قناة SOFAR

قناة SOFAR (اختصارًا لقناة تحديد المدى الصوتي )، أو قناة الصوت العميق ( DSC )، ^{[ 1 ]} هي طبقة أفقية من الماء في المحيط حيث تكون سرعة الصوت عند أدنى مستوى لها. تعمل قناة SOFAR كدليل موجي للصوت، وقد تنتقل الموجات الصوتية منخفضة التردد داخل القناة لآلاف الأميال قبل أن تتلاشى. ومن الأمثلة على ذلك استقبال إشارات مشفرة صادرة عن سفينة المراقبة المحيطية "كوري تشويست" المستأجرة من قبل البحرية الأمريكية قبالة جزيرة هيرد ، الواقعة في جنوب المحيط الهندي (بين أفريقيا وأستراليا والقارة القطبية الجنوبية)، بواسطة أجهزة هيدروفونية في أجزاء من جميع أحواض المحيطات الرئيسية الخمسة، وحتى في شمال المحيط الأطلسي وشمال المحيط الهادئ . ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ ملاحظة 1 ]}

تُعدّ هذه الظاهرة عاملاً هاماً في مراقبة المحيطات. ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]} اكتُشفت قناة الصوت العميقة ووُصفت بشكل مستقل من قِبل موريس إيوينغ وج . لامار وورزل في جامعة كولومبيا، وليونيد بريخوفسكيخ في معهد ليبيديف للفيزياء في أربعينيات القرن العشرين. ^{[ 8 ] [ 9 ]} ولاختبار هذا المفهوم عام 1944، قام إيوينغ وورزل بتعليق ميكروفون مائي من سفينة سالودا الشراعية التابعة لمختبر الصوت تحت الماء ، بينما قامت سفينة أخرى بتفجير شحنات متفجرة على بُعد يصل إلى 900 ميل بحري (1000 ميل؛ 1700 كيلومتر) . ^{[ 10 ] [ 11 ]}   

تُعدّ درجة الحرارة العاملَ المهيمن في تحديد سرعة الصوت في المحيط. ففي المناطق ذات درجات الحرارة المرتفعة (مثل المناطق القريبة من سطح المحيط)، تكون سرعة الصوت أعلى. وتنخفض درجة الحرارة مع العمق، فتنخفض سرعة الصوت تبعًا لذلك حتى تستقر درجة الحرارة ويصبح الضغط هو العامل المهيمن. يقع محور قناة SOFAR عند نقطة أدنى سرعة للصوت، عند عمق يبدأ فيه الضغط بالتغلب على درجة الحرارة، فتزداد سرعة الصوت. تقع هذه النقطة في قاع الطبقة الحرارية وأعلى الطبقة متساوية الحرارة العميقة، ولذا فهي تشهد بعض التغيرات الموسمية. توجد قنوات صوتية أخرى، خاصة في الطبقة المختلطة العليا ، لكن مسارات الأشعة تفقد طاقتها إما بانعكاسات على السطح أو القاع. في قناة SOFAR، تنكسر الترددات المنخفضة، على وجه الخصوص، عائدةً إلى القناة، مما يقلل من فقد الطاقة ويُمكّن الصوت من قطع آلاف الأميال. ^{[ 9 ] [ 12 ] [ 13 ]} أظهر تحليل بيانات اختبار جدوى جزيرة هيرد، التي استقبلتها أجهزة الاستماع المائية لنظام تحديد موقع اصطدام الصواريخ في جزيرة أسنسيون على مسافة متوسطة تبلغ 9200 كيلومتر (5700 ميل؛ 5000 ميل بحري) من المصدر، نسب إشارة إلى ضوضاء "عالية بشكل مفاجئ" ، تتراوح من 19 إلى 30 ديسيبل، مع استقرار طوري غير متوقع وتغير في السعة بعد زمن انتقال يبلغ حوالي ساعة و44 دقيقة و17 ثانية. ^{[ 3 ]}    

داخل القناة، تسلك الموجات الصوتية مسارًا يتذبذب عبر محور قناة SOFAR، بحيث تصل الإشارة الواحدة في أوقات متعددة، مصحوبة بنبضات متعددة تتوج بنهاية محددة بوضوح. ^{[ 10 ] [ ملاحظة 2 ]} تُسمى هذه النهاية المحددة بوضوح، والتي تمثل مسار وصول شبه محوري، أحيانًا بنهاية SOFAR، بينما تُسمى النهايات السابقة بسيمفونية SOFAR. ^{[ 14 ] [ 15 ]} تعود هذه التأثيرات إلى اتساع قناة الصوت، حيث تقع مسارات الأشعة بين السطح والعمق الحرج. ^{[ ملاحظة 3 ]} العمق الحرج هو النقطة الواقعة أسفل محور الحد الأدنى لسرعة الصوت، حيث تزداد سرعة الصوت لتساوي أقصى سرعة فوق المحور. عندما يقع القاع فوق العمق الحرج، يتضاءل الصوت، وكذلك أي مسار شعاع يتقاطع مع السطح أو القاع. ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ ملاحظة 4 ]}

