Gemengde wervelstromen beïnvloeden de voortplanting van geluidsgolven in de oceaan

Geluidsgolven en hun reis door de oceaan

Geluidsgolven reizen door verschillende soorten materie, waaronder vloeibaar water. De beweging van oceaanwater kan echter een aanzienlijke invloed hebben op hoe geluidsgolven van het ene punt naar het andere reizen.

Mesoschaal wervelingen zijn grote, draaiende oceaanstromingen die kilometers in diameter zijn. In tegenstelling tot de permanente Golfstroom, zijn deze wervelingen tijdelijk en kunnen ze weken tot maanden aanhouden. Ze hebben een grote invloed op het klimaat, de circulatie en de menging van warmte, zout en voedingsstoffen in de oceaan.

Vanwege hun tijdelijke aard kunnen mesoschaal wervelingen ook invloed hebben op de manier waarop geluidsgolven zich voortplanten, afhankelijk van hun grootte, snelheid, stromingsrichting en locatie. Het begrijpen van deze effecten is cruciaal voor nauwkeurige detectie van onderwaterdoelen en communicatie over lange afstanden.

Hoewel de effecten van individuele mesoschaal wervelingen op geluidsgolven in detail zijn bestudeerd, zijn de effecten van twee tegengestelde mesoschaal wervelingen op de voortplanting van geluidsgolven nog niet direct gemeten.

De noordoostelijke Zuid-Chinese Zee heeft een hoge kans op het ontwikkelen van anticyclonale wervelingen (AE) die met de klok mee draaien als gevolg van lokale stromingen en windstress. Wanneer een AE zich in dit gebied ontwikkelt, gaat dit vaak gepaard met een cyclonale werveling (CE) die tegen de klok in draait, wat resulteert in dipoolwervelingen.

Een groep onderzoekers van de Chinese Academie van Wetenschappen en de Shandong Universiteit voor Wetenschap en Technologie in Qingdao, China, bestudeerde drie sets dipoolwervelingen in de Zuid-Chinese Zee om hun effecten op geluidsgolven beter te karakteriseren. Het team publiceerde hun onderzoek in Ocean-Land-Atmosphere Research.

Unieke akoestische structuren van dipoolwervelingen

“Dit onderzoek analyseert voor het eerst systematisch de akoestische effecten van drie paren dipoolwervelingen in de noordoostelijke Zuid-Chinese Zee, en onthult hun unieke geluidssnelheidsstructuren en akoestische voortplantingspatronen,” aldus Lu Lu, onderzoeker aan het Instituut voor Oceanologie van de Chinese Academie van Wetenschappen en eerste auteur van het onderzoek.

De wetenschappers waren met name geïnteresseerd in hoe de veranderingen in oceaantemperatuur en zoutgehalte, veroorzaakt door dipoolwervelingen, de structuur van de geluidssnelheidsprofielen kunnen veranderen. Dit kan invloed hebben op hoe geluidsgolven zich in de oceaan voortplanten.

Het team gebruikte satellietaltimetergegevens om de snelheid van de werveling nauwkeurig te meten, en verwerkte re-analysegegevens met behulp van numerieke modellen en een BELLHOP ray-tracing model om de voortplanting van geluidsgolven door dipoolwervelingen te voorspellen.

De onderzoekers ontdekten dat AE’s de neiging hadden om in het midden te zinken, wat resulteerde in een afname van de oceaantemperatuur, het zoutgehalte en de geluidssnelheidscontouren aan de AE-zijde van de dipool. Aan de andere kant toonden CE’s een opwellende stroming die de temperatuur, het zoutgehalte en de geluidssnelheid verhoogde.

De omstandigheden in de dipoolwervelingen verschilden van het omringende water, wat het team berekende als anomalieën in temperatuur, zoutgehalte en geluidssnelheid op basis van gemiddelde gegevens van de jaren 2000 tot 2020.

“De studie ontdekte dat warm-core AE’s en cold-core CE’s respectievelijk positieve en negatieve geluidssnelheidsanomalieën veroorzaken, wat de positie van convergentiezones en akoestisch transmissieverlies aanzienlijk verandert. Deze bevindingen tonen aan dat de akoestische effecten van dipoolwervelingen duidelijk verschillen van die van enkele wervelingen,” zei Lu.

Toekomstig onderzoek naar akoestische voortplanting

Door modellering ontdekte het team dat de aanwezigheid van dipoolwervelingen de convergentiezones en het akoestisch transmissieverlies verandert, ongeacht of de geluidsbron zich in het midden van de dipoolwervelingen bevindt, in het centrum van een AE of CE, of buiten de dipoolwervelingen.

Hoewel het huidige onderzoek de kennis over hoe dipoolwervelingen de voortplanting van geluidsgolven in de oceaan beïnvloeden heeft vergroot, erkent het team de beperkingen van hun studieontwerp. De bestudeerde dipoolwervelingen bewogen zuidwestwaarts in de Zuid-Chinese Zee, wat de akoestische voortplanting kan hebben beïnvloed. Simulatie-experimenten werden ook uitgevoerd met de veronderstelling van vlakke bodem, wat ook invloed kan hebben op de reis van geluidsgolven.

“Toekomstig onderzoek zal de effecten van dipoolwervelingen op akoestische voortplanting tijdens hun evolutie verkennen, evenals hun invloed onder realistische terreincondities. Het uiteindelijke doel is om de invloed van meerdere mesoschaal wervelingen op akoestische voortplanting te onderzoeken, en zo de algemene principes van de effecten van dipoolwervelingen op akoestische voortplanting samen te vatten,” aldus Lu.