Ocean acoustic tomography
महासागर ध्वनिक टोमोग्राफी एक तकनीक है जिसका उपयोग महासागर के बड़े क्षेत्रों में तापमान और धाराओं को मापने के लिए किया जाता है। महासागर बेसिन तराजू पर, इस तकनीक को ध्वनिक थर्मोमेट्री के रूप में भी जाना जाता है। तकनीक दो उपकरणों, एक ध्वनिक स्रोत और एक रिसीवर के बीच यात्रा करने के लिए ध्वनि संकेतों को लेने वाले समय को सटीक रूप से मापने पर निर्भर करती है। यदि उपकरणों के स्थानों को सटीक रूप से जाना जाता है, तो ध्वनिक पथ पर औसत ध्वनि की गति का अनुमान लगाने के लिए उड़ान के समय के माप का उपयोग किया जा सकता है। ध्वनि की गति में परिवर्तन मुख्य रूप से समुद्र के तापमान में परिवर्तन के कारण होते हैं, इसलिए यात्रा के समय का माप तापमान के माप के बराबर होता है। तापमान में परिवर्तन ध्वनि की गति में परिवर्तन से मेल खाता है। टोमोग्राफी को नियोजित करने वाला एक समुद्र विज्ञान प्रयोग आमतौर पर समुद्र के एक क्षेत्र को मापने वाली एक घुमावदार सरणी में कई स्रोत-प्राप्तकर्ता जोड़े का उपयोग करता है। प्रेरणा समुद्री जल एक विद्युत संवाहक है, इसलिए महासागर विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा (जैसे, प्रकाश या रडार) के लिए अपारदर्शी हैं। हालाँकि, महासागर कम आवृत्ति वाले ध्वनिकी के लिए काफी पारदर्शी हैं। महासागर बहुत कुशलता से ध्वनि का संचालन करते हैं, विशेष रूप से कम आवृत्तियों पर ध्वनि, यानी कुछ सौ हर्ट्ज से कम। इन गुणों ने वाल्टर मंक और कार्ल वुन्श को 1970 के दशक के अंत में महासागर माप के लिए "ध्वनिक टोमोग्राफी" का सुझाव देने के लिए प्रेरित किया। तापमान को मापने के लिए ध्वनिक दृष्टिकोण के दो गुना फायदे हैं। सबसे पहले, महासागर के आंतरिक भाग के बड़े क्षेत्रों को रिमोट सेंसिंग द्वारा मापा जा सकता है। दूसरा, तकनीक स्वाभाविक रूप से तापमान के छोटे पैमाने के उतार-चढ़ाव (यानी शोर) पर औसत होती है जो महासागर परिवर्तनशीलता पर हावी होती है। अपनी शुरुआत से, ध्वनिकी द्वारा महासागर के अवलोकन के विचार को आधुनिक संख्यात्मक महासागर मॉडल और संख्यात्मक मॉडल में डेटा को आत्मसात करने की तकनीकों का उपयोग करके महासागर की स्थिति के अनुमान से जोड़ा गया था। जैसे-जैसे अवलोकन तकनीक परिपक्व हुई है, वैसे-वैसे डेटा आत्मसात करने के तरीके और उन गणनाओं को करने के लिए आवश्यक कंप्यूटिंग शक्ति भी है। मल्टीपाथ आगमन और टोमोग्राफी टोमोग्राफी के दिलचस्प पहलुओं में से एक यह है कि यह इस तथ्य का फायदा उठाता है कि ध्वनिक संकेत आम तौर पर स्थिर किरण पथों के एक समूह के साथ यात्रा करते हैं। एकल संचारित ध्वनिक संकेत से, किरणों का यह समूह प्राप्तकर्ता पर कई आगमनों को जन्म देता है, प्रत्येक आगमन का यात्रा समय एक विशेष किरण पथ के अनुरूप होता है। सबसे पहले आने वाली किरणें गहरी यात्रा करने वाली किरणों के अनुरूप होती हैं, क्योंकि ये किरणें वहाँ यात्रा करती हैं जहाँ ध्वनि की गति सबसे अधिक होती है। किरण पथ की गणना आसानी से कंप्यूटर ("किरण अनुरेखण") का उपयोग करके की