يختلف محور القناة الصوتية اختلافًا كبيرًا باختلاف موقعه، حيث يصل إلى السطح ويختفي عند خطوط العرض العليا (أعلى من 60° شمالًا أو أسفل 60° جنوبًا)، ثم ينتقل الصوت في قناة سطحية. ويُقدم تقرير صادر عام 1980 عن مركز أنظمة المحيطات البحرية أمثلةً على ذلك في دراسة لمسار صوتي دائري عظيم بين بيرث، أستراليا، وبرمودا ، مع بيانات من ثمانية مواقع على طول المسار. في كل من بيرث وبرمودا، يقع محور القناة الصوتية على عمق حوالي 1200 متر (3937 قدمًا) . وعند نقطة التقاء المسار مع منطقة التقارب القطبي الجنوبي عند خط عرض 52° جنوبًا، لا توجد قناة صوتية عميقة، بل قناة سطحية بعمق 30 مترًا (98 قدمًا) وقناة صوتية ضحلة على عمق 200 متر (656 قدمًا) . ومع انحناء المسار شمالًا، أظهرت محطة عند خط عرض 43° جنوبًا وخط طول 16° شرقًا أن المقطع الجانبي يعود إلى نمط SOFAR عند عمق 800 متر (2625 قدمًا) . ^{[ 19 ] [ 20 ]}        

بدأ تطوير أول تطبيق عملي لهذه التقنية خلال الحرب العالمية الثانية، عندما شرعت البحرية الأمريكية في تجربة وتطبيق القدرة على تحديد موقع انفجار قنبلة SOFAR التي يستخدمها الطيارون الذين أُسقطت طائراتهم كإشارة استغاثة. سمح الفرق في أوقات وصول الإشارة من موقع مجهول إلى مواقع معروفة بحساب الموقع التقريبي للمصدر. ^{[ 10 ]} تشكل أوقات الوصول خطوطًا زائدية للموقع، على غرار نظام LORAN . أما العكس، أي رصد الإشارات الموقوتة من مواقع ساحلية معروفة عند نقطة مجهولة، فقد سمح بحساب الموقع عند تلك النقطة. سُميت هذه التقنية اختصارًا لـ SOFAR: RAFOS. وقد عُرّف نظام RAFOS في طبعة عام 1962 من كتاب " الملاح العملي الأمريكي" ضمن أنظمة الملاحة الزائدية. ^{[ 10 ] [ 21 ] [ 22 ]}

اعتمدت التطبيقات المبكرة على محطات ساحلية ثابتة، تُعرف غالبًا باسم محطات SOFAR. بدأ تشغيل نظام شرق المحيط الهادئ عام 1947، مع محطات مُخطط لها في مونتيري وبوينت أرينا في كاليفورنيا، ومحطة واحدة في كانيوهي في هاواي. في كاليفورنيا، زُرعت ثلاثة ميكروفونات مائية في وادي مونتيري على عمق 350 قامة (2100 قدم؛ 640 مترًا) ، ووُصلت بالمنشأة الساحلية القائمة عبر كابل بطول 14 ميلًا بحريًا (16 ميلًا؛ 26 كيلومترًا) . كما زُرع ميكروفون مائي آخر على عمق 400 قامة (2400 قدم؛ 732 مترًا)، ووُصل بالشاطئ عبر كابل بطول 14 ميلًا بحريًا (16 ميلًا؛ 26 كيلومترًا) . كانت الخطة لمونتيري تتضمن سبعة ميكروفونات مائية، لكن الاختبارات أظهرت أن جدران الوادي تؤثر على دقة التوقيت، مما استدعى نقل المحطة. نُقلت المحطة إلى بوينت سور، واستمر العمل فيها عام 1948. ^{[ 23 ]}          

في 18 سبتمبر 1952، سجلت محطتا كاليفورنيا، دون محطة كانيوهي، إشارات قوية وغير عادية. عدم التقاط كانيوهي للإشارة دلّ على أن مصدرها يقع غرب خط طول 180 درجة، وأن خط موقع محطتي كاليفورنيا يمر جنوب طوكيو. كان يجري التحقيق في هذا الحدث الصوتي عندما حلّت أنباء ثوران بركان ميوجين-شو في البحار جنوب اليابان اللغز. فقد انقطعت الاتصالات عن سفينة وكالة السلامة البحرية اليابانية، كايو مارو رقم 5، بعد أن دُمّرت في الثوران. لاحقًا، رُبطت تسجيلات نظام SOFAR بمراحل ذلك الثوران، بما في ذلك فترة الهدوء التي تلتها ثوران مفاجئ في وقت اختفاء السفينة. كان هذا الحدث أول حدث بركاني يُربط بين بيانات نظام SOFAR. كما رُبطت أحداث زلزالية أخرى في الفترة نفسها، مما أدى إلى اعتبار نظام SOFAR نظامًا لرصد الزلازل. ^{[ 24 ]}

