マイクロバロム

音響学において、「海の声」とも呼ばれるマイクロバロム^{[ 1 ] [ 2 ]}は、海洋嵐^{[ 3 ] [ 4 ]}において海洋表面波と大気との非線形相互作用によって発生する大気超低周波波の一種である^{[ 5 ] [ 6 ]} 。通常、マイクロバロムは狭帯域でほぼ正弦波状の波形を持ち^{、振幅は数マイクロバールまで[} 7 ] [ 8 ] 、周期^{は5秒（0.2}ヘルツ）に近い[ 9][10]。^{これらの低周波数では}大気による吸収が少ないため、マイクロバロムは大気中を数千キロメートル伝播することができ、地球表面上の離れた場所にある機器でも容易に検出できる^{[ 5 ] [ 11 ] 。}

この現象が発見されたきっかけは偶然だった。海洋水文気象観測所や船舶で活動する気象学者たちが、標準的な気象観測プローブ（水素ガスを充填した気球）の表面に近づくと人が感じる奇妙な痛みに気づいたのだ。ある探査の際、主任気象学者のV・A・ベレズキンが、ソ連のアカデミー会員であるV・V・シュレイキンにこの現象を実演した。この現象は科学者たちの間で大きな関心を集め、研究のために、人間の耳には聞こえない強力な低周波振動を記録する特殊な装置が開発された。

一連の実験の結果、この現象の物理的本質が明らかになり、1935 年に VV Shuleikin が「海の声」の超低周波特性に特化した最初の研究を発表しました。マイクロバロムは、1939 年に米国で初めて記述されました。カリフォルニア工科大学パサデナ校の米国人地震学者Hugo BenioffとBeno Gutenberg が、低周波スピーカーが上部に取り付けられた木箱からなる電磁マイクロバログラフ^{[ 11 ]}の観測に基づいて記述しました。^{[ 12 ]}彼らは、地震計で観測された微小地震 との類似性に注目し^{[ 9 ]}、これらの信号は北東太平洋の低気圧システムの結果であると正しく仮説を立てました。^{[ 11 ]} 1945 年に、スイスの地球科学者 L. Saxer が、海洋嵐の波高とマイクロバロム振幅とのマイクロバロムの最初の関係を示しました。^{[ 9 ]} MS Longuet-Higgins による微小地震の理論に続いて、Eric S. Posmentier は、定常波が現れる海洋表面上の空気の重心の振動が微小気圧の源であると提案し、観測された微小気圧の周波数が海洋波の周波数の 2 倍になることを説明しました。 ^{[ 13 ]}微小気圧は現在、二次微小地震 を引き起こすのと同じメカニズムによって生成されると理解されています。微小気圧の発生に関する最初の定量的に正しい理論はLM Brekhovskikhによるもので、海洋の微小地震の発生源が大気と結合していることを示しました。これにより、音響エネルギーの大部分が海面付近で水平方向に伝播することが説明されます。^{[ 14 ]}

孤立した海洋表面重力波は、エバネッセント音波のみを放射し、 ^{[ 7 ]} マイクロバロムを生成しません。^{[ 15 ]}

周波数と方向が異なる2つの表面波列が相互作用することで、波群が生成されます。ほぼ同じ方向に伝播する波の場合、これは通常、波群速度で伝播する波の集合体となります。この波群速度は、水波の位相速度よりも遅くなります。周期が約10秒の典型的な海洋波の場合、この波群速度は10m/sに近い値になります 。

伝播方向が逆の場合、波群ははるかに速い速度で移動し、その速度は 2π( f ₁ + f ₂ )/( k ₁ − k ₂ ) となります。ここでk ₁とk ₂は相互作用する水波の波数です。周波数（したがって波数）の差が非常に小さい波列の場合、この波群のパターンは音波と同じ水平速度、つまり 300  m/s を超える速度を持ち、マイクロバロムを励起する可能性があります。

地震波と音波に関しては、深海における海洋波の運動は、主要な項では、海面にかかる圧力に等しい。^{[ 16 ]}この圧力は、水の密度と波の軌道速度の二乗にほぼ等しい。この二乗のため、重要なのは個々の波列の振幅（図中の赤と黒の線）ではなく、波群の合計の振幅（図中の青の線）である。この「等価圧力」によって生成された海洋運動は、その後大気に伝達される。

波群が音速よりも速く伝播する場合、マイクロバロムが発生し、伝播方向は速い波群ほど垂直方向に近くなる。

実際の海洋波は、あらゆる方向と周波数の無数の波列から構成されており、広範囲の音波を生じます。実際には、海洋から大気への伝播は、水平面から約0.5度の角度で最も強くなります。ほぼ垂直方向への伝播の場合、微小地震と同様に、水深が増幅の役割を果たすことがあります。

水深は、海面における垂直方向から12°以内の伝播方向を持つ音波に対してのみ重要である^{[ 17 ]。}

反対方向に伝播するエネルギーは常に存在します。ただし、そのエネルギーは極めて低い場合があります。 大きなマイクロバロムの発生は、同じ周波数で反対方向に大きなエネルギーが存在する場合にのみ発生します。 これは、異なる嵐からの波が相互作用する場合、または嵐の風下側で、 必要な定常波条件を生成する場合に最も強くなります^{[ 18 ] [ 19 ]}。これはクラポティスとも呼ばれます^{[ 15 ] 。 [ 20 ]}海洋嵐が熱帯低気圧の場合、マイクロバロムは風速が最大となる眼壁付近では発生せず、嵐の後縁で嵐によって生成された波が周囲の海洋うねりと相互作用することによって発生します^{[ 21 ]}。

