海洋音響トモグラフィー

海洋音響トモグラフィーは、海洋の広範囲にわたる温度と海流を測定するために使用される技術です。^{[ 1 ] [ 2 ]}海洋盆地規模では、この技術は音響温度測定としても知られています。この技術は、 100～5,000キロメートル（54～2,700海里）離れた 2つの機器（音源と受信機）間で音信号が伝わる時間を正確に測定することに基づいています。機器の位置が正確にわかっている場合、飛行時間の測定を使用して、音響経路全体で平均化された音速を推定できます。音速の変化は主に海洋の温度の変化によって引き起こされるため、伝搬時間の測定は温度の測定に相当します。1 ℃ （1.8 °F）の温度変化は、音速の約4メートル/秒（13フィート/秒）の変化に相当します。トモグラフィーを用いた海洋観測実験では、通常、係留された複数の送信機と受信機のペアを用いて、ある海域を測定する。    

海水は電気伝導体であるため、海洋は電磁エネルギー（光やレーダーなど）に対して不透明です。しかし、海洋は低周波の音響に対してはかなり透明です。海洋は音を非常に効率的に伝導し、特に数百ヘルツ以下の低周波の音を伝導します。^{[ 3 ]} これらの特性から、ウォルター・ムンクとカール・ヴンシュ^{[ 4 ] [ 5 ]}は1970年代後半に海洋測定に「音響トモグラフィー」を提案しました。温度測定に音響アプローチを用いる利点は2つあります。1つ目は、海洋内部の広い範囲をリモートセンシングで測定できることです。2つ目は、この技術は海洋変動を支配する温度の小規模な変動（つまりノイズ）を自然に平均化できることです。

音響による海洋観測という概念は、当初から、最新の数値海洋モデルを用いた海洋状態の推定と、数値モデルへのデータ同化技術と結びついていました。観測技術が成熟するにつれて、データ同化の手法と、それらの計算を実行するために必要な計算能力も向上してきました。

トモグラフィーの興味深い点の1つは、音響信号が一般的に安定した一連の光線経路に沿って伝わるという事実を利用していることです。送信された単一の音響信号から、この一連の光線によって受信機に複数の到達波が生じ、それぞれの到達波の伝搬時間は特定の光線経路に対応します。最も早く到達する波は、音速が最大となる深部を伝わる光線に対応します。光線経路はコンピュータを使用して容易に計算でき（「光線追跡」）、各光線経路は一般的に特定の伝搬時間と関連付けられます。複数の伝搬時間は、複数の音響経路それぞれにおける平均音速を測定します。これらの測定値により、深度に応じた温度や電流の変化の構造を推測することが可能になります。音響伝搬時間から音速、ひいては温度を求める解は、逆問題です。

海洋音響トモグラフィーは、広範囲にわたる温度変化を統合します。つまり、測定された伝搬時間は、音響経路に沿ったすべての温度変化の累積効果によって生じるため、この手法による測定は本質的に平均化されます。これは重要な独自の特性です。なぜなら、海洋に遍在する小規模な乱流や内部波の特徴は、通常、単一点での測定信号を支配するからです。例えば、温度計（係留式サーミスタやアルゴ漂流フロートなど）による測定では、この1～2℃のノイズに対処する必要がある ため、平均温度を正確に測定するには多数の機器が必要になります。したがって、海洋盆地の平均温度を測定するには、音響測定は非常に費用対効果が高いと言えます。トモグラフィー測定では、光線経路が水柱全体を循環するため、深度方向の変動も平均化されます。

「相互トモグラフィー」は、2つの音響送受信機間での同時送信を利用します。「送受信機」とは、音源と受信機の両方を内蔵した装置です。相互に伝搬する信号間の伝搬時間のわずかな差は、海流を測定するために利用されます。これは、相互信号が海流と同じ方向と逆方向に伝搬するためです。これらの相互伝搬時間の平均が温度の指標となり、海流によるわずかな影響は完全に除去されます。海水温は相互伝搬時間の合計から推定され、海流は相互伝搬時間の差から推定されます。一般的に、海流（通常10 cm/s（3.9 in/s））は音速の変化（通常5 m/s（16 ft/s））よりも伝搬時間への影響がはるかに小さいため、「片方向」トモグラフィーでも温度をかなり正確に測定できます。    

