PROPRIEDADES ACÚSTICAS DA ÁGUA DO MAR

Transcrição

1 PROPRIEDADES ACÚSTICAS DA ÁGUA DO MAR O som propaga-se de forma muito mais eficaz na água do que no ar, ao contrário da luz. Apesar do som e da luz se propagarem como ondas elas são fundamentalmente diferentes: - o som propaga-se por ondas longitudinais e a luz por ondas transversais; - a luz é uma forma de energia electromagnética e propaga-se melhor no vácuo e, em geral pior à medida que a densidade do meio vai aumentando; - a propagação do som envolve a vibração do material de que é composto o meio onde se propaga e por isso, em geral, propaga-se melhor em sólidos e em líquidos e pior em gases e não se propaga no vazio, obviamente! - O som é uma espécie de onda de pressão que se propaga por vibração que produz zonas alternadas de compressão e rarefacção. Por isso, todo o som resulta de uma vibração (altifalante). Quanto maior for a amplitude da onda sonora maior será o som emitido. Mas a pressão acústica sobe e desce de forma sinusoidal conforme a onda passa. Podemos assim considerar as ondas sonoras pela sua amplitude (uma medida da altura do som e frequência f ou comprimento de onda que está relacionada com a velocidade de propagação c pela equação: c = f Alta pressão (+) Baixa pressão (-) Características principais das ondas sonoras: Os c.d.o. da energia acústica que interessam no oceano variam entre 1mm e 50 m. Tomando a velocidade do som na água do mar como m/s, isto corresponde a frequências entre 30Hz e 1,5MHz. (frequências acima de 20KHz não são normalmente audíveis pelo Homem) Quando a energia acústica é emitida uniformemente em todas as direcções (oceano homogéneo) por uma fonte pontual no meio de uma massa de água, ele propaga-se produzindo superfícies esféricas de pressão constante, centradas na fonte. A intensidade acústica decresce com a distância à fonte sonora como resultado de: - distribuição da energia acústica por superfícies esféricas cada vez maiores. A superfície da esfera é proporcional a r 2 (4 r 2 ), sendo r a distância à fonte e o raio da esfera. Portanto a atenuação é proporcional ao quadrado da distância percorrida pela onda e independente da frequência; - atenuação devido à absorção, logo a conversão da energia acústica em calor e energia interna; dispersão scattering devido à reflexão por partículas em

2 suspensão e bolhas de ar. A dispersão é bastante independente da frequência, mas a absorção não! Velocidade do som: refracção e canais de som: A velocidade de propagação de ondas de compressão (longitudinais), como é o som, é dada por: c = (módulo axial / densidade) o módulo axial de um material é uma medida da sua elasticidade e tem a ver com a capacidade do meio para retomar a sua forma original depois de um compressão e com a resistência a essa compressão. O módulo axial da água é maior do que o do ar. Quer o módulo axial quer a densidade dependem da temperatura, densidade e pressão e c é uma função complexa destas 3 variáveis no oceano! - Aumentar a temperatura da água do mar, faz diminuir a densidade e, pela equação acima, verificamos que c aumenta com a temperatura da água do oceano. - Nos níveis superiores do oceano, o aumento de 1ºC na temperatura provoca um aumento de cerca de 3m/s em c: T c - Aumentar a salinidade corresponde a aumentar a densidade e assim, a c deveria diminuir com a salinidade; contudo, aumenta a salinidade também aumenta o módulo axial ( a água fica menos compressível o que contraria e se sobrepõe ao aumento da densidade). - Para a camada superior do oceano o aumento de 1 s.p.u. provoca um aumento de 1,1 m/s em c. Por isso, a c na água do mar é maior que em água doce (salgada possui uma S maior do que a água doce): S módulo axial c - A c aumenta com a profundidade no oceano (excepto no canal de som). O aumento do módulo axial com a pressão é maior que o correspondente aumento de densidade por isso c aumenta em profundidade. - Um aumento de 100 m de profundidade corresponde a um aumento de 10 atm (10 6 N/m 2 ) na pressão (equação do equilíbrio hidrostático) e o resultado é um aumento de 1,8 m/s 2 em c: P módulo axial c. Na camada de mistura (região I) a T e a S são relativamente c tes, e assim c é controlado em grande parte pela P.. Nas camadas superiores do oceano, mais abaixo da camada de mistura, as variações de temperatura são muito grandes e c é controlado principalmente por esta variável e em menor grau pela salinidade e pela pressão.. Na termoclina permanente (região II), c é largamente controlado por T e S.. Abaixo da termoclina permanente (região III) nem T nem S variam muito, e a pressão torna-se novamente o factor dominante em c.

