DŹWIĘKI GEOSFERY. Jarosław Tęgowski. Studium Doktoranckie IOPAN marzec-kwiecień 2008

Transkrypt

1 AKUSTYKA W BADANIACH OCEANÓW wykład VI DŹWIĘKI GEOSFERY Jarosław Tęgowski

2 AKUSTYKA W BADANIACH OCEANÓW Czym zajmuje się oceanografia akustyczna podstawy fizyki falowej propagacja fal akustycznych zjawiska falowe odbicie, interferencja, dyfrakcja Akustyka pasywna i aktywna podstawowe narzędzia akustyki morza hydrofony, echosondy, sonary Akustyczne badania fauny i flory morskiej, dźwięki emitowane przez zwierzęta morskie Zjawiska dynamiczne w morzu - załamywanie się fal, pęcherzyki, prądografy akustyczne - ADCP, tomografia akustyczna oceanu Akustyczne badania dna morskiego, akustyczna klasyfikacja osadów dennych, wykrywanie gazu w dnie Dźwięki geosfery

3 CO TO SĄ INFRADŹWIĘKI? strefa przyboju 2-5 Hz Mikrowibracje Hz Infradźwięki - dźwięki o częstotliwości niższej od 20 Hz

4 ŹRÓDŁA INFRADŹWIĘKÓW W GEOSFERZE ZORZE POLARNE WYŁADOWANIA ATMOSFERYCZNE SPRITES METEORYTY ZJAWISKA ATMOSFERYCZNE np.: - fale akustyczno - grawitacyjne - huragany -trąby powietrzne NIELINIOWE ODDZIAŁYWANIA FAL MORSKICH (np. freak waves) TRZĘSIENIA ZIEMI TSUNAMI WYBUCHY WULKANÓW ANTROPOGENICZNE np.: -detonacje ładunków jądrowych - elektrownie wiatrowe -wibracje maszyn

5 KTO, GDZIE I DLACZEGO MIERZY INFRADŹWIĘKI? 60 stacji pomiarowych Organizacja Traktatu o Całkowitym Zakazie Prób z Bronią Jądrową (The Comprehensive Nuclear Test Ban Treaty Organization, 10 września 1996, ONZ, Nowy Jork) Główny cel monitorowanie prób z bronią jądrową 170 stacji sejsmoakustycznych, 60 stacji mierzących infradźwięki, 11 stacji hydroakustycznych, 80 stacji monitorujących obecność izotopów promieniotwórczych. siedziba CTBTO w Wiedniu

6 PRZYKŁADY SPEKTROGRAMÓW RÓŻNYCH ŹRÓDEŁ INFRADŹWIĘKÓW Dlaczego sieć CTBTO mierzy sygnały infradźwiękowe pochodzące z różnych źródeł? Próba wybuchu jądrowego na atolu Mururoa Podmorskie trzęsienie ziemi koło wybrzeży Japonii Erupcja wulkanu na Hawajach

7 CZYM MIERZYĆ INFRADŹWIĘKI? detektor infradźwięków - wielki mikrofon pojemnościowy zakres częstotliwości: płaska charakterystyka +0, -3 db od 0.01 Hz do 50 Hz płaska charakterystyka +0, db od 0.06 Hz do 10 Hz

8 SZUMY WIATRU ZAKŁÓCAJĄ POMIARY INFRADŹWIĘKÓW JAK JE ELIMINOWAĆ? przykład gęstości widmowej szumów wiatru w zakresie infradźwięków szumy maksymalne szumy minimalne Bass i in.,2003 Przestrzennie niekoherentne sygnały szumów mogą nakładać się na sygnały użyteczne i je maskować. Jak zbudować system pomiarowy eliminujący szumy?

9 SYSTEM ANTEN AKUSTYCZNYCH REDUKUJĄCY ZAKŁÓCENIA mierzone parametry infradźwięków: Daniels (1959) zaproponował przestrzenne filtry dopasowujące impedancję akustyczną w liniach transmisyjnych rurach. Układ odbiera tylko sygnały koherentne przestrzennie eliminując sygnały niekoherentne szumy wiatru. Polepszenie stosunku S/N o 20 db. azymut prędkość fazowa kąt elewacji ciśnienie akustyczne czas trwania sygnału powtarzalność sygnału korelacja miara S/N

10 INFRADŹWIĘKI Z KOSMOSU!? DLACZEGO ZORZE POLARNE HAŁASUJĄ?

11 OSCYLACJE PLAZMY W KORONIE SŁONECZNEJ GENERUJĄ FALE AKUSTYCZNE temperatura powierzchni Słońca ~ 6000 C temperatura korony ~ C Oscylacje w pętlach koronalnych. Film został wykonany przez satelitę TRACE (Transition Region and Coronal Explorer). W jaki sposób energia jest przenoszona z powierzchni Słońca do korony powodując znaczny wzrost jej temperatury?

