A visão é considerada geralmente como um sentido mais importante do que a audição . A luz viaja com velocidade maior do que o som e penetra na atmosfera com mais profundidade e extensão. Dessa forma podemos fazer um melhor uso da visão e em geral da onda eletromagnética para a feitura das medições científicas.
O som por sua vez atravessa melhor a água e para os organismos do oceano em geral tem um uso mais importante. Através de eco-sondagem e possível remotamente acessar objetos e se transmitir informações. A velocidade do som na água é menor mas a luz por sua vez pode se propagar até distâncias bem limitadas através da água . Por essa razão as grandes profundidades dos oceanos estão em completa escuridão.
5.1 - A LUZ DENTRO DA ÁGUA
A luz é uma radiação eletromagnética que viaja com a velocidade de 3 x 10 a oitava potência m segundos a menos 1 no vácuo e à velocidade de 2,2 x dez a oitava potência metros segundos a menos 1 na água do mar. A luz nos oceanos é de grande interesse em duas parcelas fundamentais: para a visualização e para a fotossíntese.
Quando a luz se propaga através da água sua intensidade diminui exponencialmente com a distância da fonte. A perda exponencial é chamada atenuação que é causada por duas razões:
1 - Absorção - Corresponde a transformação da energia eletromagnética em outras formas de energia, usualmente calor ou energia química (Fotossíntese).
Os absorvedores na água são os seguintes:
(a) Algas (fitoplancton) que usa a luz como fonte de energia para realização
da fotossíntese.
(b) Matéria particulada de origem orgânica e inorgânica
em suspensão .
(c) Compostos orgânicos dissolvidos.
(d) As moléculas de água
As algas (fitoplancton) juntamente com a matéria particulada é denominado seston.
2 - Espalhamento - Corresponde as sucessivas mudanças de direção da luz ao se refletir no material em suspensão . O espalhamento da maioria das partículas se dá na mesma direção da propagação da luz para ângulos de incidência pequenos, isto é o espalhamento da luz defletida é pequeno em relação a sua direçao de propagação original. Quanto maior a quantidade de material em suspensão maior é o espalhamento ( mais turva é a água) e absorção da energia da luz incidente
Águas costeiras tem a tendência de ser muito túrbidas. A carga de material em suspensão trazida pelos rios é mantida em suspensão pela ação de ondas e correntes de marés, que por sua vez, também removem sedimentos do fundo. Os rios também fornecem os nutrientes que mantém o crescimento do fitoplancton e compostos orgânicos dissolvidos conforme indicado no item (c) acima. Em contra partida a água tende as particularmente clara nas regiões centrais dos Oceanos , especialmente onde a concentração de Nutrientes é baixa e existe pequena produção biológica.
A Figura 5.1 mostra a relação existente entre iluminação e profundidade Linhas azuis mostram a intensidade de luz requerida para vários propósitos. O campo de luz tênue para peixes de profundidade indica o mínimo de luz do dia que esses peixes podem perceber. A intercessão com as linha de águas mais claras (luz do dia) no ponto correspondente a cerca de 1250 m indica que abaixo dessa profundidade que os peixes não percebem a luz do dia . Maior quantidade de luz é necessária para os crustáceos serem atraídos e ainda mais para o crescimento do fitoplancton. Comparando-se a menor intensidade que o lho humano pode perceber é da ordem de dez elevado a menos 12 W por metro quadrado e dez a menos oito a dez a menos nove W por metro quadrado para uma fonte de luz difusa.
De acordo com a Fig. 5.1 peixes que vivem nas profundidades de 1000
m podem perceber a luz do dia?
A zona iluminada na que a intensidade de luz é suficiente para
a produção primária fotossintética para o crescimento
do fitoplancton e é chamada zona eufótica. Quanto maior a
transparência da água e quanto mais a pino estiver o Sol no
céu maior é a penetração da luz na água
do mar e mais e mais a fotossíntese pode se realizar em camadas
mais profundas. A zona eufótica pode alcançar profundidades
de 200 m em águas límpidas no oceano aberto . Nas plataformas
continentais elas atingem apenas 40 m e apenas cerca de 15 m nas áreas
costeiras.
Somente quando o fundo do mar é muito raso para ele pertencer a zona eufótica as plantas chamadas bentônicas são capazes de crescer. Fora dessa área apenas as plantas que flutuam no mar isto é plantônicas vivem. O comprimento de onda das radiações são também importantes para o fitoplancton.
Entre a zona eufótica e o assoalho oceânico há a zona afótica onde a vida das plantas não sobrevive em razão da luz solar que penetra nessas profundidades não ser suficiente para a produção fotossintética alcançar as demandas da respiração. Até a profundidade de 1000 m nos oceanos a luz do dia não pode ser percebida . Isso significa que em todos os oceanos não existe outra fonte de luz que não a luz solar. As únicas fontes de luz são aquelas fornecidas pelos peixes e outros animais que possuem orgãos bioluminicentes.
5.1.ILUMINAÇÃO E VISÃO
Na zona eufótica e nas partes superiores da zona afótica objetos e seres são iluminados pela luz do Sol cuja intensidade decresce com a profundidade em razão dos fenômenos de espalhamento e absorção da luz. A chama da radiação da profundidade é difusa , isto é, não dirigida porque a luz é espalhada por um objeto e pode novamente se refletir e a ele retornar . Em outras palavras a luz que ilumina um objeto não o alcança através do menor caminho possível isto da superfície até ele diretamente. Fig. 5.2a.
