Tra le trasformazioni meno visibili ma operativamente critiche è l'alterazione della propagazione del suono subacqueo. I sistemi sonari della Marina, i sounder commerciali e gli idrofoni della ricerca si basano su precise e prevedibili trasmissioni di segnali acustici attraverso la colonna dell'acqua.

La Fisica di Sonar e la Propagazione Sonora sott'acqua

Sonar—un acronimo per ]SO]und [NA]vigazione e R]]anging—opera emettendo impulsi acustici e analizzando i loro eco per rilevare e individuare gli oggetti.

Il suono viaggia più velocemente in acqua più calda, salata e ad alta pressione. In genere, la velocità del suono aumenta con profondità a causa della pressione crescente, ma la temperatura e la salinità possono creare strati in cui la velocità del suono aumenta o diminuisce. Questi strati possono formare canali sonori - regioni in cui l'energia acustica è intrappolata e può propagarsi su centinaia o addirittura migliaia di chilometri.

Qualsiasi interruzione del bilanciamento naturale della pressione della temperatura-salinità altera il profilo della velocità del suono, potenzialmente indebolisce o sposta questi dotti naturali. Capire questi cambiamenti è essenziale per prevedere le prestazioni sonar in un oceano riscaldante.

Come Cambiare Clima Le condizioni dell'oceano Rilevanti alla Propagazione del Suono

Il pannello intergovernativo sul cambiamento climatico (IPCC) riporta che l'oceano globale ha assorbito più del 90% del calore in eccesso dal riscaldamento antropogenico sin dagli anni '70.

  • Le temperature della superficie del mare aumentano:[ Gli strati dell'oceano superiore si riscaldano più velocemente di strati più profondi, in grado di attenuare il gradiente della temperatura in molte regioni.
  • Il raffreddamento dal ghiaccio si scioglie:[] L'aumento dell'acqua di fusione dai ghiacciai e dai calotti polari riduce la salinità superficiale, in particolare nell'Artico e nella Groenlandia.
  • Le variazioni nella stratificazione:[] L'acqua dolce, più fresca, crea un oceano superiore più stabile e stratificato, che influisce sulla miscelazione e sulla distribuzione verticale della temperatura e della salinità.
  • Acidificazione dell'oceano:[ Rilevando i livelli di CO2 in pH inferiore, che può influenzare l'assorbimento del suono a bassa frequenza in acqua di mare, anche se l'effetto è secondario alla temperatura e alla salinità.

Questi cambiamenti non sono uniformi: alcune regioni, come l'Artico, stanno vivendo cambiamenti drammatici, mentre altri come i tropici stanno vedendo un riscaldamento più graduale ma persistente. Il risultato netto è una ricalibrazione globale dei profili di velocità sonora, con significative variazioni locali.

Oceano di riscaldamento e il suo effetto diretto sulla velocità del suono

Le temperature della superficie del mare sono aumentate di circa 0,13°C per decade fin dai primi del XX secolo, con decenni recenti che mostrano un riscaldamento accelerato. Poiché la velocità sonora in acqua di mare aumenta di circa 4.0–4,5 m/s per ogni aumento del 1°C (a temperature tipiche dell'oceano), un riscaldamento superficiale sostenuto di 1–2°C può causare un notevole aumento della velocità del suono negli strati superiori, che fa scorgere il gradiente positivo vicino alla superficie, potenzialmente spostando la profondità dell'asse del suono.

Nelle regioni in cui lo strato misto è poco profondo, un gradiente più forte vicino alla superficie può causare più rifrazione verso il basso di raggi sonar, accorciando la gamma efficace per la propagazione a superficie.

Cambiamenti di Salinità da Gelato Melt e Precipitazione Altered

I modelli climatici progetteranno che gli oceani ad alta quota diventeranno più freschi a causa di un aumento del disgelo da fogli di ghiaccio e ghiacciai, così come i cambiamenti nei modelli di precipitazioni. Ad esempio, la Beaufort Gyre nell'Arctic ha accumulato un grande volume di acqua dolce da fusione di ghiaccio di mare e di flusso fluviale. L'acqua dolce è meno densa e ha una velocità del suono diversa caratteristica dell'acqua salina: la velocità del suono aumenta di circa 1,3 m/s/s/s.

Questo rinfrescamento spesso crea un'alogenina affilata, un forte gradiente nella salinità con profondità, che può fungere da barriera alla trasmissione del suono. Le onde acustiche che viaggiano attraverso un tale alogeno possono sperimentare una riflessione parziale e una rifrazione, portando alla perdita del segnale o all'interferenza multipatica.

