Microbarómetro

En acústica , los microbarómetros , también conocidos como la " voz del mar ", ^{[ 1 ] [ 2 ]} son ​​una clase de ondas infrasónicas atmosféricas generadas en tormentas marinas ^{[ 3 ] [ 4 ]} por una interacción no lineal de las ondas de la superficie oceánica con la atmósfera. ^{[ 5 ] [ 6 ]} Típicamente tienen formas de onda de banda estrecha , casi sinusoidales , con amplitudes de hasta unos pocos microbares , ^{[ 7 ] [ 8 ]} y períodos de onda cercanos a 5 segundos (0,2 hercios ). ^{[ 9 ] [ 10 ]} Debido a la baja absorción atmosférica a estas bajas frecuencias , los microbarómetros pueden propagarse miles de kilómetros en la atmósfera y pueden ser detectados fácilmente por instrumentos ampliamente separados en la superficie terrestre. ^{[ 5 ] [ 11 ]}

El descubrimiento de este fenómeno fue fortuito: los arólogos que trabajaban en estaciones hidrometeorológicas marinas y embarcaciones observaron un extraño dolor al acercarse a la superficie de una sonda meteorológica estándar (un globo lleno de hidrógeno). Durante una expedición, el meteorólogo jefe V.A. Berezkin le mostró este efecto al académico soviético V.V. Shuleikin . Este fenómeno despertó un gran interés entre los científicos; para estudiarlo, se diseñó un equipo especial capaz de registrar vibraciones potentes pero de baja frecuencia, inaudibles para el oído humano.

Como resultado de varias series de experimentos, se aclaró la esencia física de este fenómeno y en 1935 cuando VV Shuleikin publicó su primer trabajo dedicado por completo a la naturaleza infrasónica de la “voz del mar”. Los microbarómetros fueron descritos por primera vez en Estados Unidos en 1939 por los sismólogos estadounidenses Hugo Benioff y Beno Gutenberg en el Instituto Tecnológico de California en Pasadena , basándose en observaciones de un microbarógrafo electromagnético , ^{[ 11 ]} consistente en una caja de madera con un altavoz de baja frecuencia montado en la parte superior. ^{[ 12 ]} Notaron su similitud con los microsismos observados en sismógrafos , ^{[ 9 ]} e hipotetizaron correctamente que estas señales eran el resultado de sistemas de baja presión en el Océano Pacífico Nororiental. ^{[ 11 ]} En 1945, el geocientífico suizo L. Saxer mostró la primera relación de los microbarómetros con la altura de las olas en tormentas oceánicas y amplitudes de microbarómetros. ^{[ 9 ]} Siguiendo la teoría de los microsismos de MS Longuet-Higgins, Eric S. Posmentier propuso que las oscilaciones del centro de gravedad del aire sobre la superficie del océano en la que aparecen las ondas estacionarias eran la fuente de los microbarómetros, explicando la duplicación de la frecuencia de las olas oceánicas en la frecuencia de los microbarómetros observados. ^{[ 13 ]} Ahora se entiende que los microbarómetros se generan mediante el mismo mecanismo que produce los microsismos secundarios . La primera teoría cuantitativamente correcta de la generación de microbarómetros se debe a LM Brekhovskikh, quien demostró que es la fuente de los microsismos en el océano la que se acopla a la atmósfera. Esto explica que la mayor parte de la energía acústica se propaga cerca de la dirección horizontal al nivel del mar. ^{[ 14 ]}

Las ondas gravitatorias superficiales oceánicas aisladas que viajan irradian solo ondas acústicas evanescentes , ^{[ 7 ]} y no generan microbarómetros. ^{[ 15 ]}

La interacción de dos trenes de ondas superficiales de diferentes frecuencias y direcciones genera grupos de ondas . Para ondas que se propagan casi en la misma dirección, esto da lugar a los conjuntos habituales de ondas que viajan a la velocidad de grupo, que es menor que la velocidad de fase de las olas de agua. Para las olas oceánicas típicas con un periodo de unos 10 segundos, esta velocidad de grupo es cercana a los 10  m/s.

En el caso de propagación en direcciones opuestas, los grupos viajan a una velocidad mucho mayor, que ahora es 2π( f ₁ + f ₂ )/( k ₁ − k ₂ ), donde k ₁ y k ₂ son los números de onda de las olas de agua que interactúan. Para trenes de olas con una diferencia muy pequeña en frecuencia (y por lo tanto en los números de onda), este patrón de grupos de olas puede tener la misma velocidad horizontal que las ondas acústicas, más de 300  m/s, y excitará microbarómetros.