Para um objeto ser visto na água do mar dentro da água do mar a luz precisa ser unidirecional porque uma imagem coerente só pode ser formada ser a luz viaja diretamente do objeto até a câmara fotográfica. Fig. 5.2b.
A distinção entre iluminação e visão é mostrada na Fig. 5.3. O peixe é iluminado por luz não direcional mas a imagem precisa ser transmitida aos olhos do mergulhador por luz direcional para o peixe ser visível. . Num dia de neblina a nossa redondeza desaparece mas a nossa visão não desaparece de forma que temos iluminação mas não visão.
5.1.2 - VISIBILIDADE SUBMARINA
Visibilidade é uma questão de contraste se se sabe o que entender por isso. Um objeto pode ser visível contra o fundo, ou porque tem uma cor diferente, ou porque tem um brilho diferente . O contraste devido ao brilho é mais importante que a cor em geral no ambiente marinho. Nos primeiros dezenas de metros da zona eufótica ( em águas claras dos corais tropicais o contraste devido a cor é miais importante por razão de camuflagem, predadores e outros) a cor é mais importante.
Em profundidades maiores do algumas dezenas de metros a radiação vertical se torna não somente mais atenuada, mas também se torna mais monocromática devido a absorção seletiva dos diferentes comprimentos de onda.. Da mesma forma em baixos níveis de iluminação mesmo os olhos dos animais que normalmente distinguem cores devem usar as células de visão noturna com as quais todas as coisas são vistas através de diferentes gradações de cinza.
O contraste decresce à medida que distância aumenta por duas razões: primeira a luz proveniente do objeto em observação é atenuada por absorção e espalhamento; segundo porque alguma energia solar incidente é espalhada em direção do observador ao longo de toda trajetória de visão . Isso produz um rastro de luz atrás do qual o objeto se torna progressivamente mais distinto até que ele desaparece contra o a cor de fundo.
Porque será que muitos peixes que vivem na parte superior da zona eufótica tem ?pele? preta na sua parte de cima e de cor prateada na parte inferior.
A luz se torna virtualmente simétrica em profundidades maiores do que 250 metros que significa que a intensidade da iluminação é similar na direção para cima e para baixo,. Nas profundidade s de 250 a 750 metros muitos peixes tem partes laterais prateadas produzidas por espelhos de interferência formada por cristais de guanina ( um composto nitrogenado), precisamente orientados de tal forma a funcionar na direção vertical, quando o peixe está na sua direção vertical. A luz é refletida por esses espelhos com a mesma intensidade que tem a sua vizinhança, produzindo efetivamente um contraste zero. Tais peixes tem fotóforos ventrais ( orgãos luminosos) que quebram a sua silhueta quando vistos verticalmente de baixo, enquanto sua s partes dorsais são pretas para minimizar o contraste, quando vistos verticalmente de cima .
A parte superior da zona afótica - até 1000 m- onde um contacto visual é ainda possível muitos peixes desenvolveram grandes olhos para conviverem com baixas intensidades de luz. Em profundidades maiores orgãos luminosos, dispostos em padrões bem distintos, são desenvolvidos nas espécies que ainda dependem da visão para o contato e os peixes se tornaram pretos e uniformes, de forma que eles não são iluminados pela luz produzidas pelos outros.
Nesse ambiente a luz é utilizada em todas as formas em que a cor é usada na terra. Fig. 5.4 isto é: 1- para deter possíveis predadores por parecerem maiores com luzes os terminais de espinho de grande comprimento. 2- para identificar sua própria espécie ou para acasalamento. 3 - para produzir sinais de forma que os cardumes se mantenham juntos. 4 - para dissimular o seu contorno quando visto de baixo. 5 - como iscas paras atrair a sua presa bem como lâmpadas na cabeça para iluminá-la.
Nas partes mais profundas da zona afótica , abaixo de 4000 m orgãos luminosos são menos comuns e os olhos são reduzidos em tamanho ou mesmo inexistentes.
5.1.3- MEDIÇÕES
Os instrumentos para as medições submatrinas podem ser colocados em tres categorias:
1- Medidores de transmissores de feixe de luz - mede a atenuação de um feixe colimado de luz de uma fonte de intensidade conhecida a uma distância também conhecida. A razão da intensidade da luz conhecida e a medidade pelo receptor colocado a distância conhecida fornece uma medida direta do coeficiente de atenuação da luz direcinal.
2 - Medidores de Iradiação - medidores que aceitam luz proveniente de todas as direções e todos os ângulos de incidência. A luz é usualmente recebida por uma esfera de teflon ou um hemisfério medindo a luz ambiente transmitida da superfície - a irradiação de superfície. Medindo-se a intensidade da luz em profundiades diferentes o coeficiente de atenuação para a irradiaçao não direcional (chamada coeficiente de atenuação da luz difusa) de superfície obtem-se o coeficiente de atenuação da irradiação não direcional.
Como de se esperar o aumentando da turbidez tem efeito maior na luz direcional do que na luz não direcional O valor da razão :
coeficiente de atenuação (luz direcional)/coeficiente de atenuação de luz difusa (luz nã direcional)
pode ser menor que 3 na s aguas oceânicas e maior que 10 em um estuário mais túrbido.
3 - Nefelômetros provem uma medida direta do espalhamento na água. - um ramo de luz colimada é feito atravessar um volume predeterminado de água que espalha luz em todas as direções. O RECEPTOR é dirigido ao centro do volume de espalhamento e pode se mover em torno desse volume de tal forma a se medir a perda por espalhamento em todas direções de incidência em relação ao feixe incidente. Fig 5.5.
