NRL-forskere overvåger skiftende Arktis ved hjælp af lyd

Forskere fra U.S. Naval Research Laboratory udviklede isbundne akustiske bøjer til at overvåge det akustiske og oceanografiske miljø i det skiftende Arktis. Bøjerne leverer kritiske oceanografiske data for at forbedre forudsigelsesmulighederne for hav- og klimamodeller.

Disse bøjer validerede de arktiske forskeres lydudbredelsesteorier og vil fortsætte med at vejlede og validere teoretiske studier i Beauforthavet fra marts 2020 til marts 2021.

"Vores job, i realtid, laver tomografi i havet med bøjer, " sagde Altan Turgut, forskningsfysiker med NRL. "Hver fjerde time assimilerer de data i havmodellerne."

Ocean akustisk tomografi er en teknik, der bruger lydbølger til at afbilde dele af havtemperatur og strøm.

Bøjerne er et praktisk alternativ til mere traditionelle akustiske og oceanografiske måleteknikker, fordi de giver overvågning og operationel kapacitet i realtid. Derudover de muliggør akustisk kommunikation og navigationskapacitet under is for mobile platforme såsom havsvævefly og autonome undervandsfartøjer.

Turgut og hans kolleger begyndte at undersøge virkningerne af ændrede iskarakteristika i 2016 på midtfrekvensekkolods ydeevne i det moderne Arktis. Mellemfrekvensekkolod har et frekvensområde svarende til de fleste almindelige fuglesange.

Forskerne deltog i adskillige multi-institutionelle arktiske ekspeditioner for at vurdere virkningen af ​​skiftende havis på mid-frekvens sonarydelse.

Turgut og hans team indsatte flere NRL-byggede akustiske og miljømæssige fortøjningsinstrumenter under det multi-institutionelle Canadian Basin Acoustic Prorogation Experiment (CANAPE) i Beaufort- og Chukchi-havet på Alaskas nordøstlige og nordvestlige kyster.

To kildefortøjninger transmitterede mellemfrekvenssignaler hver fjerde time i 40 minutter, og en Billboard Array optog akustiske data under det årlange eksperiment.

Billboard Array er et akustikinstrument udstyret med 64 modtagerelementer, der ligger i et 7 meter gange 4 meter lodret plan. Det differentierer og forstærker lyde fra forskellige retninger. Arrayet leverede bemærkelsesværdige akustiske data under både sæsonbestemte oceanografiske og havisens forhold.

"Resultater fra CANAPE viste, at gunstige lydtransmissioner er mulige i et koldt og friskere vandlag på 100 til 200 meters dybde, " sagde Turgut. "Lydene var afgrænset af varmt stillehavsvand fra oven og varmt atlantisk vand nedefra." Forskerne udviklede også den første matematiske model til at simulere og forudsige lydudbredelse under isen kaldet den arktiske parabolske ligning.

"Denne model simulerer nøjagtigt samspillet mellem lydbølger og havisen, som har været et udfordrende numerisk problem, " sagde Michael Collins, NRL-matematiker, der udviklede den arktiske parabolske ligning.

Videnskabeligt bevis tyder på, at karakteren af ​​den arktiske havis fortsætter med at ændre sig. Den nuværende havis sammensætning er tyndere, yngre og faldt med en hastighed på 13 procent om sommeren og tre procent om vinteren pr. årti.

"Interaktion mellem havet og atmosfæren er stigende og ligner dem på lavere breddegrader med mere åbent hav og skrøbelige tynde isforhold, " sagde Turgut. "Derfor, akustiske målinger af ny issammensætning og hydrografi nær overfladen ville være afgørende for nøjagtige hav- og klimamodelforudsigelser i Arktis."