जाती है, और प्रत्येक किरण पथ को आम तौर पर एक विशेष यात्रा समय के साथ पहचाना जा सकता है। कई यात्रा समय कई ध्वनिक पथों में से प्रत्येक पर औसत ध्वनि की गति को मापते हैं। इन मापों से गहराई के कार्य के रूप में तापमान की संरचना या वर्तमान भिन्नताओं के पहलुओं का अनुमान लगाना संभव हो जाता है। ध्वनिक यात्रा के समय से ध्वनि की गति, इसलिए तापमान का समाधान एक व्युत्क्रम समस्या है। लंबी दूरी के ध्वनिक मापों का एकीकृत गुण महासागर ध्वनिक टोमोग्राफी बड़ी दूरी पर तापमान भिन्नताओं को एकीकृत करता है, यानी, मापा गया यात्रा समय ध्वनिक पथ के साथ सभी तापमान भिन्नताओं के संचित प्रभावों के परिणामस्वरूप होता है, इसलिए तकनीक द्वारा माप स्वाभाविक रूप से औसत होते हैं। यह एक महत्वपूर्ण, अद्वितीय गुण है, क्योंकि समुद्र की सर्वव्यापी छोटे पैमाने की अशांत और आंतरिक-लहर की विशेषताएं आमतौर पर एकल बिंदुओं पर माप में संकेतों पर हावी होती हैं। उदाहरण के लिए, थर्मामीटर द्वारा माप (यानी, लंगर वाले थर्मिस्टर या आर्गो ड्रिफ्टिंग फ्लोट्स) को इस 1 से 2 डिग्री सेल्सियस शोर का सामना करना पड़ता है, ताकि औसत तापमान का सटीक माप प्राप्त करने के लिए बड़ी संख्या में उपकरणों की आवश्यकता हो। समुद्री बेसिनों के औसत तापमान को मापने के लिए, ध्वनिक माप काफी लागत प्रभावी है। टोमोग्राफिक माप भी गहराई पर औसत परिवर्तनशीलता के साथ-साथ, क्योंकि किरण पथ पूरे जल स्तंभ में चक्र करते हैं। पारस्परिक टोमोग्राफी "पारस्परिक टोमोग्राफी" दो ध्वनिक ट्रांससीवरों के बीच एक साथ संचरण को नियोजित करती है। "ट्रांससीवर" एक ऐसा उपकरण है जिसमें ध्वनिक स्रोत और रिसीवर दोनों शामिल होते हैं। पारस्परिक रूप से यात्रा करने वाले संकेतों के बीच यात्रा के समय में मामूली अंतर का उपयोग महासागर की धाराओं को मापने के लिए किया जाता है, क्योंकि पारस्परिक संकेत वर्तमान के साथ और उसके खिलाफ यात्रा करते हैं। इन पारस्परिक यात्रा समय का औसत तापमान का माप है, जिसमें समुद्री धाराओं के छोटे प्रभाव पूरी तरह से हटा दिए गए हैं। समुद्र के तापमान का अनुमान पारस्परिक यात्रा समय के योग से लगाया जाता है, जबकि धाराओं का अनुमान पारस्परिक यात्रा समय के अंतर से लगाया जाता है। आम तौर पर, समुद्री धाराओं (आम तौर पर) का ध्वनि गति भिन्नताओं (आम तौर पर) की तुलना में यात्रा के समय पर बहुत कम प्रभाव पड़ता है, इसलिए "एक तरफा" टोमोग्राफी तापमान को अच्छे अनुमान के लिए मापती है। महासागर में अनुप्रयोग, मिनटों (आंतरिक लहरों) से लेकर दशकों (महासागरीय जलवायु परिवर्तन) तक के समय अंतराल में बड़े पैमाने पर तापमान में परिवर्तन हो सकते हैं। टोमोग्राफी को अस्थायी तराजू की इस विस्तृत श्रृंखला और स्थानिक तराजू की एक विस्तृत श्रृंखला पर परिवर्तनशीलता को मापने के लिए नियोजित किया गया है। वास्तव में, टोमोग्राफी को एंटीपोडल दूरी पर संचरण का उपयोग करके समुद्री जलवायु के माप के रूप में माना गया है। औसत महासागर तापमान या धारा के संक्षिप्त माप प्राप्त करने के लिए लंबी दूरी