Como o grau de espalhamebnto é uma medida de concentrasção de sedimentos em supensão o nefelômetro é utilizado para se medir turbidez da água, ie a concentração de material em supensão. Nefelometria foi susada para para se determinar a conjcentra;cão de sedimentos em suspensão em oceano profundo dando informações que podem correlacioanadas com as correntes de fundo ocenânico.
4 - O disco de Secchi - é um equipamento caseiro - é simplesmente um prato circular de 20 a 30 cm de diâmetro, inteiramente branco com dois quedrantes pintados de preto. Fig 5.6.Ele é abaixado de bordo preso a um fio de sustenmtação até que a luz incidente não mais o ilumina. A profundiade em que isso acontece é chamda profundidade de Secchi. O disco de Secchi é barato e de construção fácil e tem sido usado por oceanograpfos por mais de um século como meio de se determinar rapidamente a claridade da água, sua transparência.
Equações simples construidas através das medições fornecem uma grande qjuantidade ede informaçõessobre o conteúdo da água. A relação básica é para observaóes verticais com o disc de Secchi.
Zs = F / C + K ,
onde Zs - é a profundidade de Secchi
C - é o coeficiente de atenuação para a luz direcional.
K - é o coeficiente de atenuação para a luz não
direcional (Também chamdo o coeficiente de extinsão)
F - é um fator que depende da refleticidade do disco e da luz
difusa e a capacidade do observador do contrate entre eles.
Tem valores entre 8,7 pasra águas oceâncias e cerca de
6,0 para águas túrbidas de estuário.
O disco de Secchi pode serusado também para medir o coeficiente de atenuação da luz difusa K para a água do mar. Esse é o coeficiente apropriado para estudos da produção primásria de fotossíntese pois ele se relaciona com o decréscimo exponencial da intensidade da luz de superfície e portanto com a profundidade da zona fótica. Uma relação obtida da realidade deve existir de tal forma que
K x Zs = constante
Mitos cientístas mediram K e Zs em diferentes águas e em geral acharam valores entre 1,4 a 1,7 para a constante acima. Dessa forma um valor médio pode ser assumido para a constante
constante = 1,5.
O disco de Secchi pode tamém ser utilizado para estima a visibilidade submarina que se rlaciona com o coefiente de atenuaácão C para a luz direcional . Medições rsdalizadas no laboratório de Plimouth , Inglaterra mostram uma relação muito forte entre a profundiadd de Sechi e a visibilidade horizontal ( a distância em o contraste entre um objeto escuro e su fundo ou backgraound é nulo) isto é :
V = 0,7 Zs
As mesmas observações conduzitram a outras relações entre as medições qu permitem estimar a pprofundiade da zona eufótica na forma:
Ze = 3 Zs
e levando em conta que Zs = V / 0,7
segue-se Ze = 3 V / 0,7
ou Ze = 4,3 V
Claramente estes valores são locais e pdem ser diferentes em outras áreas oceânica e estuarinas.
O contraste submarino e portatnto a visibilidade depende também do ângulo de visada : visada horizontal não produz os mesmos resultados que a visada vertica olhando-se de cima para bvaixo Uma relação mais geral é dada por
V = F / C + K sen( Theta)
onde V, C , K e F são cmo antes a excessão de F que tem um número maior de valores doque na equação anterior, porque ele varia de acordo com o angulo de visada com que os objetos são olhados sendo (Theta) o ângulo de visada com a horizontal.
Deve er observado que nem a temperatura e nem a salinidade da água do mar tem qualquer efeito apreciavel nesses fenômenos : Os coeficientes C e K da água transparente são virtualmente os mesmos da água pura.
5.1.4- A COR DO MAR
Animais de cor vermelha parecem vermelhos porque refletem a luz vermelha somente e a única luz utilizável da luz solar incidente na zona de penumbra é a luz azul-verde . Afigura 2.5 mostra que os comprimentos maiores do espevtro visível são absorvidas até 100 m de profundidade. Dessa forma animais de cor vermelha parecerão ter cor preta como os outros animais de cor preta e portatne eles parecerão indistintos - uma vantagem dentro das ações de predrador e presa - bem como acasalamento.
Os pigmentos de caroteno que provem a cor vermelhja tem também absorbancia m'xima nos comprimentos de onda emitodo pela maioria dos que emitem luz luminiscente os que tem fotóforos. Istro significa que peixes de cor vermelha não serão iluminados pela lâmpadas dos outros peixes (Diaphus) que usam orgao para iluminação para iluminar sua s presas ( Secção 5.1.2)
Alguns peixes entretanto produziram orgao iluminadores que produzem luz vermelha (Pachystomas) e os olhos deles tem um pigmento para detetá-los . Els podem ver sem serem vistos , porque os olhos da maioria dos outros peixes são adaptados a luz azul-verde somente e a luz vermelha não é camuflagem quando a luz vermelha neles incide.
Atenuações Características
A atenuação da luz dentro da água resulta da ação combinada de abosrção e espalhamento. Espalhamento d luz pelas partículas é largamente independente do comprimento de onda mas a absorção não é. Os principais absorvedores no mar listados na Seção 5.1 absorvem diferentes comprimentos de onda em diferentes proporções.
(a) Algas - A clorofila parece verde porque ela reflete a luz verde do meio do espectro de luz solar . Isso significa que ela deve absorver a radiação dos extremos do espectro visível. A fig 5.7 contém informação similar da Fig 5.5 mas para uma banda espectral menor. Ela compara a energia espectral solar que chega a diferentes profundidades em diferentes tipos de água..- Resumindo luz azul;-verde (450 a 500 nm)penetra mais distante na profundidade em oceano aberto e de fato cerca de 35 % da luz incidente dese comprimento de onda alcançã a profundidade de 10 metros.
