En acústica , los microbaroms , también conocidos como la " voz del mar ", [1] [2] son una clase de ondas infrasónicas atmosféricas generadas en tormentas marinas [3] [4] por una interacción no lineal de las olas de la superficie del océano con la atmósfera. [5] [6] Por lo general, tienen formas de onda de banda estrecha , casi sinusoidales con amplitudes de hasta unos pocos microbares , [7] [8] y períodos de onda cercanos a los 5 segundos (0,2 hercios ). [9] [10] Debido a la baja absorción atmosférica a estas bajas frecuencias , los microbaromos pueden propagarse a miles de kilómetros en la atmósfera y pueden detectarse fácilmente mediante instrumentos ampliamente separados en la superficie de la Tierra. [5] [11]
Los microbaromos son una fuente de ruido importante que puede interferir potencialmente con la detección de infrasonidos de explosiones nucleares que es un objetivo del Sistema Internacional de Monitoreo organizado bajo el Tratado de Prohibición Completa de los Ensayos Nucleares (que no ha entrado en vigor). [12] Es un problema particular para detectar pruebas de bajo rendimiento en el rango de un kilotón porque los espectros de frecuencia se superponen. [11]
Historia
El motivo del descubrimiento de este fenómeno fue un accidente: los aerólogos que trabajan en las estaciones hidrometeorológicas marinas y embarcaciones llamaron la atención sobre el extraño dolor que experimenta una persona al acercarse a la superficie de una sonda meteorológica estándar (un globo lleno de hidrógeno). Durante una de las expediciones, el meteorólogo jefe VA Berezkin demostró este efecto al académico soviético VV Shuleikin. Este fenómeno despertó un interés genuino entre los científicos; Para estudiarlo, se diseñó un equipo especial para registrar vibraciones potentes pero de baja frecuencia que no son audibles para los oídos humanos.
Como resultado de varias series de experimentos, se aclaró la esencia física de este fenómeno y en 1935 cuando VV Shuleikin publicó su primer trabajo íntegramente dedicado a la naturaleza infrasónica de la “voz del mar”. Las microbarras fueron descritas por primera vez en Estados Unidos en 1939 por los sismólogos estadounidenses Hugo Benioff y Beno Gutenberg en el Instituto de Tecnología de California en Pasadena , basándose en observaciones de un microbarógrafo electromagnético , [11] que consiste en una caja de madera con un altavoz de baja frecuencia montado en cima. [13] Anotaron su similitud con microsismos observados en sismógrafos , [9] y correctamente plantearon la hipótesis de que estas señales eran el resultado de sistemas de baja presión en el Océano Pacífico Noreste. [11] En 1945, el geocientífico suizo L. Saxer mostró la primera relación de los microbaromos con la altura de las olas en las tormentas oceánicas y las amplitudes de los microbaromos. [9] Siguiendo la teoría de microsísmos de MS Longuet-Higgins, Eric S. Posmentier propuso que las oscilaciones del centro de gravedad del aire sobre la superficie del océano en la que aparecen las ondas estacionarias eran la fuente de microbaroms, explicando la duplicación de la frecuencia de las olas del océano en la frecuencia microbarom observada. [14] Ahora se entiende que los microbaromos se generan mediante el mismo mecanismo que produce microsismos secundarios . La primera teoría cuantitativamente correcta de la generación de microbaromos se debe a LM Brekhovskikh, quien demostró que es la fuente de microsísmos en el océano que se acopla a la atmósfera. Esto explica que la mayor parte de la energía acústica se propague cerca de la dirección horizontal al nivel del mar. [15]
Teoría
Las ondas de gravedad aisladas de la superficie del océano que viajan irradian sólo ondas acústicas evanescentes , [7] y no generan microbaromos. [dieciséis]
La interacción de dos trenes de ondas superficiales de diferentes frecuencias y direcciones genera grupos de ondas . Para ondas que se propagan casi en la misma dirección, esto da los conjuntos habituales de ondas que viajan a la velocidad de grupo, que es más lenta que la velocidad de fase de las ondas de agua. Para olas oceánicas típicas con un período de alrededor de 10 segundos, esta velocidad de grupo es cercana a 10 m / s.
