SOFARチャンネル

SOFARチャンネル（ sound fixing and rangeing channelの略）または深海音響チャンネル（DSC）^[1]は、音速が最小となる深さの海洋の水平な水層である。SOFARチャンネルは音の導波管として機能し、チャンネル内の低周波音波は消散するまでに数千マイルも移動することがある。一例として、インド洋南部（アフリカ、オーストラリア、南極の間）にあるハード島沖で米海軍がチャーターした海洋監視船コリー・シューストが生成したコード化信号が、5つの主要な海洋盆地の一部と北大西洋や北太平洋まで離れた場所に設置された水中聴音機で受信されたことがある。^{[2] [3] [4] [注 1]}

この現象は海洋監視において重要な要素である。^{[5] [6] [7]}深海音響チャンネルは、1940年代にコロンビア大学 のモーリス・ユーイングとJ・ラマー・ウォーゼル 、およびレベデフ物理学研究所のレオニード・ブレホフスキーによって独立して発見され、記述された。 ^{[8] [9]} 1944年にこの概念をテストするために、ユーイングとウォーゼルは、水中音響研究所に割り当てられた帆船サルーダに水中聴音機を吊り下げ、2隻目の船が最大900海里（1,000マイル、1,700km）離れた場所まで爆薬を爆発させた。^{[10] [11]}

温度は、海洋における音速を決定する主な要因です。温度が高い場所 (例: 海面近く) では、音速が速くなります。温度は深さとともに低下し、それに応じて音速も低下しますが、温度が安定して圧力が主な要因になります。SOFAR チャネルの軸は、圧力が温度を支配し始め、音速が増加する深さで音速が最小となる点にあります。この点は、サーモクラインの最下部、深部等温層の最上部にあるため、季節によって多少の変動があります。特に上部混合層には他の音響ダクトが存在しますが、音線経路は表面または底部での反射によりエネルギーを失います。SOFAR チャネルでは、特に低周波がダクト内に屈折して戻るため、エネルギー損失は小さく、音は数千マイルも伝わります。^{[9] [12] [13]}ハード島実現可能性試験のデータを、アセンション島 ミサイル衝突位置特定システムの水中聴音機が発信源から9,200km（5,700マイル、5,000海里）の中距離で受信した分析では、約1時間44分17秒の移動時間後に、19～30dBの「驚くほど高い」信号対雑音比と、予想外の位相安定性および振幅変動が見られました。^[3]

ダクト内では、音波は SOFAR チャネル軸を横切って振動する経路をたどります。そのため、単一の信号が複数の到着時間を持ち、複数のパルスの特徴がはっきりと定義された終端で最高潮に達します。^{[10] [注 2]}軸に近い到着経路を表すこのはっきりと定義された終端は、SOFAR フィナーレと呼ばれることもあり、それより前のものは SOFAR シンフォニーと呼ばれます。^{[14] [15]}これらの効果は、表面と臨界深度の間に音波経路が含まれる、より大きな音響チャネルによるものです。^{[注 3]}臨界深度は、音速最小軸の下の点で、音速が軸より上の最大速度に等しくなるまで増加します。底が臨界深度より上にある場合、音は減衰し、表面または底と交差する音波経路も同様です。^{[16] [17] [18] [注 4]}

音響チャンネル軸は、その位置が地表に到達して高緯度（約 60°N 以上または 60°S 以下）で消えるときに最も変化しますが、音はその後表面ダクトを伝わります。海軍海洋システムセンターによる 1980 年の報告書では、オーストラリアのパースとバミューダの間の大圏音響経路の研究で、経路に沿った 8 か所のデータの例が示されています。パースとバミューダの両方で、音響チャンネル軸は深さ約 1,200 m（3,937 フィート）で発生します。経路が南緯 52 度で南極収束線と交わる場所には深い音響チャンネルはありませんが、深さ 30 m（98 フィート）の表面ダクトと 200 m（656 フィート）の浅い音響チャンネルがあります。経路が北に曲がると、南緯 43 度、東経 16 度の観測所では、800 m（2,625 フィート）でプロファイルが SOFAR タイプに戻ることが示されました。^{[19] [20]}