Em águas costerira túrbidas a luz amarela-verde ( 500 a 550 nm) penetra mais profundo mas somente cerca de 2% da luz nestes comprimentos de onda que chegama a superfície do mar alcançam a profundidade de 10 metros.
Muitas algas contém pigmentos que absorvem a energia solar em comprimentos de onda maiores e transforma essa energia em clorofila. Por essa razão luz de comprimento de onda de 400 nm ( violeta profundo) a 700 nm ( vermelho escuro) é descrita como radiação fotossintética ativa (PAR). Entretanto a maioria dos organismos fotossintetisantes usam comprimentos de onda azul-verde (450 a 500 nm) e como foi visto esses comprimentos de onda são os preferencialmente transmitidos pela água do mar cristalina. Essa correlação é considerada não acidental e correspondente ao resultado da seleção natural dos organismos.
(b) Matéria particulada -
Em concentrações normais partículas orgânicas e ninorgânicas absorvem pouco e espalham fortemente a luz solar. As suas comparações comparativamente pequenas principalmente na faixa espectral do azul de tal forma que seu efeito tende a ser minimizada pela absorção dos componentes orgânicos dissolvidos.
(c ) Componentes orgânicos dissolvidos -
Esses componentes são conhecidos como substâncias amarelas , Gelbstoff ou gilvin. Durante a decomposição do tecido das plantas o material orgânico é que brado em CO2 compostos orgânicos de Nitrogênio, Enchofre e Fósforo ( Nutrientes) e substâncias húmicas complexas. Sao esses produtos metabólicos que dão as águas interiores a sua distinta coloração amarelo- marron.
Elas sã levadas ao mar pelos rios , mas também produzidas pelos organismos marinhos do fitoplancton. As substâncias amarelas absorvem os comprimentos menores do espectro (azul e refletem bem ( baixa absorção) na faixa amarelo-vermelha da sua coloração caractrística.
(d) Água -
A água é vista com a coloração em geral porcausa da sua pequena absorção dos menores comprimentos de onda ( azul do espectro enquanto os longos comprimentos de onda (vermelho) é grande . Fig 2.5. Embora a água pareceça sem cor em pequenas qantidades a sua cor azul aparece nas águas tropicais claras ou em uma piscina. A absorçao é tão forte na região do vermelho que um metro de espessura de água pura absorve cerca de 35 % da energia incidente de comprimentio 680 nm.
Águas oceânicas improdutivas contém pouco material plantonico ou substância amarelas.Por isso elas são de coloração azul puro. O azul nos oceanos é muits vezes reconhecido como a cor do dezerto. Em anos recente lagos na Escandinavia , Canada e em outros locais morreram devido a água ácida devida a chuva e se tornaram em desertos tropicais azuis.
Existe uma pronunciada mudança da cor da água ao longo de frentes oceânicas , Secção 4.4.3 especialmente onde a água de plataforma se separa da água de oceano aberto. Aguas de plataforma carregam maiores concentrações de substância amarela e partículas em suspensão do que as aguas profundas dos oceanos. Dessa forma e natural se esperar um troca de coloração quando se passa da água de plataforma para a água de oceano aberto.
5.1.5radiação eletromagnética e sensoriamento remoto dos oceanos
Sensoriamento remoto passivo - faz uso da luz visível natural refletida e as radiações próximas do infravermelho e a readiação de microondas para produzir informação a cerca da cor ( e portanto da atividade de natureza biológica), temperatura das superfície dos oceanos e cobertura de gelo. Figs 1.5,1.6,2.3, 4.15. Sensoriamento ativo produz informações sobre a rugosidade do nível do mar devido aos ventos ondas , sobre as marés sobre o nível do mar em geral, bem como através de sensores passivos sobre as nuvens e a extensão e quantidade de vapor na atmosfera .
Sensoriamento ativo - faz uso da transmissão de pulsos de microondas eltromagnéticas (radar) de aviões ou satélites em comprimentos de ondas tipicamente de 1 cm , seguidos pela medição e análise do sinal refletido na superfície do mar . Técnicas de imagens por radas produzem informações sobre a superfície do mar , padrões de ondas e distribuição de ondas de superfície e cobertura de gelo. Sinais de radaar tem a vantagem que eles [penetram a cobertura de numvens e é capas de alcançar alta resolução nas medições.
Dfoi visto que a radação eletromagnética pode atravessar a agua apenas em, pequenas distancias dessa forma o sensoriamento remoto e fotogafia area so produz informação direta sobre a superfície do mar ( embora ondas e podem variar com a batimetria que as vezes interferem com as imagens de radar.
Também ocorre que a comunicação não é possivel abaixo da água mesmoque o coeficiente de atenuação para baixos comprimentos de onda eseja menor doque a da luz visível.De fato é possível a comunicação submarina em profundidades de mais do que dezenas de metros através do uso de comprimentos de onda bastante grande ( muito baixa frequência , VLF) ondas de rádio ou feixes de lazer . A luz lazeré bastatne intensa a no range de 450 a 500 nm ela pode penetrar bastante na agua do mar até que sua energia seja atenuada . Esse entretanto é o limite no qual a radiação eltromagnética pode penetrar nops oceanos. Portanto para o sensoriamento remoto e para a comunicação dentro dos oceanos é necessário fazer uso de um fenômeno ondulatório de muito maior comprimento de onda.