3 Velocidade do som (m/s) Região I Região II 1500 Profundidade (m) 2000 Região III Para o cálculo da velocidade do som, utiliza-se uma fórmula empírica válida para a temperatura entre 6 e 17ºC, considerando-se apenas 3 variáveis: T, S e profundidade. Também podemos utilizar para esse cálculo o Polinómio de Wilson e muitas outras tais como: Kuwahara (1938), Matheus (1939) e Del Grasso. Refracção: Uma onda acústica que se desloca verticalmente no oceano não será significativamente afectada pela refracção, porque viaja essencialmente na perpendicular das interfaces entre camadas de diferentes densidades e, por isso de diferentes velocidade do som. Contudo, se se deslocar horizontalmente sofre um considerável efeito da refracção, porque encontra as interfaces com ângulos pequenos e por isso, a propagação dá-se em trajectórias curvas. A relação entre o ângulo de incidência ( 1 ), o ângulo de refracção ( 2 ) e a velocidade do som em duas camadas (c 1 e c 2 ) é dada pela Lei de Snell: C 1 = cos 1 C 2 cos 2 Com c 1 > c 2 1 c 1 2 c 2 Com c 1 < c 2 c 1 1 c 2 2

4 O ângulo crítico c, abaixo do qual o som é mantido na camada onde a velocidade de propagação é menor (c 2 ). Neste caso não temos refracção, como acima demostrado, mas sim reflexão quando uma onda sonora passa para uma camada de maior velocidade de propagação: cos c = c 1 c 1 c Com c 2 1 > c 2 c 2 c Pode ser mostrado que, com um gradiente vertical de velocidade do som ( c / z, c te ) a propagação desenha uma arco de curvatura cujo o raio é: r c = c 0 (dc/dz) cos 0 onde 0 é o ângulo da propagação sonora com a horizontal. c 0 c r 0 r c z z O raio de curvatura, r c, é definido em termos do ângulo inicial, 0, e do gradiente vertical da velocidade. A existência de uma termoclina completa o problema de transmissão da energia sonora na camada superficial do oceano. Por causa da termoclina, o som pode ser refractado de tal maneira que se forma uma zona de sombra onde o som não se propaga. Os caminhos seguidos pelas ondas acústicas podem ser determinados conhecendo o valor de c no oceano e diagramas de raios podem ser desenhados. Os raios são linhas perpendiculares à frente de onda e por isso, representam a direcção de propagação. Formam-se também regiões onde os raios sonoros ficam aprisionados por refracção na fronteira entre regiões com diferentes gradientes verticais da velocidade do som. A estas regiões chama-se canais de som e guiam a propagação do som no oceano. A atenuação devido ao espalhamento da energia sonora num canal de som é proporcional apenas à distância percorrida. Isto porque a energia num canal de som fica

5 limitada entre duas superfícies horizontais. Assim, as superfícies de pressão acústica c te são cilíndricas e não esféricas, ou seja,: o som é menos atenuado quando se propaga nos canais de som. prof c A propagação do som curva por refracção sucessiva em camadas com igual velocidade do som. A zona de sombra é definida por raios limite, reflectidos na superfície e/ou refractados na fronteira entre a região I e II. A fronteira entre a região II e III, é definida como sendo um canal de som onde as ondas acústicas ficam aprisionadas. Na região I o gradiente vertical da velocidade do som é inverso, e devido a isso a propagação da onda acústica é refractada para cima; na região II o gradiente vertical da velocidade do som é positivo fazendo com que a propagação da onda acústica seja refractada para baixo. prof Velocidade do som I II III Utilização da energia acústica no oceano: A grande desvantagem no uso de ondas sonoras em comparação com as ondas luminosas, é o seu muito maior c.d.o. (logo menor frequência) o que quer dizer que a resolução que podemos obter é muito menor, ou seja, o menor objecto que possa ser observado por ondas sonoras (cerca de 3 c.d.o.) é muito maior que com ondas luminosas. Para obter a resolução máxima com sistemas de acústica submarina devemos usar a frequência máxima possível. Mas a atenuação é maior a altas frequências que a baixas! Por isso é necessário chegar a compromissos consoante a aplicação e verificar o que em cada caso é mais importante, se o range se a resolução. EXEMPLO: a 5KHz a atenuação é 3% por Km e a 30KHz é de 70% por Km. Isto pode ser demostrado através da fórmula matemática c = x f : c = 1500 m/s e f = 30 KHz (= Hz) ficamos com um de 5 cm (= 0,05 m) mas se a frequência diminuir para 5 KHz o seu já será de 33 cm. Isto é: a energia acústica só nos permite detectar objectos com o triplo do seu comprimento de onda, o que nos impossibilita de observar objectos de pequenas dimensões: chegar longe baixa frequência fraca resolução. Quando utilizamos frequências mais altas, esta energia é absorvida pelo meio, fazendo com que a resolução da imagem seja maior. Aplicações: Sistemas passivos: só escutam os sons pré-existentes nos oceanos.. Hidrofones receptores ouvem os sons presentes no oceano (baleias, submarinos, etc.)

