海洋音響トモグラフィー
海洋音響トモグラフィーを用いた2つの実験の位置を示す北大西洋西部。AMODE（「音響中洋力学実験」（Acoustic Mid-Ocean Dynamics Experiment））（1990-1年）は、メキシコ湾流から離れた海域における海洋力学を研究するために設計され、SYNOP（1988-89年）は、メキシコ湾流の様相を総観的に測定するために設計されました。色は、高解像度の数値海洋モデルから得られた水深300メートル（980フィート）における音速のスナップショットを示しています。トモグラフィーを採用する主な理由の一つは、測定値が乱流海洋全体の平均値を与えることです。

海洋音響トモグラフィーは、海洋の広い範囲にわたって温度と海流を測定するために使用される技術です。[ 1 ] [ 2 ] 海盆スケールでは、この技術は音響温度測定法としても知られています。この技術は、100～5,000キロメートル（54～2,700 nmi）の範囲で離れた2つの機器（1つは音源、もう1つは受信機）の間を音響信号が移動するのにかかる時間を正確に測定することに依存しています。機器の位置が正確にわかっている場合は、飛行時間の測定を使用して、音響経路全体で平均した音速を推測できます。音速の変化は主に海洋温度の変化によって引き起こされるため、移動時間の測定は温度の測定に相当します。温度が1°C（1.8°F）変化すると、音速は約4メートル/秒（13フィート/秒）変化します。トモグラフィーを採用した海洋学実験では通常、海洋領域を測定する 係留アレイ内の複数の発信器と受信機のペアを使用します。

モチベーション

海水は電気伝導体であるため、海洋は電磁エネルギー（光やレーダーなど）を通しません。しかし、低周波の音響に対してはほぼ透明です。海洋は音、特に数百ヘルツ未満の低周波の音を非常に効率的に伝導します。[ 3 ] これらの特性が、ウォルター・ムンクとカール・ヴンシュ[ 4 ] [ 5 ]が1970年代後半に海洋測定に「音響トモグラフィー」を提案するきっかけとなりました。音響による温度測定の利点は2つあります。第1に、リモートセンシングによって海洋内部の広い範囲を測定できることです。第2に、この技術は海洋の変動を支配する温度の小さなスケールの変動（つまりノイズ）を自然に平均化します。

音響による海洋観測という発想は、その誕生当初から、現代​​の数値海洋モデルを用いた海洋状態の推定と、数値モデルへのデータ同化技術と結びついていました。観測技術が成熟するにつれ、データ同化手法と、それらの計算に必要な計算能力も向上しました。

マルチパス到着とトモグラフィー

海中における音波伝搬経路。左側の音源から伝搬される音波経路は、 SOFARチャンネルの上下でより速い音速によって屈折し、チャンネル軸を中心に振動する。トモグラフィーは、これらの「マルチパス」を利用して、水深の関数として温度変化に関する情報を推定する。図のアスペクト比は、音波を分かりやすくするために大きく歪められていることに注意されたい。図の最大水深はわずか4.5 kmであるのに対し、最大到達距離は500 kmである。

トモグラフィーの興味深い側面の一つは、音響信号が一般的に安定した一連の音線経路に沿って伝わるという事実を利用していることです。単一の送信音響信号から、この一連の音線が受信機に複数回到達します。各到達の移動時間は特定の音線経路に対応します。最も早く到達する音線は、音速が最も速い場所を伝わるため、より深く伝わる音線に対応します。音線経路はコンピュータ（「レイトレーシング」）を用いて容易に計算でき、各音線経路は通常、特定の移動時間で識別できます。複数の移動時間は、複数の音響経路それぞれにおける平均音速を測定します。これらの測定値から、温度や海流の変化の構造を深度の関数として推測することが可能になります。音響移動時間から音速、ひいては温度を求めることは、逆問題です。

