إن تغير المناخ يعيد تشكيل محيطات العالم بطرق تتجاوز مستويات البحر المرتفعة وتبيض المرجان، ومن بين التحولات الأقل وضوحا، والتي تتسم بأهمية حيوية من الناحية التشغيلية، تغيرات في انتشار الصوت تحت سطح الماء، وتعتمد نظم السونار البحرية، وسواد الصوت التجاري، وأجهزة البحث في مجال المهابط على نقل دقيق يمكن التنبؤ به للإشارة الصوتية من خلال عمود المياه، مع ارتفاع درجات حرارة المحيطات، وتغير أنماط الموجات الجليدية، وتقليص نطاق التغطية

فيزياء سونار وبروغ الصوت تحت الماء

ويتوقف مقياس الصوت على ثلاثة عوامل سفر مؤثرة في البحر، ومتغيرات في المياه الجوفية، ومتغيرات الصوت، ومتغيرات الصوت، ومتغيرات الصوت، ومسببات السلوك الصوتي، ومسببات الضغط، ومتغيرات الصوت.

ويزداد ارتفاع سرعة الصوت بسرعة أكبر في المياه الأكثر دفئاً وأملاحاً وارتفاعاً في الضغط، ويزداد سرعة الصوت عادة بسبب ارتفاع الضغط، ولكن درجة الحرارة والملوحة يمكن أن تخلق طبقات حيث تزداد سرعة الصوت أو تنخفض، ويمكن لهذه الطبقات أن تشكل قنوات صوتية - مناطق تحاصر فيها الطاقة الصوتية ويمكن أن تبث على مئات أو حتى آلاف الكيلومترات، وأكثرها شهرة هي قناة الضغط العميقة (SOF).

وأي تعطيل في التوازن الطبيعي لبطء الحرارة سيغير سرعة الصوت، مما قد يضعف أو يتحول هذه القنوات الطبيعية، فهم هذه التغييرات ضروري للتنبؤ بأداء السونار في محيط دافئ.

ويفيد الفريق الحكومي الدولي المعني بتغير المناخ بأن المحيط العالمي قد امتص أكثر من 90 في المائة من الحرارة الزائدة عن الاحترار البشري منذ السبعينات، وقد أدى هذا الارتفاع الحراري إلى عدة آثار متتالية تؤثر مباشرة على انتشار الصوت:

  • Rising sea surface temperatures:] Upper ocean layers are warming faster than deep strata, steepening the temperature gradient in many regions.
  • Freshening from ice melt: Increased meltwater from glaciers and polar ice caps reduces surface salinity, particularly in the Arctic and around Greenland.
  • Changes in stratification:] Warmer, fresher surface water creates a more stable, stratified upper ocean, affecting mixing and the column distribution of temperature and salinity.
  • Ocean acidification:] Rising CO2 levels lower pH, which can influence the absorption of low-frequency sound in seawater, though the effect is secondary to temperature and salinity.

وهذه التحولات ليست موحدة: فبعض المناطق، مثل القطب الشمالي، تشهد تغيرات كبيرة، بينما تشهد مناطق أخرى مثل المناطق المدارية زيادة في التدفؤ التدريجي ولكن مستمرة، والنتيجة الصافية هي إعادة ترتيب عالمي لموجزات السرعة السليمة، مع وجود تفاوتات محلية كبيرة.

المحيط المشتعل والأثر المباشر على السرعة الصوتية

وقد زادت درجات حرارة سطح البحر بنحو 0.13 درجة مئوية في العقد منذ أوائل القرن العشرين، حيث أظهرت العقود الأخيرة ارتفاعاً متسارعاً في الحرارة، ونظراً لأن سرعة الصوت في مياه البحر تزيد بنحو 4.0-4.5 متر/متر لكل ارتفاع من ارتفاع درجة حرارة المحيطات العادية، فإن الاحترار السطحي المستمر حتى درجة حرارة 1 إلى 2 درجة مئوية يمكن أن يتسبب في زيادة ملحوظة في سرعة الصوت في الطبقات العليا.

