Introduzione alla Geografia degli Oceani

≫Z ≪Z

1 1 2 1 2 1 2 1 2

Rifrazione

Quando il mezzo in cui le onde si propagano cambia. Per esempio quando le onde passano dall'aria all'acqua la loro

velocità cambia e può cambiare anche la loro direzione. La rifrazione delle onde sonore (cambiamento di direzione) è il

risultato principale della variazione di velocità nella colonna d'acqua. Legge di Snell senα1/senα2 = v1/v2. Poiché le

masse oceaniche sono essenzialmente stratificate in senso orizzontale, le onde sonore che viaggiano in direzione circa

verticale subiscono piccole rifrazioni. Onde che viaggiano in direzione orizzontale con grandi angoli di incidenza con le

superfici di iso-velocità , subiscono grandi deviazioni. Nella zona superficiale degli oceani intorno a 1000 metri di

profondità, la presenza di un livello a bassa velocità causa la diffrazione delle onde sonore che si concentrano in un

canale orizzontale di propagazione preferenziale del suono che viene chiamato "Sound Channel" o "SOFAR channel"

(Sound Fixing And Ranging).

Nell’ambiente marino si utilizzano:

Lunghezze d’onda λ da 50 m a 1 mm

- Frequenze f da 30 Hz a 1.5 MHz (1 Hz = 1 ciclo al secondo)

-

In aree costiere:

Determinare la profondità dell’acqua (rilievi batimetrici)

- Rappresentare il fondo marino per identificare sedimenti superficiali, misurare morfologie del fondo quali ripples,

- ecc.

Misurare lo spessore di strati

- Posizionare tasche di gas, affioramenti rocciosi, ecc.

- Identificare banchi di corallo ed altre strutture biologiche.

-

In aree di mare aperto:

Determinare la profondità dell’acqua e costruire carte batimetriche di dettaglio

- Investigare la geometria del substrato e in tal modo posizionare stazioni di prelievo, ecc.

-

Ecoscandagli, side-scan sonar e subbottom profiler sono le tre classi principali di strumenti usati per raccogliere dati

geofisici in programmi di esplorazione in oceano. Sono tutti e tre sistemi acustici che, emesso un impulso sonoro

nell'acqua, misurano il tempo trascorso tra l'emissione del segnale e il ricevimento del segnale di ritorno, riflesso da

"bersagli" superficiali o presenti al di sotto del fondo stesso.

La tabella elenca le frequenze utilizzate dai più comuni strumenti acustici utilizzati.

Frequenze utilizzate dai più comuni strumenti acustici utilizzati:

!

Acustic System Frequency Purpose

(KHz)

Sea floor

Echo Sounder (single beam) 12-400 Measure water depth for bathymetric mapping

Echo sounder (multibeam) 12-455 Map sea floor topography and structure

!

Side Scan Sonar 30 - 500 Map sea floor topography, sediment type,

texture,outcrops,man-made debris, structures.

!

Below sea floor

Subbottom profiler*-chirp (3.5*)1.5 – 9.0 High – resolution subbottom

Electromechanical

Acustipulse 0.8 – 5.0 Bottom penetration to 30 m

Uniboom 0.4 – 14 15-30 cm resolution with 30-60 m penetratio

Bubble pulser 0.4 Similar to Uniboom

Assorbimento e Diffrazione f

La diffrazione è causata dalla deviazione dell'onda da parte di materiale solido sospeso e risulta dipendente da .

Risoluzione orizzontale

'E determinata dall'ampiezza (angolo al di sotto della nave) del fascio di onde emesse.

Maggiore è l'angolo maggiore è l'area del fondale che produce riflessioni. Se il fondale non è

L’assorbimento è causato dalla trasformazione di energia cinetica in energia termica e chimica da parte delle molecole

omogeneo il trasduttore riceve riflessioni da aree laterali alla verticale della nave.

f

d'acqua e risulta indipendente da . 'E possibile concentrare elettronicamente il fascio in angoli molto piccoli (alcuni gradi ) se le

frequenze sono elevate.

Risoluzione orizzontale:

È determinata dall'ampiezza (angolo al di sotto

della nave) del fascio di onde emesse. Maggiore è

l'angolo maggiore è l'area del fondale che produce 4,5°

30°

3

riflessioni. Se il fondale non è omogeneo il 0

trasduttore riceve riflessioni da aree laterali alla °

verticale della nave. 'E possibile concentrare

Risoluzione verticale

elettronicamente il fascio in angoli molto piccoli

Le riflessioni vengono prodotte da discontinuità fisiche nel mezzo che hanno

(alcuni gradi) se le frequenze sono elevate. Narrow beam

Wide beam

dimensioni Ne consegue che tanto maggiore è f (quindi minore tanto parametric source

sub-bottom profiler

<=λ/4. λ)

minore è la dimensione della discontinuità visibile da un'onda riflessa.

Risoluzione verticale:

Le riflessioni vengono prodotte da discontinuità fisiche nel mezzo che

f

hanno dimensioni <=λ/4. Ne consegue che tanto maggiore è (quindi

minore λ) tanto minore è la dimensione della discontinuità visibile da

un'onda riflessa.

Poiché la discontinuità acqua di mare/fondale marino è molto netta (pochi

Si definisce Zona di Fresnell l'area sottesa da un fascio di onde che raggiunge il fondo del

centimetri o alcuni millimetri)per determinarla con precisione è necessario

mare e che produce riflessioni che contribuiscono a formare il segnale di ritorno.

usare frequenze elevate (>10 kHz).