長距離音響測定の積分特性

海洋音響トモグラフィーは、長距離にわたる温度変化を統合します。つまり、測定された移動時間は、音響経路に沿ったすべての温度変化の累積効果から生じるため、この手法による測定値は本質的に平均化されます。これは重要で独自の特性です。なぜなら、海洋の遍在する小規模な乱流および内部波の特性が、通常、単一点での測定信号を支配するからです。たとえば、温度計(係留サーミスターまたはArgo漂流フロート) による測定では、この 1 ～ 2 °C のノイズに対処する必要があるため、正確な平均温度測定値を得るには多数の計測器が必要になります。したがって、海盆の平均温度を測定する場合、音響測定はきわめて費用対効果に優れています。また、トモグラフィー測定では、音波経路が水柱全体を循環するため、深さにわたる変動も平均化されます。

逆断層撮影

「往復トモグラフィー」は、2台の音響トランシーバー間の同時送信を利用します。「トランシーバー」とは、音源と受信機の両方を備えた機器です。往復する信号間のわずかな伝播時間の差を利用して海流を測定します。これは、往復信号が海流と同方向、あるいは逆方向に伝播するためです。これらの往復伝播時間の平均が温度の尺度となり、海流によるわずかな影響は完全に除去されます。海水温は往復伝播時間の合計から推定され、海流は往復伝播時間の差から推定されます。一般的に、海流（通常10cm/秒（3.9インチ/秒））は音速の変化（通常5m/秒（16フィート/秒））よりも伝播時間への影響がはるかに小さいため、「一方向」トモグラフィーは温度をほぼ正確に測定します。

アプリケーション

海洋では、数分（内部波）から数十年（海洋気候変動）までの時間間隔で、大規模な温度変化が発生することがあります。トモグラフィーは、このような幅広い時間スケールと幅広い空間スケールにおける変動を測定するために用いられてきました。実際、トモグラフィーは、対蹠距離における透過光を用いた海洋気候の測定手段として検討されてきました。[ 3 ]

トモグラフィーは海洋観測の有用な方法となっており、[ 6 ]長距離音響伝播の特性を利用して平均海水温や海流の総観測定値を得ている。海洋観測におけるトモグラフィーの最も初期の応用の一つは1988年から1989年に行われた。スクリプス海洋研究所とウッズホール海洋研究所のグループの共同研究により、グリーンランド海環流の深海平原に6素子のトモグラフィーアレイを設置し、深層水の形成と環流の循環を研究した。 [ 7 ] [ 8 ] その他の応用としては、海洋潮汐の測定、[ 9 ] [ 10 ] トモグラフィー、衛星高度測定、現場データを海洋力学モデルと組み合わせることによる海洋中規模ダイナミクスの推定などがある。[ 11 ] 北太平洋で得られた10年にわたる測定に加えて、音響温度測定法は北極海盆の上部層の温度変化を測定するために使用されており、[ 12 ]これは引き続き活発な関心のある分野です。[ 13 ] 音響温度測定法は、最近では地球の端から端まで送信された音響パルスのデータを使用して、地球規模の海洋温度の変化を決定するためにも使用されています。[ 14 ] [ 15 ]

音響温度測定

音響温度測定は、世界中の海洋盆地、特に海洋気候を、盆地間音響伝送を用いて観測するという構想である。「トモグラフィー」ではなく「温度測定」は、盆地規模または地球規模の測定を示すために用いられてきた。北太平洋盆地および北極海盆域において、温度のプロトタイプ測定が実施されている。[ 1 ]

1983年以降、ウッズホール海洋研究所のジョン・スピスバーガーとミシガン大学のテッド・バードサルおよびカート・メッツガーは、音を利用して海洋の大規模な温度に関する情報を推測し、特に海洋における地球温暖化の検出を試みた。このグループはオアフ島から音を送信し、太平洋の縁に沿って4,000km（2,500マイル）離れた場所に設置された約10台の受信機で録音した。[ 16 ] [ 17 ] これらの実験により、温度変化を約20ミリ度の精度で測定できることが実証された。スピスバーガーらは地球温暖化を検出したわけではない。代わりに彼らは、エルニーニョなどの他の自然の気候変動が、地球温暖化によって発生した可能性のあるより緩やかで小規模な傾向を覆い隠していた可能性のある大幅な温度変動の一部を引き起こしていることを発見した。[ 18 ]