وفي المناطق التي تكون فيها طبقة مختلطة ضحلة، يمكن أن يؤدي ارتفاع مستوى التدرج القريب من السطح إلى زيادة تراجع الشعاعات السونارية، مما يقلص النطاق الفعال للنشر السطحي، وعلى العكس من ذلك، ففي المناطق التي تشكل فيها طبقات تحويل الحرارة، يمكن أن يكون الصوت محصورا في قناة سطحية تمتد مسافات الانتقال، ويستلزم تحديد السيناريو الذي سيهيمن في موقع معين رصدا عالي الاستبانة للهيكل الحراري.

تغيرات في المرتبات من الجليد ملط وطول الطلاء

ويُتوقع أن تصبح المحيطات ذات الغطاء المرتفع أكثر حدة بسبب زيادة الجرعة من صفائح الجليد والمعالم الجليدية، فضلا عن التغيرات في أنماط التهطال، فعلى سبيل المثال، تراكمت المياه السطحية في منطقة القطب الشمالي بحجم كبير من المياه العذبة من منحدر الجليد البحري وتدفقات الأنهار، كما أن المياه العذبة أقل كثافة، وتزداد سرعة الصوت 1().

وكثيرا ما يؤدي هذا التجديد إلى حدوث تذبذب حاد - وهو تدرج قوي في الملوحة مع عمق يمكن أن يشكل عائقا أمام انتقال الصوت، وقد تنجم عن الموجات الصوتية التي تسافر عبر هذا الهالوكول انعكاس جزئي وارتداد، مما يؤدي إلى فقدان الإشارة أو التدخل المتعدد المتعاطف، وهذا يعني بالنسبة لمشغلي السونار البحريين وجود بيئة صاخبة في الطبقات العليا، ولكن قد يولد ضوضاء أعلى من المناطق الخالية من الجليد.

الأثر على ملامح السرعة الصوتية وأجهزة الدفع الصوتي

إن الأثر المشترك للاحترار والتجديد على ملامح السرعة الصوتية معقد ومعتمد على المنطقة، ففي شمال الأطلسي، مثلا، تبين النماذج أن محور القنوات الصوتية أصبح سطحيا في بعض المناطق حيث يدفأ المحيط الأعلى أسرع من المحيط العميق، ويعني محور سطحي أن الطاقة الصوتية محصورة على عمق أعلى، مما يمكن أن يقلل من نطاق الكشف عن الغواصات العميقة أو يزيد من نطاق سطحها.

One critical concept is the critical depth] - the depth below which sound speed exceeds the surface value, allowing deep-ocean propagation. In a warming world, the critical depth may become more changing, affecting long-range acoustic communication and navigation. Research published in [FLction:2] Scientific Reports[Fgradd 2020]

وبالإضافة إلى ذلك، فإن وجود موجات داخلية - موجات جاذبية تروج على طول الوصلات البينية الكثيفة - يمكن تكثيفه بزيادة التضخيم، وتتسبب هذه الموجات الداخلية في تقلبات سريعة في الحرارة والملوحة، مما يؤدي إلى تفاوت طفيف في السرعة الصوتية، وبالنسبة لسونار ذو ترددات عالية (فوق 10 كيلوهرتز)، فإن هذه التقلبات تبدو سليمة، وتخفض تماسك الإشارات وتزيد من معدلات الإنذار الكاذبذبذبذبذبذب في أجهزة الكشف.

القطب الشمالي: حالة الأكثر دراماتية

ولا توجد منطقة تجسد الأثر الصوتي لتغير المناخ أكثر من القطب الشمالي، وتسخين المنطقة القطبية الشمالية في حوالي أربع مرات المتوسط العالمي، وهي ظاهرة تعرف باسم تضخيم القطب الشمالي ، وقد انخفض حجم الجليد البحري بنسبة 13 في المائة تقريباً في العقد منذ السبعينات، بينما كان الجليد المتبقي أرق وأصغر.

  1. Increased ambient noise:] Open water allows wind-generated waves and storms to create higher background noise levels, masking sonar signals in the frequency range from 100 Hz to 10 kHz.
  2. Changes in propagation:] The removal of the ice canopy eliminates the upward-refracting sound speed gradient typically found beneath the ice. In winter, the cold surface water (often below freeze) creates a strong downward-refracting condition that can enhance detection ranges for low-frequency summer sound.

