التصوير المقطعي الصوتي للمحيطات

التصوير المقطعي الصوتي للمحيطات تقنية تُستخدم لقياس درجات الحرارة والتيارات فوق مساحات واسعة من المحيط . ^{[ 1 ] [ 2 ]} على نطاق أحواض المحيطات، تُعرف هذه التقنية أيضًا باسم قياس الحرارة الصوتي. تعتمد هذه التقنية على قياس دقيق للزمن الذي تستغرقه الإشارات الصوتية للانتقال بين جهازين، أحدهما مصدر صوتي والآخر مستقبل ، يفصل بينهما نطاق يتراوح بين 100 و5000 كيلومتر (54-2700 ميل بحري) . إذا عُرفت مواقع الجهازين بدقة، يُمكن استخدام قياس زمن الانتقال لاستنتاج سرعة الصوت، محسوبةً كمعدل على طول المسار الصوتي. تحدث التغيرات في سرعة الصوت بشكل أساسي نتيجةً للتغيرات في درجة حرارة المحيط، وبالتالي فإن قياس أزمنة الانتقال يُعادل قياس درجة الحرارة. يُقابل تغير درجة الحرارة بمقدار 1 درجة مئوية (1.8 درجة فهرنهايت) تغيرًا في سرعة الصوت بمقدار 4 أمتار في الثانية (13 قدمًا/ثانية) . تستخدم التجربة الأوقيانوغرافية التي تستخدم التصوير المقطعي عادةً عدة أزواج من المصدر والمستقبل في مصفوفة مثبتة تقيس مساحة من المحيط.    

مياه البحر موصلة للكهرباء ، لذا فإن المحيطات معتمة للطاقة الكهرومغناطيسية (مثل الضوء أو الرادار ). ومع ذلك، فإن المحيطات شفافة نسبيًا للصوتيات منخفضة التردد. تنقل المحيطات الصوت بكفاءة عالية، وخاصة الصوت ذي الترددات المنخفضة، أي أقل من بضع مئات من الهرتز. ^{[ 3 ]} دفعت هذه الخصائص والتر مونك وكارل وونش ^{[ 4 ] [ 5 ]} إلى اقتراح "التصوير المقطعي الصوتي" لقياس المحيطات في أواخر سبعينيات القرن الماضي. تتمثل مزايا النهج الصوتي لقياس درجة الحرارة في جانبين: أولًا، إمكانية قياس مساحات واسعة من باطن المحيط عن طريق الاستشعار عن بُعد . ثانيًا، تعمل هذه التقنية تلقائيًا على تقليل تأثير التقلبات الصغيرة في درجة الحرارة (أي الضوضاء) التي تُهيمن على تغيرات المحيط.

منذ بدايتها، ارتبطت فكرة رصد المحيطات باستخدام الصوتيات بتقدير حالة المحيط باستخدام النماذج العددية الحديثة للمحيطات وتقنيات دمج البيانات في هذه النماذج. ومع تطور تقنية الرصد، تطورت أيضاً أساليب دمج البيانات وقوة الحوسبة اللازمة لإجراء هذه الحسابات.

من الجوانب المثيرة للاهتمام في التصوير المقطعي أنه يستغل حقيقة أن الإشارات الصوتية تنتقل عبر مجموعة من مسارات الأشعة المستقرة عمومًا. فمن إشارة صوتية واحدة مُرسلة، تُنتج هذه المجموعة من الأشعة وصولات متعددة إلى جهاز الاستقبال، ويتوافق زمن انتقال كل وصول مع مسار شعاع معين. وتتوافق الوصولات الأولى مع الأشعة التي تنتقل إلى أعماق أكبر، لأنها تنتقل حيث تكون سرعة الصوت أعلى ما يمكن. ويمكن حساب مسارات الأشعة بسهولة باستخدام الحواسيب (" تتبع الأشعة ")، ويمكن عمومًا تحديد كل مسار شعاع بزمن انتقال معين. وتقيس أزمنة الانتقال المتعددة متوسط ​​سرعة الصوت على كل مسار من المسارات الصوتية المتعددة. وتتيح هذه القياسات استنتاج جوانب من بنية تغيرات درجة الحرارة أو التيار كدالة للعمق. ويُعد حل سرعة الصوت، وبالتالي درجة الحرارة، من أزمنة انتقال الصوت مسألة عكسية .