के ध्वनिक प्रसार की विशेषताओं का दोहन करते हुए, समुद्र अवलोकन की एक मूल्यवान विधि टोमोग्राफी बन गई है। महासागर अवलोकन में टोमोग्राफी के शुरुआती अनुप्रयोगों में से एक 1988-9 में हुआ। स्क्रिप्स इंस्टीट्यूशन ऑफ ओशनोग्राफी और वुड्स होल ओशनोग्राफिक इंस्टीट्यूशन के समूहों के बीच एक सहयोग ने गहरे पानी के गठन और गिर परिसंचरण का अध्ययन करने के लिए ग्रीनलैंड सागर गिर के रसातल के मैदान में छह-तत्व टोमोग्राफिक सरणी को तैनात किया। अन्य अनुप्रयोगों में महासागर ज्वार-भाटा की माप, और समुद्र के गतिशील मॉडल के साथ टोमोग्राफी, उपग्रह ऊंचाई और इन सीटू डेटा को मिलाकर महासागर मेसोस्केल गतिशीलता का अनुमान शामिल है। उत्तरी प्रशांत में प्राप्त दशक भर के मापों के अलावा, आर्कटिक महासागर बेसिन की ऊपरी परतों के तापमान परिवर्तनों को मापने के लिए ध्वनिक थर्मोमेट्री का उपयोग किया गया है, जो सक्रिय रुचि का क्षेत्र बना हुआ है। ध्वनिक थर्मोमेट्री का उपयोग हाल ही में पृथ्वी के एक छोर से दूसरे छोर तक भेजे गए ध्वनिक स्पंदों के आंकड़ों का उपयोग करके वैश्विक स्तर पर समुद्र के तापमान में परिवर्तन को निर्धारित करने के लिए किया गया था। ध्वनिक थर्मोमेट्री ध्वनिक थर्मोमेट्री दुनिया के महासागर बेसिनों और विशेष रूप से महासागर जलवायु का निरीक्षण करने का एक विचार है, जिसमें ट्रांस-बेसिन ध्वनिक संचरण का उपयोग किया जाता है। "टोमोग्राफी" के बजाय "थर्मोमेट्री" का उपयोग बेसिन-स्केल या वैश्विक पैमाने के माप को इंगित करने के लिए किया गया है। उत्तरी प्रशांत बेसिन और आर्कटिक बेसिन में तापमान के प्रोटोटाइप माप किए गए हैं। 1983 में, वुड्स होल ओशनोग्राफिक इंस्टीट्यूशन के जॉन स्पाइसबर्गर और मिशिगन विश्वविद्यालय के टेड बर्डसाल और कर्ट मेट्ज़गर ने समुद्र के बड़े पैमाने पर तापमान के बारे में जानकारी का अनुमान लगाने के लिए ध्वनि का उपयोग विकसित किया, और विशेष रूप से समुद्र में ग्लोबल वार्मिंग का पता लगाने का प्रयास किया। इस समूह ने ओआहू से ध्वनियों को प्रसारित किया जो प्रशांत महासागर के किनारे के आसपास तैनात लगभग दस रिसीवरों पर दर्ज किए गए थे। इन प्रयोगों से पता चला कि तापमान में परिवर्तन को लगभग 20 मिली डिग्री की सटीकता के साथ मापा जा सकता है। स्पाइसबर्गर एट अल। ग्लोबल वार्मिंग का पता नहीं चला। इसके बजाय उन्होंने पाया कि अन्य प्राकृतिक जलवायु उतार-चढ़ाव, जैसे कि अल नीनो, तापमान में पर्याप्त उतार-चढ़ाव के लिए आंशिक रूप से जिम्मेदार थे, जिसने ग्लोबल वार्मिंग से हुई किसी भी धीमी और छोटी प्रवृत्ति को छिपाया हो सकता है। एकॉस्टिक थर्मोमेट्री ऑफ ओशन क्लाइमेट (ए. टी. ओ. सी.) कार्यक्रम उत्तरी प्रशांत महासागर में 1996 से 2006 के पतन तक ध्वनिक प्रसारण के साथ लागू किया गया था। पर्यावरणीय प्रोटोकॉल पर सहमति समाप्त होने पर माप समाप्त हो गए। ध्वनिक स्रोत की दशक भर की तैनाती से पता चला है कि अवलोकन एक मामूली बजट पर भी टिकाऊ हैं। ध्वनिक पथों पर समुद्र के तापमान का सटीक माप प्रदान करने के लिए संचरणों को