La zona di Fresnell è tanto più piccola quanto più elevata è la frequenza f e quanto più

ridotto è l'angolo di emissione del fascio di onde.

Poiché la discontinuità acqua di mare/fondale marino è molto netta

(pochi centimetri o alcuni millimetri)per determinarla con precisione è

Si definisce Zona di Fresnell l'area sottesa da un fascio

necessario usare frequenze elevate (>10 kHz).

di onde che raggiunge il fondo del mare e che produce

riflessioni che contribuiscono a formare il segnale di

ritorno. La zona di Fresnell è tanto più piccola quanto

f

più elevata è la frequenza e quanto più ridotto è

l'angolo di emissione del fascio di onde.

à di potenza

nale emesso, la

azione è

mente

zionale alla A parità di potenza del segnale emesso, la penetrazione è inversamente

one. proporzionale alla risoluzione.

a con bassa

nza penetra

ma risolve solo Un’onda con bassa frequenza penetra molto ma risolve solo discontinuità

inuità molto molto estese; un'onda con alta frequenza penetra poco (viene attenuata

un'onda con velocemente) ma risolve discontinuità sottili.

quenza

a poco (viene

ta

mente) ma

discontinuità Un trasduttore acustico è un particolare congegno elettro-meccanico che emette

onde sonore in frequenza e lunghezza d’onda note e costanti. Le onde che

ritornano dalla colonna d’acqua e dal fondo per i fenomeni di riflessione,

“eccitati”

rifrazione e diffrazione vengono captate da ricevitori passivi che sono

dall’arrivo dell’energia acustica

Un trasduttore acustico è un particolare congegno elettro-

meccanico che emette onde sonore in frequenza e lunghezza

d’onda note e costanti. Le onde che ritornano dalla colonna

d’acqua e dal fondo per i fenomeni di riflessione, rifrazione e

diffrazione vengono captate da ricevitori passivi che sono

“eccitati” dall’arrivo dell’energia acustica.

Che cosa succede sotto la chiglia di una nave che si muove sulla superficie marina:

l’acqua superficiale è in genere ricca di bolle d’aria e il movimento della prua della

nave e dello scafo spostano lateralmente e sotto la chiglia della nave un certo volume

di quest’acqua. Il movimento della massa d’acqua spostata si manifesta dapprima, in

prossimità della prua come un flusso laminare che presto tende a diventare turbolento

Che cosa succede sotto la chiglia di una nave che si muove

sulla superficie marina: l’acqua superficiale è in genere ricca

di bolle d’aria e il movimento della prua della nave e dello

scafo spostano lateralmente e sotto la chiglia della nave un

certo volume di quest’acqua. Il movimento della massa

d’acqua spostata si manifesta dapprima, in prossimità della

prua come un flusso laminare che presto tende a diventare

turbolento. In tal modo la nave si muove sopra uno strato

nti a questo punto attraversano 2 mezzi ad impedenza

a e le bolle d’aria. Ciò provoca tutta una serie di riflessioni, d’acqua in movimento; acqua che era all’origine ricca di

eboliscono molto il segnale del trasduttore in uscita e il bolle d’aria che sono aumentate anche a seguito dello

rso i ricevitori Le onde acustiche degli strumenti a questo punto attraversano 2

spostamento provocato dalla nave stessa.

acustica molto diversa: l’acqua e le bolle d’aria. Ciò provoca tut

rifrazioni e diffrazioni che indeboliscono molto il segnale del tra

In tal modo la nave si muove sopra uno strato d’acqua in movimento; acqua che era

La posizione ottimale dovrebbe essere quella segnale di ritorno in entrata verso i ricevitori

Le onde acustiche degli strumenti a questo punto attraversano 2 mezzi ad impedenza acustica molto diversa: l’acqua e le

all’origine ricca di bolle d’aria che sono aumentate anche a seguito dello spostamento

dove il flusso è ancora laminare, all’estremità

della prua.

provocato dalla nave stessa

bolle d’aria. Ciò provoca tutta una serie di riflessioni, rifrazioni e diffrazioni che

“beccheggio”

Ma qui il in caso di mare mosso La posizione ot

indeboliscono molto il segnale del trasduttore in uscita e il segnale di ritorno in dove il flusso è

è molto forte e il trasduttore soggetto a forti

entrata verso i ricevitori. della prua.

sollecitazioni verticali.

La posizione ottimale dovrebbe essere quella dove il flusso è ancora laminare, “becc

Ma qui il

è molto forte e

all’estremità della prua. Ma qui il “beccheggio” in caso di mare mosso è molto forte e sollecitazioni ve

il trasduttore soggetto a forti sollecitazioni

In alcuni casi si utilizza il sistema di posizionare

verticali.

si tende la strumentazione in una navicella (blister) appesa

rca 1/3 Su navi di medie dimensioni si tende a sistemare il trasduttore a circa 1/3 della

sotto la chiglia per allontanarla dalla superficie

rtendo da lunghezza della nave partendo da prua. In una posizione più arretrata le onde

Su navi di medie dimensioni si tende

retrata le marina. a sistemare il trasduttore a circa 1/3

acustiche tenderebbero ad attraversare il flusso turbolento con effetti negativi sulla

ad attraversare della lunghezza della nave partendo da

Ciò aumenta però il pescaggio della n