تُدمج تقنية التصوير المقطعي الصوتي للمحيطات تغيرات درجة الحرارة على مسافات شاسعة، أي أن أوقات انتقال الموجات المقاسة ناتجة عن التأثيرات المتراكمة لجميع تغيرات درجة الحرارة على طول المسار الصوتي، وبالتالي فإن القياسات بهذه التقنية هي قياسات متوسطة بطبيعتها. تُعد هذه خاصية فريدة وهامة، نظرًا لأن خصائص الاضطراب والموجات الداخلية صغيرة النطاق المنتشرة في المحيط عادةً ما تُهيمن على الإشارات في القياسات عند نقاط محددة. على سبيل المثال، يتعين على القياسات التي تُجرى باستخدام مقاييس الحرارة (مثل الثرمستورات المثبتة أو عوامات أرغو العائمة) التعامل مع هذا  التشويش الذي يتراوح بين 1 و2 درجة مئوية، مما يستلزم استخدام عدد كبير من الأجهزة للحصول على قياس دقيق لمتوسط ​​درجة الحرارة. لذلك، يُعد القياس الصوتي فعالًا من حيث التكلفة لقياس متوسط ​​درجة حرارة أحواض المحيطات. كما تُحسب متوسطات التباين على العمق أيضًا من خلال قياسات التصوير المقطعي، نظرًا لأن مسارات الموجات تتكرر عبر عمود الماء.

تعتمد تقنية التصوير المقطعي التبادلي على الإرسال المتزامن بين جهازي إرسال واستقبال صوتيين. وجهاز الإرسال والاستقبال هو أداة تتضمن مصدرًا صوتيًا وجهاز استقبال. تُستخدم الفروق الطفيفة في زمن انتقال الإشارات المتبادلة لقياس تيارات المحيط ، حيث تنتقل هذه الإشارات مع التيار وعكسه. ويُحسب متوسط ​​أزمنة الانتقال المتبادلة لقياس درجة الحرارة، مع استبعاد التأثيرات الطفيفة لتيارات المحيط تمامًا. تُستنتج درجات حرارة المحيط من مجموع أزمنة الانتقال المتبادلة، بينما تُستنتج التيارات من الفرق بين أزمنة الانتقال المتبادلة. عمومًا، يكون تأثير تيارات المحيط (عادةً 10 سم/ث (3.9 بوصة/ث) ) على أزمنة الانتقال أقل بكثير من تأثير تغيرات سرعة الصوت (عادةً 5 م/ث (16 قدم/ث) )، لذا فإن التصوير المقطعي أحادي الاتجاه يقيس درجة الحرارة بدقة جيدة.    

في المحيط، قد تحدث تغيرات واسعة النطاق في درجات الحرارة على مدى فترات زمنية تتراوح من دقائق ( الأمواج الداخلية ) إلى عقود ( تغير مناخ المحيط ). وقد استُخدم التصوير المقطعي لقياس هذا التباين على نطاق واسع من المقاييس الزمنية والمكانية. في الواقع، يُنظر إلى التصوير المقطعي على أنه مقياس لمناخ المحيط باستخدام عمليات الإرسال عبر مسافات متقابلة . ^{[ 3 ]}