海洋気候音響温度測定（ATOC）プログラムは、1996年から2006年秋にかけて北太平洋で実施され、音響伝送が行われた。測定は、合意された環境プロトコルの終了に伴い終了した。10年にわたる音響源の設置により、限られた予算でも観測を継続できることが示された。伝送は、音響経路上の海水温を正確に測定できることが検証されており、その不確実性は他のどの海水温測定方法よりもはるかに小さい。[ 19 ] [ 20 ]

自然に発生する音響源として機能する繰り返し地震は、音響温度測定にも利用されており、これは特に、現場観測機器によるサンプル採取が不十分な深海の温度変動を推測するのに有用である可能性がある。[ 21 ]

ATOCプロトタイプアレイは、ハワイ島カウアイ島のすぐ北に位置する音響源であり、北太平洋海盆内の機会受信機に向けて送信されました。送信信号は広帯域で、中心周波数は75Hz、音源レベルは1mで195dB re 1マイクロパスカル、つまり約250ワットでした。20分間の送信が4日ごとに6回行われました。

音響伝達と海洋哺乳類

ATOCプロジェクトは、海洋哺乳類（クジラ、ネズミイルカ、アシカなど）に対する音響の影響に関する問題に巻き込まれた。[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]海洋物理学、音響学、海洋哺乳類生物学など様々な分野からの技術的問題によって公の議論は複雑になり、音響が海洋哺乳類に与える影響は、一般大衆はおろか専門家にとっても理解が困難だった。海洋の音響とその海洋哺乳類への影響に関する問題の多くは未知だった。さらに、空気中の音響レベルの定義と水中の音響レベルの定義の混同など、当初は一般大衆の間でさまざまな誤解があった。水中のデシベル数を空気中のデシベル数として解釈すると、音響レベルは実際よりも桁違いに大きく感じられる。ある時点では、ATOCの音響レベルは、信号が50万匹の動物を殺すほど大きいと誤って解釈されたこともあった。[ 25 ] [ 5 ] 使用された音響出力は250Wで、シロナガスクジラやナガスクジラの音響出力に匹敵するが[ 24 ] 、これらのクジラの発する音響出力ははるかに低い周波数である。海は音を非常に効率的に伝達するため、海盆を横断するのにそれほど大きな音を出す必要はない。この論争の他の要因としては、進行中の捕鯨紛争に起因する海洋哺乳類に関する長年にわたる活動の歴史と、多くの人々が海洋哺乳類に対して抱く同情が挙げられる。[ 25 ]

この論争の結果、ATOCプログラムは、音響送信が様々な海洋哺乳類に与える影響について600万ドル規模の調査を実施しました。音源は約半マイルの深さの海底に設置されたため、水面に縛られている海洋哺乳類は、通常、音源から半マイル以上離れていました。音源レベルは控えめで、大型クジラの音量よりも低く、デューティサイクルは2%（つまり、音は1日のうち2%のみ）でした。[ 26 ] 6年間の研究を経て、この研究の公式かつ正式な結論は、ATOC送信は「生物学的に有意な影響を及ぼさない」というものでした。[ 24 ] [ 27 ] [ 28 ]

海洋におけるその他の音響活動は、海洋哺乳類にとってそれほど無害ではないかもしれない。地球物理調査のためのエアガンの発射音[ 29 ]や、米国海軍による様々な目的の通信音[ 30 ]など 、さまざまな種類の人工音が海洋哺乳類への潜在的な脅威として研究されてきた。実際の脅威は、騒音レベル以外にも、音の周波数、通信の頻度と持続時間、音響信号の性質（例えば、突発的なパルスやコード化されたシーケンス）、音源の深さ、音源の方向性、水深と地形、残響など、さまざまな要因に左右される。

送信される音響信号の種類

トモグラフィー送信は、30秒以上持続する長い符号化信号（例えば「M系列」 ）で構成されます。使用される周波数は50～1000Hz、発信電力は測定の目的に応じて100～250Wの範囲です。GPSなどの正確なタイミングを用いることで、移動時間を1ミリ秒の公称精度で測定できます。これらの送信は発信源の近くでは聞き取れますが、数キロメートルを超えると信号は通常、周囲のノイズレベルを下回るため、復元には 高度なスペクトル拡散信号処理技術が必要です。

参照

参考文献

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さらに読む

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