6 Sistemas Activos: emitem o som e esperam o seu retorno.. SONAR (Sound Navigation And Ranging) é emitido um sinal e escutado a resposta. Conhecendo c (T, S, P) calcula-se a distância. Usa-se na detecção de objectos e para topografia de fundos quando o sinal é enviado na vertical.. Telemetria e seguimento de objectos SOFAR (Sound Fixing And Ranging) - objectos podem ser localizados e seguidos se estiverem equipados com transmissores acústicos.. DRIFTER bóias derivantes calibradas que em equilíbrio estão mergulhadas a 50 m de profundidade e podem ser manobradas e captadas a milhares de Km.. Medições de correntes efeito de Doppler: o efeito de doppler em frequência é proporcional à velocidade da corrente ADCP s (perfis das correntes acústicas por efeito de Doppler). PROPRIEDADES ÓPTICAS DA ÁGUA DO MAR: O oceano é quase opaco à radiação electromagnética, excepto para uma pequena banda centrada nos c.d.o. do visível, mas mesmo nessa faixa, a transmissão de energia é limitada. A luz viaja apenas pequenas distâncias no oceano e a grande parte do oceano é quase completamente escura. Para os animais oceânicos a audição é o mais importante dos sentidos, e não a visão! A detecção remota dentro de água não se faz em radiação electromagnética (ao contrário da detecção remota atmosférica), mas sim com ondas sonoras. A luz é uma forma de radiação electromagnética, que viaja a 3 x 10 8 m/s no vácuo e a 2,2 x 10 8 m/s no oceano. A radiação electromagnética dos oceanos encontra-se dispersa entre os c.d.o. 0,4 e 0,76 nm. A intensidade da luz ao propagar-se no oceano diminui exponencialmente com a distância à fonte, seguindo a Lei de Beer: 2 = e - (z 2 z 1 ) 1 onde é o fluxo de energia radiante (irradiância) às profundidades z 2 e z 1. a irradiância é o fluxo de energia radiante normal ao plano horizontal: (W/m 2 ) = E A x t é o coeficiente de atenuação, que inclui o efeito do scattering e absorção. A atenuação é um efeito conjunto da absorção e do scattering. A absorção corresponde à conversão da energia electromagnética em energia interna através de calor, ou à conversão em energia química (fotossíntese). O scattering corresponde à mudança de direcção da energia electromagnética, como resultado de reflecções múltiplas nas partículas em suspensão. Quer a absorção ou o scattering dependem do c.d.o. e são fortemente influenciados pelo nível de actividade biológica e pela quantidade de matéria particulado em suspensão.

7 Quanto mais for a quantidade de matéria em suspensão e actividade biológica maior a absorção e o scattering (maior a turbidez da água). As águas costeiras são particularmente túrbidas e as regiões centrais do oceano particularmente límpidas. A camada do oceano iluminada pela radiação solar e cuja intensidade é suficiente para a produção primária fotossintética fica muito turva devido à grande quantidade de organismos, sendo principalmente nestas zonas onde estes dois factores (absorção e scattering) são maiores. A quantidade de radiação dispersa e difundida de é pouco dependente do c.d.o. em quantidade mas não em qualidade. Depende assim, da relação do c.d.o. incidente e a dimensão das partículas que provocam a dispersão e a difusão. Porque é que existem regiões no oceano que são azuis enquanto outras são verdes? Azul-escuro regiões equatoriais e tropicais onde há pouca produtividade primária. Amarelo-esverdeado águas costeiras nas altas latitudes com produtividade primárias. A ausência de matéria particulada minimiza o scattering da radiação solar e a difusão é sobretudo de Rayleigth, que é uma difusão selectiva dos vários c.d.o. e o oceano aparece azul (a difusão de Rayleigth ocorre quando as partículas são menores que o c.d.o. incidente). Grandes concentrações de matéria particulada fazem aumentar a absorção e a difusão. A difusão provocada por estas partículas maiores é mais uniforme, aparecendo no oceano mais verde. O oceano é um absorvedor selectivo da radiação visível. A absorção é maior nos grandes c.d.o. Quando descemos a 100m de profundidade todo o oceano é azul. Medição da luz no oceano: - Irradiómetro : medem a luz proveniente de qualquer direcção. - Irradiómetros direccionais : medem a radiação luminosa proveniente de uma única direcção. Com estes instrumentos, medindo a radiação luminosa a várias profundidade, calculamos os coeficientes de extensão ou atenuação. Uma maior turbidez da água tem proporcionalmente mais efeito na luz direccional que na não direccional. - Medidores de turbidez ou nefelometros : medem directamente a difusão (scattering) na água. Servem por exemplo, para determinar a matéria em suspensão. O mais conhecido é o Disco de Secchi. Zona eufótica ou fótica: É a região até onde penetra a luz, a quantidade de luz proporciona a vida. Quanto maior a matéria particulada menor será a zona eufótica esta região é chamada como a zona do oceano iluminada pela radiação solar e cuja intensidade é necessária para que possa haver vida.

8 Num estuário, a extinção da luz dá-se aos 6 m de profundidade devido à grande quantidade de matéria particulada. Por esta razão, nestas regiões a zona eufótica é muito pequena. Superfície 100% do espectro visível penetram ao longo da coluna de água. Ao 1º m de profundidade 45% de todas as radiações do espectro visível penetram ao longo da coluna de água, à excepção da radiação infravermelha Aos 10 m de profundidade 16% de todas as radiações do espectro visível penetram ao longo da coluna de água à excepção da radiação violeta e azul. Aos 100 m de profundidade 1% de todas as radiações do espectro visível penetram ao longo da coluna de água, apenas a radiação azul penetra.