أصبحت تقنية التصوير المقطعي طريقة قيّمة لرصد المحيطات، ^{[ 6 ]} إذ تستغل خصائص الانتشار الصوتي بعيد المدى للحصول على قياسات شاملة لمتوسط ​​درجة حرارة المحيط أو تياراته. وكان من أوائل تطبيقات التصوير المقطعي في رصد المحيطات في الفترة 1988-1989، حيث تعاونت مجموعات بحثية من معهد سكريبس لعلوم المحيطات ومعهد وودز هول لعلوم المحيطات لنشر مصفوفة تصوير مقطعي سداسية العناصر في السهل السحيق لدوامة بحر غرينلاند لدراسة تكوين المياه العميقة ودوران الدوامة. ^{[ 7 ] [ 8 ]} وتشمل التطبيقات الأخرى قياس المد والجزر، ^{[ 9 ] [ 10 ]} وتقدير ديناميكيات المحيطات متوسطة النطاق من خلال الجمع بين التصوير المقطعي، وقياس الارتفاع بالأقمار الصناعية، والبيانات الميدانية مع نماذج ديناميكيات المحيطات. ^{[ 11 ]} بالإضافة إلى القياسات التي أُجريت على مدى عقد من الزمن في شمال المحيط الهادئ، استُخدمت تقنية قياس درجة الحرارة الصوتية لقياس تغيرات درجة حرارة الطبقات العليا من أحواض المحيط المتجمد الشمالي، ^{[ 12 ]} وهو مجال لا يزال يحظى باهتمام كبير. ^{[ 13 ]} كما استُخدمت تقنية قياس درجة الحرارة الصوتية مؤخرًا لتحديد تغيرات درجات حرارة المحيطات على نطاق عالمي باستخدام بيانات من نبضات صوتية مُرسلة من أحد طرفي الأرض إلى الطرف الآخر. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

يُعدّ قياس درجة الحرارة الصوتي فكرةً لرصد أحواض المحيطات في العالم ، ومناخ المحيطات على وجه الخصوص، باستخدام الإرسال الصوتي عبر الأحواض . وقد استُخدم مصطلح "قياس درجة الحرارة"، بدلاً من "التصوير المقطعي"، للإشارة إلى القياسات على مستوى الحوض أو على المستوى العالمي. وقد أُجريت قياسات أولية لدرجة الحرارة في حوض شمال المحيط الهادئ وعبر حوض القطب الشمالي . ^{[ 1 ]}

ابتداءً من عام 1983، طوّر جون سبيسبرغر من معهد وودز هول لعلوم المحيطات ، وتيد بيردسال وكورت ميتزجر من جامعة ميشيغان ، استخدام الصوت لاستنتاج معلومات حول درجات حرارة المحيط على نطاق واسع، وتحديدًا لمحاولة رصد ظاهرة الاحتباس الحراري في المحيط. أرسل هذا الفريق أصواتًا من أواهو، سُجّلت في حوالي عشرة أجهزة استقبال موزعة حول حافة المحيط الهادئ على مسافات تصل إلى 4000 كيلومتر (2500 ميل) . ^{[ 16 ] [ 17 ]} أظهرت هذه التجارب إمكانية قياس التغيرات في درجة الحرارة بدقة تصل إلى حوالي 20 ملي درجة. لم يرصد سبيسبرغر وزملاؤه ظاهرة الاحتباس الحراري، بل اكتشفوا أن تقلبات مناخية طبيعية أخرى، مثل ظاهرة النينيو، كانت مسؤولة جزئيًا عن تقلبات كبيرة في درجة الحرارة، والتي ربما حجبت أي اتجاهات أبطأ وأصغر قد تكون ناجمة عن الاحتباس الحراري. ^{[ 18 ]}  

تم تنفيذ برنامج قياس درجة حرارة المحيطات صوتيًا (ATOC) في شمال المحيط الهادئ، حيث أُجريت عمليات إرسال صوتية من عام 1996 حتى خريف عام 2006. وتوقفت القياسات عند انتهاء البروتوكولات البيئية المتفق عليها. وقد أظهر نشر المصدر الصوتي على مدى عقد من الزمن أن عمليات الرصد مستدامة حتى بميزانية متواضعة. وقد تم التحقق من دقة عمليات الإرسال في توفير قياس دقيق لدرجة حرارة المحيط على المسارات الصوتية، مع هامش خطأ أقل بكثير من أي طريقة أخرى لقياس درجة حرارة المحيط. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