सत्यापित किया गया है, अनिश्चितताओं के साथ जो समुद्र के तापमान माप के किसी भी अन्य दृष्टिकोण की तुलना में बहुत कम हैं। प्राकृतिक रूप से होने वाले ध्वनिक स्रोतों के रूप में कार्य करने वाले बार-बार आने वाले भूकंपों का उपयोग ध्वनिक थर्मोमेट्री में भी किया गया है, जो विशेष रूप से गहरे महासागर में तापमान परिवर्तनशीलता का अनुमान लगाने के लिए उपयोगी हो सकते हैं, जो वर्तमान में इन-सीटू उपकरणों द्वारा खराब नमूने लिए जाते हैं। ध्वनिक संचरण और समुद्री स्तनधारी ए. टी. ओ. सी. परियोजना समुद्री स्तनधारियों पर ध्वनिकी के प्रभावों से संबंधित मुद्दों में उलझी हुई थी (जैसे। व्हेल, पोर्पोइज़, समुद्री शेर, आदि)। सार्वजनिक चर्चा विभिन्न विषयों (भौतिक समुद्र विज्ञान, ध्वनिकी, समुद्री स्तनपायी जीव विज्ञान, आदि) के तकनीकी मुद्दों से जटिल थी। इससे आम जनता की तो बात ही छोड़िए, विशेषज्ञों के लिए समुद्री स्तनधारियों पर ध्वनिकी के प्रभावों को समझना मुश्किल हो जाता है। समुद्र में ध्वनिकी और समुद्री स्तनधारियों पर उनके प्रभावों से संबंधित कई मुद्दे अज्ञात थे। अंत में, शुरू में कई तरह की सार्वजनिक गलत धारणाएँ थीं, जैसे कि हवा में ध्वनि के स्तर बनाम पानी में ध्वनि के स्तर की परिभाषा में भ्रम। यदि पानी में दी गई संख्या में डेसिबल की व्याख्या हवा में डेसिबल के रूप में की जाती है, तो ध्वनि स्तर वास्तव में उससे बड़े परिमाण का प्रतीत होगा-एक बिंदु पर ए. टी. ओ. सी. ध्वनि स्तर की गलत व्याख्या की गई थी क्योंकि संकेत इतने जोर से 500,000 जानवरों को मार देंगे। प्रयुक्त ध्वनि शक्ति, 250 डब्ल्यू, नीली या पंख वाली व्हेल द्वारा बनाई गई ध्वनि शक्ति की तुलना में थी, हालांकि वे व्हेल बहुत कम आवृत्तियों पर आवाज उठाती हैं। समुद्र ध्वनि को इतनी कुशलता से ले जाता है कि समुद्री घाटियों को पार करने के लिए ध्वनियों को इतना तेज नहीं होना पड़ता है। विवाद के अन्य कारक सक्रियतावाद के व्यापक इतिहास थे जहां समुद्री स्तनधारियों का संबंध है, जो चल रहे व्हेलिंग संघर्ष से उपजी है, और सहानुभूति जो अधिकांश जनता समुद्री स्तनधारियों के प्रति महसूस करती है। इस विवाद के परिणामस्वरूप, ए. टी. ओ. सी. कार्यक्रम ने विभिन्न प्रकार के समुद्री स्तनधारियों पर ध्वनिक संचरण के प्रभावों का 60 लाख डॉलर का अध्ययन किया। ध्वनिक स्रोत को तल पर लगभग आधा मील गहराई में स्थापित किया गया था, इसलिए समुद्री स्तनधारी, जो सतह से बंधे होते हैं, आम तौर पर स्रोत से आधे मील से अधिक दूर होते हैं। स्रोत स्तर मामूली था, बड़ी व्हेल के ध्वनि स्तर से कम, और शुल्क चक्र 2 प्रतिशत था (यानी, ध्वनि दिन के केवल 2 प्रतिशत पर होती है)। छह साल के अध्ययन के बाद अधिकारी ने इस अध्ययन से औपचारिक निष्कर्ष निकाला कि ए. टी. ओ. सी. संचरण का "कोई जैविक रूप से महत्वपूर्ण प्रभाव नहीं है।" जहाँ तक समुद्री स्तनधारियों का संबंध है, समुद्र में अन्य ध्वनिक गतिविधियाँ उतनी सौम्य नहीं हो सकती हैं। विभिन्न प्रकार की मानव निर्मित ध्वनियों का अध्ययन समुद्री स्तनधारियों