Impatto sui profili di velocità sonora e sulla propagazione acustica

L'effetto combinato di riscaldamento e di freschezza sui profili di velocità sonora è complesso e indipendente dalla regione. Nell'Atlantico settentrionale, per esempio, i modelli mostrano che l'asse del canale sonoro sta diventando più lento in alcune aree, poiché l'oceano superiore si riscalda più velocemente dell'oceano profondo. Un asse inferiore significa che l'energia acustica è intrappolata in una profondità più elevata, che può ridurre il campo di rilevamento per i ricevitori sottomarini di profondità profonda o aumentare la gamma per le navi di profondità di superficie, a seconda delle sorgenti.

] ]]—la profondità sotto la quale la velocità sonora supera il valore superficiale, permettendo la propagazione di oceano profondo. In un mondo di riscaldamento, la profondità critica può diventare più variabile, che interessa la comunicazione acustica a lungo raggio e la navigazione.

Inoltre, la presenza di onde interne, onde gravitazionali che si propagano lungo le interfacce di densità, può essere intensificata da una maggiore stratificazione. Queste onde interne causano fluttuazioni rapide nella temperatura e nella salinità, creando una variazione di scala sottile nella velocità del suono.

Ampliamento artico: il caso più drammatico

Nessuna regione esemplifica l'impatto acustico del cambiamento climatico più dell'Artico. L'Artico sta riscaldando quasi quattro volte la media globale, un fenomeno noto come [L'amplificazione Artica[]]. La portata del ghiaccio marino è diminuita di circa il 13% per decennio a partire dagli anni '70, e il ghiaccio rimanente è più sottile e più giovane.

  1. I rumori ambientali aumentati:[ L'acqua aperta permette alle onde e tempeste generate dal vento di creare livelli di rumore di fondo più elevati, mascherando i segnali sonari nella gamma di frequenza da 100 Hz a 10 kHz.
  2. Modifiche nella propagazione:[] La rimozione della calotta del ghiaccio elimina il gradiente della velocità del suono che si ritrae verso l'alto, generalmente trovato sotto il ghiaccio. In inverno, l'acqua fredda della superficie (spesso sotto il congelamento) crea una forte condizione di rifrattamento verso il basso che può migliorare i range di rilevamento per il suono a bassa frequenza.

Recenti studi che utilizzano la tomografia acustica oceanica hanno dimostrato che le caratteristiche di trasmissione sonora sotto il ghiaccio receding stanno cambiando più velocemente di quanto previsto dai modelli. Il Mare Beaufort, ad esempio, ha sperimentato un aumento del 30% della perdita di trasmissione per i segnali di 1 kHz negli ultimi due decenni, principalmente a causa di profili di velocità sonora alterati nei 100 metri superiori (]Ballard et al., 2022]

Implicazioni per la rilevazione navale di Sonar e Submarine

Sistemi di sonar militari, sia montati su scafo, trainati o sonobuoy, dipendono da una conoscenza ambientale accurata per valutare i range di rilevamento e i tassi di allarme falsi.

  • I range di rilevamento redotti nei condotti superficiali:[ Il riscaldamento dello strato misto può aumentare la velocità del suono sulla superficie, riducendo la profondità del condotto di superficie. I segnali che una volta avrebbero viaggiato decine di chilometri possono ora essere persi entro pochi chilometri.
  • Modelli di zona di convergenza:[ Le zone di convergenza – aree dove il suono rifrattato ritorna alla superficie – possono cambiare in gamma e larghezza come cambia il canale sonoro. Ad esempio, la prima zona di convergenza può passare dalla sua tipica gamma di 30–35 km a 25–40 km, complicando la localizzazione del bersaglio.
  • In aumento della difficoltà nel sonar passivo:[] Cambiamenti di rumore ambientale (da spedizioni, vento e fonti biologiche) combinati con percorsi di propagazione alterati rendono più difficile classificare le firme acustiche.

Queste sfide non sono ipotetiche. L’Ufficio della Marina Militare degli Stati Uniti di ricerca navale ha finanziato più esperimenti sul campo, come il [Arctic Mobile Observing System, per raccogliere dati in tempo reale sull’evoluzione dei profili di velocità sonora e incorporarli in aiuti di decisione tattici.

Applicazioni commerciali e di ricerca: eco-audio e pesca acustica

Oltre alle operazioni navali, la pesca commerciale e la ricerca oceanografica si basano su ecoscandaglio e sonar multifamiglia per la valutazione delle scorte, la mappatura dei fondali e le indagini sulle colonne d'acqua. Le variazioni della velocità sonora influiscono direttamente sull'accuratezza delle misurazioni di profondità e delle stime della biomassa dei pesci.

Per l'acustica della pesca, la forza di destinazione del pesce — quanta parte del suono incidente è riflessa — è anche dipendente dalla temperatura. Studi sul merluzzo atlantico hanno dimostrato che la forza di destinazione può variare di 1-2 dB per °C nella temperatura dell'acqua ([[]]]Simmonds e MacLennan, 2005]]]]].