وقد أظهرت الدراسات الأخيرة التي استخدمت فيها رسم الخرائط الصوتية للمحيطات أن خصائص الانتقال السليم في ظل الجليد المكسور تتغير بسرعة أكبر من النماذج المتوقعة، فقد شهدت منطقة بحر بوفور مثلا زيادة بنسبة 30 في المائة في فقدان نقل إشارات من طراز KHz خلال العقدين الماضيين، ويرجع ذلك أساسا إلى تغيرات في ملامح السرعة الصوتية في أعلى 100 متر () منطقة بارد وآخرون، 2022].

الآثار المترتبة على كشف النوافذ البحرية وشبه البحرية

نظم السونار العسكرية - سواء كانت مجهزة أو مصفوفة أو مثقفة أو معتمدة على المعرفة البيئية الدقيقة لتقدير نطاقات الكشف ومعدلات الإنذار المزيفة، وقد استحدثت التغييرات المبينة أعلاه قدرا كبيرا من عدم اليقين في العمليات، وقد تم تحديد عدة آثار رئيسية:

  • Reduced detection ranges in surface ducts:] Warming of the mixed layer can raise the sound speed at the surface, reducing the depth of the surface duct.
  • ][Altered convergence zone patterns:] Convergence zones -areas where refracted sound returns to the surface-can shift in range and width as the sound channel changes. For example, the first convergence zone may move from its typical 30-35 km range to 25–40 km, complicating target localization.
  • زيادة صعوبة الإصدار السلبي: التغييرات في الضوضاء المحيطة (من الشحن والرياح والمصادر البيولوجية) مقترنة بمسارات التكاثر المتغيرة تجعل من الصعب تصنيف التوقيعات الصوتية، أما ميزة هدوء الغواصات فيمكن أن تكون متضخمة أو لاغية حسب الخطة المحلية.

وهذه التحديات ليست افتراضية، وقد قام مكتب البحوث البحرية التابع للبحرية الأمريكية بتمويل تجارب ميدانية متعددة، مثل نظام مراقبة السفن القطبية () لجمع بيانات آنية عن تطور الملامح السريعة وإدراجها في وسائل اتخاذ القرارات التكتيكية.

التطبيقات التجارية والبحثية: Echo Sounders and Fisheries Acoustics

وفيما عدا العمليات البحرية، تعتمد مصائد الأسماك التجارية والبحوث الأوقيانوغرافية على أجهزة الصوت الصعودي والسوانار المتعددة الأطراف لتقييم الأرصدة، ورسم خرائط قاع البحار، والدراسات الاستقصائية لعمود المياه، وتؤثر التغييرات في السرعة السليمة تأثيرا مباشرا على دقة قياسات الأعماق وتقديرات الكتلة الحيوية للأسماك، وإذا استخدم جهاز الصوت الصعودي للسفن افتراضا ثابتا بالسرعة (نحو 1500 متر/متر)، فإن الأخطاء في الأعماق المقيسة يمكن أن تتجاوز 5 في الدراسات الاستقصائية للمياه السطحية الدافية الدافية.

وبالنسبة لصوت مصائد الأسماك، فإن القوة المستهدفة للصيد - كميرد معظم الصوت المفاجئ - هي أيضاً تعتمد على درجة الحرارة، وقد أظهرت الدراسات المتعلقة بطبقة أطلانتيك أن القوة المستهدفة يمكن أن تتفاوت بمستوى يتراوح بين 1 و2 من الدي بي لكل درجة مئوية من التغير في درجة حرارة المياه ()) والسميات وماكلينان، 2005 [FousLT:1]) ونظراً لتغيرات توزيع الأسماك التي ينبغي أن تتفادى بها تغيرات المسح.

استراتيجيات التكيف والاستجابة التكنولوجية

وتقوم جماعة السونار بنشاط بوضع أساليب للمحافظة على الأداء في محيط متغير، وتندرج هذه الاستراتيجيات في ثلاث فئات هي: الرصد البيئي، وتجهيز الإشارات التكييفية، وتصميم النظم القوية.