En el caso de la dirección de propagación opuesta, los grupos viajan a una velocidad mucho mayor, que ahora es 2π ( f 1 + f 2 ) / ( k 1 - k 2 ) con k 1 y k 2 los números de onda de las ondas de agua que interactúan. Para trenes de ondas con una diferencia muy pequeña en la frecuencia (y por lo tanto en el número de ondas), este patrón de grupos de ondas puede tener la misma velocidad horizontal que las ondas acústicas, más de 300 m / s, y excitará los microbaromos.
En lo que respecta a las ondas sísmicas y acústicas, el movimiento de las olas del océano en aguas profundas es, en primer lugar , equivalente a una presión aplicada en la superficie del mar. [17] Esta presión es casi igual a la densidad del agua multiplicada por la velocidad orbital de la onda al cuadrado. Debido a este cuadrado, no es la amplitud de los trenes de ondas individuales lo que importa (líneas rojas y negras en las figuras) sino la amplitud de la suma, los grupos de ondas (línea azul en las figuras). El movimiento oceánico generado por esta "presión equivalente" se transmite luego a la atmósfera.
Si los grupos de ondas viajan más rápido que la velocidad del sonido, se generan microbaromos, con direcciones de propagación más cercanas a la vertical para los grupos de ondas más rápidos.
Las olas oceánicas reales están compuestas por un número infinito de trenes de ondas de todas las direcciones y frecuencias, lo que proporciona una amplia gama de ondas acústicas. En la práctica, la transmisión del océano a la atmósfera es más fuerte para ángulos de alrededor de 0,5 grados con respecto a la horizontal. Para la propagación casi vertical, la profundidad del agua puede jugar un papel amplificador como lo hace para los microsísmos.
La profundidad del agua solo es importante para aquellas ondas acústicas que tienen una dirección de propagación dentro de los 12 ° de la vertical en la superficie del mar [18]
Siempre hay algo de energía que se propaga en la dirección opuesta. Sin embargo, su energía puede ser extremadamente baja. La generación significativa de microbarom solo ocurre cuando hay una cantidad significativa de energía a la misma frecuencia y en direcciones opuestas. Esto es más fuerte cuando las olas de diferentes tormentas interactúan o al abrigo de una tormenta [19] [20] que producen las condiciones de onda estacionarias requeridas , [16] también conocidas como clapotis . [21] Cuando la tormenta oceánica es un ciclón tropical , los microbaroms no se producen cerca de la pared del ojo donde las velocidades del viento son mayores, sino que se originan en el borde de fuga de la tormenta donde las olas generadas por la tormenta interactúan con el oleaje ambiental del océano . [22]
Los microbaromos también pueden ser producidos por ondas estacionarias creadas entre dos tormentas, [19] o cuando un oleaje oceánico se refleja en la costa. Las ondas con períodos de aproximadamente 10 segundos son abundantes en los océanos abiertos y corresponden al pico espectral infrasónico de 0,2 Hz observado de los microbaroms, porque los microbaroms exhiben frecuencias dos veces mayores que las de las olas oceánicas individuales. [19] Los estudios han demostrado que el acoplamiento produce ondas atmosféricas que se propagan solo cuando se consideran términos no lineales . [9]
Los microbaromos son una forma de infrasonido atmosférico persistente de bajo nivel, [23] generalmente entre 0,1 y 0,5 Hz, que puede detectarse como ráfagas de energía coherente o como una oscilación continua. [11] Cuando las llegadas de ondas planas de una fuente microbarom se analizan a partir de una matriz en fase de microbarógrafos estrechamente espaciados, se encuentra que el acimut de la fuente apunta hacia el centro de baja presión de la tormenta que se origina. [24] Cuando las olas se reciben en varios sitios distantes de la misma fuente, la triangulación puede confirmar que la fuente está cerca del centro de una tormenta oceánica. [4]
Los microbaromos que se propagan hasta la termosfera inferior pueden ser transportados en una guía de ondas atmosféricas , [25] refractados hacia la superficie desde altitudes inferiores a 120 km y superiores a 150 km, [19] [26] o disipados en altitudes entre 110 y 140 km. [27] También pueden quedar atrapados cerca de la superficie en la troposfera inferior por los efectos de la capa límite planetaria y los vientos superficiales, o pueden ser conducidos en la estratosfera por los vientos de los niveles superiores y devueltos a la superficie mediante refracción, difracción o dispersión . [28] Estos conductos troposféricos y estratosféricos solo se generan a lo largo de las direcciones dominantes del viento, [26] pueden variar según la hora del día y la estación, [28] y no devolverán los rayos de sonido al suelo cuando los vientos superiores son suaves. [19]