5.2- propagação submarina do som
Embora o som e a luz posam ser considerados como viajantes através de ondas eles são fundamentalmente diferentes. Como já foi dito, Secção 5.1, luz é uma forma de energia eletromagnética . Ela se propaga mais eficientemente no vácuo e é em geral com muito menor velocidade a medida que a densidade do meio aumenta.
O Som ou energia acústica involve a vibra;çao da matéria através do qual ele se propaga e assim se propaga melhor nos sólidos, em líquidos menos em gases e de forma alguma no vácuo. Em resumo o som e uma forma de onda de pressão que se propaga através de vibrações que produzem zonas alternadas de alta e baixa pressão ( mléculas se aproximam umas das outras) e refração ( as moléculas se separam) .Fig 5.8.
Todos os sons resultam de vibrações ( por exemplo a membrana vibratória de um altofalanteou o som produzido por uma animal do fundo do mar) . Ondas de som sao assim nao senoidais na forma como normalmente são consideradas as ondas . Entretanto a pressão acústica aumenta e diminui de ma forma senoidala medida que o som se propaga .Fig 5.8b. Então como as outras formas de ondas podem ser caracterizadas pela sua amplitude ( uma medida da intensidade dos om)e uma frequência (f) ou comprimento de onda ( lambda) que se relacionam com a velocidade de propagação (c) pela expressão : c = f x lambda.
5.2.1 As características principais das ondas de som nos oceanos
Os comprimentos de onda que são de interesse no oceano variam entre 50 metros a 1 milimetro, as quais , levando-se em conta que a velocidade de propagação de som nos oceanos é da ordem de 1500 metros por segundo correspondem a frequências entre 30 Hz até 1,5 Mhz . Para comparar frequências de som acima de 20 kHz não podem ser ouvidas por ouvido normal humano).
1 hertz (Hz) é a uidad e frequência = 1 ciclo por segundo . 1 kHz = 1 kilohertz= dez a terceira potência . I Mhz= 1 megahertz = mdez elvado a sexta potência.
Quando a energia acústica emitida é uniforme em todas as direções por uma fonte pontual no meiio de uma massa oceânica ela se espalha em todas as direções produzindo ondas esféricas de pressão constate. A intensidade acústica decresce a media que a distância da fonte aumenta devido a :
1 - Perda por espalhamento devido ao aumento da superfície esférica a medida que a onda se propaga. A área da superfície da esfera é proporcional ao quadrado do raio da esfera e assim a perda por espalhamento é proporcional ao quadrado da distância percorrida perlas onda.
2 - Atenuação devido a absorção (conversão da energia acústica em calor e energia química ) e espalhamento devido a reflexão por partículas em suspensão e bolhas de ar. - O espalhamento é independente da frequência . A absorção não é . Em altas frequências a absorção viscosa predomina ( isto é absorçao devido a viscosidade da água) e em água doce ela é a causa dominante da atenuação do som devido a absorção sobre a maior parte do range de frequências. Fig 5.9.
Entretanto em água do mar nas frequências intermediárias e baixas frequências o principal mecanismo de absorção e a dissociação do sulfato de magnésio em par de ions e do complexo do B(OH)3 ( Ver Capítulo 6). Essa separação nos ions constituintes pela passagem da onda de som e esse processo consome energia da onda de som - é chamada de relachamento pelos especializados em acústica marinha. Em frequências de alguns Hz é provável que a causa principal da atenuação por absorção é a in- homogeinidade da coluna de água.
5.2.2 a velocidade do som : refração e canais de propagação do som
A velocidade de ondas de compressão nos oceanos é dada por
c = ( modulo axial / densidade ) elevado a meio
O módulo axial de um material e a medida de sua elasticidade ou compressibilidade em outras palavras o regidez do material ou dureza isto é uma bola de bilhar é mais elástica do que a bola de tenis.
Tanto o módulo axial ( elasticidade ou compressibilidade) e a densidade da água do mar depend da temperatura , salinidade e pressão e assim c se torna função dessas três variáveis no oceano. Aumentando-se a temperatura dos oceanos diminui-se sua densidade e assim deve-se esperar que com o aumento da temperatura aumenta a velocidade do som ( c) . Na camada de superfície dos oceanos um acrescimo em temperatura de 1 grau centigrado conduz a um aumento da velocidade ( c) de cerca de 3 metros por segundo. Sabe-se que aumentando-se a salinidade há um aumento da densidade da agua do mar dessa forma em principio aumentando-se a salinidade deve ser diminuída a velocidade do som . Entretanto um acréscimo de salinidade também aumenta a velocidade do som ( a água se torna menos compressível)e isso atua contra os efeitos do aumento da densidade na água do mar . Por exemplo nas águas de superfície um aumento de 1 parte por mil na salinidade resulta em um acréscimo de 1,1 metro por segundo no valor de (c) ( a velocidade do som na água doar é portanto maior do que na da água doce). Tabela 5.1.
Da mesma forma que as (ondas sísmicas) ondas de som aumentam a velocidade com o aumento da profundidade da Terra as ondas acústicas aumentam com a profundidade dos oceanos ( a exceção no canal de som). O aumento no módulo axial com a profundidade e maior que o correspondente acréscimo em densidade e então (c) torna-se maior . Um acréscimo na profundidade de 100 metros produzirá um acréscimo em pressão de cerca de 10 atmosferas. ( dez a sexta N por metro quadrado). Fig 4.3.e o efeito disso e aumentar a velocidade (c) em cerca de 1,8 m/s.