के लिए संभावित खतरों के रूप में किया गया है, जैसे कि भूभौतिकीय सर्वेक्षण के लिए एयरगन शॉट, या विभिन्न उद्देश्यों के लिए अमेरिकी नौसेना द्वारा प्रसारण। वास्तविक खतरा शोर स्तरों से परे विभिन्न कारकों पर निर्भर करता हैः ध्वनि आवृत्ति, आवृत्ति और संचरण की अवधि, ध्वनिक संकेत की प्रकृति (जैसे, अचानक स्पंद, या कोडित अनुक्रम), ध्वनि स्रोत की गहराई, ध्वनि स्रोत की दिशात्मकता, पानी की गहराई और स्थानीय स्थलाकृति, प्रतिध्वनि, आदि। संचरित ध्वनिक संकेतों के प्रकार टोमोग्राफिक संचरण में 30 सेकंड या उससे अधिक समय तक चलने वाले लंबे कोडित संकेत (जैसे, "एम-अनुक्रम") होते हैं। नियोजित आवृत्तियाँ 50 से 1000 हर्ट्ज तक होती हैं और माप के विशेष लक्ष्यों के आधार पर स्रोत शक्तियाँ 100 से 250 डब्ल्यू तक होती हैं। जी. पी. एस. जैसे सटीक समय के साथ, यात्रा के समय को 1 मिलीसेकंड की नाममात्र सटीकता तक मापा जा सकता है। जबकि ये संचरण स्रोत के पास सुनाई देते हैं, कई किलोमीटर की सीमा से परे संकेत आमतौर पर परिवेशी शोर स्तर से नीचे होते हैं, उन्हें पुनर्प्राप्त करने के लिए परिष्कृत प्रसार-स्पेक्ट्रम संकेत प्रसंस्करण तकनीकों की आवश्यकता होती है। ध्वनिक समुद्र विज्ञान रे ट्रेसिंग सोफार चैनल एस. ओ. एस. यू. एस. स्पीड ऑफ साउंड टी. ओ. पी. ई. एक्स./पोसाइडन सैटेलाइट अल्टीमेट्री अंडरवाटर ध्वनिकी संदर्भ आगे पढ़ने के लिए बी. डी. दुशॉ, 2013 भी देखें। रिमोट सेंसिंग के विश्वकोश में "महासागर ध्वनिक टोमोग्राफी", ई. जी. एनजोकू, एड., स्प्रिंगर, स्प्रिंगर-वेरलैग बर्लिन हीडलबर्ग, 2013. डब्ल्यू. मंक, पी. वॉर्सेस्टर और सी. वुन्श (1995)। महासागर ध्वनिक टोमोग्राफी। कैम्ब्रिजः कैम्ब्रिज यूनिवर्सिटी प्रेस। .. पी. एफ. वॉर्सेस्टर, 2001: एनसाइक्लोपीडिया ऑफ ओशन साइंसेज में "टोमोग्राफी", जे. स्टील, एस. थोर्प, और के. टुरेकियन, एडस्., एकेडेमिक प्रेस लिमिटेड, 2969-2986। बाहरी लिंक रिच पावलोविज़ द्वारा मैटलैब के लिए महासागर टूलबॉक्स। महासागर ध्वनिक प्रयोगशाला (ओ. ए. एल.)-वुड्स होल ओशनोग्राफिक संस्थान। उत्तर प्रशांत ध्वनिक प्रयोगशाला (एन. पी. ए. एल.)-स्क्रिप्स इंस्टीट्यूट ऑफ ओशनोग्राफी, ला जोला, सी. ए. महासागर जलवायु की ध्वनिक थर्मोमेट्री-स्क्रिप्स इंस्टीट्यूट ऑफ ओशनोग्राफी, ला जोला, सीए। समुद्र में ध्वनि की खोज-डी. ओ. एस. आई. टी. एस. समुद्र में ध्वनिकी से संबंधित एक शैक्षिक वेबसाइट है। टोमोग्राफी के लिए प्रयुक्त ध्वनिक संकेतों की ध्वनियाँ-डॉसिट्स वेब पेज। एक टोमोग्राफी मूरिंग के जीवन में एक दिन-वाशिंगटन विश्वविद्यालय, सिएटल, डब्ल्यूए। साउंडिंग आउट द ओशन सीक्रेट्स-नेशनल एकेडमी ऑफ साइंसेज। ध्वनि महासागर के रहस्यों को मापती है-एकॉस्टिकल सोसाइटी ऑफ अमेरिका। महासागर जलवायु/समुद्री स्तनधारी अनुसंधान कार्यक्रम की ध्वनिक थर्मोमेट्री कॉर्नेल विश्वविद्यालय पक्षी विज्ञान प्रयोगशाला, जैव ध्वनिक अनुसंधान कार्यक्रम भौतिक समुद्र विज्ञान समुद्र विज्ञान उपकरण टोमोग्राफी महासागर धाराएं समुद्र विज्ञान शब्दावली