Wetenschappers van het U.S. Naval Research Laboratory hebben met ijs vastgemaakte akoestische boeien ontwikkeld om de akoestische en oceanografische omgeving in het veranderende Noordpoolgebied te bewaken. De boeien leveren cruciale oceanografische gegevens om de voorspellingsmogelijkheden van oceaan- en klimaatmodellen te verbeteren.

Deze boeien bevestigden de goede propagatietheorieën van de Arctische onderzoekers en zullen van maart 2020 tot maart 2021 theoretische studies in de Beaufortzee blijven begeleiden en valideren.

"Onze baan, live, doet de tomografie in de oceaan met boeien, " zei Altan Turgut, onderzoeksfysicus bij NRL. "Elke vier uur verwerken ze gegevens in de oceaanmodellen."

Oceaanakoestische tomografie is een techniek die geluidsgolven gebruikt om delen van oceaantemperatuur en stroming in beeld te brengen.

De boeien zijn een praktisch alternatief voor meer traditionele akoestische en oceanografische meettechnieken, omdat ze realtime monitoring en operationele capaciteit bieden. Aanvullend, ze maken akoestische communicatie en navigatie onder het ijs mogelijk voor mobiele platforms zoals oceaanglijders en autonome onderwatervoertuigen.

Turgut en zijn collega's begonnen in 2016 de effecten te onderzoeken van veranderende ijskarakteristieken op de sonarprestaties van de middenfrequentie in het moderne Noordpoolgebied. Middenfrequente sonars hebben een frequentiebereik dat vergelijkbaar is met de meest voorkomende vogelgezang.

De onderzoekers namen deel aan verschillende multi-institutionele Arctische expedities om de impact van veranderend zee-ijs op de sonarprestaties in de middenfrequentie te beoordelen.

Turgut en zijn team hebben verschillende door NRL gebouwde akoestische en omgevingsafmeerinstrumenten ingezet tijdens het multi-institutionele Canadian Basin Acoustic Prorogation Experiment (CANAPE) in de zeeën van Beaufort en Chukchi aan de noordoost- en noordwestkust van Alaska.

Twee bronligplaatsen zonden om de vier uur 40 minuten lang middenfrequentiesignalen uit en één Billboard Array registreerde akoestische gegevens tijdens het jarenlange experiment.

De Billboard Array is een akoestisch instrument uitgerust met 64 ontvangerelementen die in een verticaal vlak van 7 bij 4 meter liggen. Het onderscheidt en versterkt geluiden uit verschillende richtingen. De array leverde opmerkelijke akoestische gegevens op onder zowel seizoensgebonden oceanografische als zee-ijsomstandigheden.

"Resultaten van CANAPE toonden aan dat gunstige geluidstransmissies mogelijk zijn in een koude en zoetere waterlaag op 100 tot 200 meter diepte, "Zei Turgut. "De geluiden werden begrensd door warm zomerwater uit de Stille Oceaan van bovenaf en warm Atlantisch water van onderaf." De onderzoekers ontwikkelden ook het eerste wiskundige model om de voortplanting van geluid onder het ijs te simuleren en te voorspellen, de Arctische parabolische vergelijking.

"Dit model simuleert nauwkeurig de interactie van geluidsgolven met het zee-ijs, wat een uitdagend numeriek probleem was, " zei Michael Collins, NRL-wiskundige die de Arctische parabolische vergelijking heeft ontwikkeld.

Wetenschappelijk bewijs geeft aan dat het karakter van het Arctische zee-ijs voortdurend verandert. De huidige samenstelling van het zee-ijs is dunner, jonger en daalde met een snelheid van 13 procent in de zomer en drie procent in de winter per decennium.

"De interactie tussen de oceaan en de atmosfeer neemt toe en wordt vergelijkbaar met die op lagere breedtegraden met meer open oceaan en fragiele dunne ijscondities, zei Turgut. "Daarom, akoestische metingen van nieuwe ijssamenstelling en hydrografie in de buurt van het oppervlak zouden essentieel zijn voor nauwkeurige voorspellingen van oceaan- en klimaatmodellen in het noordpoolgebied."