海洋では、数分（内部波）から数十年（海洋気候変動）までの時間間隔で大規模な温度変化が発生することがあります。トモグラフィーは、この広範囲の時間スケールと広範囲の空間スケールにわたる変動を測定するために使用されてきました。実際、トモグラフィーは、対蹠点距離を越えた伝送を使用して海洋気候を測定する方法として検討されてきました。^{[ 3 ]}

トモグラフィーは、長距離音響伝搬の特性を利用して平均海洋温度や海流の概観測定を行う、海洋観測の貴重な手法となっています。 ^{[ 6 ]}海洋観測におけるトモグラフィーの初期の応用例の1つは、1988年から1989年にかけて行われました。スクリップス海洋研究所とウッズホール海洋研究所のグループ間の共同研究により、グリーンランド海環流の深海平原に6素子のトモグラフィーアレイが設置され、深層水の形成と環流の循環が研究されました。 ^{[ 7 ] [ 8 ]} その他の応用例としては、海洋潮汐の測定^{[ 9 ] [ 10 ]} 、トモグラフィー、衛星高度計、現場データと海洋力学モデルを組み合わせることによる海洋中規模力学の推定などがあります。^{[ 11 ]} 北太平洋で得られた10年間にわたる測定に加えて、音響温度測定法は北極海の海盆の上層の温度変化を測定するために使用されており、^{[ 12 ]}これは引き続き活発な関心を集めている分野である。^{[ 13 ]} 音響温度測定法は、最近では地球の一端から他端に送られた音響パルスのデータを使用して、地球規模の海洋温度の変化を決定するためにも使用されている。^{[ 14 ] [ 15 ]}

音響温度測定は、海盆を横断する音響伝送を用いて世界の海洋盆地、特に海洋気候を観測するアイデアである。「トモグラフィー」ではなく「温度測定」という用語が、海盆規模または地球規模の測定を示すために使用されている。北太平洋海盆および北極海盆全体で温度のプロトタイプ測定が行われている。^{[ 1 ]}

1983年から、ウッズホール海洋研究所のジョン・スピーズバーガーとミシガン大学のテッド・バーズオールとカート・メッツガーは、音波を利用して海洋の大規模な温度に関する情報を推測し、特に海洋における地球温暖化の検出を試みた。このグループはオアフ島から音波を送信し、太平洋の縁に沿って 4,000 km (2,500 mi)の距離にわたって設置された約10台の受信機で記録した。^{[ 16 ] [ 17 ]} これらの実験により、温度変化を約20ミリ度の精度で測定できることが実証された。スピーズバーガーらは地球温暖化を検出できなかった。代わりに、エルニーニョなどの他の自然気候変動が、地球温暖化によって生じた可能性のあるより緩やかで小さな傾向を覆い隠す可能性のある、温度の大幅な変動の一因となっていることを発見した。^{[ 18 ]}  

音響海洋気候温度測定（ATOC）プログラムは、1996年から2006年秋まで北太平洋で音響送信を実施しました。測定は、合意された環境プロトコルが終了した時点で終了しました。10年間にわたる音響源の展開により、観測は控えめな予算でも持続可能であることが示されました。送信は、音響経路上の海洋温度を正確に測定し、その不確実性は他の海洋温度測定方法よりもはるかに小さいことが検証されています。^{[ 19 ] [ 20 ]}

繰り返し発生する地震は自然発生的な音源として作用し、音響温度測定にも利用されており、これは現在現場観測機器によるサンプリングが不十分な深海の温度変動を推測するのに特に役立つ可能性がある。^{[ 21 ]}