Nos 100 metros de profundidade dos oceanos onde as temperaturas mudam bastante (Fig 2.6 e 2.8) ( c ) é controlado principalmente pela temperatura e em menor escala pela salinidade e profundidade. Abaixo da termoclina permanente entretanto nem T nem S variam grandemente e então os valores de pressão se tornam dominantes no controle da velocidade do som ( c ).
Uma expressão obtida a partir das medições da velocidade do som no range de 6 graus a 17 graus centígrados é:
c = 1 410 + 4,2T - 0,037 T (ao quadrado) + 1,14 S + 0,018 d
onde t e S são temperatura e salinidade e ( d ) é a profundidade ( metros) em relação a qual a pressão é diretamente proporcional.
As variações horizontais de ( c ) são muitos menores do que as variações verticais porque os gradientes horizontais de temperatura e salinidade são muito menores que os gradientes verticais. Dessa forma um onda acústica viajando verticalmente nos oceanos não será afetada muito pela refração porque viaja essencialmente em ângulos o retos com as interfaces entre as camadas de diferentes densidades. Entretanto, uma onda viajando horizontalmente pode ser submetida ao fenômeno de refração por que ela deverá cruzar essas interfaces em ângulos bastante pequenos.
Nas regiões I e II da Fig. 5.10 (b) uma onda de som será refratada para cima por a velocidade do som decresce em direção a superfície, conforme Fig. 5.10 (c) enquanto que na região II ela se refratará para baixo porque a velocidade do som diminui com a profundidade .
O caminho percorrido por uma onda acústica pode ser determinado a partir do conhecimento dos valores de ( c ) em todos os oceanos e diagramas contendo trajetórias podem ser traçados como mostrado na Fig. 5.11.
As trajetórias são simplesmente linhas desenhadas de forma perpendicular a propagação da frente da onda e por isso elas representam a direção de propagação. As maioria das trajetórias são oficializadas nas regiões de contorno entre as regiões II e III, enquanto que há uma zona cinzenta na vizinhança da região de contorno entre as regiões I e II, que é penetrada somente por ondas que foram refletidas na superfície dos oceanos. O canal dentro do qual as trajetórias são aprisionadas por refração na região dos contornos entre as regiões II e III é chamada canal de som.
A perda de energia por uma onda de som no canal do som é proporcional somente a distância percorrida. Isso porque a energia é aprisionada pelo canal de som e se propagas somente nas direções horizontais. Por isso as superfícies de pressão acústica constantes são cilíndricas , não esféricas ( conforme Seção 5.2.1 item 1) e a superfície de um cilindro é propo0rcional ao seu raio . Fig. 5.12.
A informação contida nas figuras 5.11 e 5.12 é de grande significado par o entendimento de como se propaga a energia acústica nos oceanos.
5.2.3 - USOS DA ENERGIA ACÚSTICA NOS OCEANOS
A dificuldade de se usar ondas de som em comparação com as ondas de luz é que elas tem um comprimento de onda maior ( menores frequências) o que significa que elas tem baixa resolução, pois o menor objeto que elas podem detetar ( identificar) é comparativamente muito maior cerca de três vezes o comprimento de onda utilizado
Também é importante é a resposta direcional de um emissor ou receptor de som. Por exemplo para colimar um feixe de som em uma largura de 1 grau é necessário emissor de cerca de 60 lambdas (comprimento de onda) de comprimento. Para um comprimento de onda de 30 milímetros ( correspondente ao comprimento de onda de frequência 50 kHz) o tamanho do produtor de som terá de ser 1,8 metros .
Para se conseguir a melhor resolução possível e reduzir a atenuação de forma a se obter a melhor deteção conduz a um conflito, no que diz respeito ao comprimento de onda da energia acústica a ser usada.
A Fig. 5.9 mostra que a atenuação é muito dependente da frequência o que é bastante importante para se fazer a seleção das frequências para usos diferentes dos sistemas acústicos submarinos. Por exemplo, as perdas são da ordem de 3 % por km em frequências de 5 kHz . Para manter a atenuação em níveis mínimos a menor frequência deve ser usada. Entretanto para se obter a máxima resolução o uso da mais alta frequência é necessário. Há que haver um compromisso de forma a se ter uma maxima resolução e o melhor alcance. Para se obter uma boa resolução é necessária a mais alta frequência mas para se obter o melhor alcance é necessária a mais baixa frequência .
- O Uso da Energia Acústica nos Oceanos
As formas com a onda acústica é utilizada nas medições oceânicas podem ser separadas em três grandes categorias.
1 - Sistemas passivos. Esses sistemas se baseiam, em receptores - hidrofones- para ouvir os sons presentes no mar tais como os sons emitidos pelas baleias , peixes e artefatos submarinos. A análise dos espectro do produzido é então utilizada para identificar a origem dos sons produzidos .
2 - Sonar (Sound Navigation and Ranging). Se baseiam em um sinal acústico emitido e nas reflexões recebidas dos objetos dentro da água , por peixes ou talvez submarinos, ou mesmo pelo fundo oceânico. Quando as ondas acústicas são dirigidas verticalmente para o fundo do Oceano e retornam, o intervalo de tempo entre a emissão e a recepção do sinal pode ser posto em correspondência com a profundidade do local se (c ) é também conhecido a partir de medições diretas, ou através do perfil de temperatura e salinidade com a profundidade. Esse é o princípio de funcionamento do eco - sonda que é utilizado em todos os navios hoje em dia.
Um eco - sonda comercial pode ter uma abertura de 30 a 45 graus em relação a vertical em geral e chega a ter, em utilizações específicas, facilidades para a deteção de peixes e submarinos, ou levantamentos detalhados do fundo do mar, largura de faixa menores que 5 graus além de facilidades para dirigir o ramo de incidência .