أصبحت العديد من المحطات مرافق بحثية صوتية، كما هو الحال مع محطة SOFAR في برمودا التي شاركت في تجربة بيرث إلى برمودا. ^{[ 19 ] [ 20 ]} يحتفظ معهد وودز هول لعلوم المحيطات (WHOI) بسجلات محطة برمودا . ^{[ 25 ]} في الآونة الأخيرة، تم نشر مصادر SOFAR لأغراض خاصة في تطبيق RAFOS. أحد هذه الأنظمة نشر مصادر مثبتة في قاع البحر قبالة رأس هاتيراس ، وقبالة برمودا، ومصدرًا آخر على جبل بحري لإرسال ثلاث إشارات موقوتة بدقة يوميًا لتوفير دقة تقارب خمسة كيلومترات (3.1 ميل؛ 2.7 ميل بحري) . ^{[ 26 ]}  

سرعان ما حظي التطبيق الأول باهتمام بالغ من البحرية لأسباب تتجاوز مجرد تحديد مواقع أطقم الطائرات التي أُسقطت. ففي عام 1949، صدر قرار من البحرية أدى إلى إجراء دراسات بحلول عام 1950 أوصت باستغلال إمكانات السونار السلبي لقناة SOFAR في جهود البحرية لمكافحة الغواصات. وتضمنت التوصية تخصيص 10 ملايين دولار سنويًا لأبحاث وتطوير النظام. وبحلول عام 1951، أثبتت مصفوفة اختبارية جدوى الفكرة، وفي عام 1952، طُلب إنشاء محطات إضافية للمحيط الأطلسي. وكان أول استخدام رئيسي لقناة SOFAR في مراقبة المحيطات ضمن برنامج سري أدى إلى إنشاء نظام مراقبة الصوت (SOSUS). وظل هذا النظام سريًا منذ إنشائه حتى تم تعزيز الأنظمة الثابتة بمصفوفات متحركة ليصبح نظام المراقبة المتكاملة تحت سطح البحر، حيث رُفعت السرية عن مهمة النظام وطبيعته في عام 1991. ^{[ 7 ] [ 27 ] [ ملاحظة 5 ]}

كشف رصد الزلازل باستخدام نظام SOSUS، بعد منح مختبر البيئة البحرية في المحيط الهادئ (PMEL) التابع للإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي ( NOAA) إمكانية وصول مدنية محدودة إليه عام 1991، عن رصد عدد من الزلازل البحرية يفوق عشرة أضعاف، مع دقة تحديد مواقعها، مقارنةً بأجهزة الاستشعار الأرضية. وقد تمكن نظام SOSUS من رصد الزلازل التي تبلغ قوتها حوالي درجتين، بدلاً من أربع درجات. كما رصد النظام تمدد قاع البحر ونشاط الصهارة في سلسلة جبال خوان دي فوكا في الوقت المناسب لسفن الأبحاث لإجراء الدراسات. ونتيجةً لهذا النجاح، طوّر مختبر PMEL أجهزة استشعار مائية خاصة به لنشرها في جميع أنحاء العالم، تُعلق في قناة SOFAR بواسطة نظام عوامة ومرساة. ^{[ 28 ]}

تُعدّ الأصوات الغامضة منخفضة التردد ، المنسوبة إلى حيتان الزعانف ( Balaenoptera physalus )، ظاهرة شائعة في القناة. ويعتقد العلماء أن حيتان الزعانف قد تغوص إلى هذه القناة وتغني للتواصل مع حيتان زعانف أخرى على بُعد كيلومترات عديدة. ^{[ 30 ]}

تصف رواية " مطاردة أكتوبر الأحمر" استخدام قناة SOFAR في الكشف عن الغواصات.

• مقياس حرارة العمق
• عوامة رافوس
• قنبلة صوفا
• نظام المراقبة الصوتية (SOSUS)
• الصوتيات تحت الماء

• قناة SOFAR أو قناة الصوت العميق ، من الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA).
• كيف يُستخدم الصوت لدراسة الزلازل تحت سطح البحر؟ (تسجيل لزلزال هونشو، اليابان، الذي وقع في 11 مارس 2011، تم تسجيله بواسطة ميكروفون مائي يقع بالقرب من جزر ألوشيان)
• خط أنابيب صوتي ، من الأكاديمية الوطنية للعلوم
• سوسوس، "السلاح السري" للمراقبة تحت الماء، بقلم إدوارد سي. ويتمان. الحرب تحت الماء
• ريتشارد مولر، جامعة كاليفورنيا في بيركلي – محاضرة عن الموجات، وجهاز SOFAR، وحادثة روزويل للأجسام الطائرة المجهولة
• "SOFAR" في مجلة Electron ، يونيو 1950، (الصفحات 2-5)، وزارة البحرية، مكتب السفن (مناقشة فنية موجزة حول SOFAR ومعدات المحطة).