ATOCプロジェクトは、海洋哺乳類（クジラ、ネズミイルカ、アシカなど）に対する音響の影響に関する問題に巻き込まれました。^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}さまざまな分野（物理海洋学、音響学、海洋哺乳類生物学など）からの技術的な問題により、一般の議論は複雑化し、海洋哺乳類に対する音響の影響を理解することは専門家にとっても難しく、ましてや一般の人々にとってはなおさら困難でした。海洋における音響とその海洋哺乳類への影響に関する問題の多くは未知でした。最後に、当初は、空気中の音圧レベルと水中の音圧レベルの定義の混同など、さまざまな一般の誤解がありました。水中の特定のデシベル数を空気中のデシベルとして解釈すると、音圧レベルは実際よりも桁違いに大きく見えることになります。ある時点では、ATOCの音圧レベルは、信号が50万匹の動物を殺すほど大きいと誤って解釈されました。^{[ 25 ] [ 5 ]} 使用された音響出力は 250 W で、シロナガスクジラやナガスクジラが出す音に匹敵するが、これらのクジラははるかに低い周波数で鳴き声を発する。 ^{[ 24 ]}海は音を非常に効率的に伝えるため、音はそれほど大きくなくても海洋盆地を横断することができる。論争の他の要因としては、現在進行中の捕鯨紛争に端を発する海洋哺乳類に関する活動の長い歴史と、海洋哺乳類に対する一般大衆の同情が挙げられる。^{[ 25 ]}

この論争の結果、ATOCプログラムは、さまざまな海洋哺乳類に対する音響送信の影響に関する600万ドルの研究を実施しました。音源は水深約0.5マイルの海底に設置されていたため、水面にとどまる海洋哺乳類は通常、音源から0.5マイル以上離れていました。音源レベルは控えめで、大型クジラの音レベルよりも低く、デューティサイクルは2%（つまり、音は1日のうち2%しか鳴っていない）でした。^{[ 26 ]} 6年間の研究の後、この研究からの公式の正式な結論は、ATOC送信には「生物学的に重要な影響はない」というものでした。^{[ 24 ] [ 27 ] [ 28 ]}

海洋におけるその他の音響活動は、海洋哺乳類に関して言えば、それほど無害ではないかもしれない。地球物理調査のためのエアガンの発射音^{[ 29 ]}や、米海軍によるさまざまな目的での送信音^{[ 30 ]}など 、さまざまな種類の人工音が海洋哺乳類に対する潜在的な脅威として研究されてきた。実際の脅威は、騒音レベル以外にも、音の周波数、送信の頻度と持続時間、音響信号の性質（例えば、突然のパルスや符号化されたシーケンス）、音源の深さ、音源の指向性、水深と局所的な地形、残響など、さまざまな要因によって左右される。

トモグラフィー伝送は、30秒以上続く長い符号化信号（例えば「mシーケンス」）で構成されます。使用される周波数は50～1000Hz  、送信電力は測定の目的に応じて100～250Wの範囲です。GPSなどの高精度なタイミングを用いることで、伝搬時間を公称精度1ミリ秒で測定できます。これらの伝送は送信源付近では聞こえますが、数キロメートルを超えると信号は通常周囲の雑音レベルを下回るため、信号を復元するには高度なスペクトラム拡散信号処理技術が必要となります。

• 音響海洋学
• レイトレーシング
• SOFARチャンネル
• ソサス
• 音速
• TOPEX/ポセイドン衛星高度計
• 水中音響

• BD Dushaw、2013年。「海洋音響トモグラフィー」 、 EG Njoku編『リモートセンシング百科事典』、Springer、Springer-Verlag Berlin Heidelberg、2013年。ISBN 978-0-387-36698-2。
• W. Munk 、 P. Worcester、C. Wunsch (1995)『海洋音響トモグラフィー』ケンブリッジ：ケンブリッジ大学出版局。ISBN 0-521-47095-1。
• PF Worcester、2001：「トモグラフィー」、J. Steele、S. Thorpe、K. Turekian 編『海洋科学百科事典』 、Academic Press Ltd.、2969–2986。

• Rich Pawlowicz氏によるMatlab用海洋ツールボックス。
• 海洋音響研究所（OAL） - ウッズホール海洋研究所。
• 北太平洋音響研究所（NPAL） - スクリップス海洋研究所、カリフォルニア州ラホヤ。
• 海洋気候の音響温度測定- スクリップス海洋研究所、カリフォルニア州ラホヤ。
• 海洋音響学（DOSITS）は、海洋における音響に関する教育ウェブサイトです。
• 断層撮影に用いられる音響信号の音- DOSITSのウェブページ。
• 断層撮影用係留装置の1日- ワシントン大学、シアトル、ワシントン州。
• 海の秘密を探る- 米国科学アカデミー
• 音は海の秘密を測る- アメリカ音響学会
• 海洋気候の音響温度測定／海洋哺乳類研究プログラム コーネル大学鳥類学研究所、生物音響学研究プログラム