マイクロバロム
大気低周波のクラス

音響学において、マイクロバロムは「海の声」とも呼ばれ、[1] [2]海洋嵐[3] [4]で発生する大気 低 周波の一種であり、海面波と大気の非線形相互作用によって発生する。[5] [6]マイクロバロムは通常、最大数マイクロバールの振幅を持つ狭帯域でほぼ正弦波状の波形を持ち、[7] [8]波の周期は5秒（0.2ヘルツ）近くである。[9] [10]これらの低周波では大気による吸収が低いため、マイクロバロムは大気中を数千キロメートルも伝播し、地表から遠く離れた場所に設置された機器で容易に検出できる。[5] [11]

歴史

この現象が発見されたきっかけは、ある偶然でした。海洋水文気象観測所と船舶で働いていた気象学者たちが、標準的な気象観測プローブ（水素を充填した気球）の表面に近づくと人が感じる奇妙な痛みに注目したのです。ある遠征の際、この現象はソ連のアカデミー会員VV・シュレイキンに、主任気象学者V・A・ベレズキンによって実演されました。この現象は科学者たちの大きな関心を集め、研究のために、人間の耳には聞こえない強力だが低周波の振動を記録できる特別な装置が開発されました。

一連の実験の結果、この現象の物理的本質が明らかになり、1935年にVVシュレイキンが「海の声」の超低周波の性質に専念した最初の著作を発表しました。ミクロ気圧は、1939年にカリフォルニア工科大学パサデナ校のアメリカ人 地震学者 ヒューゴ・ベニオフとベノ・グーテンバーグによって、低周波スピーカーが上部に取り付けられた木製の箱で構成される電磁ミクロ気圧計[11]の観測に基づいて、米国で初めて説明されました。 [12]彼らは、地震計で観測された微小地震 との類似性に注目し、[9]これらの信号は北東太平洋の低気圧システムの結果であると正しく仮説を立てました。[11] 1945年、スイスの地質学者L.サクサーが、海洋嵐の波の高さとミクロ気圧の振幅との最初の関係を示しました。[9] MSロンゲ＝ヒギンズによる微小地震理論を踏襲し、エリック・S・ポスマンティエは、定在波が現れる海面上の空気の重心の振動が微小気圧の発生源であると提唱し、観測された微小気圧の周波数における海洋波の周波数の倍増を説明した。 [13]現在、微小気圧は二次微小地震 と同じメカニズムによって発生すると理解されている。微小気圧発生に関する最初の定量的に正しい理論は、LMブレホフスキーによるもので、彼は海洋の微小地震の発生源が大気と結合していることを示した。これは、音響エネルギーの大部分が海面で水平方向に近い方向に伝播することを説明している。[14]

理論

孤立して移動する海洋表面重力波は、エバネッセント音波のみを放射し、 [7] 微小気圧を生成しません。[15]

周波数と方向が異なる2つの表面波列の相互作用により、波群が発生します。ほぼ同じ方向に伝播する波の場合、通常は群速度で伝播する波群が形成されます。群速度は水波の位相速度よりも遅くなります。周期が約10秒の典型的な海洋波の場合、この群速度は10 m/sに近くなります。

伝播方向が逆の場合、波群の速度ははるかに大きくなり、2π( f 1 + f 2 )/( k 1 − k 2 ) となります。ここで、 k 1とk 2は相互作用する水波の波数です。周波数（つまり波数）の差が非常に小さい波列の場合、この波群のパターンは音波と同じ水平速度、つまり300 m/s以上になり、微小気圧を励起します。

反対方向の波によって生成される波群。青い曲線は赤と黒の曲線の和です。アニメーションでは、赤と黒の点で波頭が描かれています。これらの波頭は直線水波の位相速度で移動しますが、波群ははるかに速く伝播します。（アニメーション）

地震波と音波に関して言えば、深海における海洋波の運動は、その主要次数において、海面に作用する圧力と等価である。[16]この圧力は、水の密度と波の軌道速度の2乗にほぼ等しい。この2乗のため、重要なのは個々の波列の振幅（図中の赤線と黒線）ではなく、波群の総和の振幅（図中の青線）である。この「等価圧力」によって生じる海洋の運動は、大気に伝達される。

波のグループが音速よりも速く移動すると、マイクロバロムが生成され、より速い波のグループの伝播方向は垂直に近くなります。

反対方向の波列によって形成される波群に関連する海洋と大気の圧力場。左：大気中で斜め伝播する短波群。右：大気中でほぼ垂直伝播する長波群。

実際の海洋波は、あらゆる方向と周波数の無数の波列から構成され、広範囲の音波を生み出します。実際には、海洋から大気への伝播は、水平から0.5度程度の角度で最も強くなります。ほぼ鉛直方向の伝播では、微小地震の場合と同様に、水深が増幅の役割を果たす可能性があります。