12 MECHANIZM GENERACJI INFRADŹWIĘKÓW PRZEZ ZORZĘ magnetyczne burze słoneczne modulacja pola magnetycznego burze magnetyczne na Ziemi Fundamentals of Physics, 200

13 PRZYKŁAD REJESTRACJI INFRADŹWIĘKÓW GENEROWANYCH RZEZ ZORZĘ Stacja pomiarowa I53US w Fairbanks, Alaska Amplituda ciśnienia AIW Pascala. Obserwatorium geomagnetyczne Poker Flat oddalone o 30 km od stacji I53US. Bardzo duże fluktuacje w kierunku H (półn.-poł.), D (wsch.-zach.) i Z (pionowe).

14 SPRITE ŹRÓDŁO INFRADŹWIĘKÓW SPRITE rozmiary: do 70 km w pionie; do 100 km w poziomie czas trwania: od kilku ms do kilkuset ms pierwszy raz zarejestrowany w 1989 r. (Frantz at al., 1989)

15 JAK POWSTAJE SPRITE? Po silnym wyładowaniu atmosferycznym uderzającym w ziemię w atmosferze nad chmurami pozostaje olbrzymi ładunek elektryczny. Duże powstałe pole elektryczne rozpędza elektrony powodując powstanie zjonizowanego powietrza tworzącego kanały o dobrej przewodności elektrycznej. Kanały poruszają się do góry z prędkością ok. 1/10 prędkości światła zostawiając za sobą czerwone smugi.

16 REJESTRACJA INFRADŹWIĘKÓW PODCZAS ROZBŁYSKU SPRITE Sprite zaobserwowany nad Korsyką 25-go sierpnia 2003 r. o godz. 21:50: Podczas 2 miesięcznego programu EuroSprite2003 zaobserwowano w Południowej Europie 10 burz i 101 sprite-ów Fluktuacje ciśnienia i spektrogram infradźwięków zarejestrowanych przez stację Flers oddaloną o 300km od Paryża w kier. Płn.-Zach. Torsten Neubert, i in., 2005

17 SPADAJĄCE METEORY ŹRÓDŁO INFRADŹWIĘKÓW Data: 3 sierpień, 2004 Czas: 23:10:23 UT Prędkość początkowa: 60.8 km/s Masa (fotometryczna): 370 g Promień: 3.2 cm Pocz. Energia. Kin.: ton TNT Kamera umieszczona w odległości ~30 km od stacji IS26 mierzącej infradźwięki Meteor EN (Perseidy) Stacja IS26 - Freyung, Niemcy strefa źródła infradźwięków Brown i in., 2004

18 INFRADŹWIĘKI GENEROWANE PRZEZ METEORYT EN czas trwania sygnału Brown i in., 2004 Zakres obserwacji: ~100 km Początek rejestracji akustycznej: 23:16:03 UT Czas trwania: 36.8 sekund Azymut obserwacji: 268 o o Amp. ciśnienia: Pa END START Brown i in., 2004

19 INFRADŹWIĘKI GENEROWANE PRZEZ WIELKI METEORYT (BOLID) (próba jądrowa przeprowadzona przez Koreę Płn.!?) 23-go kwietnia 2003 eksplozja dużego meteorytu nad Pacyfikiem. Eksplozję meteorytu wykryła stacja rejestracji infradźwięków w Los Alamos. Obserwację potwierdziły obrazy z satelity i infradźwięki zarejestrowane przez stacje w Kanadzie, na Hawajach i Alasce. Różnica w pozycji położenia bolidu z rejestracji infradźwięków i zdjęć satelitarnych wynikała z ruchu obiektu

20 INFRADŹWIĘKI GENEROWANE PRZEZ WIELKI METEORYT (BOLID) promień -3.2 m, energia wybuchu TNT (1 TNT = 4.6 *10 9 J) Litle Boy pierwsza bomba atomowa TNT Infradźwięki zarejestrowane (Scripps) na pustyni Anza-Borrego, CA, 1800 km od źródła. Zapis przyspieszony 200 razy. położenie stacji pomiarowej infradźwięków IS59

21 FALE O NISKIEJ CZĘSTOTLIWOŚCI GENEROWANE W ATMOSFERZE Przeszkoda terenowa zaburza przepływ powietrza

22 PRZYKŁAD ATMOSFERYCZNYCH FAL GRAWITACYJNYCH charakterystyczny okres atmosferycznych fal grawitacyjnych zaczyna się od 304 sekund (odpowiada częstotliwości Väisälä-Brunta)