تصنيف البيئة في الوقت الحقيقي

ويتطلب التنبؤ الدقيق بأداء السونار معرفة حديثة بالموجز الصوتي السريع، ويمكن أن يوفر دمج أجهزة الاستشعار الأوقيانوغرافية - الزمن والملوحة والضغط - التي تستخدم منصات السونار - مع وجود مواصفات ذاتية، كما أن مركبات المياه الجوفية ذاتية الاصطناعية والجليدات المجهزة بطرائق الصوتية، ملامح عمودية متكررة تتخطى منطقة العمليات.

ويمكن أيضاً أن يؤدي الاستشعار عن بعد بواسطة السواتل عن درجة حرارة سطح البحر والتوقيت إلى وجود هيكل تحت سطح البحر عن طريق العلاقات الإحصائية، وعلى سبيل المثال، ينتج مشروع NASA ECCO (تقدير دائرة المحيطات ومناخها) تقديرات عالمية لحالة المحيطات يمكن استخدامها في قيادة نماذج الانتشار الصوتي.

تجهيز الإشارات

ويمكن لنظم السونار الرقمية الحديثة أن تعدل تواتر نقلها، وطول نبضها، ونمط الشعاع استنادا إلى التغذية البيئية، وإذا اكتشف النظام درجة حادة تسبب في حدوث صدى مفرط، فإنه يمكن أن يوجّه الشعاع إلى أعلى أو يتحول إلى تردد مختلف يخترق طبقة أكثر فعالية، ويجري تدريب خوارزميات التعلم الآلات للاعتراف بالتغييرات النمطية في إعادة التحلل والتنقل المتعدد.

Another promising approach is ]matched-field processing (MFP), which uses a model of the acoustic environment to match received signals against predicted arrivals. As the environment shifts, MFP requires regular updating of the propagation model. Real-time data assimilation makes this feasible, and experimental systems have demonstrated robust localization even in highly changing ArcticT

تصميم النظام الآلي

أما بالنسبة للمنشآت الطويلة الأجل، مثل أجهزة استشعار قاع البحار، أو نظم التوجيه في مجال الطوربيدات، أو أجهزة الإنزلاق في المحيطات ذات الطاقة الموجية، فلا بد من تصميمها بحيث تعمل في مجموعة أوسع من ظروف التكاثر، ويشمل ذلك اختيار مواد مستعملة للبث مع الاستجابة على نطاق أوسع، وتضم صفائف متعددة لعمليات الغوص والارتطام، واستخدام وسائل صوتية منخفضة القوة تكيف معد بياناتها استنادا إلى القدرة على القنوات.

أولويات البحوث المقبلة

وفي حين أحرز المجتمع العلمي تقدماً كبيراً في فهم الآثار المناخية على انتشار الصوت، لا تزال هناك ثغرات كبيرة.

  • High-latitude observations:] The Arctic Ocean remains under-sampled for long-term acoustic measurements. More autonomous sensors are needed to capture seasonal and interannual variability beneath the ice.
  • Biological feedback:] As ocean acidification alters the sound absorption characteristics of seawater (particularly for low-frequency sound), and as marine mammals shift their ranges and vocalizations, the overall acoustic environment becomes increasingly complex.
  • معقّد التأثيرات: ] Most models treat temperature, salinity, and pH separately.
  • Coupled ocean-acoustic forecasting:] Operational centers like the U.S. Navy’s Fleet Numerical Meteorology and Oceanography Center] are moving toward coupled ocean-acoustic forecast systems that provide daily maps of sonar performance contours for commanders.

A recent review] in ] Frontiers in Marine Science] highlights that the most critical need is not just more data, but better data assimilation methods that can update models rapidly in data-sparse regions. Without such tools, the acoustic uncertainty introduced by climate change will continue to frust operational.

خاتمة

إن تغير المناخ ليس تهديدا في المستقبل لبث إشارات السونار - بل هو حقيقة عملية في الوقت الحاضر، إذ إن ارتفاع درجات حرارة البحر، وتجديد خطوط العرض العالية، وزيادة التكتل الجليدي، والتراجع الجليدي، يغير بصورة منهجية من سمات السرعة السليمة التي تحدد أداء السوارق، ويجب على القوات البحرية، والشاحنين التجاريين، ومؤسسات البحث أن تتكيف بنشر أجهزة الاستشعار البيئية في الوقت الحقيقي، وتطوير نماذج سليمة للإشارة، والاستثمار في القرن الواحد والعشرين.