El ángulo de incidencia del rayo microbarom determina cuál de estos modos de propagación experimenta. Los rayos dirigidos verticalmente hacia el cenit se disipan en la termosfera y son una fuente importante de calentamiento en esa capa de la atmósfera superior . [27] En latitudes medias en condiciones típicas de verano, los rayos entre aproximadamente 30 y 60 grados de la vertical se reflejan desde altitudes superiores a 125 km, donde las señales de retorno se atenúan fuertemente primero. [29] Los rayos lanzados en ángulos menos profundos pueden reflejarse desde la estratosfera superior a aproximadamente 45 km sobre la superficie en latitudes medias, [29] o desde 60 a 70 km en latitudes bajas. [19]
Microbaromos y atmósfera superior
Los científicos atmosféricos han utilizado estos efectos para la detección remota inversa de la atmósfera superior utilizando microbaroms. [25] [30] [31] [32] La medición de la velocidad de la traza de la señal de microbarom reflejada en la superficie da la velocidad de propagación a la altura de reflexión, siempre que se suponga que la velocidad del sonido solo varía a lo largo de la vertical, y no sobre la horizontal, es válido. [29] Si la temperatura a la altura de reflexión se puede estimar con suficiente precisión, la velocidad del sonido se puede determinar y restar de la velocidad de la traza, dando la velocidad del viento en el nivel superior. [29] Una ventaja de este método es la capacidad de medir continuamente; otros métodos que solo pueden tomar mediciones instantáneas pueden tener sus resultados distorsionados por efectos a corto plazo. [8]
Se puede deducir información atmosférica adicional a partir de la amplitud del microbarom si se conoce la intensidad de la fuente. Los microbaromos son producidos por energía dirigida hacia arriba transmitida desde la superficie del océano a través de la atmósfera. La energía dirigida hacia abajo se transmite a través del océano hasta el fondo del mar, donde se acopla a la corteza terrestre y se transmite como microsísmos con el mismo espectro de frecuencia. [8] Sin embargo, a diferencia de los microbaroms, donde los rayos casi verticales no regresan a la superficie, solo los rayos casi verticales en el océano se acoplan al fondo del mar. [28] Al monitorear la amplitud de microsismos recibidos de la misma fuente usando sismógrafos, se puede derivar información sobre la amplitud de la fuente. Debido a que la tierra sólida proporciona un marco de referencia fijo, [33] el tiempo de tránsito de los microsismos desde la fuente es constante, y esto proporciona un control del tiempo de tránsito variable de los microbaromos a través de la atmósfera en movimiento. [8]
Ver también
- Microsísmo
Otras lecturas
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Los microbaromos son ondas infrasónicas generadas por interacciones no lineales de ondas de la superficie del océano que viajan en direcciones casi opuestas con frecuencias similares. Tales interacciones ocurren comúnmente entre las olas del océano con períodos de aproximadamente 10 segundos, que son abundantes en los océanos abiertos y corresponden al pico espectral infrasónico observado de 0.2 Hz.
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En este proceso se produce la interferencia de ondas de diferente dirección, que forman ondas de agua estancadas, o las llamadas clapotis ... Para examinar y ubicar estas ondas, se propone utilizar sus propiedades inherentes para ejercer ("bombear") un presión variable en el fondo del océano, que genera vibraciones microsísmicas, y para irradiar infrasonidos a la atmósfera.
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Las señales infrasónicas en la banda microbarom (alrededor de 0,2 Hz) generadas por huracanes a menudo no parecen originarse cerca del ojo donde los vientos son más fuertes. Este artículo sugiere que las condiciones propicias para la generación de microbarom (y microsísmo) pueden ocurrir a lo largo de la periferia final de la tormenta a través de la interacción del campo de ondas generado por la tormenta con el campo de oleaje ambiental ...
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La corteza terrestre puede considerarse un medio invariable en el tiempo. La comparación de microbaromos y microsísmos permite realizar un seguimiento de los canales acústicos.
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