كما استُخدمت الزلازل المتكررة كمصادر صوتية طبيعية في قياس درجة الحرارة الصوتي، وهو ما قد يكون مفيدًا بشكل خاص لاستنتاج تغيرات درجة الحرارة في أعماق المحيط التي لا يتم رصدها حاليًا بشكل كافٍ بواسطة الأجهزة الموجودة في الموقع. ^{[ 21 ]}

واجه مشروع ATOC العديد من المشكلات المتعلقة بتأثيرات الصوتيات على الثدييات البحرية (مثل الحيتان ، وخنازير البحر ، وأسود البحر ، وغيرها). ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]} وقد تعقد النقاش العام بسبب مسائل تقنية من تخصصات متنوعة ( علم المحيطات الفيزيائي ، وعلم الصوتيات ، وعلم أحياء الثدييات البحرية، وغيرها)، مما يجعل فهم تأثيرات الصوتيات على الثدييات البحرية صعبًا حتى على الخبراء، فضلًا عن عامة الناس. كانت العديد من القضايا المتعلقة بالصوتيات في المحيط وتأثيراتها على الثدييات البحرية مجهولة. وأخيرًا، سادت في البداية مفاهيم خاطئة لدى العامة، مثل الخلط بين تعريف مستويات الصوت في الهواء ومستويات الصوت في الماء. فإذا فُسِّر عدد معين من الديسيبلات في الماء على أنه ديسيبلات في الهواء، سيبدو مستوى الصوت أكبر بكثير مما هو عليه في الواقع - في مرحلة ما، فُسِّرت مستويات صوت ATOC خطأً على أنها عالية جدًا لدرجة أن الإشارات ستقتل 500,000 حيوان. ^{[ 25 ] [ 5 ]} كانت القدرة الصوتية المستخدمة، 250 واط، مماثلة لتلك التي تُصدرها الحيتان الزرقاء أو حيتان الزعانف ، ^{[ 24 ]} على الرغم من أن هذه الحيتان تُصدر أصواتًا بترددات أقل بكثير. ينقل المحيط الصوت بكفاءة عالية لدرجة أن الأصوات لا تحتاج إلى أن تكون عالية جدًا لعبور أحواض المحيطات. ومن العوامل الأخرى في هذا الجدل التاريخ الطويل للنشاط المتعلق بالثدييات البحرية، والناجم عن الصراع المستمر حول صيد الحيتان، والتعاطف الذي يشعر به الكثير من الجمهور تجاه الثدييات البحرية. ^{[ 25 ]}

نتيجةً لهذا الجدل، أجرى برنامج ATOC دراسةً بتكلفة 6 ملايين دولار أمريكي حول تأثيرات البث الصوتي على مجموعة متنوعة من الثدييات البحرية. وُضع مصدر الصوت في قاع البحر على عمق حوالي نصف ميل، ولذلك كانت الثدييات البحرية، التي ترتبط عادةً بالسطح، أبعد من نصف ميل عن المصدر. كان مستوى الصوت الصادر من المصدر معتدلاً، أقل من مستوى صوت الحيتان الكبيرة، وكانت دورة التشغيل 2% (أي أن الصوت يعمل 2% فقط من اليوم). ^{[ 26 ]} بعد ست سنوات من الدراسة، كان الاستنتاج الرسمي لهذه الدراسة هو أن بث ATOC "ليس له أي تأثيرات بيولوجية ذات دلالة". ^{[ 24 ] [ 27 ] [ 28 ]}

