Вдоль побережья волны разбиваются с привычным звуком. Мягкое шуршание прибоя на берегу может убаюкать нас, а удары штормовых волн предупреждают о необходимости искать укрытие.
Однако это лишь часть звуков, исходящих от побережья. Большая часть акустической энергии прибоя имеет слишком низкую частоту, чтобы мы могли её услышать. Она распространяется по воздуху в виде инфразвука, а по земле — в виде сейсмических волн.
Учёные из Университета Калифорнии в Санта-Барбаре (UCSB) недавно охарактеризовали эти низкочастотные сигналы для отслеживания разбивающихся океанских волн.
В исследовании, опубликованном в Geophysical Journal International, они смогли определить акустические и сейсмические сигнатуры разбивающихся волн и определить, откуда эти сигналы исходят вдоль побережья. Команда надеется развить этот метод для мониторинга морских условий с использованием акустических и сейсмических данных.
Прибой производит инфразвук и сейсмические волны в дополнение к звуку более высокой частоты, который мы слышим на пляже. Точный механизм этого процесса до сих пор остаётся открытым вопросом, но учёные считают, что он связан с воздухом, который смешивается с разбивающейся волной.
«Все эти пузырьки колеблются из-за нестабильности давления, расширяясь и сокращаясь практически синхронно», — сказал первый автор Джереми Франкуэр, бывший аспирант в группе профессора Робина Матоз. Это генерирует акустический сигнал, который передаётся в воздух у поверхности моря и в землю на морском дне.
Волны давления ниже 20 герц (Гц) всё ещё являются обычными акустическими волнами примерно до 0,01 Гц, но их частота, или «высота тона», слишком низкая для восприятия человеком. «Эти скрытые звуки атмосферы Земли производятся многочисленными природными и антропогенными источниками», — объяснил старший автор Матоза, геофизик из Департамента наук о Земле UCSB.
Эти источники включают вулканы, землетрясения и оползни; океанские штормы, ураганы и торнадо; даже полярные сияния и ветер, дующий над горами. Понимание типа сигналов, генерируемых каждым явлением, может предоставить массу информации об этих событиях.
Работая на приморском кампусе UCSB, Матоза и его студенты задались вопросом, что их сейсмоакустические методы могут рассказать им о прибое, разбивающемся вдоль побережья.
Франкуэр развернул массив датчиков на вершине мыса в заповеднике Coal Oil Point Reserve, входящем в систему природных заповедников Калифорнийского университета, чтобы записать инфразвук и сейсмические волны, создаваемые прибоем. Он сопоставил эти данные с видеозаписями пляжа, чтобы определить, какие сигналы соответствуют разбивающейся волне.
Многие исследования инфразвука использовали только один датчик. Развёртывание массива предоставило команде гораздо больше информации. Обрушение волны действовало как щелчок хлопушки на голливудской съёмочной площадке, позволяя Франкуэру синхронизировать видео и инфразвуковые каналы друг с другом. Это позволило им лучше идентифицировать конкретный сигнал от разбивающихся волн, поскольку они могли соотнести отснятые кадры с импульсами инфразвука. Затем они искали ту же сигнатуру в более длинном архиве инфразвуковых данных, которые они записали в Coal Oil Point.
Сигнал от прибоя был довольно чётким на данных. Он поступал на датчики в виде повторяющихся импульсов от 1 до 5 Гц.
Учёные обнаружили, что амплитуда инфразвука коррелирует со значительной высотой волны, которая представляет собой высоту волн на открытом океане. «Но корреляция между тем, что мы видели на видеоданных, по сравнению с тем, что мы видели акустически и сейсмически, была намного сложнее, чем мы изначально себе представляли», — сказал Матоза.
Франкуэр также смог использовать массив для триангуляции происхождения сигналов по небольшим различиям во времени их поступления — метод, называемый обратной временной миграцией.
«Мне было интересно, что все направления, казалось, совпадали с одним и тем же регионом пляжа», — сказал он. «Скалистый шельф в Coal Oil Point».
Авторы подозревают, что батиметрия точки заставляет большую часть волн разбиваться одновременно, создавая синхронизированные колебания пузырьков.
Исследователи хотят знать, является ли характерным для одного участка пляжа производство большей части инфразвука, как они наблюдали в этом исследовании. Они также хотят знать, являются ли сигналы, которые они обнаружили, типичными для разбивающегося прибоя.
«Есть ли у волны здесь такой же инфразвуковой сигнал, как, скажем, у волны на Таити? — спросил Франкуэр. — И как меняются приливы, ветры и условия, как это влияет на производимый инфразвук?»
Матоза продолжит исследовать эти вопросы со своей лабораторией. «Наличие этого полигона очень близко к кампусу было действительно прекрасной возможностью, потому что мы много раз пробовали и ошибались, пытаясь выяснить хорошую геометрию массива», — сказал он. «Близость означала, что мы могли быстро развернуть его».
Это также помогает начинающим учёным в их карьере. «Они могут принять участие во всём геофизическом рабочем процессе — от сбора данных в полевых условиях, развёртывания приборов, анализа данных, проверки гипотез и написания статьи. И мы можем сделать это всё в Голете», — сказал Матоза.
Он надеется в конечном итоге разработать способ характеризовать условия прибоя исключительно на основе инфразвуковых и сейсмических сигнатур. Это может дополнить системы видеомониторинга, которые могут быть ограничены темнотой и туманом.
Предоставлено Университетом Калифорнии в Санта-Барбаре.