Note que embora a Figura 5 .10 mostre os efeitos da temperatura salinidade e pressão na velocidade do som na água do mar , 1500 m / s, serem muito pequenos, mesmo essas pequenas mudanças em ( c) pode conduzir a erros apreciáveis nas medições da profundidade que podem ser aumentadas ainda se for utilizada uma baixa resolução na recepção do sinal .
Técnicas de eco - sondagem para determinação da profundidade para mapeamento do fundo do mar tem se tornado bastante sofisticada através do desenvolvimento de equipamentos de sonares rebocados tais como o SEABEAM um sistema de Eco-sondagem de múltiplos ramos que determina a profundidade da água, ao longo de uma faixa do fundo oceânico abaixo do navio, que faz o reboque produzindo detalhados mapas batimétricos.
Sistemas de amostragem lateral tais como o GLORIA ( Geological Long Range Inclined Asdic) o SeaMARC, produz o equivalente as fotografias aéreas, ou imagens através do uso do som, ao invés de ondas eletromagnéticas . Eco-sondagem é também bastante usada pelos navios pesqueiros porque os peixes também produzem ecos sonoros e cardumes de peixes ou outros animais podem ser identificados como camadas de espalhamento dentro da coluna de água. Fig.5.13.
A utilização militar do SONAR é bastante conhecida especialmente em guerra submarina e muitos animais marinhos tem mecanismos para a localização da presa, ou outros indivíduos do grupo como também para identificação e comunicação. Baleias e golfinhos são talvez bastante conhecidos por essa habilidade. Sabe-se que as Baleias se comunicam através de todos os oceanos utilizando o canal de som. Reconhece-se que os Golfinhos são capazes de desarmar e mesmo matar sua presa através de sinais de som muito energéticos e que a Lula e o Octopus desenvolveram uma proteção simples contra esse tipo iode ataque - eles não tem mecanismo de audição.
Impedância Acústica - é a medida do comportamento acústico de um material e determina a sua qualidade refletiva do sinal do radar.
A Impedância Z = d c
A Impedância acústica da água do mar é cerca de : 1,03 x 10 ao cubo kg por metro cúbico x 1500 metros por segundo = 1,55 x dez elevado a sexta potência kg por metro quadrado por segundo.
A reflexão da energia acústica pode ocorrer somente entre dois meios de diferentes Impedâncias acústica. Para a reflexão perpendicular a interface a refletividade R é dada por:
R = (Z1 - Z2)/ (Z1+Z2)
Onde Z1 e Z2 são as impedâncias acústicas dos dois materiais da interface.
A refletividade será zero para Z1 igual a Z2 e será maior quanto maior for a diferença Z1-Z2. A Tabela 5.1 dá valores típicos para ( c) Z e R para materiais conhecidos.
Tabela 5.1
3 -- Telemetria e Acompanhamento - Locais podem ser identificados e objetos podem ser acompanhados nos oceanos se eles forem equipados para transmitir sinais acústicos. Se emitem sinais no canal de som eles podem ser monitorados por hidrofones por milhares de quilômetros . Este é o princípio d tecnologia do Sofar ( SOund Fixing And Ranging_) desenvolvida consideravelmente durante a Segunda guerra mundial e é largamente usada para propósitos militares tais como a localização de submarinos aviões abatidos e navios afundados.
Os usos científicos incluem a localização de epicentros
de abalos submarinos e mapeamento de correntes sub - superficiais por meio
de flutuadores equipados com fontes acústicas. A densidade desses
flutuadores podem ser ajustadas a densidade da água à profundidade
desejada ( eles se afundam e permanecem naquela profundidade porque a sua
densidade é a mesma da água que os envolvem e derivam livremente,
acompanhando a corrente marinha naquela profundidade.
Além de acompanhar o movimento da água nessas correntes as transmissões a partir de flutuadores Sofar podem ser usadas para passar outras informações . Por exemplo se um sensor de temperatura pode ser utilizado para se medir a temperatura da água nessa profundidade.
A acurácia da posições de Sofar depende da confiança que se tem da velocidade do som , especialmente dentro do canal de som . As Figuras 5.10 e 5.11 podem ser tomadas como situações teóricas idealizadas . Na prática, fatores que incluem flutuações sazonais e outras flutuações de temperatura e salinidade no tempo no espaço, podem conduzir a variações na profundidade do canal de som bem com a perda dele.
Entretanto é importante ter em mente que ondas de som que vazam para fora do canal de som tendem a ser refletidas e refratadas para ele . Fig. 5.11. As perdas de energia no canal de som são as menores do oceanos e flutuadores Sofar funcionam melhor dentro dele, ou próximos a ele. Por essa razão a estrutura da velocidade do som num canal de som foi mapeada com detalhes nos oceanos , através de medições diretas e das equações 5.9 e muitos perfis de temperatura e salinidade que foram feitos até agora. A Figura 5.14 é uma secção que resultou de tal compilação
- Ruído Acústico
Quando os sinais acústicos estão sendo emitidos e seus reflexos ouvidos todos os outros sinais acústicos são considerados como ruídos acima do qual o sinal em atenção tem de ser ouvido. Isso é semelhante a forma através da qual a atmosfera pode apagar um sinal de radio fraco. A amplificação de uma sinal fraco para que seja ouvido simplesmente aumenta o sinal e o ruído que o acompanha, em adição reverberações (reflexões múltiplas pelas partículas na água bem como nos contornos oceânicos) podem ser tornar um problema sério.