En lo que respecta a las ondas sísmicas y acústicas, el movimiento de las olas oceánicas en aguas profundas es, en primera aproximación , equivalente a una presión aplicada en la superficie del mar. ^{[ 16 ]} Esta presión es casi igual a la densidad del agua multiplicada por el cuadrado de la velocidad orbital de la onda . Debido a este cuadrado, no es la amplitud de los trenes de ondas individuales lo que importa (líneas rojas y negras en las figuras), sino la amplitud de la suma, es decir, de los grupos de ondas (línea azul en las figuras). El movimiento oceánico generado por esta "presión equivalente" se transmite entonces a la atmósfera.

Si los grupos de ondas viajan más rápido que la velocidad del sonido, se generan microbarómetros, con direcciones de propagación más cercanas a la vertical para los grupos de ondas más rápidos.

Las olas oceánicas reales se componen de un número infinito de trenes de ondas de todas las direcciones y frecuencias, lo que da lugar a una amplia gama de ondas acústicas. En la práctica, la transmisión del océano a la atmósfera es más intensa para ángulos cercanos a 0,5 grados con respecto a la horizontal. Para la propagación casi vertical, la profundidad del agua puede actuar como amplificador, al igual que en el caso de los microsismos.

La profundidad del agua solo es importante para aquellas ondas acústicas que tienen una dirección de propagación dentro de los 12° de la vertical en la superficie del mar ^{[ 17 ].}

Siempre hay algo de energía propagándose en la dirección opuesta. Sin embargo, su energía puede ser extremadamente baja. La generación significativa de microbarómetros solo ocurre cuando hay energía significativa a la misma frecuencia y en direcciones opuestas. Esto es más fuerte cuando las olas de diferentes tormentas interactúan o en la zona de sotavento de una tormenta ^{[ 18 ] [ 19 ]} que producen las condiciones de onda estacionaria requeridas, ^{[ 15 ]} también conocidas como clapotis . ^{[ 20 ]} Cuando la tormenta oceánica es un ciclón tropical , los microbarómetros no se producen cerca de la pared del ojo donde las velocidades del viento son mayores, sino que se originan en el borde posterior de la tormenta donde las olas generadas por la tormenta interactúan con las marejadas oceánicas ambientales . ^{[ 21 ]}

Los microbarómetros también pueden producirse por ondas estacionarias creadas entre dos tormentas, ^{[ 18 ]} o cuando una marejada oceánica se refleja en la costa. Las ondas con periodos de aproximadamente 10 segundos son abundantes en mar abierto y corresponden al  pico espectral infrasónico de 0,2 Hz observado en los microbarómetros, ya que estos presentan frecuencias que duplican las de las olas oceánicas individuales. ^{[ 18 ]} Los estudios han demostrado que el acoplamiento produce ondas atmosféricas propagantes solo cuando se consideran términos no lineales . ^{[ 9 ]}

Los microbarómetros son una forma de infrasonido atmosférico persistente de bajo nivel, ^{[ 22 ]} generalmente entre 0,1 y 0,5  Hz, que puede detectarse como ráfagas de energía coherentes o como una oscilación continua. ^{[ 11 ]} Cuando se analizan las llegadas de ondas planas de una fuente de microbarómetros desde una matriz de fase de microbarógrafos muy próximos, se encuentra que el acimut de la fuente apunta hacia el centro de baja presión de la tormenta de origen. ^{[ 23 ]} Cuando las ondas se reciben en múltiples sitios distantes de la misma fuente, la triangulación puede confirmar que la fuente está cerca del centro de una tormenta oceánica. ^{[ 4 ]}

Los microbarómetros que se propagan hasta la termosfera inferior pueden ser transportados en una guía de ondas atmosférica , ^{[ 24 ]} refractados de vuelta hacia la superficie desde altitudes inferiores a 120  km y superiores a 150  km, ^{[ 18 ] [ 25 ]} o disipados a altitudes entre 110 y 140  km. ^{[ 26 ]} También pueden quedar atrapados cerca de la superficie en la troposfera inferior por efectos de la capa límite planetaria y vientos superficiales, o pueden ser canalizados en la estratosfera por vientos de niveles superiores y regresar a la superficie a través de refracción, difracción o dispersión . ^{[ 27 ]} Estos conductos troposféricos y estratosféricos solo se generan a lo largo de las direcciones dominantes del viento, ^{[ 25 ]} pueden variar según la hora del día y la estación, ^{[ 27 ]} y no devolverán los rayos de sonido al suelo cuando los vientos superiores sean débiles. ^{[ 18 ]}