海洋波によってマイクロバロムとして放射される立体角あたりの音響パワー。左：仰角の関数としての対数スケール（ゼロは鉛直）。右：極座標における線形スケール。

水深は、海面における垂直から12°以内の伝播方向を持つ音波に対してのみ重要である[17]

反対方向に伝播するエネルギーは常に存在します。しかし、そのエネルギーは極めて低い場合があります。顕著な微気圧の発生は、同じ周波数で反対方向に顕著なエネルギーが存在する場合にのみ発生します。この現象は、異なる嵐からの波が相互作用するとき、または嵐の風下 [18] [19]で最も強くなります。 これらの波は、必要な定在波状態[15] （クラポティス[20]としても知られています）を生成します。海洋嵐が熱帯低気圧の場合、微気圧は風速が最大となる眼壁の近くではなく、嵐によって生成された波が周囲の海洋のうねりと相互作用する嵐の後縁から発生します。[21]

マイクロバロムは、2つの嵐の間に生じる定在波によっても発生する可能性があります[18]。また、海洋のうねりが海岸で反射した場合にも発生する可能性があります。外洋では約10秒周期の波が多く見られ、マイクロバロムの観測される0.2Hzの超低周波スペクトルピークと一致します。これは、マイクロバロムが個々の海洋波の2倍の周波数を示すためです[18] 。研究によると、この結合によって伝播する大気波が発生するのは、非線形項を考慮した場合のみであることが示されています[9]。

マイクロバロムは持続的な低レベルの大気超低周波音の一種で、[22]一般的には0.1～0.5Hzの範囲で、コヒーレントなエネルギーバーストまたは連続振動として検出されることがあります。[11]マイクロバロムの発生源からの平面波の到着を、近接したマイクロバログラフのフェーズドアレイで分析すると、発生源の方位角が嵐の低圧中心を指していることがわかります。[23]同じ発生源から離れた複数の地点で波が受信された場合、三角測量によって発生源が海洋嵐の中心近くにあることを確認できます。[4]

下層熱圏まで伝播する微気圧は、大気導波管で運ばれ[24] 、高度 120 km 以下および 150 km 以上で地表に向かって屈折して戻ってくる か[18] [25] 、高度 110 ～ 140 km で消散する。 [26]また、惑星境界層効果や地表風によって下層対流圏 の地表付近に閉じ込められる場合や、上層風によって成層圏に導かれ、屈折、回折、散乱によって地表に戻る場合もある。[27] これらの対流圏および成層圏のダクトは、卓越風向に沿ってのみ生成され[25] 、 時刻や季節によって変化する可能性があり[27] 、上層風が弱いときには音線を地表に戻すことはない。[18]

マイクロバロム光線の入射角によって、これらの伝播モードのどれを経験するかが決まります。天頂に向かって垂直に放射された光線は熱圏で消散し、上層大気のその層の重要な加熱源となります。[26]中緯度における典型的な夏の条件下では、鉛直から約30度から60度の光線は125km以上の高度で反射され、そこで戻り信号は最初に大きく減衰します。[28] より浅い角度で放射された光線は、中緯度では地表から約45km上空の上部成層圏で反射される可能性があり、[28] 低緯度では60kmから70km上空で反射される可能性があります。[18]

微気圧と上層大気

大気科学者は、これらの効果を利用して、微気圧計を用いた上層大気の逆リモートセンシングを行ってきた。 [24] [29] [30] [31] 音速は垂直方向にのみ変化し、水平方向には変化しないという仮定が成り立つ限り、地表で反射された微気圧信号のトレース速度を測定すると、反射高度における伝播速度が得られる。[28]反射高度の温度を十分な精度で推定できれば、音速を決定し、トレース速度から差し引くことで上層大気の風速が得られる。[28]この方法の利点の1つは、連続的に測定できることである。瞬間的な測定しかできない他の方法では、短期的な影響によって結果が歪む可能性がある。[8]

震源強度が既知であれば、微気圧振幅から大気に関する追加情報を推定することができる。微気圧は、海面から大気を通して伝達される上向きのエネルギーによって発生する。下向きのエネルギーは海面を通って海底に伝達され、そこで地殻と結合して、同じ周波数スペクトルを持つ微小地震として伝播する。[8]しかし、微気圧では鉛直に近い波線が地表に戻らないため、海中の鉛直に近い波線のみが海底に結合する。[27]同じ震源から受信した微小地震の振幅を地震計で監視することで、震源の振幅に関する情報を得ることができる。固体地球は固定された基準系を提供するため、[32] 震源からの微小地震の伝播時間は一定であり、これにより、移動する大気中を微気圧が伝播する時間の変化を制御できる。[8]

マイクロバロムと核爆発

マイクロバロムは、核爆発による超低周波音の検知を妨害する可能性のある重要なノイズ源です。爆発の正確な検知は、包括的核実験禁止条約（未発効）に基づいて組織された国際監視システムの目標です。[33]周波数スペクトルが重複するため、 1キロトン規模の低出力核実験の検知には特に問題があります。 [11]


参照

さらに読む

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