マイクロバロムは、2 つの嵐の間に発生する定常波によっても発生する可能性があり、^{[ 18 ]}あるいは、海洋のうねりが海岸で反射されるときにも発生する可能性があります。周期が約 10 秒の波は外洋に豊富に存在し、 マイクロバロムの観測された 0.2 Hz の超低周波スペクトル ピークに対応します。これは、マイクロバロムが個々の海洋波の 2 倍の周波数を示すためです。^{[ 18 ]}研究では、非線形項を考慮した場合にのみ、結合によって伝播する大気波が発生することが示されています。^{[ 9 ]}

マイクロバロムは、一般的に0.1～0.5Hzの持続的な低レベルの大気超低周波音の一種であり、コヒーレントなエネルギーバーストまたは連続的な振動として検出されることがある。^{[ 22 ] [ 11 ]}マイクロバロム発生源からの平面波の到達を、間隔の狭いマイクロバログラフのフェーズドアレイから解析すると、発生源の方位角は、発生源の嵐の低圧中心を指していることがわかった。^{[ 23 ]}同じ発生源から複数の離れた地点で波が受信された場合、三角測量によって、発生源が海洋嵐の中心付近にあることが確認できる。^{[ 4 ]} 

下部熱圏まで伝播するマイクロバロムは、大気導波路を通って運ばれるか、^{[ 24 ]} 120 km未満および 150 km 以上の高度から地表に向かって屈折して戻るか、^{[ 18 ] [ 25 ]} または110 ～ 140 km の高度で消散する。^{[ 26 ]}また、惑星境界層の影響と地表風によって 下部対流圏の地表付近に捕捉されるか、上層の風によって成層圏でダクトに運ばれ、屈折、回折、または散乱によって地表に戻る可能性がある。^{[ 27 ]} これらの対流圏および成層圏のダクトは、卓越風向に沿ってのみ生成され、^{[ 25 ]} 時間帯や季節によって変化する可能性があり、^{[ 27 ]} 上層の風が弱いときは音波を地表に戻さない。^{[ 18 ]}   

マイクロバロム光線の入射角によって、どの伝搬モードを経るかが決まります。天頂に向かって垂直に照射された光線は熱圏で減衰し、上層大気のその層では大きな加熱源となります。^{[ 26 ]}中緯度では、典型的な夏の条件下では、垂直方向から約30～60度の角度で照射された光線は、125  km以上の高度で反射され、そこで反射信号が最初に大きく減衰します。^{[ 28 ]} より浅い角度で照射された光線は、中緯度では地表 から約45 km上空の上部成層圏で反射されるか、 ^{[ 28 ]}低緯度で は60～70  kmで反射される可能性があります。^{[ 18 ]}

大気科学者は、マイクロバロムを使用して上層大気の逆リモートセンシングにこれらの効果を利用してきました。 ^{[ 24 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]} 音速が水平方向ではなく垂直方向にのみ変化するという仮定が有効である限り、表面で反射されたマイクロバロム信号のトレース速度を測定すると、反射高度での伝播速度が得られます。^{[ 28 ]}反射高度での温度を十分な精度で推定できれば、音速を決定してトレース速度から差し引くことで、上層の風速が得られます。^{[ 28 ]}この方法の利点の 1 つは、連続的に測定できることです 。瞬間的な測定しかできない他の方法では、短期的な影響によって結果が歪む可能性があります。^{[ 8 ]}

震源の強度が分かっている場合、マイクロバロムの振幅から追加の大気情報を推測できます。マイクロバロムは、海洋表面から大気を通して上向きに伝わるエネルギーによって生成されます。下向きに伝わるエネルギーは海洋を通して海底に伝わり、そこで地殻と結合して同じ周波数スペクトルを持つ微小地震として伝わります。^{[ 8 ]}ただし、ほぼ垂直な光線が地表に戻らないマイクロバロムとは異なり、海洋内のほぼ垂直な光線のみが海底と結合します。^{[ 27 ]}地震計を使用して同じ震源から受信した微小地震の振幅を監視することで、震源の振幅に関する情報を導き出すことができます。固体地球は固定された基準フレームを提供するので、^{[ 32 ]} 震源からの微小地震の伝播時間は一定であり、これにより、移動する大気を通過するマイクロバロムの変動する伝播時間を制御できます。^{[ 8 ]}

マイクロバロムは、核爆発による超低周波音の検出を妨げる可能性のある重要なノイズ源です。爆発の正確な検出は、包括的核実験禁止条約（まだ発効していない）の下で組織された国際監視システムの目標です。^{[ 33 ]}周波数スペクトルが重なるため、 1キロトン級の低出力実験の検出には特に問題があります。 ^{[ 11 ]}

• 微震

• Benioff H.; Gutenberg B. (1939). "電磁気圧計で記録された波と流れ" . Bull. Am. Meteorol. Soc . 20 (10): 421. Bibcode : 1939BAMS...20..421B . doi : 10.1175/1520-0477-20.10.421 .
• Saxer, L. (1945). 「小さな大気圧振動の電気的測定」Helv. Phys. Acta . 18 : 527– 550.
• Donn, WL; Naini, B. (1973). "海波による微小気圧と微小地震の発生". J. Geophys. Res . 78 (21): 4482–4488 . Bibcode : 1973JGR....78.4482D . doi : 10.1029/JC078i021p04482 .