最初の実用的なアプリケーションは、第二次世界大戦中にアメリカ海軍が、撃墜されたパイロットの遭難信号として使用されたSOFAR爆弾の爆発位置を特定する機能の実験と実装を開始したときに開発が始まりました。未知の場所と既知の場所への音源の到着時間の差により、音源の大まかな位置を計算することができました。^{[10]到着時間は、} LORANに似た双曲線の位置を形成します。逆に、未知の地点で既知の海岸位置からの時間指定信号を検出することで、その地点の位置を計算することができました。この技術は、SOFARを逆から読んでRAFOSと名付けられました。RAFOSは、1962年版のThe American Practical Navigatorで双曲線ナビゲーションシステムの1つとして定義されています。^{[10] [21] [22]}

初期のアプリケーションでは、固定された陸上ステーションに依存しており、SOFARステーションと呼ばれることが多かった。パースからバミューダへの実験に使用されたバミューダSOFARステーションのように、いくつかは音響研究施設になった。 ^{[19] [20]}バミューダステーションの記録は、ウッズホール海洋研究所（WHOI）によって管理されている。^[23]最近では、SOFARソースがRAFOSアプリケーションの特別な目的のために配備された。そのようなシステムの1つは、ケープハッテラス沖、バミューダ沖、および海山に係留された海底ソースを配置し、1日に3回、正確にタイミングを合わせた信号を送信して、約5キロメートル（3.1マイル、2.7海里）の精度を提供した。^[24]

最初の用途は、撃墜された航空機乗組員の位置を特定する以外の理由で、すぐに海軍の強い関心を引くものとなった。1949年の海軍の決定により、1950年までにSOFARチャンネルのパッシブソナーの可能性を海軍の対潜水艦戦（ASW）活動に活用することを推奨する研究が行われた。この推奨には、システムの研究開発に年間1,000万ドルを費やすことが含まれていた。1951年までにテストアレイでコンセプトが実証され、1952年までに大西洋に追加ステーションが発注された。SOFARチャンネルの最初の主要な活用は、音響監視システム（SOSUS）につながる機密プログラムでの海洋監視であった。このシステムは、固定システムが移動アレイによって増強されて統合海中監視システムになるまで、当初から機密扱いだったが、1991年にシステムの使命と性質が機密解除された。^{[7] [25] [注 5]}

1991年に米国海洋大気庁の太平洋海洋環境研究所（PMEL）に民間人の限定的なアクセスが許可されて以来、SOSUSを使用した地震監視により、陸上のセンサーよりも正確に位置を特定し、沖合の地震の数が10倍も増加していることが明らかになった。SOSUSの検出は、マグニチュード4ではなくマグニチュード2程度の地震を感知できた。このシステムは、研究船が調査するのに合わせて、ファン・デ・フカ海嶺の海底拡大とマグマの発生を検出した。この成功の結果、PMELは独自の水中聴音機を開発し、世界中に配備し、フロートとアンカーシステムでSOFAR海峡に吊り下げられるようにした。^[26]

• 包括的核実験禁止条約機構（CTBTO） - 国際監視システム（IMS）^[27]
• ミサイル着弾位置特定システム（MILS）：試験ミサイルのノーズコーンの着弾位置と位置を特定するシステム^[5]
• 海洋音響トモグラフィー：離れた2つの機器間の音の時間遅延によって海洋温度と海流を測定する技術
• モーグル計画は、上層大気に同様のチャネルが存在するという推測に基づいている。
• マレーシア航空370便の捜索：SOFARチャンネルで運ばれた音を分析し、南インド洋で行方不明になった旅客機の海上衝突の可能性を検出したかどうかを判断した。

ナガスクジラ（Balaenoptera physalus ）が出すとされる謎の低周波音は、この海峡でよく見られる。科学者たちは、ナガスクジラがこの海峡まで潜り、何キロも離れた他のナガスクジラとコミュニケーションをとるために鳴いているのではないかと考えている。^[28]

小説『レッド・オクトーバーを追え』では、潜水艦探知における SOFAR チャネルの使用について描かれています。

• 水深温度計
• RAFOSフロート
• ソファー爆弾
• 音響監視システム（SOSUS）
• 水中音響

• NOAAのSOFARまたは深海音響チャンネル
• 海底地震の研究に音はどのように利用されているのでしょうか? (アリューシャン列島付近に設置された水中マイクで録音された、2011 年 3 月 11 日の本州地震の記録)
• 米国科学アカデミーによる健全なパイプライン
• エドワード・C・ホイットマン著「SOSUS、水中監視の「秘密兵器」」海中戦争
• リチャード・ミュラー、カリフォルニア大学バークレー校 – 波、SOFAR、ロズウェルUFO事件に関する講義