Strategie di adattamento e risposte tecnologiche

La comunità sonar sta sviluppando attivamente metodi per mantenere le prestazioni in un oceano in evoluzione, che rientrano in tre categorie: monitoraggio ambientale, elaborazione del segnale adattativo e progettazione di sistema robusta.

Real Time Caratterizzazione ambientale

La predizione accurata delle prestazioni sonar richiede una conoscenza aggiornata del profilo della velocità sonora. L’integrazione dei sensori oceanografici – temperatura, salinità e profili di pressione (CTD) – con piattaforme sonar sta diventando standard. Autonoma veicoli subacquei (AUV) e alianti dotati di modem acustici possono fornire profili verticali frequenti su un’area di funzionamento. I dati possono essere assimilati a modelli di velocità sonora che aggiornano il sonar.

Il progetto NASA ECCO[[[]] (Estimando la Circolazione e il Clima dell'Oceano) produce stime globali sullo stato oceanico che possono essere utilizzate per guidare modelli di propagazione acustica.

Elaborazione dei segnali adattivo

Se il sistema rileva un gradiente ripido che causa un'eccessiva rifrazione verso il basso, può guidare il fascio verso l'alto o passare ad una frequenza diversa che penetra più efficacemente lo strato. Gli algoritmi di apprendimento automatico sono addestrati a riconoscere i cambiamenti di schema in reverberazione e arrivi multipath, permettendo al sistema di classificare se un obiettivo appare potenziato o diminuito dal nuovo SSP.

Un altro approccio promettente è ] elaborazione di campo in corrispondenza[] (MFP), che utilizza un modello dell'ambiente acustico per abbinare i segnali ricevuti contro gli arrivi predetti. Come l'ambiente si sposta, MFP richiede un aggiornamento regolare del modello di propagazione. L'assimilazione dei dati in tempo reale rende possibile questo, e i sistemi sperimentali hanno dimostrato una localizzazione robusta anche in condizioni Artiche molto variabili ([FK[2]

Design robusto del sistema

Per installazioni a lungo termine, come sensori di fondo marino, sistemi di guida per il siluro o alianti oceanici a potenza d'onda, l'hardware deve essere progettato per funzionare in una gamma più ampia di condizioni di propagazione, che includono la selezione di materiali trasduttori con risposta a frequenza più ampia, incorporando più array per operazioni di immersione e di atterraggio, e utilizzando modem acustici a bassa potenza che adattano la loro velocità di dati in base di capacità del canale.

Priorità di ricerca future

Mentre la comunità scientifica ha fatto progressi sostanziali nella comprensione degli impatti climatici sulla propagazione del suono, rimangono lacune significative.

  • Osservazioni di alta latitudine:[ L'Oceano Artico rimane sottocampo per misurazioni acustiche a lungo termine.
  • Rispondenze biologiche:[] Poiché l'acidificazione dell'oceano altera le caratteristiche di assorbimento del suono dell'acqua marina (in particolare per il suono a bassa frequenza), e come i mammiferi marini spostano le loro gamme e vocalizzazioni, l'ambiente acustico complessivo diventa sempre più complesso.
  • Effetti combinati:[] La maggior parte dei modelli trattano la temperatura, la salinità e il pH separatamente. Modelli integrati che simulano tutti e tre simultaneamente, insieme a modelli di oceano dinamico, miglioreranno la fedeltà alla previsione.
  • Provisione oceanica-acustica coordinata:[] Centri operativi come la Marina degli Stati Uniti [Fleet Numerical Meteorology and Oceanography Center[]]] si stanno muovendo verso sistemi di previsione oceano-acustica accoppiati che forniscono mappe giornaliere di contorni di prestazioni sonar per i comandanti della flotta.

Una recente recensione[] in I sostenitori della scienza marina[[] evidenzia che la necessità più critica non è solo più dati, ma migliori metodi di assimilazione dei dati che possono aggiornare rapidamente i modelli nelle regioni di dati-sparse.

Conclusioni

Il cambiamento climatico non è una minaccia futura per la propagazione del segnale sonar: è una realtà operativa attuale. L'aumento delle temperature marine, l'aumento delle latitudini, la maggiore stratificazione e il ritiro del ghiaccio stanno alterando sistematicamente i profili di velocità sonora che definiscono le prestazioni sonari. Le forze navali, gli spedizionieri commerciali e le istituzioni di ricerca devono adattarsi implementando sensori ambientali in tempo reale, sviluppando l'elaborazione del segnale adattativo e investendo in modelli oceano-acuitivi rapidamente integrati.