23 FALE GRAWITACYJNO - AKUSTYCZNE GENEROWANE W ATMOSFERZE NASA Fale grawitacyjne widziane z satelity u wybrzeży Australii, listopad 2003 NASA (Milton Garces i in., 2002) Załamujące się fale grawitacyjne

24 PRZYKŁAD ZAREJESTROWANYCH FAL GRAWITACYJNO AKUSTYCZNYCH GENEROWANYCH W ATMOSFERZE Hein Haak, 2002 BADANIA W FAZIE POCZĄTKOWEJ!

25 OCEANICZNE ŹRÓDŁA INFRADŹWIĘKÓW Na stacjach oceanicznych jest rejestrowany prawie stały poziom infradźwięków szum tła w zakresie częstotliwości od 0.1 do 0.5 Hz. Sygnały te są znane pod nazwą microbaroms i są generowane podczas oddziaływań między falami oceanicznymi. Odkrycia dokonali Benioff i Gutenberg w roku 1939, a pierwszy model zjawiska podał Longuet-Higgins w 1950 Zakres microbaroms poziom rejestrowanych infradźwięków odpowiada eksplozji 1000 ton trotylu

26 MECHANIZM POWSTAWANIA MICROBAROMS Longuet-Higgins (1950) oddziaływanie stojących fal oceanicznych z dnem. Posmentier (1967) dwie fale propagowane w przeciwnych kierunkach lecz z prawie identycznymi częstotliwościami interferują produkując falę stojącą, której grzbiet generuje nieliniowe perturbacje ciśnienia propagowane z dużą prędkością fazową. Amplituda fali akustycznej jest proporcjonalna do wysokości fal oceanicznych a częstotliwość jest równa sumie ich częstotliwości.

27 PRZYKŁAD REJESTRACJI MICROBAROMS PODCZAS SZTORMU W ZATOCE ALASKAŃSKIEJ Sytuacja baryczna Azymut źródeł microbaroms Rejestracja infradźwięków w Fairbanks na Alasce w stacji I53US. Możliwość śledzenia sztormów i estymacji wysokości fal.

28 GENEROWANIE INFRADŹWIĘKÓW W STREFIE PRZYBOJU ZAŁAMUJĄCE SIĘ FALE Hawaje

29 GENEROWANIE INFRADŹWIĘKÓW W STREFIE PRZYBOJU ZAŁAMUJĄCE SIĘ FALE Kualanui 100x

30 INFRADŹWIĘKI GENEROWANE PRZEZ TSUNAMI I52GB, wyspa Diego Garcia Trzęsienie dna morskiego koło Sumatry 26 października 2004 r. Milton Garces, 2005

31 INFRADŹWIĘKI GENEROWANE PODCZAS TRZĘSIENIA ZIEMI Tanimoto & Artru-Lambin, 2006

32 PRZYKŁAD INFRADŹWIĘKÓW GENEROWANYCH PODCZAS TRZĘSIENIA ZIEMI trzęsienie Ziemi o sile 6.7 w skali Richtera, na poł. od Fairbanks, Alaska Infradźwięki zarejestrowane podczas trzęsienia ziemi Zmiana azymutu rejestracji infradźwięków w czasie trzęsienia ziemi

33 INFRADŹWIĘKI REJESTROWANE PODCZAS ERUPCJI WULKANU Erupcja wulkanu Arenal w Kostaryce. Przerwania linii poziomych na spektrogramach jest spowodowane zmianami zawartości gazu w mieszaninie magma-gaz. Powoduje to zmiany prędkości dźwięku i zmiany częstotliwości rezonansowych otworu głównego wulkanu. Rejestracja infradźwięków umożliwia monitorowanie ilości gazu wyrzucanego z krateru wulkanu. Milton Garces, 2003

34 PODSUMOWANIE System 60 stacji pomiarowych umożliwia globalne pomiary infradźwięków Czynione są przygotowania do globalnej tomografii infradźwiękowej atmosfery pozwalającej na śledzenie sztormów, cyklonów, wysokich fal,...

35 ADRES STRONY WWW ZAWIERAJĄCEJ KOPIĘ WYKŁADÓW W FORMACIE PDF ORAZ PYTANIA EGZAMINACYJNE

36 EGZAMIN USTNY TERMINY INDYWIDUALNIE DO UZGODNIENIA : tegowski@iopan.gda.pl

37 DZIĘKUJĘ