Algum ruído em um sistema acústico pode ser causado por seu próprios circuitos elétricos o sistema elétrico do Navio oceanográfico; o Navio pode ser a fonte de ruído mecânico a partir dos motores e outros equipamentos.
Ruído ambiente no mar cai em duas categorias : físico e biológico. O ruído físico é na sua maior parte induzido pelo vento e cai na frequência audível, entre 10 a dez a Quarta potência. Ela inclui o som das ondas e das bolhas de ar , chuva gelo em movimento e sedimentos em transporte no fundo do mar. Ruído biológico é produzido por baleias e golfinhos pela atividade de alguns crustáceos , camarões e alguns peixes.
A maioria do ruído acústico produzido pelos animais marinhos
é em muito baixas frequências , menores que 500 Hz e maioria
dos detetores animais trabalham nesse faixa a parte lateral de muitos peixes
e bastante sensitiva a essa baixas frequências. Somente animais especializados
possuem sistema auditório podem usar o som para comunicação
- em alguns peixes de águas profundas os receptores são as
bexigas natatórias que são normalmente usadas para flutuação.
5.2.4 - OCEANOGRAFIA ACÚSTICA
Desde os anos 70 houve avanços consideráveis no usos da técnica acústica na investigação de inhomogeinidades de pequena duração na vertical e na horizontal entre as massas de água e nas massas de água, incluindo microestrutura, frentes oceânicas e outros fatores. Existem duas categorias de ação nessa forma de pesquisa.
- Medições de Atenuação
A Figura 5.9 mostra que em baixas frequências a causa principal da atenuação do som na maioria dos casos e a inhomogeneidade da coluna de água. Massas diferentes de massas de água tem padrões diferentes de inhomogeneidade . À medida que T e S e outras propriedades mudam de uma massa de água para outra da mesma forma o grau de atenuação. As transmissões de som de baixa frequência de longo alcance, fornece meios adicionais para identificar os contornos de massas de água diferentes.
Nas medições de longo alcance a atenuação é bastante dependente da freqüência ; quanto mais baixa a freqüência maior é o alcance
- Tomografia Acústica .
O propósito maior desta técnica é a de identificar e monitorar o progresso do que é conhecido como sistemas de vórtices de meso escala. Esses vórtices de meso escala tem a mesma relação com as massas de água, Seção 4, que as depressões e anticiclones atmosféricos tem com as massas de ar. Os vórtices oceânicos , contudo, são em tamanho cerca de 10 vezes menores.
A existência desses vórtices de meso escala não eram conhecidos até meados de 1960 e só foram encontrados na década de 70 e portanto esse ramo de ciência é relativamente novo. Os vórtices tem escalas de comprimento da ordem de 100 km e escala de tempo - tempo de vida - de cerca de vários meses. Eles são difíceis de serem medidos e acompanhar, usando os métodos conhecido para medição de T e S bem como as correntes marinhas.
O método de tomografia acústica é simples em sua concepção mas o método computacional é bastante complexo . O método se baseia no fato de que vórtices individuais tem temperaturas diferentes das água ao seu redor - existem vórtices quentes e frios . Segue-se que a velocidade do som variará ao atravessá-los e podem ser detados por um transmissor de som e receptor convenientemente colocado transversalmente a sua passagem.
Uma queda em temperatura causa um decréscimo na velocidade de som e dessa forma o tempo de percurso irá aumentar. Em medições típicas, um conjunto de fontes e receptores de som é usado para monitorar um "volume" do oceano que pode ter entre 300 a 1000 km de largura . Fig. 5.15a
Pulsos acústicos são emitidos a cada poucos segundos na frequência de cerca de 250 Hz e os tempos de percurso - cerca de 11 minutos em 1000 km - são medidos entre cada par emissor/receptor. O conjunto de dados é enorme e a análise requer o uso de grandes computadores. A Fig. 5.15 b mostra um conjunto de trajetórias de som correspondente a um par fonte/receptor e dá uma idéia do grau de dificuldade e complexidade que tem de ser resolvida antes que de mapear a passagem de um desse sistemas de vórtices
Medições convencionais montadas a bordo de Navios de pesquisas de temperatura e medições de correntes são também feitas na área de interesse. Tempos de percurso são afetados não somente pelas propriedades da água através da qual o som se propaga , mas também pelas correntes que transportam essa água. Claramente sons que se propagam com a corrente terão velocidades aumentadas pelas correntes - os tempos de percursos serão menores- e os que se propagam contra a direção da corrente terão suas velocidades diminuídas - os tempos de percurso serão aumentados -.
Os oceanógrafos físicos usam todos esses instrumentos juntamente com dados acústicos para fazer modelos matemáticos da estrutura de temperatura da região em estudo. È um processo iterativo que se baseia no que se conhece como teoria inversa. Os modelos teóricos são comparados com medições reais por aproximações sucessivas até alcançar o melhor ajuste entre os dados do modelo e a medições realizadas.
A Fig. 5.16 mostra resultados de um resultado de medições realizadas em 1981 mostrando como a tomografia acústica foi combinada coma as medições feitas a bordo de Navio oceanográffico. Tanto os instrumentos e a técnica de computação estão sendo melhoradas continuamente possibilitando a mais completa e rigorosa análise dos dados para se construir mapas mais detalhados da circulação de meso escala oceânica.
Um conjunto de medições no mar da Groelândia começou em 1980 para se fazer a deteção e monitoramento de massas de água de grande profundidade. Embora elas não sejam propriedades intrínsecas da água do mar o comportamento da luz e do som nos oceanos tem enormes implicações práticas e para se entender isso propriamente se requer um conhecimento das propriedades intrínsecas.