El ángulo de incidencia del rayo microbarómetro determina cuál de estos modos de propagación experimenta. Los rayos dirigidos verticalmente hacia el cenit se disipan en la termosfera y son una fuente importante de calentamiento en esa capa de la atmósfera superior . ^{[ 26 ]} En latitudes medias, en condiciones típicas de verano, los rayos con un ángulo de entre aproximadamente 30 y 60 grados con respecto a la vertical se reflejan desde altitudes superiores a 125  km, donde las señales de retorno se atenúan fuertemente primero. ^{[ 28 ]} Los rayos emitidos con ángulos más pequeños pueden reflejarse desde la estratosfera superior a aproximadamente 45  km sobre la superficie en latitudes medias, ^{[ 28 ]} o desde 60 a 70  km en latitudes bajas. ^{[ 18 ]}

Los científicos atmosféricos han utilizado estos efectos para la teledetección inversa de la atmósfera superior mediante microbarómetros. ^{[ 24 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]} La medición de la velocidad de traza de la señal de microbarómetro reflejada en la superficie proporciona la velocidad de propagación a la altura de reflexión, siempre que se cumpla la suposición de que la velocidad del sonido solo varía verticalmente y no horizontalmente. ^{[ 28 ]} Si la temperatura a la altura de reflexión se puede estimar con suficiente precisión, se puede determinar la velocidad del sonido y restarla de la velocidad de traza, obteniendo así la velocidad del viento en los niveles superiores. ^{[ 28 ]} Una ventaja de este método es la capacidad de medir de forma continua  ; otros métodos que solo pueden tomar mediciones instantáneas pueden ver sus resultados distorsionados por efectos a corto plazo. ^{[ 8 ]}

Se puede deducir información atmosférica adicional a partir de la amplitud de los microbarómetros si se conoce la intensidad de la fuente. Los microbarómetros se producen por energía dirigida hacia arriba que se transmite desde la superficie del océano a través de la atmósfera. La energía dirigida hacia abajo se transmite a través del océano hasta el fondo marino, donde se acopla a la corteza terrestre y se transmite como microsismos con el mismo espectro de frecuencia. ^{[ 8 ]} Sin embargo, a diferencia de los microbarómetros, donde los rayos casi verticales no regresan a la superficie, solo los rayos casi verticales en el océano se acoplan al fondo marino. ^{[ 27 ]} Al monitorear la amplitud de los microsismos recibidos de la misma fuente usando sismógrafos, se puede obtener información sobre la amplitud de la fuente. Debido a que la Tierra sólida proporciona un marco de referencia fijo, ^{[ 32 ]} el tiempo de tránsito de los microsismos desde la fuente es constante, y esto proporciona un control para el tiempo de tránsito variable de los microbarómetros a través de la atmósfera en movimiento. ^{[ 8 ]}

Los microbarómetros son una fuente de ruido significativa que puede interferir con la detección de infrasonidos provenientes de explosiones nucleares . La detección precisa de explosiones es un objetivo del Sistema Internacional de Vigilancia organizado en virtud del Tratado de Prohibición Completa de los Ensayos Nucleares (que aún no ha entrado en vigor). ^{[ 33 ]} Esto representa un problema particular para la detección de ensayos de baja potencia en el rango de un kilotón, debido a la superposición de los espectros de frecuencia. ^{[ 11 ]}

• Microsismo

• Benioff H.; Gutenberg B. (1939). "Ondas y corrientes registradas por barógrafos electromagnéticos" . Bull. Am. Meteorol. Soc . 20 (10): 421. Bibcode : 1939BAMS...20..421B . doi : 10.1175/1520-0477-20.10.421 .
• Saxer, L. (1945). "Medición eléctrica de pequeñas oscilaciones de presión atmosférica". Helv. Phys. Acta . 18 : 527– 550.
• Donn, WL; Naini, B. (1973). "Origen de los microbaromos y microsismos en las olas marinas". J. Geophys. Res . 78 (21): 4482– 4488. Bibcode : 1973JGR....78.4482D . doi : 10.1029/JC078i021p04482 .