قد لا تكون الأنشطة الصوتية الأخرى في المحيط حميدة تمامًا بالنسبة للثدييات البحرية. فقد دُرست أنواع مختلفة من الأصوات التي يصنعها الإنسان باعتبارها تهديدات محتملة للثدييات البحرية، مثل طلقات البنادق الهوائية المستخدمة في المسوحات الجيوفيزيائية، ^{[ 29 ]} أو البث الذي تقوم به البحرية الأمريكية لأغراض متنوعة. ^{[ 30 ]} ويعتمد التهديد الفعلي على مجموعة متنوعة من العوامل تتجاوز مستويات الضوضاء، مثل: تردد الصوت، وتردد ومدة البث، وطبيعة الإشارة الصوتية (مثل نبضة مفاجئة أو تسلسل مشفر)، وعمق مصدر الصوت، واتجاه مصدر الصوت، وعمق المياه والتضاريس المحلية، والصدى، وغيرها.

تتألف عمليات الإرسال التصويري من إشارات مشفرة طويلة (مثل "متواليات m" ) تدوم 30 ثانية أو أكثر. تتراوح الترددات المستخدمة بين 50 و1000  هرتز، وتتراوح قدرة المصدر بين 100 و250 واط، وذلك حسب أهداف القياسات. وباستخدام توقيت دقيق، مثل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، يمكن قياس أزمنة انتقال الإشارة بدقة اسمية تصل إلى 1 مللي ثانية. ورغم أن هذه الإرسالات مسموعة بالقرب من المصدر، إلا أنها عادةً ما تكون أقل من مستوى الضوضاء المحيطة على مسافة عدة كيلومترات، مما يستلزم استخدام تقنيات متطورة لمعالجة الإشارات ذات الطيف المنتشر لاستعادتها.

• علم المحيطات الصوتي
• تتبع الأشعة
• قناة SOFAR
• سوسوس
• سرعة الصوت
• قياس الارتفاع بالأقمار الصناعية TOPEX/Poseidon
• الصوتيات تحت الماء

• ب. د. دوشاو، 2013. "التصوير المقطعي الصوتي للمحيطات" في موسوعة الاستشعار عن بعد، إي. جي. نجوكو، محرر، سبرينغر، سبرينغر-فيرلاغ برلين هايدلبرغ، 2013. ISBN 978-0-387-36698-2.
• و. مونك، ب. وورسيستر، و س. وونش (1995). التصوير المقطعي الصوتي للمحيطات . كامبريدج: مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 0-521-47095-1.
• PF Worcester، 2001: "التصوير المقطعي"، في موسوعة علوم المحيطات ، J. Steele، S. Thorpe، و K. Turekian، المحررين، Academic Press Ltd.، 2969-2986.

• مجموعة أدوات المحيطات لبرنامج ماتلاب من تصميم ريتش باولوويتش.
• مختبر الصوتيات المحيطية (OAL) - مؤسسة وودز هول لعلوم المحيطات.
• مختبر شمال المحيط الهادئ الصوتي (NPAL) - معهد سكريبس لعلوم المحيطات، لا جولا، كاليفورنيا.
• قياس درجة حرارة المحيطات صوتياً - معهد سكريبس لعلوم المحيطات، لا جولا، كاليفورنيا.
• موقع اكتشاف الصوت في البحر - DOSITS هو موقع تعليمي يهتم بعلم الصوتيات في المحيط.
• أصوات الإشارات الصوتية المستخدمة في التصوير المقطعي - صفحة الويب الخاصة بـ DOSITS.
• يوم في حياة مرساة التصوير المقطعي - جامعة واشنطن، سياتل، واشنطن.
• استكشاف أسرار المحيط - الأكاديمية الوطنية للعلوم.
• الصوت يقيس أسرار المحيط - الجمعية الصوتية الأمريكية.
• برنامج قياس درجة حرارة المحيطات صوتيًا / برنامج أبحاث الثدييات البحرية، مختبر علم الطيور بجامعة كورنيل، برنامج أبحاث الصوتيات الحيوية