113-7.
  32. ^ Donn, W.L .; Ринд, Д. (1971). «Природный инфразвук как зонд атмосферы». Geophys. J. R. Astron. Soc. 26 (1–4): 111–133. Bibcode:1971GeoJ ... 26..111D. Дои: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. «Инфразвуковые волны в атмосфере над Восточной Сибирью» (PDF). Акустический институт им. Н. Н. Андреева (Москва, Россия). Архивировано из оригинал (PDF) на 30.01.2006. Земную кору можно рассматривать как среду, не зависящую от времени. Путем сравнения микробаромов и микросейсм это позволяет проводить мониторинг акустических каналов. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)